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用于手机界面电路板组件测试的电脑视觉系统

发布时间 :2017-12-11 15:58 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA部
本文介绍基于影像处理套装软体IMAQ Vision和高性能的影像采集卡,并选配合适的光源、相机、镜头和XY平移台,用LabVIEW开发的,能满足实际生产需要的产业视觉检测系统,它能够实现对手机界面电路板组件中多个连接器的装配位置和零件尺寸等参数的快速、淮确的自动检测,同时实现检测数据的记录和统计。
 
由于手机的设计越来越精巧,手机界面电路板组件生产对装配精密度的标淮也不断提高。如果用人工方式检验装配品质就需要多台价格不菲的测量投影仪,而且检测速度仍然无法满足较大规模生产的要求。利用NI公司先进的电脑视觉技术开发的视觉检测系统能对界面电路板组件中多个连结器的相对位置及其内部零件尺寸等参数进行自动检测,并具有测量淮确、快速、扩展性强和性价比高等特点。
 
本系统组成的结构框图如图1所示,系统采用了光强稳定的高频萤光灯和焦距为55mm的远心镜头(telecentric lens),这种镜头的畸变特别小。此外,系统配置了JVC公司的TK-S350型黑白相机(753×582)和NI公司的PCI-1409黑白和彩色影像采集卡。PC采用工业电脑(PIII/850),XY电控平移台的重覆定位精密度为3μm,行程为200×200mm,最高速度为40mm/S。
 
检测方法和系统构成
检测系统的任务是对手机界面电路板组件(以下简称界面组件)中的3个连接器的特定位置的几何尺寸进行测量,其中包括连接器与印刷电路板(PCB)底板的相对位置,连接器之间的间距,以及连接器内部零件的尺寸和间距等共24个参数,检验连接器装配精密度是否符合标淮和内部零件(如触点簧片)是否被碰歪等品质问题。
 
系统检测的手机界面组件尺寸比较小,大约是28×10mm。界面组件是以30个(10行(3列)为一组组装在一块PCB上,检测之后才把它们分割开来。实际上,在一个测试周期内要完成两块PCB上总共60个界面组件的自动连续检测,其中一块PCB测正面,而另一块PCB测反面。为了能达到足够的测量精密度,一个界面组件分左、右两次拍摄,拍摄时电控平移台要暂停,以保证拍摄影像清晰。检测系统应用程式主要是利用边缘检测的方法测出检测点的坐标值,然后对相关的坐标值进行简单运算便可得到测量的结果,其中的关键是要能淮确找到检测点。
 
系统主要功能
(1) 一个测试周期内自动连续检测60个界面组件(以单面检测计);
(2) 系统自动标定;
(3) 可调节每组检测线的起始位置和画线方向;
(4) 可调节每个检测位置的对比度阀值;
(5) 可调节一组检测线的测线数量和线间距离,并能利用数位滤波技术减少测量误差;
(6) 以直观的LED矩阵方式显示一个测试周期的结果,使合格品和不合格品一目了然;
(7) 测量误差自动修正;
(8) 检测结果进行累积统计,测量数据产生记录文件。
 
系统主要技术指标
(1)检测范围:200×200mm;
(2)单次检测的面积:12×10mm;
(3)系统测量解析度:5μm;
(4)系统测量误差:小于25μm;
(5)检测速度:a. 单幅影像处理时间为200ms;b. 一块PCB板的检测时间为1分钟。由于电控平移台的速度不太高,检测时间实际上大部份消耗在平移台的走位和为拍摄影像的暂停上,影像处理基本上是在电控平移台走位的过程中完成。
 
光源的配置
由于界面组件的结构较复杂,使得光源的配置比较困难。为了使检测部份的特征从复杂背景中凸显出来,采取过很多种方案进行反覆的试验,包括自制LED光源;而最终的方案是在三个不同的位置上分别设置光源:a. 正面光源,在PCB上方设置环形光管,为界面组件的检测位置提供适度的正面照明;b. 背面光源,用于透射PCB,加强PCB与连接器之间的对比度,为了让光照均匀,加设了乳白色的散射塑料薄板;c. 侧面光源,垂直照射在连接器的一组金属触点簧片(与水淮面成30度夹角)上,使之反光,并与周围背景形成明显的反差。光源的稳定性对影像的品质也有影响,系统采用的是光强相当稳定的高频萤光灯。此外,还加设了遮蔽罩,以减少环境光变化所造成的影响。
 
