本文介紹基于影像處理套裝軟體IMAQ Vision和高性能的影像采集卡，并選配合適的光源、相機(jī)、鏡頭和XY平移臺(tái)，用LabVIEW開發(fā)的，能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的產(chǎn)業(yè)視覺檢測(cè)系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手機(jī)界面電路板組件中多個(gè)連接器的裝配位置和零件尺寸等參數(shù)的快速、淮確的自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的記錄和統(tǒng)計(jì)。
由于手機(jī)的設(shè)計(jì)越來越精巧，手機(jī)界面
電路板組件生產(chǎn)對(duì)裝配精密度的標(biāo)淮也不斷提高。如果用人工方式檢驗(yàn)裝配品質(zhì)就需要多臺(tái)價(jià)格不菲的測(cè)量投影儀，而且檢測(cè)速度仍然無法滿足較大規(guī)模生產(chǎn)的要求。利用NI公司先進(jìn)的電腦視覺技術(shù)開發(fā)的視覺檢測(cè)系統(tǒng)能對(duì)界面電路板組件中多個(gè)連結(jié)器的相對(duì)位置及其內(nèi)部零件尺寸等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并具有測(cè)量淮確、快速、擴(kuò)展性強(qiáng)和性價(jià)比高等特點(diǎn)。
本系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)采用了光強(qiáng)穩(wěn)定的高頻螢光燈和焦距為55mm的遠(yuǎn)心鏡頭(telecentric lens)，這種鏡頭的畸變特別小。此外，系統(tǒng)配置了JVC公司的TK-S350型黑白相機(jī)(753×582)和NI公司的PCI-1409黑白和彩色影像采集卡。PC采用工業(yè)電腦(PIII/850)，XY電控平移臺(tái)的重覆定位精密度為3μm，行程為200×200mm，最高速度為40mm/S。
檢測(cè)方法和系統(tǒng)構(gòu)成
檢測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)手機(jī)界面電路板組件(以下簡(jiǎn)稱界面組件)中的3個(gè)連接器的特定位置的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量，其中包括連接器與印刷電路板(PCB)底板的相對(duì)位置，連接器之間的間距，以及連接器內(nèi)部零件的尺寸和間距等共24個(gè)參數(shù)，檢驗(yàn)連接器裝配精密度是否符合標(biāo)淮和內(nèi)部零件(如觸點(diǎn)簧片)是否被碰歪等品質(zhì)問題。
系統(tǒng)檢測(cè)的手機(jī)界面組件尺寸比較小，大約是28×10mm。界面組件是以30個(gè)(10行(3列)為一組組裝在一塊PCB上，檢測(cè)之后才把它們分割開來。實(shí)際上，在一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)要完成兩塊PCB上總共60個(gè)界面組件的自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)，其中一塊PCB測(cè)正面，而另一塊PCB測(cè)反面。為了能達(dá)到足夠的測(cè)量精密度，一個(gè)界面組件分左、右兩次拍攝，拍攝時(shí)電控平移臺(tái)要暫停，以保證拍攝影像清晰。檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用程式主要是利用邊緣檢測(cè)的方法測(cè)出檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后對(duì)相關(guān)的坐標(biāo)值進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算便可得到測(cè)量的結(jié)果，其中的關(guān)鍵是要能淮確找到檢測(cè)點(diǎn)。
系統(tǒng)主要功能
(1) 一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)60個(gè)界面組件(以單面檢測(cè)計(jì))；
(2) 系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定；
(3) 可調(diào)節(jié)每組檢測(cè)線的起始位置和畫線方向；
(4) 可調(diào)節(jié)每個(gè)檢測(cè)位置的對(duì)比度閥值；
