一種電能表可信生產(chǎn)貼片環(huán)節(jié)采集驗證方法和系統(tǒng)

徐永進，丁徐楠，沈曙明，周永佳，黃小瓊，李晨

(1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司營銷服務(wù)中心，杭州311121；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興314000)

0 引 言

在電子技術(shù)領(lǐng)域中，PCB貼片的生產(chǎn)過程需要對貼片的檢測功能進行驗證，以提高貼片檢測的成功率。在對PCB貼片生產(chǎn)流程進行管理時，一般將檢測設(shè)備放置在貼片環(huán)節(jié)之后，以檢測整體貼片的效果。檢測設(shè)備可根據(jù)內(nèi)部攝像頭和光源的搭配來偵測貼片組件的合格率，比如PCB電路板中元器件的缺件、錯件、偏移等[1]，但目前的檢測工作中仍存在以下技術(shù)缺陷：

(1)缺少一致性比對；電能表PCB貼裝后與監(jiān)管方送樣環(huán)節(jié)缺少一致性的比對環(huán)節(jié)，監(jiān)管方無法實現(xiàn)對PCB板貼片流程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行遠(yuǎn)程即時檢測和監(jiān)控，這容易導(dǎo)致可信制造的數(shù)據(jù)信息滯后；

(2)檢測技術(shù)落后：當(dāng)前的檢測工作大部分通過人工操作設(shè)備完成，容易造成檢測錯誤，工作效率低下，而且出錯率極高[2]；

因此，傳統(tǒng)的技術(shù)方案已經(jīng)很難滿足現(xiàn)有市場的需求。隨著圖像識別技術(shù)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了基于光學(xué)原理的專用多功能檢測算法和二元或灰度水平光學(xué)成像處理技術(shù)，這種技術(shù)雖然在其他行業(yè)中有所應(yīng)用，但應(yīng)用于PCB貼片缺陷檢測時，關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計尚不充分。

1 采集驗證方法

基于上述論述，研究通過專業(yè)攝像頭配合光源以及運動控制技術(shù)，基于圖像傳感方法自動掃描PCB，從而實現(xiàn)圖像采集[3]。通過將電能表PCB貼片檢測點與標(biāo)準(zhǔn)庫中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)據(jù)進行比較，進而查出PCB貼片上的缺陷信息。該方案具有智能化、自動化程度高的優(yōu)點，能夠大幅度地提高檢測效率。

1.1 一致性檢測模板設(shè)計

在對電能表PCB貼片進行一致性檢測時，通常采用OCR 的識別算法模板，該方法包括參考圖像法和非參考圖像法[4]。其中參考圖像法是通過查找數(shù)據(jù)庫中設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)元字庫的圖像，進行對比分析、識別，這種方法雖然具有一定高的識別率，但其算法復(fù)雜，精度不高，因此，提出了一種智能化、自動化程度比較高的快速圖像模板匹配算法，以實現(xiàn)PCB貼片的外觀一致性的檢測。

在應(yīng)用時，首先對圖像模板匹配模板進行設(shè)計，在進行圖像采集時，先設(shè)置PCB貼片區(qū)域搜索模板圖像，逐個、逐步檢測PCB貼片區(qū)域[5]。也可以進行大面積區(qū)域粗略識別，再進行區(qū)域劃分，對重點區(qū)域進行檢測，進行精確匹配。其中一致性檢測判斷模型示意圖如圖1所示。

圖1 一致性檢測判斷模型示意圖

在進行一致性檢測模板設(shè)計時，首先對模板屬性類別進行分類，構(gòu)建不同類別的模板，比如以電容進行劃分分類屬性，則不同類別的電容劃分為一個模板，通過這種方法，實現(xiàn)電容模板的分類，然后以電阻為分類屬性進行分類，不同類別的電阻劃分為一個模板，從而實現(xiàn)電阻模板的分類。以此類推，分別構(gòu)建出電容模板、電阻模板、孔徑模板、字符識別模板等。當(dāng)構(gòu)建的模板比較多時，則可啟動K-Means算法、支持向量機、Apriori算法、最大期望(EM)算法、Adaboost迭代算法、關(guān)聯(lián)算法模型、故障診斷模型、隨機矩陣算法模型等多種計算模型實現(xiàn)目標(biāo)模板的快速尋找。下面以一種大數(shù)據(jù)算法為例，進一步說明該方法的技術(shù)進步性。

