高精度視覺測量系統中檢測方法的研究

趙大興，彭 煜，孫國棟，馮 維

ZHAO Da-xing，PENG Yu，SUN Guo-dong，FENG Wei

(湖北工業大學 機械工程學院，武漢 430068)

0 引言

電子接插件是實現可分離電接觸必不可少的元件，由于其使用量大,分布廣范，且在電子設備中起著實現電路通斷的重要作用。因此,它的可靠性是整個電子設備正常運行的關鍵，而其質量將直接影響電子設備的產品品質[1]。對于每分鐘高達上千件的電子插接件制造過程來說，其質量檢測壓力非常大。

目前，國內微型電子接插件生產企業采用的多數檢測設備已基本實現自動化，但仍然存在檢測與測量精度不高的問題，而其檢測的核心環節還得需要人工，這給企業增加了巨大的管理成本，并在一定程度上降低了檢測效率[2]。而且即使在最好的情況下，仍然無法保證100%的檢驗合格率（即“零缺陷”）[3]。針對電子接插件質量檢測存在的問題，國內許多專家進行了研究，上海交通大學的金隼、洪海濤將機器視覺技術應用在電子接插件制造的沖壓階段中，通過目標零件的位置信息與標準零件模板匹配以檢測出插腳形狀上的質量[4]。同時，國內有部分高新技術企業已經對電子接插件質量檢測做出了部分成型設備，但由于受電子接插件尺寸型號、檢測效率、測量精度以及成本高等條件限制，并不能實現在同一設備上實現多種型號的電子接插件在線檢測。

本文正是針對這一需求，提出了一種新的微型電子接插件在線檢測與測量系統，并對其中關鍵的檢測方法進行了革新，提高電子接插件的在線檢測效率和精度。

1 視覺檢測系統原理

微型電子接插件高精度視覺測量系統是一套基于機器視覺的無損檢測設備。主要由光源、CCD相機、鏡頭、圖像采集卡、PLC、工控機、細分工作臺、驅動器、相應機械結構和視覺測量軟件等部分組成[5]。微型電子接插件高精度視覺測量系統工作原理如圖1所示：PLC通過驅動器控制細分工作臺運動，觸發位置傳感器并將信號傳輸至兩臺面陣CCD相機，由相機分別采集置于細分工作臺上的微型電子接插件圖像，通過細分工作臺的間歇運動實現對微型電子接插件圖像的分段采集；相機所采集的圖像經圖像采集卡處理后傳送至工控機，應用自主研發的微型電子接插件高精度視覺測量系統軟件，依次對圖像進行檢測與測量處理；工控機將處理結果傳輸給PLC控制器，通過電磁閥控制剔除機構剔除不合格的電子接插件，同時可實現故障報警等功能。

2 檢測方法的方案設計

2.1 設計的要求

圖1 視覺測量系統原理圖

采用機器視覺檢測代替傳統人工檢測，實現了微型電子接插件的自動化檢測與測量，使人工抽檢升級為全檢，讓檢測的效率大大提高。

使用兩臺相機同時檢測同一接插件，這樣不僅可以完成對不同部位多種缺陷類型的檢測，還能實現對不同型號接插件的檢測（可識別接插件類型：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，采用雙相機耦合檢測，二臺相機同時在線采集不同圖片,保證了對接插件端口的無死角檢測[6]。通過高精度滑臺間歇運動的配合，能使檢測的精度提高，同時檢測的速度也加快。

圖2 FPC系列電子接插件

2.2 平臺的設計

本高精度滑臺是采用PLC控制驅動器來運動，XY平面聯動，不同于傳統平臺的被動檢測（傳統檢測平臺無動力裝置，無法平面移動），能夠主動將待檢測的接插件送到相機視野內進行檢測并實現實時控制及分段進給，且可根據需要調整傳動速率[7]。檢測時工作臺運行的最高速度為5mm/s，即3m/min，最低速度為1mm/s，其負載在0.5kg以下，運動的有效范圍可在100mm×100mm內。根據接插件的尺寸和大小，以及滑臺的特殊移動檢測方式，工作臺之上取消了夾具，不同的接插件需要不同的夾具，而此滑臺采用的矩形小槽能放置絕大多數的電子接插件，這就避免因為接插件不同要更換夾具的麻煩，提高了檢測的效率。XY軸方向除了需要一定的負載能力，在運動的過程還得保持一定的精度。

