基于機器視覺的柔性電路板智能檢測控制系統設計

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.天津中德應用技術大學機械工程學院，天津，300350；3.玉林中燃城市燃氣發展有限公司，廣西玉林，537000）

0 引言

應企業智能制造升級改造項目的需求，對電路板檢測系統進行改造升級，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系統的數據通信的問題，提升智能制造效率及智能化水平。

本研究結合了機器視覺及MES系統在智能產線上的應用，采用西門子PLC作為控制核心，控制機械臂及自動運動平臺進行機器視覺進行電路板相關數據采集，工控機進行圖像預處理及識別，并將缺陷及插件元件的信息發送給PLC，PLC通過MODBUS TCP通訊來實現與MES系統進行數據通信,達到實現MES系統直接控制電路板檢測系統的目的[1]。

1 系統結構設計

柔性電路板控制系統的機械機構分為：上料機構、機械手、傳送帶、自動運動控制平臺等構成。上料機構用于柔性電路板的存儲及上料準備，機械手用于將上料機構準備好的柔性電路板放到傳送帶，傳送帶負責將電路板運輸到自動運動控制平臺的視覺待檢區，機械手將已經檢測產品抓取并放到傳送帶，進入下一道工序。

1.1 系統工藝分析

產線接受來自MES系統訂單啟動產線，上料機構將柔性電路板準很好等待抓取機器人將其放到傳送帶輸送到機器視覺自動檢測平臺的待檢區，待檢區檢測到柔性電路板，PLC控制開啟光源和相機進行拍照，圖像處理軟件對采集到的圖像進行預處理，包括灰度轉換，濾波，增強，矯正及特征提取，最后經過自研視覺算法進行缺陷識別，缺件檢測，計數等操作，圖像處理軟件將結果傳送給PLC系統，PLC控制機械手將合格產品和不合格產品進行分揀，同時將處理結果通過MODBUS TCP傳給MES系統，接受來自MES系統的下一步工序的加工[2]。

2 控制系統設計

本控制系統主要包括PLC控制系統，MES系統，機器視覺檢測系統，HMI界面等，通過工業交換機連接所有系統，系統通過MODBUS TCP進行通訊控制[2]。系統要設置IP地址，并并設定數據交換存儲區。系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統網絡拓撲結構

2.1 PLC控制系統設計

PLC采用西門子S7-1214C作為核心控制器，接受來自MES系統的指令來控制機械臂抓取電路板放到待測平臺，通過PROFINET通信實現對自動運動檢測平臺的X軸，Y軸，Z軸的伺服電機進行控制，從而控制X和Y方向的絲杠導軌運動，實現待測PCB的準確定位。控制Z軸方向的絲桿運動實現對相機高度的精確控制，獲取圖像采集[3]。通過工業以太網接受機器視覺系統處理的結果，并將結果上傳到MES系統，控制系統硬件結構體如圖2所示。

圖2 控制系統硬件

2.2 機器視覺檢測系統

本機器視覺檢測系統主要是對電路板電子元件焊接質量及插件的有無及數量進行檢測，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，其系統主要又工業相機，鏡頭，同軸光源，夾具及視覺檢測軟件構成。該檢測系統的視覺軟件是利用OpenCV開源圖像處理庫進行圖像采集及處理。在Pytharm+QTdesigner環境下進行HMI界面開發封裝，實現圖像顯示，設置通信，修改參數，存儲圖片及視頻等相關功能。把處理完的結果通過以太網傳輸到PLC[4]，其檢測流程如圖3所示。

圖3 視覺檢測系統流程圖

3 控制系統程序設計

根據工藝要求，MES系統下達檢測指令給PLC，PLC控制檢測線啟動，當檢測線啟動時上料機械臂運行到PCB板暫存區，利用機械手將PCB板抓起，運行到傳送帶上方時將PCB板準確的放置到上面的待檢區，便于機器視覺系統進行拍攝。自動運輸平臺將PCB板運輸到機器視覺模塊區，光源打開并進行拍攝，在拍攝完成后自行關閉光源。在計算機對拍攝圖像進行處理的同時步進電機繼續向前運行，當PLC接受到計算機的缺陷檢測結果后控制機械手進行合格產品和不合格產品進行分揀，并將處理結果上傳到MES系統，檢測繼續[5]。其控制流程如圖4所示。

圖4 程序控制流程

4 人機界面設計

HMI界面主要實現與MES系統通信，手自動系統切換，手動操作，變量監控，參數調整，相機采集操作，運動平臺手動控制等功能，其中參數調整主要是進行X軸，Y軸，Z軸的伺服，傳送帶速度，機械手位置等參數調整[6]，其整個系統界面如圖5所示。

圖5 HMI 系統界面

5 結語

該控制系統已在企業進行調試并正式落地應用，實現了MES系統與柔性電路板機器視覺智能檢測系統，PLC控制系統的之間的通訊，使得柔性電路板的檢測效率提高了87%，產品的漏檢率為0%，促進了企業智能制造的升級改造，提高了企業的智能化水平，為今后打造智慧化的車間打下了良好的技術基礎。