在研究目標(biāo)模板與測試數(shù)據(jù)之間關(guān)系時，可以采用隨機矩陣?yán)碚摂?shù)學(xué)模型來計算。

矩陣模型可以為：

(1)

式(1)表示D1和與D2在(M+N)×T下的關(guān)聯(lián)性。其中：

(2)

在式(2)中，假設(shè)電能表貼片檢測數(shù)據(jù)類型有M種，該M種數(shù)據(jù)中用數(shù)據(jù)集合記作為{P1,P2,P3,P…,PM}，在T時間內(nèi)測量的數(shù)據(jù)。

(3)

式(3)中D2表示電能表在運行過程中產(chǎn)生的貼片數(shù)據(jù)類型，比如電容數(shù)據(jù)、電阻數(shù)據(jù)、孔徑數(shù)據(jù)、字符識別數(shù)據(jù)等。上述數(shù)據(jù)以集合的形式記作：{Q1,Q2,Q3, ….,QN}；用字母N表示電能表在運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)種類；T表示獲取數(shù)據(jù)樣本的測量次數(shù)。

假設(shè)在時間T下，n個電能數(shù)據(jù)變量構(gòu)成的向量為集合為：

(4)

這些量測數(shù)據(jù)可以構(gòu)成一個列向量，按時間順序?qū)λ鶞y的電能表PCB貼片數(shù)據(jù)進行排序，可以得出矩陣：

(5)

式中Ω表示為電能表PCB貼片數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。

Dstd=[ω1,ω2,ω3,…,ωM+N]T

(6)

Dstd的值的大小能夠表示數(shù)據(jù)集合D1和與數(shù)據(jù)集合D2之間的關(guān)聯(lián)性，ω1,ω2,...,ωM+N分別表示矩陣D1和D2中單個元素的集合，通過這種數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性對比，可以使用戶快速從目標(biāo)數(shù)據(jù)模板中，找到關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)目標(biāo)模板的快速查詢。

1.2 貼片采集驗證方法

在進行貼片采集驗證時，在不同的階段均需要對貼片采集信息進行驗證，文中分別對電能表送樣階段、電能表批量生產(chǎn)階段等方面進行詳細(xì)描述。

1.2.1 電能表送樣階段

電能表送樣階段時，首先在監(jiān)管方設(shè)置樣品貼片參數(shù)和檢測參數(shù)，形成送樣模板并存儲。具體實現(xiàn)如下：

(1)獲取進行PCB板貼裝工作時的設(shè)置參數(shù)，參數(shù)信息包括：RGB光源設(shè)置信息、彩色CCD相機參數(shù)信息和運動控制系統(tǒng)定位信息[6]，從而獲取二元或者灰度水平光學(xué)成像圖像；

(2)獲取送樣階段檢測設(shè)備對貼裝零件后的PCB板檢測得到的檢測參數(shù)，即圖像比對模板，包括通過字符識別工具識別的字符信息，圖案匹配工具檢測定位元器件位置信息，邊線檢驗工具檢測特征和缺陷信息，邊線檢測工具測量尺寸信息，彩色工具檢測特征信息，ID識別工具讀取PCB條碼/二維碼信息；

(3)綜合所述設(shè)置參數(shù)和所述檢測參數(shù)，得到電能表送樣階段的PCB檢測方案；

(4)根據(jù)所述PCB檢測方案制作成圖像識別的檢測模板，將模板的設(shè)置參數(shù)信息和檢測參數(shù)信息按設(shè)計的結(jié)構(gòu)保存至監(jiān)管方系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫[7]。

