電子接插件在線質(zhì)量檢測研究

鄒龍飛，韓震宇，馬鵬，蘭云

(四川大學制造科學與工程學院，四川成都610065)

0 引言

近年來，隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，印制電路板上電路集成化程度不斷提高，人們越發(fā)意識到接插件的重要性，對接插件的質(zhì)量要求也越來越高。為適應(yīng)電子信息行業(yè)的發(fā)展要求，接插件朝著體積和外形尺寸微小化、形狀復雜化、高精度方向發(fā)展，這對接插件的質(zhì)量提出了更高的要求。

接插件在使用過程中的主要故障是接觸不良，這除了與接插件的所選用材料和設(shè)計不合理有關(guān)外，接插件在制造過程中的外觀質(zhì)量缺陷也是一個重要的因素。電子接插件的生產(chǎn)制造屬于典型的流水線作業(yè)，雖然其品種繁多，形狀各樣，但制造過程是基本一致的，大致可以分為沖壓、電鍍、料塑和裝配四個階段［1］。電子接插件的制造從沖壓開始，在此工藝中，當金屬料帶通過高速沖壓機床時，由于一些接插件元件在沖壓過程中存在阻滯和定位誤差，會導致產(chǎn)品產(chǎn)生扭曲變形、劃痕和粘連金屬碎屑等沖壓缺陷，同時如果金屬料帶出現(xiàn)偏斜或拱起時，會使得產(chǎn)品的尺寸不符合設(shè)計要求，這些外觀質(zhì)量缺陷都會影響接插件的接觸電阻，進而影響電信號的傳遞。因此，為了保證接插件的產(chǎn)品質(zhì)量，就必須對接插件的外觀質(zhì)量進行檢測。另一方面，大多數(shù)國外沖壓機床都能以高速(800 ～1600 r/min)的沖壓速度運轉(zhuǎn)，而且由于每個沖程都能沖壓出多個接插件產(chǎn)品，因此電子接插件的沖壓生產(chǎn)效率是非常高的(通常能達到1500 ～2000 件/min)。因此，為避免整卷金屬帶在如此高的生產(chǎn)速度下報廢，準確并及時地檢測出沖壓質(zhì)量缺陷就顯得十分重要。為了及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，沖壓工藝后立即進行100%的在線質(zhì)量檢測就顯得十分必要。

對于高速的接插件制造生產(chǎn)過程來說，檢測系統(tǒng)的檢測效率和性能穩(wěn)定性是最重要的兩個指標。然而，目前國內(nèi)大部分接插件制造企業(yè)的產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過程中各道工序的質(zhì)量檢測通常由人眼并采用手動完成，這種檢測方式不僅工作量大，而且人員自身的主觀因素對檢測結(jié)果有著絕對性的影響，因此也就不能夠確保檢測的效率和精度［2］。隨著集約型社會化大生產(chǎn)的不斷提高，采用人工在生產(chǎn)流水線上進行視覺檢測的方法越來越難以滿足大批量、高速化生產(chǎn)的要求。基于機器視覺技術(shù)并采用圖像處理技術(shù)代替人眼檢測的方案，為上述問題提供了新的解決方案。機器視覺檢測技術(shù)具有非接觸、高效率、低成本、在線(100%)、智能化等諸多優(yōu)勢，并且極為適合于大批量、高速制造生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量檢測。采用合理的機器視覺檢測方案能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)效率和自動化程度的大幅度提高，并且更有利于實現(xiàn)生產(chǎn)線上的數(shù)字化集成和數(shù)字化信息管理，因此，本文借鑒國外企業(yè)在質(zhì)量檢測方面的先進經(jīng)驗，研究和開發(fā)了基于機器視覺的電子接插件外觀質(zhì)量檢測系統(tǒng)，對接插件產(chǎn)品進行100%實時檢測，充分保障接插件的外觀質(zhì)量，對企業(yè)具有重要的實際意義，擁有巨大的市場價值和應(yīng)用前景。造區(qū)，作為接插件的主要構(gòu)成部分，金屬端子的形狀、尺寸影響著后續(xù)的工藝及成品的質(zhì)量。因此，在沖壓工程中必須對金屬端子的關(guān)鍵尺寸和表面缺陷等外觀質(zhì)量進行在線檢測，以保證金屬端子的品質(zhì)，減少不良品的數(shù)量，并且對檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以便及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問題，進行維護保養(yǎng)。對沖壓后的接插件進行視覺檢測是減少損失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

