電子接插件視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與誤差分析

孫國(guó)棟，張 楊，李 萍，胡 倩

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北武漢 430068)

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電子接插件視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與誤差分析

孫國(guó)棟，張 楊，李 萍，胡 倩

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北武漢 430068)

針對(duì)質(zhì)輕電子接插件的Pin外形參數(shù)檢測(cè)要求，從硬件與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，開(kāi)發(fā)了適用于不同類型電子接插件的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用多面檢測(cè)方式回避異面接插件對(duì)圖像處理的影響，在Canny邊緣檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上，引入雙基準(zhǔn)位置度測(cè)量法與基于形心擬合平面共面度測(cè)量法，進(jìn)一步優(yōu)化接插件的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)并提高檢測(cè)效率。在系統(tǒng)中并入誤差分析模塊，將標(biāo)準(zhǔn)接插件與待檢接插件進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，確保系統(tǒng)檢測(cè)精度。

機(jī)器視覺(jué)；電子接插件；尺寸檢測(cè)；誤差分析

0 引言

近年來(lái)，數(shù)字電子技術(shù)高速發(fā)展，接插件以其便捷的電氣插拔式連接廣泛地應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電力設(shè)備中，使得電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、維修效率極大提高。目前，我國(guó)接插件制造企業(yè)中，視覺(jué)質(zhì)檢技術(shù)普及率較低，而新型普適性強(qiáng)、高品質(zhì)、低成本的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)是提高企業(yè)效率、降低生產(chǎn)成本的有效方式。對(duì)于每分鐘高達(dá)數(shù)百乃至上千件的電子接插件制造過(guò)程而言，每提高1% 的產(chǎn)品合格率都意味著巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。針對(duì)電子接插件體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，本檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器視覺(jué)的諸多優(yōu)勢(shì)，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，以提高電子接插件的檢測(cè)效率和測(cè)量精度，保證電子接插件產(chǎn)品質(zhì)量。

1 電子接插件視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)

基于機(jī)器視覺(jué)的接插件檢測(cè)系統(tǒng)主要用于檢測(cè)Micro-USB接口、柔性電路板(FPC)、HDMI接口等接插件的插針缺陷以及Pin尺寸、平面度、位置度等多項(xiàng)關(guān)鍵的幾何外形參數(shù)，精度要求達(dá)到±0.01 mm。其中FPC類型的接插件如圖1所示。

圖1 FPC型接插件實(shí)物圖

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接插件視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)主要由工業(yè)相機(jī)、光源、工控機(jī)、工作臺(tái)、透明夾具、送料排序裝置、剔除裝置和視覺(jué)檢測(cè)軟件等部分組成，其工作流程為：送料→圖像采集→圖像識(shí)別與處理→次品剔除。

圖2 接插件視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)運(yùn)行前，根據(jù)接插件尺寸型號(hào)、測(cè)量精度的實(shí)際需求，調(diào)整相機(jī)在弧形軌道上的位置、鏡頭角度、光照強(qiáng)度等影響圖像采集質(zhì)量的因素；待送料排序裝置將接插件按規(guī)定姿態(tài)送達(dá)指定位置后，觸發(fā)三臺(tái)面陣相機(jī)采集圖像，并將圖像經(jīng)圖像采集卡傳送至工控機(jī)；應(yīng)用視覺(jué)檢測(cè)軟件依次對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)與測(cè)量；剔除裝置依據(jù)處理結(jié)果剔除不合格的接插件。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接插件視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)軟件按功能可分為圖像獲取、圖像處理和誤差分析三大模塊[2]，具體工作流程如圖3所示。

圖3 軟件工作流程圖

圖像獲取模塊控制工業(yè)相機(jī)完成接插件插針圖像的采集[3]。圖像處理模塊對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，測(cè)量出插針的外形尺寸、平面度和位置度等幾何參數(shù)。誤差分析模塊對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，完成缺陷判別。

