高速CCD在連接器自動(dòng)化檢測(cè)方向的應(yīng)用

，，，，

(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽(yáng)，471993)

1　項(xiàng)目提出背景

1.1　項(xiàng)目提出現(xiàn)狀

某系列產(chǎn)品是連接器行業(yè)的重點(diǎn)產(chǎn)品，產(chǎn)品批量大，2016年全年需求量約90萬(wàn)只。目前該系列產(chǎn)品的插合端尺寸采用塞棒單個(gè)進(jìn)行測(cè)量，平均4S/根，該系列接觸件孔位平均在15個(gè)/件左右，測(cè)試一件產(chǎn)品需要60S，效率極低。在該系列產(chǎn)品的生產(chǎn)線中，檢測(cè)工序已成為瓶頸工序，直接影響整條生產(chǎn)線的工作效率。

由于測(cè)試人員技能水平參差不齊，手工測(cè)試的可靠性較差，測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確性，極易出現(xiàn)錯(cuò)檢漏檢現(xiàn)象，不能保證產(chǎn)品的一致性，且接觸式測(cè)試方法對(duì)接觸件鍍層有損傷，不能滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求。用戶(hù)不認(rèn)可目前裝配現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)方案，并在審核中給出不合格項(xiàng)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及檢測(cè)方式如圖1所示。

圖1　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及檢測(cè)方式

目前，該系列產(chǎn)品的插合端尺寸采用塞棒單個(gè)進(jìn)行測(cè)量，平均4S/根，測(cè)試一件產(chǎn)品需要60S,測(cè)試時(shí)先用下極限塞棒插合，然后用上極限尺寸塞棒插合。例如，當(dāng)檢測(cè)上圖所示信號(hào)接觸件尺寸(0.80≤尺寸≤1.05)時(shí)，先使用為下極限尺寸(直徑為0.80mm)的銷(xiāo)棒逐個(gè)插入接觸件檢測(cè)，要求檢測(cè)時(shí)塞棒靠自身重量落下為合格，反之則不合格。然后使用上極限尺寸(直徑為1.05mm)塞棒逐個(gè)檢測(cè)信號(hào)針裝配尺寸，要求檢測(cè)時(shí)塞棒靠自身重量不落下為合格，反之則不合格。手工逐個(gè)用銷(xiāo)棒進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效率較低，約60S/件，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大。人工用銷(xiāo)棒檢測(cè)尺寸，精度低，可靠性差，無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求。此外，接觸件錯(cuò)裝、漏裝情況靠人工目測(cè)，易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。這種檢測(cè)方式工作效率較低，工人工作量較大，且可靠性較差，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，增加了工作成本。

1.2　問(wèn)題解決方法的提出及預(yù)期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

目前，手工銷(xiāo)棒檢測(cè)方法，檢測(cè)效率較低、可操作性差、檢測(cè)可靠性低、檢測(cè)精度較低，檢測(cè)方式無(wú)法滿(mǎn)足批量生產(chǎn)要求及用戶(hù)要求。由于測(cè)量尺寸多，測(cè)量精度要求高，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求和用戶(hù)要求，本次攻關(guān)采用CCD視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行尺寸檢測(cè)，用工業(yè)相機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)接觸件間距尺寸，自動(dòng)分析判斷產(chǎn)品合格狀態(tài)。預(yù)期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)如下：

1)自主開(kāi)發(fā)高精度CCD拍照檢測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)在線檢測(cè)接觸件間距尺寸；

2)具有接觸件錯(cuò)裝、漏裝檢測(cè)功能，并能夠自動(dòng)分析判定產(chǎn)品的合格狀態(tài)，具有自動(dòng)報(bào)警功能；

3)具有數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，需要時(shí)可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，接觸件間距尺寸測(cè)試重復(fù)精度要求為±0.02mm；

4)單件產(chǎn)品測(cè)試效率為不低于7.2s/件。

2　項(xiàng)目攻關(guān)過(guò)程

2.1　項(xiàng)目立項(xiàng)

由于目前手工銷(xiāo)棒檢測(cè)方法效率較低、可操作性差、檢測(cè)可靠性低、檢測(cè)精度無(wú)法滿(mǎn)足要求等問(wèn)題，目前檢測(cè)方式無(wú)法滿(mǎn)足批量生產(chǎn)要求及用戶(hù)要求，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)迫切需求高效的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，經(jīng)制造部提出申請(qǐng)，我所開(kāi)展自動(dòng)化設(shè)備研制工作，設(shè)備主要解決以該系列產(chǎn)品接觸件間距自動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題。

2.2　項(xiàng)目難點(diǎn)

