電子連接器的自動檢測

1、電子連接器的自動檢測保證沖壓件無缺陷-最新機(jī)器視覺檢測技術(shù)在電子連接器制造工業(yè)中的應(yīng)用大有前途。在電子連接器（ElectronicConnector）制造工業(yè)中，連接器插針的沖壓速度極高。不久以前，機(jī)器視覺（Machine Vision)技術(shù)都還很難匹敵沖壓質(zhì)量檢測的高速要求，實現(xiàn)連接器（插針）沖壓質(zhì)量的100% 在線檢測一直是制造商們夢寐以求而難以解決的問題。機(jī)器視覺系統(tǒng)難以掌握運用，是制約機(jī)器視覺技術(shù)在電子工業(yè)中應(yīng)用的第二個原因。幸運的是：得益于攝像和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，今天的機(jī)器視覺系統(tǒng)已能夠以每分鐘10000件的速度攝取圖像；同時，創(chuàng)新性的人機(jī)交互技術(shù)也使得機(jī)器視覺系統(tǒng)越來越容易掌握和

2、使用。所有這些都極大地促成了機(jī)器視覺檢測技術(shù)在電子連接器制造工業(yè)中成功的應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述了使用PPT視覺系統(tǒng)對電子連接器插針沖壓質(zhì)量進(jìn)行100%在線檢測的全過程，介紹了用以探測典型質(zhì)量缺陷的視覺檢測工具和檢測方法，以及系統(tǒng)構(gòu)建所采用的圖形化編程語言。1簡介機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)實際應(yīng)用中已經(jīng)歷了近二十年的發(fā)展，但直到最近五年，該技術(shù)才真正開始能夠滿足電子連接器制造業(yè)對質(zhì)量檢測的要求。其中，最主要的障礙就是電子連接器極高的制造速度，特別是連接器插針的沖壓過程。一般情況下，插針的沖壓速度接近2,000件/分鐘-這樣的速率是早期的機(jī)器視覺系統(tǒng)難以匹敵的。而新的機(jī)器視覺系統(tǒng)不斷采用了近年來高速發(fā)展的攝像

3、和圖像處理技術(shù)，包括各種DSP（數(shù)字信號處理器）-特別為各種數(shù)字信號的高速分析和計算而設(shè)計的芯片。這些硬軟件技術(shù)的應(yīng)用使得今天的機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠達(dá)到并超過10,000件/分鐘的圖像檢測速率。2電子連接器的制造過程電子連接器種類繁多，但制造過程是基本一致的，一般可分為下面四個階段：· 沖壓(Stamping)· 電鍍(Plating· 注塑(Molding)· 組裝(Assembly)2.1沖壓電子連接器的制造過程一般從沖壓插針開始。通過大型高速沖壓機(jī)，電子連接器（插針）由薄金屬帶沖壓而成。大卷的金屬帶一端送入沖壓機(jī)

4、前端，另一端穿過沖壓機(jī)液壓工作臺纏入卷帶輪，由卷帶輪拉出金屬帶并卷好沖壓出成品。2.2電鍍連接器插針沖壓完成后即應(yīng)送去電鍍工段。在此階段，連接器的電子接觸表面將鍍上各種金屬涂層。與沖壓階段相似的一類問題，如插針的扭曲、碎裂或變形，也同樣會在沖壓好的插針?biāo)腿腚婂冊O(shè)備的過程中出現(xiàn)。通過本文所闡述的技術(shù)，這類質(zhì)量缺陷是很容易被檢測出來的。然而對于多數(shù)機(jī)器視覺系統(tǒng)供應(yīng)商而言，電鍍過程中所出現(xiàn)的許多質(zhì)量缺陷還屬于檢測系統(tǒng)的"禁區(qū)"。電子連接器制造商希望檢測系統(tǒng)能夠檢測到連接器插針電鍍表面上各種不一致的缺陷如細(xì)小劃痕和針孔。盡管這些缺陷對于其它產(chǎn)品（如鋁制罐頭底蓋或其它相對平坦的表面）