2 電子接插件Pin參數(shù)檢測(cè)原理

電子接插件視覺(jué)檢測(cè)軟件中，圖像處理模塊的關(guān)鍵在于邊緣檢測(cè)算法的選取，邊緣檢測(cè)算法將直接影響到該系統(tǒng)檢測(cè)效率及檢測(cè)精度。Canny算子的三大最優(yōu)準(zhǔn)則[3]使得該算法能夠達(dá)到視覺(jué)檢測(cè)的精度要求。

2.1 Pin尺寸測(cè)量方法

FPC類型的電子接插件，其外觀結(jié)構(gòu)并不是完全對(duì)稱的，圖像采集過(guò)程中，易出現(xiàn)其他平面遮擋待檢測(cè)面的情況，為排除異面接插件對(duì)檢測(cè)的干擾，送料裝置會(huì)先設(shè)定檢測(cè)姿態(tài)，并在檢測(cè)部分采用三臺(tái)相機(jī)分別測(cè)量接插件在規(guī)定姿態(tài)下的三個(gè)面；舍棄其中不利于缺陷識(shí)別的圖像，如圖4所示為系統(tǒng)采集到接插件插針的有效圖像。

(a)接插件俯視圖

(b)接插件側(cè)視圖圖4 接插件不同視角的圖像

以圖4(a)為例，計(jì)算插針的長(zhǎng)度與寬度，如圖5所示，接插件在實(shí)際加工過(guò)程中，其伸出部分插針并不能保證與根部保持平行[2]，設(shè)定其偏角為θ，插針上的各頂點(diǎn)為Ai(xi,yi)，形心為O1(x1,y1)，則接插件插針的長(zhǎng)度L與寬度W的計(jì)算公式如下：

L=|A1A2|=|y1-y2|·secθ

(1)

W=|A2A3|=|x2-x3|·secθ

(2)

圖5 插針長(zhǎng)度與寬度計(jì)算圖示

綜上可知，θ值將直接影響Pin尺寸的測(cè)量值。該偏角可通過(guò)圖像的二階中心矩確定[4]，顯然該方法計(jì)算量較大而且復(fù)雜，可能會(huì)帶來(lái)較大誤差。為減少誤差，現(xiàn)提出一種改進(jìn)算法，具體如下：

(3)

(4)

2.2 插針位置度的檢測(cè)

接插件位置度的測(cè)量方法如下：計(jì)算每個(gè)插針中心的軸端偏差(實(shí)測(cè)插針頂端和底端到基準(zhǔn)的距離-理論值)然后取絕對(duì)值中的最大值乘以2[5]。在實(shí)際檢測(cè)中，接插件的基準(zhǔn)端面(記為A)比較小，如圖6所示，一個(gè)基準(zhǔn)很難保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此，添加另一個(gè)基準(zhǔn)(記為B)以確保測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

(a)基準(zhǔn)A的設(shè)定

(b)基準(zhǔn)B的設(shè)定圖6 位置度基準(zhǔn)的設(shè)定

(5)

2.3 插針共面度的檢測(cè)

接插件插針共面度如圖7所示，所有的插針都應(yīng)位于公差值為t的兩平行平面間，那么t值就為插針的共面度。為提高測(cè)量精度，現(xiàn)提出一種基于形心擬合平面算法來(lái)評(píng)價(jià)FPC接插件插針的共面度。

圖7 FPC型接插件插針共面度

基于形心擬合平面法運(yùn)用最小二乘法將每個(gè)插針端部的形心作為基本點(diǎn)擬合基準(zhǔn)平面S，再計(jì)算端面偏差(端面頂端與底端到基準(zhǔn)平面距離的最大值之和)評(píng)定共面度。

令插針的矩形端面的形心為Oj(xj,yj,zj)，將計(jì)算得到的形心按最小二乘法擬合基準(zhǔn)平面S：

Ax+By+Cz=1

(6)

式中：A、B、C分別為平面S法線方向的數(shù)值，同時(shí)是殘差平方和最小[3]

(7)

以基準(zhǔn)平面S為界，實(shí)測(cè)端面的形心Oj到S距離的為fi，即為接插件插針的共面度。

如圖8所示，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，可在x=L0的投影面上進(jìn)行計(jì)算，L0為插針的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖8 形心擬合平面法