接插件的外觀質(zhì)量缺陷通常具有復雜性和多樣性的特點，目前接插件的外觀質(zhì)量還沒有統(tǒng)一的標準。本文根據(jù)某大型接插件生產(chǎn)廠商提供的缺陷情況，歸納得出所檢測接插件的外觀質(zhì)量缺陷主要是影響其功用的引腳缺陷、魚眼缺陷和表面缺陷。

1.2.1 檢測項目

1)引腳尺寸

在沖壓過程中，由于長時間工作后模具出現(xiàn)磨損，或者金屬料帶出現(xiàn)偏斜、拱起，會使沖壓后的接插件出現(xiàn)引腳偏細或偏粗。如圖1 橢圓圈中表示的部分，引腳長度過短，尺寸不合格。

1 檢測系統(tǒng)介紹

機器視覺檢測系統(tǒng)不僅僅是視覺，它與機械結(jié)構(gòu)、運動控制、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)緊密聯(lián)系，不可分割。穩(wěn)定的機械結(jié)構(gòu)定位、快速精確的送料系統(tǒng)、可靠的硬件系統(tǒng)和友好靈活的軟件系統(tǒng)都是一個成功的視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計所必須考慮的因素［3］。

1.1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)根據(jù)機器視覺檢測技術(shù)原理來進行設(shè)計和選型。由機器視覺系統(tǒng)原理的論述，我們可知系統(tǒng)原理是對從真實世界采集到圖像信息使用一系列的軟件算法進行處理分析，提取我們所需要的特征信息和計算結(jié)果，計算機將根據(jù)我們所設(shè)定的標準對結(jié)果進行判定，再根據(jù)檢測結(jié)果反饋對控制執(zhí)行機構(gòu)進行操作的控制過程［4］。

1.2 檢測項目與要求

目前，機器視覺在電子接插件整個制造流程中都有一定的應(yīng)用，只是根據(jù)工藝特點和要求的不同，其所扮演的角色各有不同。沖壓是接插件金屬端子的制

圖1 引腳尺寸不合格

2)引腳間距

由于金屬料帶與沖壓模具之間的水平相對運動存在移位、阻滯等現(xiàn)象，同時金屬料帶在傳送過程中與料槽存在碰撞或摩擦，容易使沖壓后的接插件出現(xiàn)引腳歪斜扭曲，這種缺陷在引腳較長的接插件中很容易出現(xiàn)。如圖2 橢圓圈中所示引腳發(fā)生歪斜使得引腳間距偏大或偏小，引腳間距不合格。

圖2 引腳間距不合格

3)魚眼缺陷

沖壓過程中，由于模具與金屬料帶的垂直運動距離不足，導致魚眼沒有或者沒有被壓穿。如圖3 橢圓圈中所示，為魚眼缺陷。

圖3 魚眼缺陷

4)表面缺陷

接插件與料槽間存在碰撞和摩擦現(xiàn)象，會使接插件表面產(chǎn)生細長狀的劃痕，如圖4 橢圓圈中所示。沖壓過程中，料帶上的金屬跳屑容易引起接插件表面壓傷，如圖5 橢圓圈中所示。壓傷比劃痕粗，一般呈不規(guī)則凹陷狀。沖壓模具與金屬料帶的垂直相對運動存在移位、阻滯，易引起毛刺、飛邊缺陷，如圖6 橢圓圈中所示。飛邊比毛刺要粗一些。

圖4 表面劃痕缺陷

圖5 表面壓傷缺陷

圖6 飛邊缺陷

1.2.2 檢測要求

充分考慮接插件生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品外觀質(zhì)量的要求后，本系統(tǒng)所制定的檢測標準如下:

1)檢測對象:待檢物體為雙排接插件，正反面均需檢測，如圖7所示;

2)檢測內(nèi)容:上面所描述的各種缺陷;

3)檢測速度:檢測周期＜200 ms;

4)檢測誤差:±0.05 mm;

5)檢測正確率:＞96%。

圖7 待檢接插件實物圖

1.3 系統(tǒng)組成及其工作流程

根據(jù)機器視覺檢測系統(tǒng)的原理和本系統(tǒng)的功能要求，可知本系統(tǒng)主要由料帶傳送部分、圖像采集部分、圖像處理部分、單片機控制部分組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

