平面連接器外觀質量在線檢測系統

王 磊，韓震宇，蘭 云

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

隨著電子信息業的發展，連接器結構千變萬化，但其基本的要求都是要保證電流可靠、順暢、連續地流通。連接器件使得電子產品的裝配過程和批量生產過程得以簡化。由于產品向著微型化、高頻化和智能化方向發展，因此對連接器的間距、高度和外觀質量都提出了新的要求。連接器的電氣性能受連接器件外觀質量影響較大，各種表面缺陷都會影響其電氣性能。因此廠家迫切需要對連接器的外觀質量進行檢測。基于機器視覺的連接器外觀質量檢測系統，旨在開發一套在精度和速度上都能達到廠家要求的檢測設備。

1 檢測系統硬件結構

視覺檢測系統是以光學成像為基礎，由機械、電氣、光學組成的測量系統[1]。典型的工業機器視覺檢測系統一般是由照明光源、光學鏡頭、工業相機、圖像采集卡、圖像處理模塊、結果判斷模塊和機械控制執行模塊組成。

連接器外觀質量檢測系統由機械硬件結構和圖像處理軟件系統2大部分組成。整個硬件系統的組成包括送料臺、運動控制器、伺服驅動器、伺服電機、條型組合光源、同軸光源、相機、圖像采集卡、PC機及以AVR單片機為主要器件組成的控制系統。

2 視覺檢測方法

2.1 閾值處理

閾值處理可以用來找到圖像中灰度級已知的目標，即可分離出待檢對象和背景區域。閾值處理也被看成測試下列函數T的一種操作[2]：

式（1）中：p（x，y）表示像素點的局部特性；f（x，y）是像素點（x，y）的灰度值，比如以像素點（x，y）為中心的鄰域的平均灰度值。

經過閾值處理后的圖像g（x，y）定義為：

如式（2），其中標記為1或者任何灰度級的像素點為對象，而標記為0或者沒有被標記的像素點則對應為背景。對于圖像中的被測目標分布在某一灰度級別上，背景分布在另一灰度級別上分別形成2個波峰。以雙峰之間的谷底處灰度值作為閾值T進行圖像的閾值化處理，便可將對象和背景很好地分割開來。連接器件外觀圖像直方圖具有明顯的雙峰特性，波谷較深。所以本系統采用直方圖閾值分割法，此方法對于背景和連接器對象的分割、連接器和連接器表面缺陷的分割，效果都很理想。

2.2 圖像分割

圖像中判斷邊緣點可利用一階導數進行檢測。判斷一個邊緣像素點是在亮的一側還是在暗的一側，可運用二階導數的符號。目前，基于一階導數和二階導數的邊緣檢測算子有很多，常用的有索貝爾（Sobel）算子、羅伯特（Roberts）算子、拉普拉斯（Laplacian）算子、普瑞維特（Prewitt）算子、凱西（Canny）算子和高斯-拉普拉斯（LOG）算子。經過試驗，Canny算子最適合本系統的圖像分割，其分割連接器的處理結果輪廓和邊緣清晰，可以直接用于在線檢測。

2.3 圖像處理中定位點的確定

表面細小劃痕的檢測中主要運用的是差影法。而差影法的關鍵在于解決圖像的配準問題。通過模板匹配，計算模板的所有相關位置與圖像各個位置之間的相似度，即可實現在圖像中找到模板的位置，實現與形狀無關的通用定位。

我們可在限定大小的感興趣區域內（ROI，Region of Interest）采用找匹配模板的方法來減小運算的數據量，提高運算速度。本系統中，搜索范圍ROI和模板ROI的設置應遵循如下準則：①輪廓簡單或灰度值均勻、對比度好、特征明顯的區域；②必須確保模板ROI在搜索范圍ROI內是唯一的；③模板ROI的位置不要設置在搜索范圍ROI的邊緣。

2.4 缺陷檢測算法

2.4.1 針腳尺寸和表面缺陷檢測

在連接器外觀質量檢測中，需要對針腳的個數、寬度、間距和表面缺陷進行檢測。由于明場照明時針腳的四邊成像質量好，對比度明顯，因此在檢測針腳的個數、寬度、間距尺寸時使用明場照明；而在進行表面質量檢測時，使用暗場照明。具體操作如下：①根據匹配的基準點與配置文件中的相對坐標參數確定針腳ROI的位置并二值化，按照一定的面積提取連通區域并獲取其個數，判斷其個數是否等于預設的針腳個數。②以單個連通區域擴大5個像素后的矩形區域為ROI，如圖1所示，使用2.2小節所述的方法提取針腳的邊緣點，得到圖1黃色所示的一系列邊緣點，再計算用最小二乘法擬合出左右2條直線的間距即為針腳的寬度。③把藍色ROI縮小10個像素并且整體右移30個像素單位，運用測寬度的方法獲取的2條直線間的間距即為針腳的寬度。④把測量針腳寬度得到的連通區域縮小5個像素得到新的ROI。在此ROI內提取連通區域，判斷是否存在面積大于表面缺陷容許值的連通區域來判斷表面缺陷。

