|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Волкова Тетяна Вiкторiвна
УДК 658.52.011.56:
621.38.049.77
АВТОМАТИЗАЦІЯ ТА УДОСКОНАЛЕННЯ
ВІЗУАЛЬНОГО КОНТРОЛЮ У ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ
ВИГОТОВЛЕННЯ КОМУТАЦІЙНИХ ПЛАТ НА ОСНОВІ
МЕТОДІВ КОДУВАННЯ ЗОБРАЖЕНЬ
05.13.07 - Автоматизацiя технологiчних процесiв
Автореферат дисертацiї на здобуття наукового
ступеня кандидата технiчних наук
Севастополь - 1998
Дисертацiєю є рукопис.
Робота виконана в Севастопольському Державному технiчному унiверситетi МО України.
Науковий керiвник - кандидат технiчних наук,
доцент Островський Володимир Iллiч,
професор департаменту кiбернетики i
обчислювальної технiки СевДТУ.
Офiцiйнi опоненти :
- доктор технiчних наук, професор Копп Вадим Якович, директор департаменту приладобудування СевДТУ;
- кандидат технiчних наук, доцент Шишкевич Євген Володимирович, доцент кафедри автоматизацiї технологiчних процесiв та виробництв Севастопольського iнституту ядерної енергiї та промисловостi Мiнiстерства енергетики України.
Провiдна установа -
Нацiональна гiрнича академiя України МО України, м. Днiпропетровськ.
Захист вiдбудеться " 3 " грудня 1998 р. о 14 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 50.052.02 у Севастопольському Державному технiчному унiверситетi за адресою:
335053, м. Севастополь, Стрiлецька балка, студентське мiстечко, корпус СевДТУ.
З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi СевДТУ.
Автореферат розiсланий 2 листопада 1998 р.
Вчений секретар спецiалiзованої вченої ради
к.т.н., доцент _________________ О. М. Шерешевський
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми.
Розвиток електронної промисловості та технології, автоматизація та комп'ютеризація виробництва - це найважливішi умови технічного прогресу України. Особливості, що породжуванi специфікою мікроелектроніки та інтегральної технології, обумовлюють підвищену роль контролю у відповідних технологічних процесах (ТП). Технологічні операції контролю, якi є невід’ємною частиною ТП, дозволяють вибракувати потенційно негідні вироби на ранніх етапах обробки, своєчасно відрегулювати технологічне обладнання, забезпечити випуск заданої кількості придатної продукції необхідної якості, з’економити матеріальні і трудові ресурси, зменшити собівартість виробів. В окремих випадках контрольні операції (КО) складають 30-50% від загальної трудомісткості виготовлення виробів, при цьому майже 70% усіх КО складає контроль зовнішнього вигляду. Наслідком того, що візуальний контроль здійснюється людиною суб'єктивно, є його низька вірогідність, яка не перевищує 60-65%. Крім цього, сама операція контролю вимагає великих витрат утомливої монотонної праці.
Задача автоматизації візуального контролю вирішується з позицій системного підходу до керування якістю продукції. При цьому під системою автоматизованого візуального контролю (САК) якості виготовлення виробів мікроелектроніки розуміється сукупність апаратних та програмних засобів контролю, а також порядок їх розміщення та використання у ТП, який регламентується особливостями цього ТП. Різноманітним аспектам автоматизації та удосконалення візуального контролю присвячені дослідження Лопухiна В. А., Писаревського А. Н., Горюнова Н. Н., Уоткiнса З., Щепiна Ю. Н. та ін.