3 分段測量方法控制的實現

整個測量系統的核心就是分段檢測，分段檢測提高了檢測的精度，使檢測的穩定性增強。而此系統采用PLC控制器驅動細分工作臺運動，采用工控機反饋信號給PLC控制剔除機構的啟停，實現細分工作臺高精度保持性的實時控制及分段進給。

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、驅動器、細分工作臺、相應機械結構等。單向分段采集PLC控制主要流程為：PLC通過驅動器控制細分工作臺運動，直到移動至工件位置1處觸發位置傳感器1，PLC接收位置傳感器觸發信號后觸發相機采集微型電子接插件第一段圖像；接著，細分工作臺會繼續運動至工件位置2處，并觸發位置傳感器2，PLC接收位置傳感器觸發信號后觸發相機采集微型電子接插件第二段圖像；最后，細分工作臺會繼續運動至工件位置3處，并觸發位置傳感器3，PLC接收位置傳感器觸發信號后觸發相機采集微型電子接插件第三段圖像。將同一個微型電子接插件的三段圖像經過視覺測量軟件自動識別與測量，如果發現缺陷存在，則PLC通過電磁閥控制剔除機構，自動剔除不合格產品；若沒有發現缺陷存在，則表示產品合格，不作處理，控制臺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 檢測結果與分析

微型電子接插件高精度視覺測量系統涉及到步進電機的調速控制、PLC控制器的通信控制、CCD的觸發方式控制、界面的實時顯示、海量圖像的實時處理、數據庫的記錄、剔除機構的執行等諸多任務，而采用的分段檢測方法不同于以往的傳統檢測手段，將接插件分段處理，使相機攝取的檢測圖像更清晰。

圖4 電子接插件pin部位檢測與測量效果圖

如圖4所示為對圖2系列電子接插件檢測效果圖，可以看出檢測系統將電子接插件的針腳都以標出，并且實現了針腳尺寸與間距測量，其針腳尺寸與間距將顯示在主界面下角的報表中。

以表1所示數據為基準。視覺檢測系統對pin部位的測量數據分析如圖5所示，其中綠線表示被測量部位允許的誤差范圍，藍線連接的各值點表示測量值曲線。

圖5 pin測量數據分析圖

由5圖可知，測量值曲線在允許的誤差范圍內，滿足測量精度要求，實驗結果表明，本測量檢測方法實現了接插件的高精度檢測。

5 結論

微型電子接插件高精度視覺測量系統是一套集機械、電子、光學、計算機、軟件工程等于一體的自動化無損檢測設備。不僅實現了從傳統人工檢測到基于機器視覺的自動檢測的轉變，提高了微型電子接插件檢測的時效性和經濟性，而且可實現接插件的分段檢測和高精度測量，通過將在線檢測系統的結果與原始圖像中的疵點信息相比較，測量精度可達到0.007mm，而檢測過程也因采用滑動平臺運載以及自動剔除裝置，檢測效率達到了8-10個每分鐘。

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

[2]金隼,來新民.電子接插件大批量制造中的質量在線檢測.輕型汽車技術,2003,9:25-29.

[3]杜婷婷.機器視覺技術在電器工業中的應用.制造業自動化,2011,33(7):101-104.

[4]金隼,洪海濤.機器視覺檢測在電子接插件制造工業中的應用.儀表技術與傳感器,2000,2:13-16.

[5]周傳宏,陳郭寶,王懷虎,康少博.OpenCV在條煙視覺檢測系統中的應用.機械設計與制造.2011,11:72-74.

[6]隋婧,金偉其.雙目立體視覺技術的實現及其進展.電子技術應用.2004,10:4-6.

[7]林海波,楊國哲,趙文輝.三維納米定位微動平臺的設計與分析.設計與研究,2009,7:41-44.