5、是很容易被識別出來的；但由于大多數(shù)電子連接器不規(guī)則和含角度的表面設(shè)計，視覺檢測系統(tǒng)很難得到足以識別出這些細(xì)微缺陷所需的圖像。由于某些類型的插針需鍍上多層金屬，制造商們還希望檢測系統(tǒng)能夠分辨各種金屬涂層以便檢驗其是否到位和比例正確。這對于使用黑白攝像頭的視覺系統(tǒng)來說是非常困難的任務(wù)，因為不同金屬涂層的圖像灰度級實際上相差無幾。雖然彩色視覺系統(tǒng)的攝像頭能夠成功分辨這些不同的金屬涂層，但由于涂層表面的不規(guī)則角度和反射影響，照明困難的問題依然存在。2.3注塑電子連接器的塑料盒座在注塑階段制成。通常的工藝是將熔化的塑料注入金屬胎膜中，然后快速冷卻成形。當(dāng)熔化塑料未能完全注滿胎膜時出現(xiàn)所謂 "漏

6、缺"(Short Shots), 這是注塑階段需要檢測的一種典型缺陷。另一些缺陷包括接插孔的填滿或部分堵塞（這些接插孔必須保持清潔暢通以便在最后組裝時與插針正確接插）。由于使用背光能很方便地識別出盒座漏缺和接插孔堵塞，所以用于注塑完成后質(zhì)量檢測的機(jī)器視覺系統(tǒng)相對簡單易行。2.4組裝電子連接器制造的最后階段是成品組裝。將電鍍好的插針與注塑盒座接插的方式有兩種：單獨對插或組合對插。單獨對插是指每次接插一個插針；組合對插則一次將多個插針同時與盒座接插。不論采取哪種接插方式，制造商都要求在組裝階段檢測所有的插針是否有缺漏和定位正確；另外一類常規(guī)性的檢測任務(wù)則與連接器配合面上間距的測量有關(guān)。和

7、沖壓階段一樣，連接器的組裝也對自動檢測系統(tǒng)提出了在檢測速度上的挑戰(zhàn)。盡管大多數(shù)組裝線節(jié)拍為每秒一到兩件，但對于每個通過攝像頭的連接器，視覺系統(tǒng)通常都需完成多個不同的檢測項目。因而檢測速度再次成為一個重要的系統(tǒng)性能指標(biāo)。組裝完成后，連接器的外形尺寸在數(shù)量級上遠(yuǎn)大于單個插針?biāo)试S的尺寸公差。這點也對視覺檢測系統(tǒng)帶來了另一個問題。例如：某些連接器盒座的尺寸超過一英尺而擁有幾百個插針，每個插針位置的檢測精度都必須在幾千分之一英寸的尺寸范圍內(nèi)。顯然，在一幅圖像上無法完成一個一英尺長連接器的檢測，視覺檢測系統(tǒng)只能每次在一較小視野內(nèi)檢測有限數(shù)目的插針質(zhì)量。為完成整個連接器的檢測有兩種方式：使用多個攝像頭（使

8、系統(tǒng)耗費增加）；或當(dāng)連接器在一個鏡頭前通過時連續(xù)觸發(fā)相機(jī)，視覺系統(tǒng)將連續(xù)攝取的單禎圖像"縫合"起來，以判斷整個連接器質(zhì)量是否合格。 后一種方式是PPT視覺檢測系統(tǒng)在連接器組裝完成后通常所采用的檢測方法。"實際位置"（TruePosition）的檢測是連接器組裝對檢測系統(tǒng)的另一要求。這個"實際位置"是指每個插針頂端到一條規(guī)定的設(shè)計基準(zhǔn)線之間的距離。視覺檢測系統(tǒng)必須在檢測圖像上作出這條假想的基準(zhǔn)線以測量每個插針頂點的"實際位置"并判斷其是否達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。然而用以劃定此基準(zhǔn)線的基準(zhǔn)點在實際的連接器上經(jīng)常是不可見的，或者有

9、時出現(xiàn)在另外一個平面上而無法在同一鏡頭的同一時刻內(nèi)看到。甚至在某些情況下不得不磨去連接器盒體上的塑料以確定這條基準(zhǔn)線的位置。這里的確出現(xiàn)了一個與之相關(guān)的論題- 可檢測性設(shè)計。25可檢測性設(shè)計（Inspectablity）由于制造廠商對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量并減少生產(chǎn)成本的不斷要求，新的機(jī)器視覺系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)各種視覺系統(tǒng)日益普遍時，人們越來越熟悉這類檢測系統(tǒng)的特性，并學(xué)會了在設(shè)計新產(chǎn)品時考慮產(chǎn)品質(zhì)量的可檢測性。例如，如果希望有一條基準(zhǔn)線用以檢測"實際位置"，則應(yīng)在連接器設(shè)計上考慮到這條基準(zhǔn)線的可見性。某位制造商希望對一種盒式插座內(nèi)金屬觸點進(jìn)行缺漏和定位是否正確的