Широкому упровадженню САК у виробництво перешкоджує їх відносно висока вартість та низька продуктивність. В даній роботі запропоновано підхід, що дозволяє підвищити продуктивність САК та знизити собівартість виробів без додаткових апаратних витрат.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Ця робота становить узагальнення результатів, одержаних автором при виконанні госпдоговірної НДР 1986-1990 р.р. N1136, держбюджетних НДР 1991-1993 р.р. "Розробка системи технічного зору (СТЗ) для автоматизації візуального контролю якості виробів" (Наказ МВССО УРСР N78 від 21.03.91), 1997-1999 р.р. "Розробка методів та програмних засобів для дослідження та оптимiзацiї способів кодування зображень" (наказ МО України N37 від 13.02.97) на департаментi кібернетики і обчислювальної техніки Севастопольського Державного технічного університету.
Мета та задачі дослідження.
Мета дисертаційної роботи полягає в автоматизації візуального технологічного контролю комутаційних плат (КП) за рахунок розробки алгоритмічних та програмних засобів САК КП, а також в збільшенні продуктивності САК КП та зниженні собівартості КП, на основі ефективного кодування зображень друкованого монтажу.
Для досягнення поставленої мети послідовно вирішено такi задачі:
1)оцінено вплив параметрів САК КП на собівартість КП;
2)проведено аналіз існуючих методів кодування зображень (МКЗ), розглянуто різноманітні моделі зображень, що застосовуються для оцінки ефективності кодів, їх достоїнства та недоліки;
3)формалiзовано критерії ефективності МКЗ друкованого монтажу;
4)запропоновано імітацiйну статистичну модель автоматизованого візуального контролю, розроблено метод оцінки ефективності застосування МКЗ у САК КП по запропонованим критеріям;
5)розроблено програмні засоби для дослідження МКЗ друкованого монтажу, одержані оцінки ефективності найбільш уживаних кодів, якi використовуються у системах контролю, дано порівняльні характеристики МКЗ, що були досліджені, та рекомендації по їх застосуванню у САК КП;
6)запропоновано та досліджено новий МКЗ топологiї КП у САК;
7)для автоматизації візуального контролю у ТП виготовлення двосторонніх КП (ДКП) на полiїмiднiй плівці розроблено програмне забезпечення (ПЗ) САК ДКП, орієнтоване на запропонований МКЗ, яке вміщує у собi оригінальний алгоритм відкриття дефектів друкованого монтажу.
Наукова новизна одержаних результатів.
Нові наукові результати, які одержані особисто автором :
1)проведено аналіз залежності продуктивності автоматизованого візуального контролю, вартості КО та собівартості КП від засобу подання топологiї друкованого монтажу в САК КП, виявлено, що для типових ТП виготовлення КП за рахунок застосування ефективних МКЗ собівартість виробів може бути зменшена на 5-15%;
2)вперше запропоновано універсальний підхід, що дозволяє одержати оцінки ефективності МКЗ у САК, та відображає як міру стиску зображень, так і алгоритмічну придатність коду;
3)для деяких класів зображень, що відображають особливості малюнку друкованого монтажу, отримано оцінки ефективності найбільш уживаних МКЗ, що дозволяють зробити обгрунтований вибір засобу подання зображень у САК КП;
4)на основі аналізу відомих МКЗ розроблено оригінальний засіб подання топологiї КП, який показав найкращі оцінки на рядi класів зображень друкованого монтажу;
5)запропоновано, досліджено та запроваджено у виробництво оригінальний алгоритм візуального контролю КП; використання розробленого МКЗ замість поелементного кодування дозволяє збільшити продуктивність САК приблизно у 5.2 разів, удосконалити САК КП шляхом введення у план контролю додаткових КО та знизити собівартість виробів приблизно на 6.8%.
Практичне значення одержаних результатів.
Розроблено засоби, підходи та рекомендації, що мають практичне значення для здійснення автоматизації технологічних процесів на підприємствах мікроелектронної промисловості:
1)запропоновано засіб збільшення продуктивності автоматизованого візуального контролю та зниження собівартості КП за допомогою обгрунтованого вибору МКЗ друкованого монтажу; розроблено алгоритм оцінки впливу собівартості КО на собівартість КП;
2)розроблено ефективні програмні засоби САК КП для знаходження дефектів друкованого монтажу;
3)розроблено програмну систему Prognos, що дозволить зробити обгрунтований вибір МКЗ у САК КП на основі iмiтацiйного моделювання процесу автоматизованого візуального контролю.
