Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems für die Charakterisierung von bestückten Leiterplatten

Abstract

In den letzten Jahren spielt der Umweltschutz eine immer wichtigere Rolle in der menschlichen Gesellschaft. Aufgrund des weltweit steigenden Abfallaufkommens und der Verknappung natürlicher Rohstoffquellen wird die moderne Gesellschaft gezwungen, nach ökologischen und ökonomischen Lösungen dieses Problems zu suchen. Als einzig mögliche Lösungsalternative dieses Problems hat sich das Recycling von technischen Gebrauchtgeräten herausgestellt. In diesem Zusammenhang ist der erste Schritt zu einem effizienten Recycling die Demontage von Produkten. Zur automatischen Chip-Entstückung von elektronischen Leiterplatten, was bisher ausschließlich manuell erfolgte, wurde im Rahmen eines EU-Projekts eine automatische Demontagezelle entwickelt. Ein wesentlicher Schwerpunkt des Projekts ist die Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems zur Erkennung und Lokalisierung der jeweiligen wertvollen und toxischen Komponenten. In dieser vorliegenden Arbeit soll aufbauend auf dem Stand der Technik ein universelles Bildverarbeitungssystem zur Identifizierung, Lokalisierung und Vermessung unterschiedlicher entstückungsrelevanter elektronischer Komponenten auf unterschiedlichen Leiterplatten entwickelt und in die automatische Demontagezelle implementiert werden. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit - in Kapitel 2. - werden die Grundlagen der Bildverarbeitung und der Stand der Technik in der industriellen Bildverarbeitung beschrieben. Im folgenden Kapitel wird kurz das Konzept der automatischen Demontagezelle für die Entstückung der elektronischen Komponenten vorgestellt. Um das Konzept des Bildverarbeitungssystems entwickeln zu können, müssen zuerst die Problemstellung und die grundsätzlichen Anforderungen an das Bildverarbeitungssystem definiert werden. In Kapitel 4. wird die Problemstellung mit den grundsätzlichen Anforderungen, sowie das entwickelte Konzept des Bildverarbeitungssystems der Demontagezelle beschrieben. Die Hauptarbeit besteht in der Umsetzung dieses Konzepts in ein funktionsfähiges Bildverarbeitungssystem. Die Gestaltung der Kamera und der Beleuchtung bezüglich der aufgenommenen Szene sowie die richtige Auswahl dieser und anderer Bildverarbeitungskomponenten spielen die wichtigste Rolle im ganzen Bildverarbeitungssystem. Sie sind damit auch entscheidend für die Qualität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, die sich erzielen lassen. Im ersten Teil des Kapitels 5. wird die Auswahl und die Gestaltung der Hardwarekomponenten sowie ihre Vor- und Nachteile beschrieben. Dabei wurden verschiedene Kameras, Beleuchtungen, Objektive und ihre Anordnung zur aufgenommenen Szene getestet. Am Ende des ersten Teils des Kapitels 5. wird die Realisierung des in der Demontagezelle implementierten Bildverarbeitungssystems vorgestellt. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Entwicklung der Bildverarbeitungssoftware. Die Erkennung der unterschiedlichen elektronischen Komponenten auf den Leiterplatten stellt ein sehr komplexes Problem dar. Aus dem Grund wurde zur Erleichterung und Beschleunigung der Softwareentwicklung die HALCON Bildverarbeitungsbibliothek für Machine Vision Applikationen verwendet. Im zweiten Teil des Kapitels 5. werden die verwendeten Methoden und entwickelten Algorithmen zur Lokalisierung, Identifizierung und Vermessung der unterschiedlichen elektronischen Komponenten auf den verschiedenen Leiterplatten ausführlich beschrieben. Weiters werden in diesem Kapitel grundlegende in der Bildverarbeitungssoftware verwendete Bildverarbeitungsmethoden erläutert. Damit die exakte Vermessung der elektronischen Komponenten und die exakte Bestimmung ihrer Position auf der Leiterplatte durchgeführt werden kann, muss das Bildverarbeitungssystem zuerst kalibriert werden. Am Ende des Kapitels 5. wird die Kalibrierung des Bildverarbeitungssystems und der anderen Systeme der Demontagezelle beschrieben.Den Abschluss der Arbeit bildet der Anhang, in dem Bedienung und Beschreibung der Oberflächen der Bildverarbeitungssoftware, verwendete Trainingbuchstaben für die OCR-Klassifikatoren, Kurven für die Berechnung eines Makroobjektives und Ergebnisse der Buchstabenerkennung auf den elektronischen Komponenten zu finden sind.

In the last years environmental protection plays an increasingly important role in the human society. Due to the rising amount of waste world-wide and the shortage of natural resources, the whole modern society is forced to look for ecological and economic solutions of this problem. Recycling of used technical equipment turned out to be the only possible solution of this problem. In this connection the disassembly of used products is the first step to an efficient recycling. For the purpose of automatic disassembly of printed circuit boards possible so far only manually, an automatic disassembly cell has been developed in the scope of the project funded by the European Union. An important part of the project comprised the development of an image processing system for the recognition and localization of the valuable and toxic electronic components. In this work based on the state of the art of technology a universal image processing system for the identification, localization and measurement of various electronic components on different printed circuit boards is developed and implemented in the automatic disassembly cell. The first section of the work - chapter 2. - gives fundamental information about the image processing and the state of the art in the industrial image processing. In the following chapter the concept of the automatic disassembly cell is presented briefly. In order to develop the concept of the image processing system, first of all, the problem itself and the system requirements must be defined. This is accomplished in chapter 4 which also describes the developed concept of the image processing system of the disassembly cell. The main work comprises the implementation of this concept to a functional image processing system. The organization of the camera and the lighting in relation to the scene to be taken, as well as the proper selection of image processing components play the most important role in the whole image processing system. Moreover, these elements are also crucial for the quality and the reproduction of the results that can be obtained. The first part of the chapter 5. describes the selection and organization of the hardware components and discusses their pros and cons. Different cameras, lighting, objectives and their arrangement to the scene to be taken have been tested. This part is concluded with the presentation of the realization of the image processing system implemented in the disassembly cell. The emphasis of the work was the development of the image processing software. The recognition of the different electronic components on the printed circuit boards represents a very complex problem. In order to achieve the ease and acceleration of the software development the HALCON image processing library for Machine vision applications was used. The second part of the chapter 5. describes used methods and developed algorithms for the localization, identification and measurement of the various electronic components on the different printed circuit boards in detail. Further in this chapter fundamental image processing methods used in that image processing software are described. In order to accomplish the accurate measurement of the electronic components and the precise determination of their position on the printed circuit board, the image processing system must first be calibrated. At the end of the chapter 5. the calibration of the image processing system and the other systems of the disassembly cell is discussed. The appendix forms the conclusion of the work, in which the description of the developed image processing software, used training characters for the OCR-classifiers, diagrams for the computation of a macro objective and results of the optical character recognition on the electronic components can be found.