10、檢測。這種盒式插座與大多數(shù)辦公室或新居內(nèi)的電話接線盒相似，有一個黑塑料殼體，金屬觸點就粘貼在殼體當(dāng)中。插座的原始設(shè)計給視覺檢測系統(tǒng)的照明帶來了相當(dāng)?shù)睦щy：前照光是唯一可行的照明方案，而這樣的照明條件無法讓檢測系統(tǒng)攝取到足夠清晰的圖像。這位制造商因此重新設(shè)計了插座，為使背光通過而在插座的塑料殼底面上加上了一個小開口。對于視覺檢測系統(tǒng)而言，僅是這一細(xì)微的修改便使得一個原本復(fù)雜的問題能夠獲得既簡單又更具可靠性的解決。對于插座產(chǎn)品而言，這一修改只是增強(qiáng)了產(chǎn)品的可檢測性而絲毫無損于產(chǎn)品的工作性能。3. 深入了解視覺技術(shù)- 沖壓件質(zhì)量檢測3.1 沖壓件質(zhì)量視覺檢測的典型應(yīng)用實例以下將詳細(xì)闡述一個

11、PPT視覺系統(tǒng)在沖壓件質(zhì)量檢測上典型的應(yīng)用實例。盡管相近的各個應(yīng)用實例由于各自檢測對象插針的變化而有所不同，但多數(shù)沖壓質(zhì)量視覺檢測系統(tǒng)遵循基本一致的總體構(gòu)造。如前所述，插針由薄金屬帶沖壓而成?；诓煌臎_壓工藝，某些插針由單臺沖壓機(jī)一次沖壓成形，而另一些插針由多臺沖壓機(jī)分幾次沖壓成形。當(dāng)金屬帶通過沖壓機(jī)時，一些插針在沖壓過程中的阻滯和定位誤差會導(dǎo)致產(chǎn)生扭曲或碎裂變形的沖壓缺陷。                  &#

12、160;                       因為沖壓生產(chǎn)的速度極快，為避免整卷金屬帶報廢及時地檢測出沖壓質(zhì)量缺陷變得十分重要。隨機(jī)的質(zhì)量缺陷，如金屬碎屑（在沖壓過程中產(chǎn)生并粘附于金屬帶上），也必須被檢測出來。如果被一直帶到組裝線上，這些金屬碎屑將有可能導(dǎo)致設(shè)備卡塞或不合格的組裝成品，甚至有更為糟糕的 - 被顧客投訴！為盡可能早地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，沖壓工序完成的瞬

13、間就應(yīng)該立刻進(jìn)行質(zhì)量檢測。PPT視覺系統(tǒng)能夠以各種方式集成安裝到現(xiàn)有的生產(chǎn)線上。如果生產(chǎn)線上有現(xiàn)成的PLC（可編程邏輯控制器），它能象控制其它傳感器或機(jī)械裝置一樣控制PPT視覺系統(tǒng)的運行。這些外部的PLC也并非必需的 -PPT視覺系統(tǒng)自身就完全有與各種外部設(shè)備（觸發(fā)傳感器、廢品剔除機(jī)械等）交流的能力。某些PPT的客戶使得他們的視覺系統(tǒng)能夠在一旦檢測出問題時停止沖壓機(jī)運行，以便操作人員排除故障。類似的其它方案，如控制噴涂槍給檢測出缺陷的產(chǎn)品打上記號等，也能夠通過PPT視覺系統(tǒng)輕易實現(xiàn)。背光（Backlight）是一種針對檢測沖壓過程中典型質(zhì)量缺陷的極其有效的照明手段。背光可通過在待檢目標(biāo)的后方布

14、置一束散射光源來實現(xiàn) - 它能使待檢目標(biāo)與其明亮背景之間產(chǎn)生強(qiáng)烈對比而獲得清晰的具有剪影效果的檢測圖像。這樣的理想圖像通常用來測量目標(biāo)物的尺寸特征，如長或?qū)?，也用來檢測目標(biāo)物輪廓（形狀檢測）。3.2  沖壓件視覺檢測系統(tǒng)的物料輸送和部件構(gòu)成這套附加的視覺檢測檢測系統(tǒng)可以十分方便地安裝到?jīng)_壓機(jī)物料卷帶輪系統(tǒng)上。沖壓成形的插針?biāo)统鰶_壓機(jī)后就能夠立即被檢測，再隨金屬帶卷到卷帶輪上。整套系統(tǒng)包括：一副可調(diào)的開口滑槽機(jī)構(gòu)，用以引導(dǎo)載有插針的金屬帶通過攝像頭下方，一臺PPT-DS2攝像機(jī)，安裝在該金屬帶上方；一盞頻閃燈和一塊漫反射樹脂玻璃，安裝在該金屬帶下方；一套光敏探測器，用以向視覺