2.2.1一次測(cè)量尺寸多，檢測(cè)效率要求高

該系列產(chǎn)品接觸件較多，其中具有代表性產(chǎn)品1有20對(duì)接觸件，需要進(jìn)行20個(gè)尺寸測(cè)量，產(chǎn)品2有60對(duì)接觸件，需要進(jìn)行60個(gè)尺寸測(cè)量，數(shù)據(jù)處理量大，所有尺寸測(cè)量要求在4.5秒內(nèi)在線測(cè)試完成。

2.2.1測(cè)量精度高

該系列產(chǎn)品接觸件尺寸較小，部分產(chǎn)品尺寸要求嚴(yán)格。根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際需求，要求測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)精度達(dá)到±0.02mm，產(chǎn)品尺寸如圖2所示，常規(guī)測(cè)試方法無(wú)法滿(mǎn)足精度要求。

圖2　產(chǎn)品尺寸圖

2.2.3設(shè)備要求通用性強(qiáng)

該系列產(chǎn)品種類(lèi)較多，主要產(chǎn)品有20余種，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差別較大，接觸件形態(tài)不一。兼容所有型號(hào)產(chǎn)品，對(duì)于檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和視覺(jué)系統(tǒng)要求較高。

2.3　方案設(shè)計(jì)

2.3.1總體方案設(shè)計(jì)

該接觸件間距檢測(cè)系統(tǒng)主要由CCD測(cè)量組件、采卡及A/D轉(zhuǎn)換模塊、工業(yè)計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)部件及電氣控制系統(tǒng)組成。具體方案如圖3所示。

圖3　整體方案

2.4　CCD組件測(cè)量系統(tǒng)

CCD測(cè)量系統(tǒng)主要包括：工業(yè)CCD相機(jī)、光源、工業(yè)計(jì)算機(jī)及相關(guān)附件。CCD檢測(cè)組件該檢測(cè)組件是檢測(cè)設(shè)備的核心部件，主要由工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、背光源、相機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、光源調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及相機(jī)防護(hù)罩等幾部分組成。光源為相機(jī)抓取圖像提供條件，CCD相機(jī)及光源組件負(fù)責(zé)拍取圖像傳輸給工業(yè)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，工業(yè)計(jì)算機(jī)及軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析處理并給出處理結(jié)果，CCD測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示[1]。

圖4　CCD測(cè)量系統(tǒng)

CCD 是由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成的一體化的光電轉(zhuǎn)換器件，其突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)載體，當(dāng)入射光照射到CCD光敏單元上時(shí)，光敏單元中將產(chǎn)生光電荷Q，Q與光子流速率Δn0、光照時(shí)間Tc、光敏單元面積A成正比，即[2]：

Q=ηqΔn0ATc

(1)

其中，η為材料的量子效率；q為電子電荷量。CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如圖5如示，其中橫坐標(biāo)為照度，lx.s；縱坐標(biāo)為輸出電壓，V0在非飽和區(qū)滿(mǎn)足：

f(s)=d1sτ+d2

(2)

式中，f(s)為輸出信號(hào)電壓(V)；s為曝光量(lx.s)；d1為直線段的斜率(V/ lx.s)，表示CCD的光響應(yīng)度；τ為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，τ接近于1；d2為無(wú)光照時(shí)CCD 的輸出電壓，稱(chēng)為暗輸出電壓。特性曲線的拐點(diǎn)G所對(duì)應(yīng)的曝光量SE稱(chēng)為飽和曝光量，所對(duì)應(yīng)的輸出電壓VSAT稱(chēng)為飽和輸出電壓。曝光量高于SE后，CCD輸出信號(hào)不再增加。由此可見(jiàn)，CCD 圖像傳感器在非飽和區(qū)的光電轉(zhuǎn)換特性接近于線性。因此，應(yīng)將CCD的工作狀態(tài)控制在非飽和區(qū)。

圖5　CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性

2.4　相機(jī)、光源的調(diào)整與找正

接觸件間距比較窄，普通光源無(wú)法照射至縫隙內(nèi)，同時(shí)，由于接觸件有一定弧度，當(dāng)光線從上方照射時(shí)，弧面位置反光不強(qiáng)，無(wú)法判斷接觸件邊緣，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　光源實(shí)驗(yàn)1

由于產(chǎn)品裝配一致性較差，接觸件裝配后高低狀態(tài)不一致，如圖測(cè)試選取中間位置的兩對(duì)相連的彈片時(shí)，只有一對(duì)彈片成像清晰，相鄰接觸件成像不清晰，上圖中紅圈位置為另一不清晰的彈片，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7　光源實(shí)驗(yàn)2

經(jīng)多次驗(yàn)證，采取正面打平行光，反面背光補(bǔ)光和圖像處理的方式進(jìn)行檢測(cè)，取像效果較好，能滿(mǎn)足測(cè)量要求，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8　光源的找正位置