機器視覺檢測系統(tǒng)的主要工作流程是:首先，計算機接收來自相機或圖像采集卡的圖像信息;然后根據(jù)檢測系統(tǒng)的功能要求，對獲取的圖像進行相應(yīng)的分析處理，完成檢測任務(wù);最后輸出檢測結(jié)果。本文的主要任務(wù)是設(shè)計一種針對接插件外觀質(zhì)量的視覺檢測系統(tǒng)，其總體工作流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)總體流程示意圖

2 核心圖像處理模塊

2.1 定位孔檢測

由于受到各種機械和電子干擾或遲滯的影響，在視覺系統(tǒng)每次所采集的圖像上，待測物體的位置都會有變化，因此在進行產(chǎn)品質(zhì)量檢測之前，系統(tǒng)必須首先在視野范圍內(nèi)確定目標被測物的位置，并且所采用的算法能夠自適應(yīng)被測物體在圖像中的位置變動。

接插件的沖壓工藝為:沖定位孔→分離→沖外形→寬邊彎曲Z 形彎曲，定位孔是接插件沖壓中必不可少的重要部分，并且重復定位精度高，接插件其它部分的位置都是以定位孔為參考基準的，因此本系統(tǒng)選用接插件圖像上的定位孔作為待檢接插件位置信息的基準，并以此實現(xiàn)其它檢測模塊的定位［5］。一般情況下，本檢測系統(tǒng)的滑槽限位夾具機構(gòu)加上高精度的伺服運動控制能夠保證被測接插件在圖像中的位置變化不會太大，這提高了系統(tǒng)利用定位孔實現(xiàn)目標圖像位置信息獲取的穩(wěn)定性。倘若出現(xiàn)個別被測接插件的定位孔無法獲取，不能確定目標圖像的位置信息，通?？梢哉J為檢測系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴重的問題或者是沖壓機床出現(xiàn)了生產(chǎn)故障。

接插件的定位孔為圓孔，目前普遍采用的方法是:首先進行邊緣檢測，然后采用圓擬合方法，找到圓心和直徑，具體檢測流程如圖10所示。

圖10 定位孔檢測算法流程

2.2 魚眼檢測

魚眼檢測需要完成對接插件產(chǎn)品中魚眼大小和數(shù)量的檢測，對魚眼的尺寸參數(shù)精度要求不高，因此本系統(tǒng)采用快速的Blob 分析算法完成對魚眼的質(zhì)量檢測。魚眼檢測的具體流程是:首先通過系統(tǒng)所獲取的定位孔位置信息和接插件產(chǎn)品參數(shù)確定魚眼ROI 的位置，然后在魚眼ROI 內(nèi)進行圖像二值化，再進行Blob 分析獲取魚眼的面積、長軸和短軸等參數(shù)，最后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的容許值進行結(jié)果判斷，如圖11所示。

圖11 魚眼檢測算法流程

2.3 引腳檢測

引腳是接插件產(chǎn)品的關(guān)鍵部分，需要完成對其尺寸的測量。本系統(tǒng)采用邊緣檢測算法實現(xiàn)對引腳長度、寬度、傾斜度以及引腳間距的測量。引腳檢測的具體流程為:首先通過系統(tǒng)所獲取的定位孔位置信息和接插件產(chǎn)品參數(shù)確定引腳ROI 的位置，然后在引腳ROI內(nèi)進行邊緣檢測獲取引腳的尺寸參數(shù)，最后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的容許值進行結(jié)果判斷，如圖12所示。

圖12 引腳檢測算法流程

2.4 表面缺陷檢測

表面缺陷檢測部分的核心是在接插件的目標表面圖像中尋找存在的缺陷，并定位和判斷。接插件產(chǎn)品的表面缺陷主要是劃痕和壓傷，需要檢測的部分涉及整個表面，待檢面積較大，同時產(chǎn)品的形狀復雜，這就要求表面缺陷檢測算法必須注重時間性能［6］。

表面缺陷檢測算法多種多樣，其經(jīng)典算法有圖像差影法、缺陷圖像的特征提取與選擇和形態(tài)學處理等。為了適應(yīng)接插件的高速在線檢測，本系統(tǒng)根據(jù)接插件產(chǎn)品自身特點，將形態(tài)學和差影法相結(jié)合，對傳統(tǒng)的差影算法進行了改進，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。表面缺陷檢測的具體流程是:首先確定表面檢測ROI 設(shè)置標準模板，然后采用改進的差影算法進行表面缺陷定位，再采用Blob 分析確定表面缺陷的參數(shù)獲取，最后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的容許值進行結(jié)果判斷，如圖13所示。