15、檢測系統(tǒng)提供待測工件到位的觸發(fā)信號。一臺PPTPassport視覺處理系統(tǒng)下面的圖2顯示了系統(tǒng)的基本構(gòu)造情況。  局部掃描（PartialScanning）為了達(dá)到最大的圖像分辨率和簡化觸發(fā)執(zhí)行方案，每個插針的圖像通常都要單獨拍攝并檢測，即視覺系統(tǒng)每次只檢測一個插針而非多個。當(dāng)系統(tǒng)以每分鐘數(shù)千個插針的檢測速度運行時，使用局部掃描技術(shù)和可重置攝像機(jī)就變得十分重要。PPT視覺系統(tǒng)使用的PPT-DS2攝像機(jī)具有"雙速掃描（Double-scan）"模式，該模式下攝像機(jī)能夠在16.7毫秒時間內(nèi)獲取一整幅全解析度（640x480）逐行掃描的圖像 - 比標(biāo)準(zhǔn)的RS-

16、170攝像機(jī)速度高兩倍。然而在許多沖壓件質(zhì)量檢測的應(yīng)用實例中，這樣的速度仍舊太慢，因此PPT視覺系統(tǒng)使用了稱為"局部掃描"的技術(shù)來進(jìn)一步減少圖像獲取總的時間。使用局部掃描技術(shù)的攝像機(jī)只對有限數(shù)目的掃描行進(jìn)行圖像掃描-掃描行越少，圖像獲取的速度越快。掃描行數(shù)目不是固定的，可隨使用者的意圖改變。例如，掃描480行圖像需耗時16.7毫秒，若設(shè)置攝像機(jī)使其僅僅掃描前120行則只需掃描時間4.18毫秒。因為仍然使用了水平方向上的全部分辨率，局部掃描非常適合于那些外形尺寸在一個方向上遠(yuǎn)大于另一個方向的目標(biāo)物，如插針等。下面的圖3給出了局部掃描技術(shù)的原理。一般情況下，沖壓件質(zhì)量缺陷包括插

17、針的變形或扭曲、多余的金屬粘附（金屬碎屑）和外形尺寸的誤差等。視覺系統(tǒng)可識別的一些沖壓插針的典型質(zhì)量缺陷如圖4所示。   視覺檢測工具（Visiontools）由于受到各種機(jī)械和電子干擾或遲滯的影響，每次在被視覺系統(tǒng)捕獲到的圖像上，待測零件（插針）的位置都會有變化。因此在進(jìn)行零件檢測之前，系統(tǒng)首先必須在視野范圍內(nèi)尋獲目標(biāo)零件的位置。PPT視覺系統(tǒng)采用名為"原點"（OriginTool）的視覺檢測工具來獲得屏幕上目標(biāo)零件的位置和角度。這個工具由圖像上的三個相互垂直交叉的ROI (Region of Interest)"感興趣的區(qū)域"坐標(biāo)

18、組成。這些ROI將告訴視覺系統(tǒng)在哪里尋獲目標(biāo)和尋獲的信息。第一和第二個ROI采用對比檢測方法 (Contrast Sensing)以獲得目標(biāo)零件的邊的信息，并計算出起始角度；再加上第三個ROI（垂直方向）所獲得的邊的信息, 來共同確定目標(biāo)零件在圖像平面上的位置和角度。插針的這幾個位置邊緣坐標(biāo)和起始角度將傳送給后續(xù)的一些視覺檢測工具并用以校準(zhǔn)它們的ROI相對于插針頂端的位置。"模板"（Template）工具提供一種簡單的手段以檢測插針是否變形或扭曲以及插針外形之間的一致性。該工具非常適合于檢測零件的基本外形。由于視覺系統(tǒng)主要采用"金規(guī)"（標(biāo)準(zhǔn)零件）圖像作為