1.2.2 電能表批量生產(chǎn)階段

在電能表批量生產(chǎn)階段時，具體實現(xiàn)方法如下：

(1)通過對電能生產(chǎn)廠家貼片設(shè)備后端加裝驗證系統(tǒng)，并加載監(jiān)管方PCB檢測方案，設(shè)置PCB檢測方案中的所述設(shè)置參數(shù)，以此獲取差異性最小的比對圖像，用于和PCB檢測方案中的所述檢測參數(shù)進行比對，進行電能表可信生產(chǎn)貼片環(huán)節(jié)采集驗證[8]，現(xiàn)場圖片如圖2所示。

圖2 貼片現(xiàn)場采集示意圖

其中的驗證方法如圖3所示。

圖3 貼片采集驗證方法示意圖

當(dāng)檢測參數(shù)中的圖像匹配工具、彩色工具無法獲取元器件位置信息時，則得到的檢測結(jié)果為貼片元器件缺失。

當(dāng)檢測參數(shù)中的圖像匹配工具、邊線檢驗工具、邊線檢測工具定位出的X和Y位置，對比PCB檢測方案中的X和Y位置所產(chǎn)生的偏離，則得到的檢測結(jié)果為貼片布局偏差錯誤。

當(dāng)檢測參數(shù)中的字符識別工具、ID識別工具讀取到的元器件規(guī)格信號字符與PCB檢測方案不一致時，則得到的檢測結(jié)果為貼片元器件錯誤[9]；

(2)利用后臺服務(wù)器系統(tǒng)對比廠家的檢測數(shù)據(jù)和送樣環(huán)節(jié)系統(tǒng)中的檢測參數(shù)，得到檢測結(jié)果，在得到檢測結(jié)果之前還包括采集設(shè)備參數(shù)環(huán)節(jié)，比如，獲取PCB貼片機的性能參數(shù)、檢測參數(shù)等，并將這些參數(shù)信息以數(shù)據(jù)庫的形式進行存儲；

(3)根據(jù)檢測結(jié)果，并依據(jù)送樣環(huán)節(jié)的模板和設(shè)置參數(shù)進行貼裝工作的調(diào)整[10]。

檢測包括各個方向上的偏離參數(shù)，比如在平面范圍內(nèi)，空間范圍中X軸方向、Y軸方向或者Z軸方向的參數(shù)，當(dāng)檢測元器件內(nèi)容相對設(shè)置元器件內(nèi)容在X方向和/或Y方向產(chǎn)生差異，則得到核對元器件偏差結(jié)果[11]。

2 采集驗證系統(tǒng)設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計中，文中綜合考慮了多方面的智能化因素，在構(gòu)思過程中，在系統(tǒng)中融入了機器視覺技術(shù)，通過CCD工業(yè)相機采集圖像信息，獲取PCB貼片信息情況，又加入了雙六軸聯(lián)動機械傳動系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)平面范圍內(nèi)X軸、Y軸、Z軸等多方位、多角度的測量，實現(xiàn)PCB電路板無死角檢測[12]。在硬件結(jié)構(gòu)中，除了雙六軸聯(lián)動機械傳動系統(tǒng)外，還設(shè)計了定位裝置，能夠承載電能表PCB貼片電路板在檢測工位自由移動，進而實現(xiàn)多方位檢測[13-14]，雙六軸控制聯(lián)動機械傳動系統(tǒng)如圖4所示。

在該設(shè)計中，CCD攝像機在Z軸方向上，在伺服驅(qū)動裝置的控制下，在空間范圍內(nèi)進行上下移動，繼而實現(xiàn)無死角、大范圍內(nèi)的圖像信息采集[14]。定位平臺也在伺服機構(gòu)的作用下，通過X軸、Y軸以及Z 軸方向移動和水平旋轉(zhuǎn)、擺動[15]。為了提高系統(tǒng)的精度，將X軸、Y軸和Z軸的位移設(shè)置為400 mm、200 mm、10 mm，位移精度可達(dá)0.001 mm，水平旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到0～360°，精度達(dá)到0.005°；水平擺動角度為±平擺動，精度達(dá)到0.005°[16]，因此，大大提高了定位精度。