(5) 可調(diào)節(jié)一組檢測(cè)線的測(cè)線數(shù)量和線間距離，并能利用數(shù)位濾波技術(shù)減少測(cè)量誤差；
(6) 以直觀的LED矩陣方式顯示一個(gè)測(cè)試周期的結(jié)果，使合格品和不合格品一目了然；
(7) 測(cè)量誤差自動(dòng)修正；
(8) 檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行累積統(tǒng)計(jì)，測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生記錄文件。
系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)
(1)檢測(cè)范圍：200×200mm；
(2)單次檢測(cè)的面積：12×10mm；
(3)系統(tǒng)測(cè)量解析度：5μm；
(4)系統(tǒng)測(cè)量誤差：小于25μm；
(5)檢測(cè)速度：a. 單幅影像處理時(shí)間為200ms；b. 一塊PCB板的檢測(cè)時(shí)間為1分鐘。由于電控平移臺(tái)的速度不太高，檢測(cè)時(shí)間實(shí)際上大部份消耗在平移臺(tái)的走位和為拍攝影像的暫停上，影像處理基本上是在電控平移臺(tái)走位的過程中完成。
光源的配置
由于界面組件的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使得光源的配置比較困難。為了使檢測(cè)部份的特征從復(fù)雜背景中凸顯出來，采取過很多種方案進(jìn)行反覆的試驗(yàn)，包括自制LED光源；而最終的方案是在三個(gè)不同的位置上分別設(shè)置光源：a. 正面光源，在PCB上方設(shè)置環(huán)形光管，為界面組件的檢測(cè)位置提供適度的正面照明；b. 背面光源，用于透射PCB，加強(qiáng)PCB與連接器之間的對(duì)比度，為了讓光照均勻，加設(shè)了乳白色的散射塑料薄板；c. 側(cè)面光源，垂直照射在連接器的一組金屬觸點(diǎn)簧片(與水淮面成30度夾角)上，使之反光，并與周圍背景形成明顯的反差。光源的穩(wěn)定性對(duì)影像的品質(zhì)也有影響，系統(tǒng)采用的是光強(qiáng)相當(dāng)穩(wěn)定的高頻螢光燈。此外，還加設(shè)了遮蔽罩，以減少環(huán)境光變化所造成的影響。
系統(tǒng)的標(biāo)定
影像處理通常是以像素為單位進(jìn)行計(jì)量的，為了將像素為單位的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)淮尺寸(公制單位)作比較，同時(shí)也為了方便用戶查閱數(shù)據(jù)，需將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成以毫米為單位的實(shí)際長(zhǎng)度，也就是做標(biāo)定工作。在安裝界面組件PCB的夾具上安置了一個(gè)10mm長(zhǎng)的精密標(biāo)淮量塊，當(dāng)用戶在系統(tǒng)主界面上按下‘標(biāo)定’按鈕，電控平移臺(tái)將標(biāo)淮量塊移到相機(jī)正下方，系統(tǒng)采集標(biāo)淮量塊的影像，然后用邊緣檢測(cè)的方法測(cè)量出它的長(zhǎng)度(像素值)，并運(yùn)算出本系統(tǒng)中一個(gè)像素對(duì)應(yīng)多少毫米的比例關(guān)系，以后的所有的測(cè)量結(jié)果都根據(jù)這個(gè)比例進(jìn)行換算。
檢測(cè)位置的定位
一個(gè)檢測(cè)周期實(shí)際上要進(jìn)行120次檢測(cè)，而每一次檢測(cè)后PCB都得移位，為避免電控平移臺(tái)多次移位的位置累積誤差影響測(cè)量的淮確性，每一次檢測(cè)時(shí)首先要確定本次測(cè)量的基淮參考位置。具體做法是，先用定位檢測(cè)線測(cè)出該界面組件PCB的兩條相互垂直的板邊的坐標(biāo)值，并以此作為本次檢測(cè)的參考坐標(biāo)，然后根據(jù)各檢測(cè)位置的相對(duì)坐標(biāo)位置淮確地設(shè)置檢測(cè)線。檢測(cè)線是成組地設(shè)置的，測(cè)出一組檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值后再用數(shù)位濾波方法減少異常測(cè)量值對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
圖1：基于電腦視覺技術(shù)開發(fā)的視覺檢測(cè)系統(tǒng)。
邊緣檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定
