高精度視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中檢測(cè)方法的研究

趙大興，彭 煜，孫國(guó)棟，馮 維

ZHAO Da-xing，PENG Yu，SUN Guo-dong，F(xiàn)ENG Wei

(湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068)

0 引言

電子接插件是實(shí)現(xiàn)可分離電接觸必不可少的元件，由于其使用量大,分布廣范，且在電子設(shè)備中起著實(shí)現(xiàn)電路通斷的重要作用。因此,它的可靠性是整個(gè)電子設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵，而其質(zhì)量將直接影響電子設(shè)備的產(chǎn)品品質(zhì)[1]。對(duì)于每分鐘高達(dá)上千件的電子插接件制造過(guò)程來(lái)說(shuō)，其質(zhì)量檢測(cè)壓力非常大。

目前，國(guó)內(nèi)微型電子接插件生產(chǎn)企業(yè)采用的多數(shù)檢測(cè)設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但仍然存在檢測(cè)與測(cè)量精度不高的問(wèn)題，而其檢測(cè)的核心環(huán)節(jié)還得需要人工，這給企業(yè)增加了巨大的管理成本，并在一定程度上降低了檢測(cè)效率[2]。而且即使在最好的情況下，仍然無(wú)法保證100%的檢驗(yàn)合格率（即“零缺陷”）[3]。針對(duì)電子接插件質(zhì)量檢測(cè)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)許多專家進(jìn)行了研究，上海交通大學(xué)的金隼、洪海濤將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用在電子接插件制造的沖壓階段中，通過(guò)目標(biāo)零件的位置信息與標(biāo)準(zhǔn)零件模板匹配以檢測(cè)出插腳形狀上的質(zhì)量[4]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)有部分高新技術(shù)企業(yè)已經(jīng)對(duì)電子接插件質(zhì)量檢測(cè)做出了部分成型設(shè)備，但由于受電子接插件尺寸型號(hào)、檢測(cè)效率、測(cè)量精度以及成本高等條件限制，并不能實(shí)現(xiàn)在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種型號(hào)的電子接插件在線檢測(cè)。

本文正是針對(duì)這一需求，提出了一種新的微型電子接插件在線檢測(cè)與測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)其中關(guān)鍵的檢測(cè)方法進(jìn)行了革新，提高電子接插件的在線檢測(cè)效率和精度。

1 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)原理

微型電子接插件高精度視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)是一套基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。主要由光源、CCD相機(jī)、鏡頭、圖像采集卡、PLC、工控機(jī)、細(xì)分工作臺(tái)、驅(qū)動(dòng)器、相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和視覺(jué)測(cè)量軟件等部分組成[5]。微型電子接插件高精度視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)工作原理如圖1所示：PLC通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制細(xì)分工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)位置傳感器并將信號(hào)傳輸至兩臺(tái)面陣CCD相機(jī)，由相機(jī)分別采集置于細(xì)分工作臺(tái)上的微型電子接插件圖像，通過(guò)細(xì)分工作臺(tái)的間歇運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微型電子接插件圖像的分段采集；相機(jī)所采集的圖像經(jīng)圖像采集卡處理后傳送至工控機(jī)，應(yīng)用自主研發(fā)的微型電子接插件高精度視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)軟件，依次對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)與測(cè)量處理；工控機(jī)將處理結(jié)果傳輸給PLC控制器，通過(guò)電磁閥控制剔除機(jī)構(gòu)剔除不合格的電子接插件，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警等功能。

2 檢測(cè)方法的方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)的要求

圖1 視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)原理圖

采用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了微型電子接插件的自動(dòng)化檢測(cè)與測(cè)量，使人工抽檢升級(jí)為全檢，讓檢測(cè)的效率大大提高。

使用兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)檢測(cè)同一接插件，這樣不僅可以完成對(duì)不同部位多種缺陷類型的檢測(cè)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)接插件的檢測(cè)（可識(shí)別接插件類型：micro usb rec、FPC、d-type rec、molding hdmi rec、micro usb plug、camera socket和IC socket等）。

本文以FPC系列接插件為例，如圖2所示，目前使用較多，精密度較高的一款接插件。其具體尺寸和公差如圖，采用雙相機(jī)耦合檢測(cè)，二臺(tái)相機(jī)同時(shí)在線采集不同圖片,保證了對(duì)接插件端口的無(wú)死角檢測(cè)[6]。通過(guò)高精度滑臺(tái)間歇運(yùn)動(dòng)的配合，能使檢測(cè)的精度提高，同時(shí)檢測(cè)的速度也加快。

圖2 FPC系列電子接插件

2.2 平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本高精度滑臺(tái)是采用PLC控制驅(qū)動(dòng)器來(lái)運(yùn)動(dòng)，XY平面聯(lián)動(dòng)，不同于傳統(tǒng)平臺(tái)的被動(dòng)檢測(cè)（傳統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)無(wú)動(dòng)力裝置，無(wú)法平面移動(dòng)），能夠主動(dòng)將待檢測(cè)的接插件送到相機(jī)視野內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制及分段進(jìn)給，且可根據(jù)需要調(diào)整傳動(dòng)速率[7]。檢測(cè)時(shí)工作臺(tái)運(yùn)行的最高速度為5mm/s，即3m/min，最低速度為1mm/s，其負(fù)載在0.5kg以下，運(yùn)動(dòng)的有效范圍可在100mm×100mm內(nèi)。根據(jù)接插件的尺寸和大小，以及滑臺(tái)的特殊移動(dòng)檢測(cè)方式，工作臺(tái)之上取消了夾具，不同的接插件需要不同的夾具，而此滑臺(tái)采用的矩形小槽能放置絕大多數(shù)的電子接插件，這就避免因?yàn)榻硬寮煌鼡Q夾具的麻煩，提高了檢測(cè)的效率。XY軸方向除了需要一定的負(fù)載能力，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程還得保持一定的精度。