光源位置找正以后，當(dāng)入射光照射到CCD光敏單元上時(shí)，光敏單元中將產(chǎn)生光電荷，此時(shí)就將接觸件間隙圖像的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。數(shù)字量經(jīng)過(guò)采卡以二進(jìn)制形式保存到工業(yè)計(jì)算機(jī)的固態(tài)硬盤(pán)中、該產(chǎn)品的每個(gè)接觸件間距都會(huì)以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式保存起來(lái)，隨后編寫(xiě)通過(guò)編寫(xiě)的LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行識(shí)別、調(diào)用、分析、反饋。工業(yè)計(jì)算機(jī)快速分析、處理、計(jì)算數(shù)據(jù)能力可以大幅度提高該產(chǎn)品的檢測(cè)效率。

2.5　檢測(cè)設(shè)備整體機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮產(chǎn)品批量情況和設(shè)備通用性原因，測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)總體機(jī)構(gòu)為便攜臺(tái)式桌面型。設(shè)備外形尺寸為：長(zhǎng)500mm*寬500mm*高450mm，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)方便快捷。設(shè)備主要機(jī)構(gòu)包括：顯示器、相機(jī)及其防護(hù)組件、水平移動(dòng)組件、機(jī)箱等部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)整體布局如圖9所示。

圖9　設(shè)備整體布局

水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)及按鈕操作面板待測(cè)產(chǎn)品水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括單軸機(jī)器人及附屬機(jī)構(gòu)，主要作用是水平移動(dòng)產(chǎn)品至檢測(cè)位置，按鈕操作面板有急停、啟動(dòng)和復(fù)位操作按鈕，蜂鳴器實(shí)現(xiàn)不合格產(chǎn)品的聲光報(bào)警功能。產(chǎn)品測(cè)試夾具采取快換模塊，當(dāng)更換不同類(lèi)型產(chǎn)品時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速切換，滿(mǎn)足設(shè)備通用性要求。

2.6　軟件程序設(shè)計(jì)

本次攻關(guān)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)用工業(yè)計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)程序基于windows系統(tǒng)[3]，采用LABVIE編寫(xiě)，單軸驅(qū)動(dòng)器和CCD均由工業(yè)計(jì)算機(jī)控制。該產(chǎn)品接觸件間距檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)界面和主界面如圖10、11所示。

點(diǎn)擊設(shè)備檢測(cè)界面的“參數(shù)設(shè)置”按鈕，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面如圖12所示。

圖10　檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)畫(huà)面

圖11　檢測(cè)主界面

圖12　參數(shù)設(shè)置界面

3　項(xiàng)目成果

3.1　實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

1)采用高精度CCD拍照檢測(cè)，自動(dòng)測(cè)試產(chǎn)品接觸件間距尺寸；

2)具有接觸件錯(cuò)漏檢功；

3)自動(dòng)分析判定產(chǎn)品合格狀態(tài)，具有自動(dòng)報(bào)警功能；

4)具有數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，需要時(shí)可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出；

5)測(cè)試精度達(dá)到±0.02mm。

6)單件產(chǎn)品測(cè)試效率為5.5s/件，測(cè)試效率提升1.91倍。

4　項(xiàng)目推廣意義

從本次攻關(guān)可以看出，CCD視覺(jué)檢測(cè)相對(duì)于傳統(tǒng)手工量具檢測(cè)具有以下優(yōu)勢(shì)，并具備較強(qiáng)的推廣意義：

1)實(shí)現(xiàn)高效率在線檢測(cè)

傳統(tǒng)手工量具檢測(cè)，檢測(cè)效率低，尤其是單件產(chǎn)品大量尺寸的檢測(cè)。CCD視覺(jué)檢測(cè)識(shí)別準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理和反饋迅速，可以大幅度提高生產(chǎn)效率。

2)能檢測(cè)人工常規(guī)檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)或者難以檢測(cè)的尺寸

CCD檢測(cè)為非接觸式測(cè)量檢測(cè)尺寸方式為非接觸式測(cè)量，CCD檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)拍照自動(dòng)抓取尺寸邊界，對(duì)于人工難以檢測(cè)的溝槽尺寸、縫隙尺寸、深孔內(nèi)尺寸、接觸件間距類(lèi)尺寸可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確測(cè)量。

3)對(duì)于大批量、持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)品，可采取視覺(jué)模式+工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行高效在線檢測(cè)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的推廣，工業(yè)機(jī)器人已逐步應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)和檢測(cè)，對(duì)于大批量穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)品，可采取視覺(jué)系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人組合的模式應(yīng)用，完全取代人工操作，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，大幅度提升非標(biāo)自動(dòng)化行業(yè)生產(chǎn)效率。

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