Методи та програмно-алгоритмічні засоби, що запропоновані у роботі, використані при утворенні САК ДКП, що запроваджена в НДI МП (м. Москва). Річний економічний ефект на частку здобувача складає 60 тис. карб. у цінах 1990 р. Ряд розробок передано для упровадження у виробниче об’єднання Київський радiозавод. Результати дисертації упроваджені у навчальний процес та використовуються при підготовці інженерів за спеціальністю 7.091501 згідно з планами МО України. Копії документів, щодо впровадження, приведено у додатку.
Особистий внесок здобувача.
Дисертаційна робота виконана автором самостійно, на основі особистих ідей та розробок. При використанні результатів досліджень інших авторів зазначалися літературні джерела наукової інформації.
Апробація результатів дисертації.
Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на Всесоюзнiй науково-технічнiй конференції "Розробка систем технічного зору та їх застосування у промисловості" (м.Устiнов, 1986 р., м. Iжевськ, 1988 р.), Республіканськiй науково-технічнiй конференції "Системи технічного зору та їх застосування у САПР та робототехнiці" (м. Севастополь, 1989 р.), семінарі по засобам автоматизації візуального контролю інтегральних схем (м. Севастополь, 1995 р.), науково-методичнiй конференції ""Iнформаційні технології в навчально-методичнiй та науковiй діяльності"" (СевДТУ, м. Севастополь, 1998 р.).
Публікацiї.
По матеріалам дисертації опубліковано 5 статей у наукових журналах та збірниках, 1 тези доповідей.
Структура та обсяг дисертації.
Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел із 96 найменувань та додатків. Дисертація розміщена на 132 сторінках друкованого тексту, містить 19 малюнків та 19 таблиць.
ЗМІСТ
У вступi обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та завдання дослідження, основні положення, що захищаються автором, дано стислий зміст дисертації.
У першому розділі показано, що засіб подання топологiї друкованого монтажу у САК може істотно впливати на продуктивність САК та собівартість КП, зроблено аналітичний огляд існуючих МКЗ.
У підрозділі 1.1 здійснено оцінку впливу МКЗ на продуктивність САК та собівартість КП. При цьому використовувалася модель ТП, формалiзована схема якого зображена на мал.1 (з роботи Щепіна Ю.М.). Сукупність технологічних операцій (ТО) розбивається на n великих ТО, після кожної із яких можливо встановити пост контролю (ПК). ТП характеризується такими параметрами, як: pi - імовірність виходу придатних виробів після i-ої ТО, аi - вартість обробки одного виробу на i-iй ТО, ki - вартість контролю одного виробу після i-iй ТО. На вхід ТП надходить партія, що складається із N0 заготовок, кількість придатних виробів на виході ТП складає p1p2...pnN0.
Середня собівартість одного придатного виробу S визначається формулою:
n i-1 j i-1 n
S(X)=( ∑е (ai+xiki) ∑е xj ΠP pl ΠP (1-xt)) / ΠP pi, (1)
i=1 j=0 l=0 t=j+1 i=1
де X=(x1, x2,...,xn) - план контролю ТП; xi=1, якщо після i-ой ТО встановлений ПК, iнакше xi = 0, i=1...n ; xt=0 при t >i-1. Припускалося, що при автоматичному контролі вартість виконання КО після кожної ТО однакова та дорівнює k.
Досліджувалася залежність S(k)=S(Xopt(k)) при зміні k від kmax до kmin, при умові, що S(Xopt(k))=minS(Xj(k)), j=1...m, Xj(k)∈О{X1(k),X2(k),...,Xm(k)}.