圖1 針腳尺寸檢測示意圖

2.4.2 不規則表面缺陷檢測

對于那些集合形狀不規則表面形狀復雜的連接器件，簡單的連通區域提取無法檢測出表面缺陷。本系統針對針腳不規則的部分采用經典的圖像差影法來進行表面缺陷檢測。

差影法，是指不同時刻或不同傳感器對同一場景所成的圖像進行做差運算[3]。理論上可以認為模板圖像和實時圖像是一樣的，因而可以將實時圖像和模板圖像配準后進行做差運算，可以將實時圖像上的差異體現在差影圖像上。

模板圖像和實時圖像的差影絕對值，能檢測出連接器實時圖像的冗余金屬絲、毛刺、劃痕和壓傷等各種缺陷。實時圖像和模板圖像的差值，可以檢測實時圖像上的毛刺和冗余金屬絲等添加缺陷。模板圖像和實時圖像的差值，可以檢測出劃痕和壓傷等缺陷。

差影法需要處理的圖像數據少，算法簡單、實時性比較好，但是對于實時圖像和模板的配準精度要求十分高。若配準精度超過了像素級別和連接器本身存在制造公差等都會引入偽輪廓噪聲，降低系統可靠性。因此本系統在模板圖像與實時圖像差影后，對差影圖做腐蝕處理[4]，除去偽輪廓，減少誤報。

3 系統操作流程和實驗結果

3.1 系統操作流程

系統開啟后，調整連接器的位置到一個合適的視野，保證連接器的一個周期在視野范圍內。在實時在線檢測中，如果發現缺陷，則將缺陷圖片保存到磁盤中，單片機系統控制沖床停止并且控制報警燈拉響警報；如果不存在缺陷產品，則電機正常運動，采集線程采集下一幅圖像并實時地在線檢測[5]。整個系統的生產運行流程如圖2所示。

圖2 系統生產運行流程圖

3.2 實驗結果

本系統需要檢測的尺寸為針腳的寬度及針腳之間的間距。企業提供了型號為CD0118的連接器設計圖紙，根據圖紙我們可得到各項尺寸的實際值。表1所示為系統測量到該型號連接器的針腳寬度和間距。此系統需要檢測的尺寸包括針腳的寬度及針腳之間的間距。

表1 系統針腳測試尺寸結果表

由設計圖可知，針腳寬度尺寸的范圍為0.82～0.86 mm，針腳的間距尺寸范圍為0.39～0.47 mm。將設計數值與測得的數據對比可知，系統測得的針腳尺寸比實際尺寸大0.005 mm左右，針腳間距尺寸不穩定。分析造成以上誤差的主要原因是，光場不穩定，既包括光源本身發光的不穩定，又包括環境光的不穩定。針腳間距誤差較大的原因是連接器在傳輸過程中由于受力不均導致間距發生變化，但是這種變化并未對廠家提出的測量要求造成影響。

4 總結

經過試驗與調試，本系統滿足廠家對連接器表面和尺寸的檢測要求。檢測系統以VS2010為平臺開發，對第三方圖像處理軟件包進行二次開發，人機交互界面設計合理，對于現場工作人員而言，操作簡單、快捷。

［1］湯曉燕.面向某半導體企業的芯片引腳檢測系統的設計與實現［D］.蘇州：蘇州大學，2010：13.

［2］Rafael C Gonzalez，Richard E Woods.數字圖像處理［M］.阮秋琦，阮宇智，譯.北京：電子工業出版社，2011：476.

［3］Linda G Shapiro，George C Stockman.計算機視覺［M］.趙清杰，錢方，譯.北京：機械工業出版社，2005：8.

［4］李遨空，張紅梅.基于數學形態學的圖像處理技術應用研究［J］.光盤技術，2007（4）：54-55.

［5］侯洪.基于機器視覺的接插件外觀質量檢測系統設計［D］.成都：四川大學，2015：52.