圖13 表面缺陷檢測算法流程

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)運行速度結(jié)果及分析

通過多線程技術(shù)，并且采用多核計算機，本機器視覺檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了四幅圖像采集和處理的并行操作，因此系統(tǒng)的運行時間取決于四個檢測部分最慢的一個。理論圖像采集傳輸時間是由圖像大小和采用的圖像傳輸方式以及硬件決定(硬件引起的差異一般很小)。本系統(tǒng)的圖像大小為656×492(8 位像素深度)，采用IEEE 1394b 火線傳輸協(xié)議(理論支持100 MB/s 數(shù)據(jù)傳輸);本系統(tǒng)采用的相機數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到62.5 MB/s，所以理論圖像傳輸時間為656×492/62.5=5.2 ms;又由于一張1394 卡插的是兩個相機，相當于兩個相機共用一條總線，時間要乘以2，即是10.4 ms，再加上少量的曝光時間，所以理論上一個相機的圖像采集傳輸時間是大于10.4 ms 的。圖像處理時間沒有一個理論的計算，因為程序部分較為復雜，所以采用實際運行測量來估算。

表1 為本系統(tǒng)運行10 次的圖像采集和處理的時間，表1 中的所有數(shù)據(jù)是對12-PIN 接插件的檢測結(jié)果。

表1 系統(tǒng)圖像采集和處理運行時間 ms

從表1 中可得，本系統(tǒng)進行圖像采集和處理所用的平均時間為21.439 ms。

本系統(tǒng)中的料帶的運動控制規(guī)劃為梯形加減速曲線，如圖14所示。伺服電機采用快速點位運動控制方式，即電機按照設(shè)定的梯形速度運動指定的距離，在到達目標位置時自動停止。系統(tǒng)通過安裝在電機輸出軸上高精度的旋轉(zhuǎn)編碼器來判斷運動是否完成，但是如果以此信號軟件觸發(fā)相機拍照，會使圖像產(chǎn)生較大的“拖影”，圖像整體模糊，主要原因是上位控制卡發(fā)脈沖的速度要高于伺服電機的動態(tài)響應(yīng)速度，即存在脈沖滯后性(脈沖已經(jīng)發(fā)完并反饋給上位機，但是實際電機還在執(zhí)行，即是料帶還在運動)。因此，為了得到清晰的圖像，本系統(tǒng)在上位運動控制卡脈沖發(fā)送結(jié)束后，再延時100 ms，以確保電機執(zhí)行動作全部完成并且料帶可靠地停止。料帶一個周期的長度是23.5 mm，卡料齒輪盤的直徑是105 mm，電機脈沖當量角為0.125°，則運行一個周期所需脈沖為23.5× 360/(105π×0.125)=200。規(guī)劃電機加速度為30000 脈沖/s2，目標速度為6000 脈沖/s，則可以計算出t1=t2=20 ms，t3=13.3 ms。理論運動時間t=t1+t2+t3=53.3 ms。所以總的理論時間(加上延時)就為100 ms +53.3 ms=153.3 ms。

通過合理調(diào)整驅(qū)動器的相關(guān)參數(shù)，現(xiàn)場中料帶運動一個周期的實測平均總時間為155 ms。

圖14 梯形速度曲線圖

本系統(tǒng)完成一次檢測所用的總時間為:21.439 ms+155 ms=176.439 ms ＜200 ms，完全滿足系統(tǒng)的實時性指標。

3.2 系統(tǒng)檢測精度及分析

系統(tǒng)的檢測精度主要是針對引腳的長度、寬度及間距而言的，影響因素有相機的像素當量和圖像的處理算法。相機像素為656×492，圖像視野大小為30.8 mm×23 mm(不同的相機由于相機高度和焦距調(diào)整的細微差距可能存在較小的波動)。此個測試相機通過標定計算，像素當量為0.047 mm。本系統(tǒng)采用的算法中，定位孔的檢測基于邊緣檢測是亞像素精度算法，魚眼檢測算法和表面缺陷算法基于BLOB 分析是像素精度，尺寸檢測算法基于邊緣檢測是亞像素精度，所以整個系統(tǒng)的圖像算法精度是控制在正負一個像素當量的范圍之內(nèi)的。在本文中，所檢測的接插件尺寸規(guī)格如表2所示。