Визначений вище план контролю Xopt вважається оптимальним планом контролю ТП. У вигляді kmax вибиралася деяка досить висока величина вартості КО, при якiй у план контролю ТП змушено включати тільки підсумковий ПК. Якщо зменшення k досягнено тільки шляхом застосування ефективного кодування, тобто, зменшення вартості обробки зображення v при незміннiй вартості запровадження зображення та переміщування виробу u ( k = u + v ), тоді kmin = u. Природно, що при зміні k оптимальний план контролю може змінюватися. Хай X(k1)=(x11,x12,...,x1n), X(k2)=(x21,x22,...,x2n). Розглядалися тільки такі плани контролю, для яких справедливо твердження: якщо k2 < k1, то X(k2) ≥і X(k1), тобто x2i ≥і x1i для усіх i=1...n.
Хай W - множина ПК, встановлених у ТП. W⊂МL, де L={1,2,3,...,n}, i∈ОW, якщо xi=1, i=1...n. Позначимо через Sw собівартість виробу при певній кількості ПК. Тоді на підставі формули (1)
S = (A1, n + k) / p1,n ,
n n
де A1, n = ∑е ai ; p1, n = ΠP pi ;
i =1 i =1
S{i, n} = (A1, i + k + (Ai+1, n + k) p1, i) / p1, n;
ΔDSi = ΔDS - ΔDS{i, n} = (-kp1, i + Ai+1, n (1-p1, i)) / p1, n (2)
Встановлення ПК після i-ой ТО вважається доцільним при ΔDSi > 0. Запропоновано такий алгоритм розстановки ПК у ТП: при зміні k від kmax до kmin xi змінює своє значення із 0 на 1, якщо k < Ki, де Ki=max Kj, j=1...n, Kj∈О{K1,K2,...,Kn}. З формули (2)
Kj = Aj+1, n (1-p1, j) / p1, j (3)
Зони, на які i-ий додатково встановлений ПК розбиває ТП, розглядаються як окремі ТП та оптимiзуються незалежно по приведеному алгоритму.
З урахуванням формули (3) умова доцільності введення ПК після і-ой ТО буде такою:
v < Ai+1, n (1- p1, i)/ p1, i - u (4)
Дослідження реального ТП виготовлення ДКП на полiїмiдній плівці (НДI МП, м. Москва) виявило, що зниження вартості контролю на порядок може забезпечити зниження собівартості виробів на 11%.
Аналіз існуючих МКЗ та засобів їх оцінки показав, що на цей момент розроблено велику кількість вiдеокодів, призначених як для передачі зображень, так і для обробки зображень на ЕОМ. Критерій зручності обробки кода у ЕОМ не був достатньо формалiзований, та оцінка ефективності того чи іншого МКЗ вироблялася в основному по коефіціенту стиска вiдеоданих. В зв'язку з неадекватністю існуючих моделей, реальним зображенням друкованого монтажу на цей момент не існує достовірних порівняльних характеристик МКЗ для застосування до проблеми, що розглядаеться. Тому поставлено задачу розробки методу дослідження ефективності засобів подання топологiї КП у САК (підрозділ 1.2).
В другому розділі на основі аналізу вимог, що пред'являються до МКЗ у САК КП формалiзовані критерії ефективності вiдеокодів, розроблено iмiтацiйну модель автоматизованого візуального контролю, запропоновано метод та iнструментальні засоби дослідження МКЗ на основі прийнятої моделі.
В підрозділі 2.1 обгрунтовано вибір критеріїв ефективності засобів подання зображень у САК КП (табл.1). В тестовий пакет, використовуваний для визначення оцінок критерію алгоритмічної придатностi (зручності використання у САК), включені програми поширення, стиска, iнверсiї, кон'юнкції зображень, знищування шумів та виділення контурів, що є загальною та найбільш трудомісткою частиною більшості алгоритмів візуального контролю.