3 檢測(cè)結(jié)果與誤差分析

如圖9所示為接插件視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面，該軟件以Canny邊緣檢測(cè)算法為基礎(chǔ)，對(duì)FPC型接插件進(jìn)行外觀檢測(cè)。

圖9 FPC型接插件插針檢測(cè)界面

表1是FPC型接插件插針的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其插針長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)值為：L0= 0.153 mm。

表1中數(shù)據(jù)可繪制為圖10，插針長(zhǎng)度測(cè)量誤差絕對(duì)值的平均值為0.006 5 mm，誤差絕對(duì)值的最大值為0.014 mm，檢測(cè)結(jié)果偏差小，符合企業(yè)要求。

接插件插針的位置度與共面度數(shù)據(jù)如表2所示，位置度測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差平均值為0.008 mm，誤差的絕對(duì)值最大為0.016 mm，共面度測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差平均值為0.004 mm，誤差的絕對(duì)值最大為0.009 mm。測(cè)試結(jié)果表明，該視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的精度已達(dá)到企業(yè)要求的±0.01 mm[6]。

表1 FPC型接插件部分插針尺寸數(shù)據(jù) mm

圖10 FPC型接插件部分插針尺寸數(shù)據(jù)圖

表2 FPC型接插件部分插針的位置度與共面度 mm

4 結(jié)論

機(jī)器視覺(jué)成功的實(shí)踐于電子接插件的Pin參數(shù)檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了接插件插針尺寸，位置度和共面度精確測(cè)量，使接插件視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到0.008 mm檢測(cè)精度，識(shí)別率95%以上。多面檢測(cè)方式還可以應(yīng)用于表面不規(guī)則物體的檢測(cè)，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上存在的相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了更新和完善，具有高效快捷、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，極大提高企業(yè)對(duì)電子接插件的檢測(cè)效率和測(cè)量精度，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1] 金隼, 海濤. 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)在電子接插件制造工業(yè)中的應(yīng)用. 儀表技術(shù)與傳感器, 2000(2): 13-16.

[2] ZHAO D X，F(xiàn)ENG W，SUN G D et al. High Precision Measurement System of Micro-electronic Connector based on Machine Vision. Journal of Applied Science, 2013, 13 (22): 5363-5369.

[3] 鄧金駒, 李文龍, 王瑜輝，等. QFP芯片外觀視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法. 中國(guó)機(jī)械工程, 2013,24(3): 291-294.

[4] 潘琦. 基于機(jī)器視覺(jué)的貼片式芯片引腳檢測(cè)方法硏究：[學(xué)位論文]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 楊練根. 互換性與技術(shù)測(cè)量. 2版. 武漢：華中科技大學(xué)出版社, 2012.

[6] 許龍. 基于機(jī)器視覺(jué)的SMT芯片檢測(cè)方法研究：[學(xué)位論文]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

Design of Visual Inspection System for Electronic Connectors and Error Analysis

SUN Guo-dong, ZHANG Yang, LI Ping, HU Qian

(Hubei University of Technology, Wuhan 430068，China)

In order to inspect configuration parameters of pins for light electronic connectors, starting from the design of the hardware and software subsystems, an automatic inspection system based on machine vision was developed. This system can be applicable to different types of connectors. The use of the multi-dimensional detection approach was to avoid the influence of the different planes on image processing. In the premise of Canny algorithm, the double reference method to measure position level error and centroid fitting method to measure coplanarity were introduced in soft subsystem. These measurement methods can further optimize the system performance and improve the detection efficiency. The error analysis module is incorporated into software subsystem, comparing standard connector with the inspected one to ensure the system accuracy.

machine vision; electronic connector; dimension detection; error analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205115)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310500007)；湖北省教育廳青年教師深入企業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(XD2014112)

2015-01-13 收修改稿日期：2015-03-11

TP23

A

1002-1841(2015)08-0104-03

孫國(guó)棟(1981—)，副教授，博士，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)與機(jī)器學(xué)習(xí)等。E-mail：sgdeagle@163.com