3 分段測(cè)量方法控制的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心就是分段檢測(cè)，分段檢測(cè)提高了檢測(cè)的精度，使檢測(cè)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。而此系統(tǒng)采用PLC控制器驅(qū)動(dòng)細(xì)分工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，采用工控機(jī)反饋信號(hào)給PLC控制剔除機(jī)構(gòu)的啟停，實(shí)現(xiàn)細(xì)分工作臺(tái)高精度保持性的實(shí)時(shí)控制及分段進(jìn)給。

圖3 單向分段采集PLC控制流程圖

如圖3所示，本作品的控制部分包括PLC控制器、位置傳感器、驅(qū)動(dòng)器、細(xì)分工作臺(tái)、相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)等。單向分段采集PLC控制主要流程為：PLC通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制細(xì)分工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，直到移動(dòng)至工件位置1處觸發(fā)位置傳感器1，PLC接收位置傳感器觸發(fā)信號(hào)后觸發(fā)相機(jī)采集微型電子接插件第一段圖像；接著，細(xì)分工作臺(tái)會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至工件位置2處，并觸發(fā)位置傳感器2，PLC接收位置傳感器觸發(fā)信號(hào)后觸發(fā)相機(jī)采集微型電子接插件第二段圖像；最后，細(xì)分工作臺(tái)會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至工件位置3處，并觸發(fā)位置傳感器3，PLC接收位置傳感器觸發(fā)信號(hào)后觸發(fā)相機(jī)采集微型電子接插件第三段圖像。將同一個(gè)微型電子接插件的三段圖像經(jīng)過(guò)視覺(jué)測(cè)量軟件自動(dòng)識(shí)別與測(cè)量，如果發(fā)現(xiàn)缺陷存在，則PLC通過(guò)電磁閥控制剔除機(jī)構(gòu)，自動(dòng)剔除不合格產(chǎn)品；若沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷存在，則表示產(chǎn)品合格，不作處理，控制臺(tái)做反向相同控制流程。另一方向分段PLC控制流程與此相同。

4 檢測(cè)結(jié)果與分析

微型電子接插件高精度視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)涉及到步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速控制、PLC控制器的通信控制、CCD的觸發(fā)方式控制、界面的實(shí)時(shí)顯示、海量圖像的實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄、剔除機(jī)構(gòu)的執(zhí)行等諸多任務(wù)，而采用的分段檢測(cè)方法不同于以往的傳統(tǒng)檢測(cè)手段，將接插件分段處理，使相機(jī)攝取的檢測(cè)圖像更清晰。

圖4 電子接插件pin部位檢測(cè)與測(cè)量效果圖

如圖4所示為對(duì)圖2系列電子接插件檢測(cè)效果圖，可以看出檢測(cè)系統(tǒng)將電子接插件的針腳都以標(biāo)出，并且實(shí)現(xiàn)了針腳尺寸與間距測(cè)量，其針腳尺寸與間距將顯示在主界面下角的報(bào)表中。

以表1所示數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)pin部位的測(cè)量數(shù)據(jù)分析如圖5所示，其中綠線表示被測(cè)量部位允許的誤差范圍，藍(lán)線連接的各值點(diǎn)表示測(cè)量值曲線。

圖5 pin測(cè)量數(shù)據(jù)分析圖

由5圖可知，測(cè)量值曲線在允許的誤差范圍內(nèi)，滿足測(cè)量精度要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本測(cè)量檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了接插件的高精度檢測(cè)。

5 結(jié)論

微型電子接插件高精度視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)是一套集機(jī)械、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)、軟件工程等于一體的自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。不僅實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)人工檢測(cè)到基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)檢測(cè)的轉(zhuǎn)變，提高了微型電子接插件檢測(cè)的時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性，而且可實(shí)現(xiàn)接插件的分段檢測(cè)和高精度測(cè)量，通過(guò)將在線檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果與原始圖像中的疵點(diǎn)信息相比較，測(cè)量精度可達(dá)到0.007mm，而檢測(cè)過(guò)程也因采用滑動(dòng)平臺(tái)運(yùn)載以及自動(dòng)剔除裝置，檢測(cè)效率達(dá)到了8-10個(gè)每分鐘。

[1]張明畏,金福群.提高接插件可靠性的途徑.機(jī)電元件,1993,13:4-6.

[2]金隼,來(lái)新民.電子接插件大批量制造中的質(zhì)量在線檢測(cè).輕型汽車技術(shù),2003,9:25-29.

[3]杜婷婷.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在電器工業(yè)中的應(yīng)用.制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33(7):101-104.

[4]金隼,洪海濤.機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)在電子接插件制造工業(yè)中的應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器,2000,2:13-16.

[5]周傳宏,陳郭寶,王懷虎,康少博.OpenCV在條煙視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2011,11:72-74.

[6]隋婧,金偉其.雙目立體視覺(jué)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其進(jìn)展.電子技術(shù)應(yīng)用.2004,10:4-6.

[7]林海波,楊國(guó)哲,趙文輝.三維納米定位微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與分析.設(shè)計(jì)與研究,2009,7:41-44.