圖4 雙六軸控制聯(lián)動機械傳動系統(tǒng)

在系統(tǒng)設(shè)計中，還包括設(shè)置參數(shù)獲取單元、檢測參數(shù)獲取單元、PCB檢測方案獲得單元、檢測模板制作單元、采集驗證單元、比對單元和調(diào)整單元[17]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 采集驗證系統(tǒng)示意圖

在圖5中，參數(shù)獲取單元用于獲取PCB板貼裝工作時的設(shè)置參數(shù)，參數(shù)信息包括：RGB光源設(shè)置信息、彩色CCD相機參數(shù)信息和運動控制系統(tǒng)定位信息等，進而能夠獲取二元或者灰度水平光學(xué)成像圖像。檢測參數(shù)獲取單元還能夠獲取送樣階段檢測設(shè)備對貼裝零件后的PCB板檢測得到的檢測參數(shù)，即圖像比對模板[18]，該檢測參數(shù)至少包括通過字符識別工具識別的字符信息、圖案匹配工具檢測定位元器件位置信息、邊線檢驗工具檢測特征和缺陷信息、邊線檢測工具測量尺寸信息、彩色工具檢測特征信息以及ID識別工具讀取PCB條碼/二維碼信息。其中PCB檢測方案獲得單元綜合設(shè)置參數(shù)和檢測參數(shù)，得到電能表送樣階段的PCB檢測方案。檢測模板制作單元用于根據(jù)所述PCB檢測方案制作成圖像識別的檢測模板，將模板的設(shè)置參數(shù)信息和檢測參數(shù)信息按設(shè)計的結(jié)構(gòu)保存至監(jiān)管方系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫[19]。采集驗證單元用于通過對電能表生產(chǎn)廠家貼片設(shè)備后端加裝驗證系統(tǒng)，加載監(jiān)管方PCB檢測方案，設(shè)置PCB檢測方案中的設(shè)置參數(shù)，以此獲取差異性最小的比對圖像，以此與PCB檢測方案中的檢測參數(shù)進行比對，進行實現(xiàn)電能表可信生產(chǎn)貼片環(huán)節(jié)采集驗證[20]，驗證內(nèi)容可以為：

(1)當(dāng)檢測參數(shù)中的圖像匹配工具、彩色工具無法獲取元器件位置信息時，則得到的檢測結(jié)果為貼片元器件缺失；

(2)當(dāng)檢測參數(shù)中的圖像匹配工具、邊線檢驗工具、邊線檢測工具定位出的X軸和Y軸位置，對比PCB檢測方案中的X軸和Y軸位置所產(chǎn)生的偏離，則得到的檢測結(jié)果為貼片布局偏差錯誤；

(3)當(dāng)檢測參數(shù)中的字符識別工具、ID識別工具讀取到的元器件規(guī)格信號字符與PCB檢測方案不一致時，則得到的檢測結(jié)果為貼片元器件錯誤[21]。

在上述技術(shù)方案中，比對單元利用后臺計算機對比廠家的檢測數(shù)據(jù)和送樣環(huán)節(jié)系統(tǒng)中的檢測參數(shù)，最終得到檢測結(jié)果，調(diào)整單元根據(jù)檢測結(jié)果，并依據(jù)送樣環(huán)節(jié)的模板和設(shè)置參數(shù)進行貼裝工作的調(diào)整。