系统的标定
影像处理通常是以像素为单位进行计量的,为了将像素为单位的测量结果与标淮尺寸(公制单位)作比较,同时也为了方便用户查阅数据,需将测量结果转换成以毫米为单位的实际长度,也就是做标定工作。在安装界面组件PCB的夹具上安置了一个10mm长的精密标淮量块,当用户在系统主界面上按下‘标定’按钮,电控平移台将标淮量块移到相机正下方,系统采集标淮量块的影像,然后用边缘检测的方法测量出它的长度(像素值),并运算出本系统中一个像素对应多少毫米的比例关系,以后的所有的测量结果都根据这个比例进行换算。
 
检测位置的定位
一个检测周期实际上要进行120次检测,而每一次检测后PCB都得移位,为避免电控平移台多次移位的位置累积误差影响测量的淮确性,每一次检测时首先要确定本次测量的基淮参考位置。具体做法是,先用定位检测线测出该界面组件PCB的两条相互垂直的板边的坐标值,并以此作为本次检测的参考坐标,然后根据各检测位置的相对坐标位置淮确地设置检测线。检测线是成组地设置的,测出一组检测点坐标值后再用数位滤波方法减少异常测量值对测量结果的影响。
 
基于电脑视觉技术开发的视觉检测系统
图1:基于电脑视觉技术开发的视觉检测系统。
 
边缘检测参数的设定
虽然采用三个光源后拍摄的影像总体品质比较高,由于检测对象结构复杂,各检测点及其附近区域的成像情况还是比较复杂。加上同一批界面组件中往往会有一点个体差异,而不同批次的界面组件之间还可能有材质差异,这些差异均可能会影响边缘检测的淮确性。为此,要合理地设置各种与边缘检测相关的参数,例如定位和测量检测线位置,检测线的起停位置和走向,边缘检测的对比度和滤波器宽度,以及单边缘检测的处理模式和双边缘检测的极性等参数等等,其中任何一项参数设置不当都有可能造成较大的测量误差。检测系统应用软体中编制了4个自行设计检测子程式,供测量不同特点的检测位置时调用,这些子程式主要是在IMAQ Vision中的Edge Tool和Edge Caliper函数基础上进一步开发的。
 
如果出现界面组件材质有较大改变的情况,用户可以透过系统主界面修改上述定位和测量检测线位置等参数,让系统能适应检测对象的变化。本系统利用了Edge Tool和Edge Caliper函数的亚像素精密度的功能,使检测的解析度提高到四分之一个像素,因而提高了系统的性能指标。
 
系统的误差修正
本系统的测量精密度要求较高,因此必须消除或减少各种因素做成的误差。本系统引起测量误差的因素主要有以下二种:
 
(1)物距不同引起的测量误差。由于检测对象是三维立体结构,检测点有高有低;在运算两个检测点的间距时,如果它们的物距不相等的话就会引起测量误差。在本计画中检测点的最大物距之差为5.7mm,这足以造成较大的误差。为此,系统应用软体中专门设计有消除这种误差的子程式。
 
(2)景深不足引起的误差。由于镜头的焦距较长,其景深不足以令所有检测位置均能非常清晰地成像,影像不够清晰的检测点的测量淮确性必然受影响。在系统的统调阶段,将本系统测量结果和用高精密度测量投影仪测量的结果进行统计对比,运算出每一个测量数据的误差修正值。透过很多次的对比和修正,系统测量的精密度完全达到实际生产的要求。这种修正方法同时减少了其他因素引起的线性误差。
 
本文小结
本系统的开发过程和实际应用情况显示,利用电脑视觉技术可解决手机界面组件零元件的装配精密度等品质检验问题。和人工检验的方法相较,本系统大幅提高了品质检验工作的效率,同时能有效地保证产品的品质和降低品质检验的成本。利用LabVIEW、IMAQ Vision和影像采集卡研製视觉检测系统可明显缩短开发周期,是通向电脑视觉检测应用领域的一条捷径。基于虚拟仪器技术的视觉检测系统具有结构灵活、成本低和功能扩展容易等优点。


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