Підрозділ 2.2 присвячено розробці iмiтацiйної статистичної моделі автоматизованого візуального контролю КП. Надана модель iмiтує роботу таких елементів: підсистеми запровадження зображення топологiї друкованого монтажу, підсистеми кодування аналiзованого зображення та визначення коефіцієнту стиска, підсистеми обробки одержаного вiдеокоду та визначення коефіцієнту збільшення продуктивностi, підсистеми керування експериментом та обчислювання статистичних оцінок критеріїв ефективності засобів подання топологiї КП.
Таблиця 1.
Критерії ефективності методу кодування топологiї КП
У вигляді iмiтацiйної статистичної моделі зображення друкованого монтажу прийнято вибірку з генеральної сукупності бiнарних зображень певного класу. Обсяг вибірки визначається виходячи з необхідної точності оцінок εβb.
Клас зображення задається набіром примiтивів, що зіставлено елементам друкованого монтажу (ЕДМ) та механізмом включення примiтивів у картину (кадр). Прийнято такий формальний опис класу зображення:
< клас зображення > = < набір примiтивів >, < набір масштабів >,
< набір кутів повороту >,
< механізм включення у картину >;
< механізм включення у картину >=< перетворення примiтива >,
< синтаксичні правила >,
< операція включення >;
< перетворення примiтива >=< поворот >,< масштабування >;
< синтаксичні правила >=< заборона перехрещення >;
< дозвіл перехрещення примiтивiв >;
< операція включення >=< Or >, < And Not >.
Для iмiтації картин певного класу на основі аналізу реальних зображень друкованого монтажу завдаються такі параметри моделі: імовірності появи у картині використовуваних примiтивів, імовірності використовуваних масштабів та кутів повороту, імовірності розміщення примiтивів у довільному місці картини, міра насиченості картини (відношення кількості одиничних пікселів, становлячих металiчнi дільниці КП, до загальної кількості пікселів у картині).
При побудові результуючого зображення примiтив, масштаб, кут повороту та координати місцезнаходження примiтива у картині вибираються згідно з заданим імовірністним механізмом при допомозі генератора псевдовипадкових чисел. Примiтив наноситься шляхом встановленої операції на початковий фон. Надана iтераційна процедура повторюється N раз. Значення N визначається мірою насиченості моделюємої картини.
У підрозділі 2.3 дано опис програмної системи Prognos, що дозволяє на основі запропонованої моделі створити струм псевдовипадкових зображень завданого класу та визначити, користуючись апаратом математичної статистики, оцінки ефективності різноманітних кодів. Система має дiалогові засоби, орієнтовані на неквалiфiкованого споживача, може бути просто настроєна на конкретний клас зображень топологiї друкованого монтажу, має можливість гнучкого керування експериментом залежно від досягнутої точності оцінок, має засоби вiзуалiзацiї моделюемих зображень, дозволяє досить просто додавати нові утiлiти перекодування для дослідження тих чи інших вiдеокодів.
У третьому розділі приведено одержані при допомозі системи Prognos оцінки ефективності застосування у САК найбільш уживаних МКЗ, описано оригінальний засіб подання топологiї КП, що запропоновано автором, дано порівняльні характеристики кодів, що досліджувалися, та рекомендації по їх використанню у САК КП.
При проведенні експериментів генерувалися кадри розміром 320x200 пікселів, що при розв'язуючій спроможності 10 мкм на піксел відповідало б дільниці КП площею 6.4 мм2. Була зроблена спроба змоделювать деякі узагальнені топологiї, що спроможні найбільш часто зустрічатися у процесі сканiрування кадрами поверхнi різноманітних КП. У підрозділі 3.1 одержані оцінки эфективності двох класичних методів кодування серій пікселів - МКС1 та МКС2 (при цьому вар’їрувалася довжина кодового слова с), а також для МКЗ у форматах PCX, TIFF, IMG (стандарт Microsoft). Оцінки коефіцієнту стиска для двох класів зображень топологiї КП представлені у табл.2,3.
| 
