基于機(jī)器視覺的柔性電路板智能檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李鋒，王志鋒，劉彥磊，盧云詩

（1.廣西玉柴新能源有限公司，廣西玉林，537000；2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300350；3.玉林中燃城市燃?xì)獍l(fā)展有限公司，廣西玉林，537000）

0 引言

應(yīng)企業(yè)智能制造升級(jí)改造項(xiàng)目的需求，對(duì)電路板檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，目的是減少人工因疲勞引起的電路板上針腳焊錫少錫、多錫、連錫、虛焊等缺陷及插件元件誤檢，漏檢等問題，以及打通與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信的問題，提升智能制造效率及智能化水平。

本研究結(jié)合了機(jī)器視覺及MES系統(tǒng)在智能產(chǎn)線上的應(yīng)用，采用西門子PLC作為控制核心，控制機(jī)械臂及自動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行機(jī)器視覺進(jìn)行電路板相關(guān)數(shù)據(jù)采集，工控機(jī)進(jìn)行圖像預(yù)處理及識(shí)別，并將缺陷及插件元件的信息發(fā)送給PLC，PLC通過MODBUS TCP通訊來實(shí)現(xiàn)與MES系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,達(dá)到實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)直接控制電路板檢測(cè)系統(tǒng)的目的[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性電路板控制系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)分為：上料機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、傳送帶、自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)等構(gòu)成。上料機(jī)構(gòu)用于柔性電路板的存儲(chǔ)及上料準(zhǔn)備，機(jī)械手用于將上料機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備好的柔性電路板放到傳送帶，傳送帶負(fù)責(zé)將電路板運(yùn)輸?shù)阶詣?dòng)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的視覺待檢區(qū)，機(jī)械手將已經(jīng)檢測(cè)產(chǎn)品抓取并放到傳送帶，進(jìn)入下一道工序。

1.1 系統(tǒng)工藝分析

產(chǎn)線接受來自MES系統(tǒng)訂單啟動(dòng)產(chǎn)線，上料機(jī)構(gòu)將柔性電路板準(zhǔn)很好等待抓取機(jī)器人將其放到傳送帶輸送到機(jī)器視覺自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)的待檢區(qū)，待檢區(qū)檢測(cè)到柔性電路板，PLC控制開啟光源和相機(jī)進(jìn)行拍照，圖像處理軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括灰度轉(zhuǎn)換，濾波，增強(qiáng)，矯正及特征提取，最后經(jīng)過自研視覺算法進(jìn)行缺陷識(shí)別，缺件檢測(cè)，計(jì)數(shù)等操作，圖像處理軟件將結(jié)果傳送給PLC系統(tǒng)，PLC控制機(jī)械手將合格產(chǎn)品和不合格產(chǎn)品進(jìn)行分揀，同時(shí)將處理結(jié)果通過MODBUS TCP傳給MES系統(tǒng)，接受來自MES系統(tǒng)的下一步工序的加工[2]。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)主要包括PLC控制系統(tǒng)，MES系統(tǒng)，機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)，HMI界面等，通過工業(yè)交換機(jī)連接所有系統(tǒng)，系統(tǒng)通過MODBUS TCP進(jìn)行通訊控制[2]。系統(tǒng)要設(shè)置IP地址，并并設(shè)定數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)區(qū)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC采用西門子S7-1214C作為核心控制器，接受來自MES系統(tǒng)的指令來控制機(jī)械臂抓取電路板放到待測(cè)平臺(tái)，通過PROFINET通信實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)的X軸，Y軸，Z軸的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，從而控制X和Y方向的絲杠導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)待測(cè)PCB的準(zhǔn)確定位?？刂芞軸方向的絲桿運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)高度的精確控制，獲取圖像采集[3]。通過工業(yè)以太網(wǎng)接受機(jī)器視覺系統(tǒng)處理的結(jié)果，并將結(jié)果上傳到MES系統(tǒng)，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)體如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件

2.2 機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)

本機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)電路板電子元件焊接質(zhì)量及插件的有無及數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)，其中針腳連錫，少錫，漏焊以及無插件等情況都判斷為不合格，其系統(tǒng)主要又工業(yè)相機(jī)，鏡頭，同軸光源，夾具及視覺檢測(cè)軟件構(gòu)成。該檢測(cè)系統(tǒng)的視覺軟件是利用OpenCV開源圖像處理庫進(jìn)行圖像采集及處理。在Pytharm+QTdesigner環(huán)境下進(jìn)行HMI界面開發(fā)封裝，實(shí)現(xiàn)圖像顯示，設(shè)置通信，修改參數(shù)，存儲(chǔ)圖片及視頻等相關(guān)功能。把處理完的結(jié)果通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絇LC[4]，其檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 視覺檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求，MES系統(tǒng)下達(dá)檢測(cè)指令給PLC，PLC控制檢測(cè)線啟動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)線啟動(dòng)時(shí)上料機(jī)械臂運(yùn)行到PCB板暫存區(qū)，利用機(jī)械手將PCB板抓起，運(yùn)行到傳送帶上方時(shí)將PCB板準(zhǔn)確的放置到上面的待檢區(qū)，便于機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行拍攝。自動(dòng)運(yùn)輸平臺(tái)將PCB板運(yùn)輸?shù)綑C(jī)器視覺模塊區(qū)，光源打開并進(jìn)行拍攝，在拍攝完成后自行關(guān)閉光源。在計(jì)算機(jī)對(duì)拍攝圖像進(jìn)行處理的同時(shí)步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)向前運(yùn)行，當(dāng)PLC接受到計(jì)算機(jī)的缺陷檢測(cè)結(jié)果后控制機(jī)械手進(jìn)行合格產(chǎn)品和不合格產(chǎn)品進(jìn)行分揀，并將處理結(jié)果上傳到MES系統(tǒng)，檢測(cè)繼續(xù)[5]。其控制流程如圖4所示。

圖4 程序控制流程

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

HMI界面主要實(shí)現(xiàn)與MES系統(tǒng)通信，手自動(dòng)系統(tǒng)切換，手動(dòng)操作，變量監(jiān)控，參數(shù)調(diào)整，相機(jī)采集操作，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)手動(dòng)控制等功能，其中參數(shù)調(diào)整主要是進(jìn)行X軸，Y軸，Z軸的伺服，傳送帶速度，機(jī)械手位置等參數(shù)調(diào)整[6]，其整個(gè)系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 HMI 系統(tǒng)界面

5 結(jié)語

該控制系統(tǒng)已在企業(yè)進(jìn)行調(diào)試并正式落地應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了MES系統(tǒng)與柔性電路板機(jī)器視覺智能檢測(cè)系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)的之間的通訊，使得柔性電路板的檢測(cè)效率提高了87%，產(chǎn)品的漏檢率為0%，促進(jìn)了企業(yè)智能制造的升級(jí)改造，提高了企業(yè)的智能化水平，為今后打造智慧化的車間打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。