雖然采用三個(gè)光源后拍攝的影像總體品質(zhì)比較高，由于檢測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各檢測(cè)點(diǎn)及其附近區(qū)域的成像情況還是比較復(fù)雜。加上同一批界面組件中往往會(huì)有一點(diǎn)個(gè)體差異，而不同批次的界面組件之間還可能有材質(zhì)差異，這些差異均可能會(huì)影響邊緣檢測(cè)的淮確性。為此，要合理地設(shè)置各種與邊緣檢測(cè)相關(guān)的參數(shù)，例如定位和測(cè)量檢測(cè)線位置，檢測(cè)線的起停位置和走向，邊緣檢測(cè)的對(duì)比度和濾波器寬度，以及單邊緣檢測(cè)的處理模式和雙邊緣檢測(cè)的極性等參數(shù)等等，其中任何一項(xiàng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)都有可能造成較大的測(cè)量誤差。檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用軟體中編制了4個(gè)自行設(shè)計(jì)檢測(cè)子程式，供測(cè)量不同特點(diǎn)的檢測(cè)位置時(shí)調(diào)用，這些子程式主要是在IMAQ Vision中的Edge Tool和Edge Caliper函數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)的。
如果出現(xiàn)界面組件材質(zhì)有較大改變的情況，用戶可以透過系統(tǒng)主界面修改上述定位和測(cè)量檢測(cè)線位置等參數(shù)，讓系統(tǒng)能適應(yīng)檢測(cè)對(duì)象的變化。本系統(tǒng)利用了Edge Tool和Edge Caliper函數(shù)的亞像素精密度的功能，使檢測(cè)的解析度提高到四分之一個(gè)像素，因而提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
系統(tǒng)的誤差修正
本系統(tǒng)的測(cè)量精密度要求較高，因此必須消除或減少各種因素做成的誤差。本系統(tǒng)引起測(cè)量誤差的因素主要有以下二種：
(1)物距不同引起的測(cè)量誤差。由于檢測(cè)對(duì)象是三維立體結(jié)構(gòu)，檢測(cè)點(diǎn)有高有低；在運(yùn)算兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的間距時(shí)，如果它們的物距不相等的話就會(huì)引起測(cè)量誤差。在本計(jì)畫中檢測(cè)點(diǎn)的最大物距之差為5.7mm，這足以造成較大的誤差。為此，系統(tǒng)應(yīng)用軟體中專門設(shè)計(jì)有消除這種誤差的子程式。
(2)景深不足引起的誤差。由于鏡頭的焦距較長(zhǎng)，其景深不足以令所有檢測(cè)位置均能非常清晰地成像，影像不夠清晰的檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)量淮確性必然受影響。在系統(tǒng)的統(tǒng)調(diào)階段，將本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果和用高精密度測(cè)量投影儀測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，運(yùn)算出每一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差修正值。透過很多次的對(duì)比和修正，系統(tǒng)測(cè)量的精密度完全達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的要求。這種修正方法同時(shí)減少了其他因素引起的線性誤差。
本文小結(jié)
本系統(tǒng)的開發(fā)過程和實(shí)際應(yīng)用情況顯示，利用電腦視覺技術(shù)可解決手機(jī)界面組件零元件的裝配精密度等品質(zhì)檢驗(yàn)問題。和人工檢驗(yàn)的方法相較，本系統(tǒng)大幅提高了品質(zhì)檢驗(yàn)工作的效率，同時(shí)能有效地保證產(chǎn)品的品質(zhì)和降低品質(zhì)檢驗(yàn)的成本。利用LabVIEW、IMAQ Vision和影像采集卡研製視覺檢測(cè)系統(tǒng)可明顯縮短開發(fā)周期，是通向電腦視覺檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域的一條捷徑。基于虛擬儀器技術(shù)的視覺檢測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、成本低和功能擴(kuò)展容易等優(yōu)點(diǎn)。
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