3 實驗結(jié)果與分析

利用前文研究的方法和系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術(shù)中人工抽檢方案(下文稱方案一)和傳統(tǒng)技術(shù)中無一致性的對比方案(下文稱方案二)進行對比分析，如圖6所示，實驗仿真硬件平臺是常規(guī)PC，采用的硬件設(shè)備由工控機、開關(guān)電源、PLC控制器、光源控制器、光源、燈帶、伺服驅(qū)動器、電機、直線模組、電源多功能控制器、表座、指示燈、交換機、相機等組成，實驗對象為三相智能電能表的PCB電路板，其尺寸為290 mm×170 mm×85 mm。

在電能表批量生產(chǎn)階段進行數(shù)據(jù)抽檢，以1 000只三相電能表為抽檢樣本，得出如表1所示的數(shù)據(jù)。

通過上述試驗，可以看出，文中設(shè)計的方案檢測時間快，正確率高，檢測到的數(shù)據(jù)和PCB檢測方案中的檢測參數(shù)能夠達(dá)到監(jiān)管方對數(shù)據(jù)的相關(guān)要求。此外，文中方法還摒棄了傳統(tǒng)貼裝方案的技術(shù)弊端。傳統(tǒng)方法中，在電能表送貨完成后發(fā)現(xiàn)PCB出現(xiàn)問題的話，重新調(diào)整的代價非常大。所述方法在實時對比廠家檢測數(shù)據(jù)和檢測方案中的檢測參數(shù)時，當(dāng)發(fā)現(xiàn)二者不匹配時，監(jiān)管方可立刻通知生產(chǎn)企業(yè)進行調(diào)整，以避免后續(xù)制造的PCB板貼片環(huán)節(jié)現(xiàn)同樣的問題，這在常規(guī)技術(shù)中很難實現(xiàn)[22-23]。

圖6 采集現(xiàn)場試驗圖

表1 實驗數(shù)據(jù)表

另外，在批量電能表檢測過程中，很容易出現(xiàn)檢測不全、漏檢現(xiàn)象，下面對比方案一、方案二和本研究方案的檢測完整率情況，抽取600只電能表，在2 h內(nèi)實現(xiàn)該檢測，得出如圖7所示的對比圖。

圖7 檢測率分布圖

通過試驗可以看出，文中方法的檢測完整率最低值高達(dá)95%，明顯高于方案一和方案二?？梢钥闯?，所研究的系統(tǒng)和方法滿足了電能表生產(chǎn)監(jiān)管方對電能表生產(chǎn)企業(yè)的電能表貼片環(huán)節(jié)的可信制造驗證需求，同時提高了采集效率、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和采集的穩(wěn)定性，并降低了人力和設(shè)備成本。

下面再在檢測時間上進行對比分析，以方案一和方案二的方法作為對比，通過驗證檢測時間長短來對研究的效率進行試驗、分析。為了提高測量精度，分別測試10次，據(jù)此得到3種方法進行10次測試的耗時對比結(jié)果。如圖8所示。

圖8 檢測耗時對比示意圖

在圖8中，方案一方法在10次檢測實驗中的總耗時為103 s；方案二方法在10次檢測實驗中的總耗時為97 s，而文中的技術(shù)方案總耗時為49 s，約為兩種對比方法的一半。可以得出結(jié)論，在檢測效率方面，文中方法相較于傳統(tǒng)方法有著巨大優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

文章利用光學(xué)原理、模板匹配檢測技術(shù)和二元或灰度水平光學(xué)成像處理技術(shù)設(shè)計了一種新型的可信生產(chǎn)貼片環(huán)節(jié)采集驗證方法和系統(tǒng)。在單相、三相電能表及采集終端類設(shè)備的PCB生產(chǎn)過程中，所述的檢測方法能夠?qū)臻g范圍內(nèi)的缺失信息、斷字信息或者漏孔信息進行全方面的信息采集、信息識別和模板匹配，算法的檢測時間至少縮短50%，正確率大于95%。該過程無需人工參與，能夠自動完成大面積的檢測，適用范圍廣、自動化程度高、正確率高，同時為電能表生產(chǎn)管控監(jiān)造自動化、智能化的后續(xù)研究提供了一種很好的思路，奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。