表2 接插件產(chǎn)品引腳規(guī)格尺寸

本系統(tǒng)的引腳尺寸測試結(jié)果，如表3所示。

表3 系統(tǒng)引腳尺寸測試結(jié)果表

其中引腳6 為特殊引腳，在計算引腳長度平均值時將其排除;引腳12 沒有間距值，即12 個引腳只有11 個間距。

通過對比上述的數(shù)據(jù)可知，引腳尺寸測量誤差小于±0.05 mm，驗證了尺寸測量算法的準確性，滿足系統(tǒng)的檢測精度指標要求。由于企業(yè)應(yīng)用成本的控制，本系統(tǒng)采用的是較低分辨力的相機，所以精度還沒能達到超高精度檢測。本系統(tǒng)如果采用更高分辨力的相機，是能夠達到更高精度檢測的。

3.3 系統(tǒng)可靠性分析

機器視覺檢測系統(tǒng)屬于新一代的檢測工具，在與傳統(tǒng)生產(chǎn)線集成的過程中必然會遇到很到實際問題，如果不能妥善地解決這些問題，將會引起系統(tǒng)的誤報。本系統(tǒng)中，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的因素主要有以下幾點:

1)殘留在產(chǎn)品表面上的潤滑油容易引起系統(tǒng)誤報。金屬料帶在通過沖壓過程中需要足夠的潤滑油，而一些潤滑油也經(jīng)常會粘附在沖壓后的產(chǎn)品表面上。這些殘留的潤滑油被視覺檢測系統(tǒng)誤檢測為劃痕或是壓傷缺陷，降低系統(tǒng)的可靠性。通過在產(chǎn)品進入檢測系統(tǒng)之前安裝一副氣流吹洗裝置以清除零件上殘留的潤滑油，從而降低系統(tǒng)的誤報率。

2)環(huán)境光源、設(shè)備振動、電磁干擾、供電電源的穩(wěn)定性等外部條件。特別注意的是短行程的變速運動容易引起電機振動，造成電機停不住，致使系統(tǒng)采集的圖像質(zhì)量部穩(wěn)定，因此要合理規(guī)劃電機的運動曲線，保證料帶在相機曝光時間內(nèi)所移動的微小位移不超過一個像素尺寸所對應(yīng)的物理尺寸。

4 結(jié)論

根據(jù)接插件生產(chǎn)廠商所提出的產(chǎn)品外觀質(zhì)量檢測要求，綜合機器視覺檢測系統(tǒng)的原理和特點，本文成功地將機器視覺檢測技術(shù)應(yīng)用到接插件外觀質(zhì)量檢測領(lǐng)域，研究并開發(fā)了基于機器視覺的接插件外觀質(zhì)量檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對接插件各種沖壓缺陷(包括尺寸參數(shù)和表面缺陷)的在線檢測，并且達到了廠家測量誤差小于±0.05 mm、檢測周期小于200 ms 的檢測要求，提高了接插件檢測的自動化程度。檢測系統(tǒng)軟件以Visual C + +6.0 為開發(fā)平臺，基于第三方圖像處理軟件開發(fā)包進行二次開發(fā)，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法和多線程編程技術(shù)，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，系統(tǒng)的可讀性、可操作性、可擴展性和可維護性較好，同時系統(tǒng)的界面友好，操作簡單，符合現(xiàn)場操作人員的使用習慣。

［1］Carsten Steger，Markus Ulrich，Christian Wiediman.機器視覺算法與應(yīng)用(雙語版)［M］.楊少榮，譯.北京:清華大學出版社，2008.

［2］路勤密詩基.電子連接器自動檢測白皮書［J］.現(xiàn)代制造，2004(22):19-21.

［3］金隼，洪海濤.機器視覺檢測在電子接插件制造工業(yè)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2000(2):13-16.

［4］趙鵬.機器視覺理論及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［5］周建.基于機器視覺的半導體三極管外觀質(zhì)量的檢測［D］.成都:四川大學，2011.

［6］李峰峰.電子元器件的外觀檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.廣州:華南理工大學，2012.