19、自教的初始化方式，模板工具也因此極易建立。用戶只需簡單地劃定一個覆蓋整個插針圖像的特征區(qū)，并通知系統(tǒng)忽略所有在給定灰度級范圍之外的像素，系統(tǒng)就能據(jù)此"學(xué)習(xí)"而產(chǎn)生一個點陣圖像模板。此后，只有那些在此特征區(qū)內(nèi)并為模板所"激活"的像素才被檢測。若所有被"激活"的像素都在用戶定義的灰度范圍之內(nèi)，則模板工具檢測通過。示例如圖6，所有覆蓋在模板之下的像素（圖中以單灰色顯示）都應(yīng)是黑色的；若存在插針變形或扭曲，那么這些像素中就會有一部分因此變亮而無法通過模板檢測。"輔助模板"（Complementary Template）此工

20、具可用于檢測目標(biāo)物（插針）的周圍區(qū)域。示例如圖7。若插針上有冗余金屬或金屬碎屑，其圖像上就會有黑色像素出現(xiàn)而通不過輔助模板工具檢測。外形尺寸及誤差是由"量規(guī)"（Gauges）等工具檢測。量規(guī)工具有像素精度和亞像素精度兩種。對于常見的典型沖壓件缺陷，像素精度級量規(guī)就能達(dá)到較令人滿意的檢測效果。例如，視野范圍為13mmx 10mm的圖像能使系統(tǒng)達(dá)到 +/- 0.0203mm的檢測分辨率（13mm/640像素數(shù) = 0.0203mm/像素）。顯然，圖像視野越小，系統(tǒng)分辨率越高。Sub-pixel Line Gauge Tool (亞像素量規(guī))檢測精度能達(dá)到1/4像素（標(biāo)準(zhǔn)差）。它

21、可以完成同一目標(biāo)物的多個檢測項目，也可多次執(zhí)行同一檢測項目。即定義一種檢測項目并使其在某個選定圖像區(qū)域內(nèi)重復(fù)執(zhí)行。特別是對于沿一個系列中心檢測多個目標(biāo)的任務(wù)，該功能非常有效。Sub-pixelLine Gauge Tool采用連通性分析算法來檢測圖像邊緣，可達(dá)到亞像素級的檢測精度。系統(tǒng)做初始化時，用戶即可在"金規(guī)"（即標(biāo)準(zhǔn)零件）圖像上指定兩條邊緣并告訴系統(tǒng)測量這兩條邊緣線之間的距離。之后的實際生產(chǎn)檢測中，系統(tǒng)將測量每個零件相應(yīng)的邊緣線之的距離，如果這個距離在給定范圍內(nèi)，檢測通過；否則不予通過。那么視覺系視覺能檢測哪些尺寸誤差呢？這個問題將完全取決于所檢測圖像的實際狀況。圖8

22、標(biāo)出了一組Sub-pixelLine Gauge Tool的ROI的位置，以及制造商希望能被檢測的幾種典型尺寸。"反差工具"（Contrast Tool）可以用來檢測多種前面已討論過的質(zhì)量缺陷。該工具利用ROI來判斷區(qū)域內(nèi)的灰度級是否存在反差 -   視覺檢測系統(tǒng)編程PPT所有型號的機(jī)器視覺系統(tǒng)都裝有PPT的視覺程序管理軟件 - VPM (Vision ProgramManager)。VPM采用圖形化的編程語言，使用戶不必掌握計算機(jī)編程語言就能極為自由地創(chuàng)建各種視覺檢測程序。VPM有兩種截然不同的運行模式：編輯模式（EditMode）和 執(zhí)行模式（Run

23、Mode）。編輯模式下，用戶首先編輯檢測程序以指示視覺系統(tǒng)該做些什么。在此過程中，用戶不必敲入一行行的指令代碼，只需抓取各種圖標(biāo)并將它們拖放組合到一起成為可視化的流程圖。這里的每個圖標(biāo)都代表了一種基本的機(jī)器功能。用戶還可以用各種顏色的線條連接這些圖標(biāo)，以此指明整個檢測過程中的執(zhí)行順序和數(shù)據(jù)流動路線。最后，設(shè)置每個圖標(biāo)特定的功能參數(shù)。編輯完檢測程序后，用戶可創(chuàng)建自己個性化的"控制面板"（ControlPanels）。這些面板是供車間操作人員在生產(chǎn)線上使用的。利用前述創(chuàng)建檢測程序時所用的點擊組合方式，用戶在很短時間之內(nèi)就能創(chuàng)建這些面板。一個面板中所有組件的形狀、位置、標(biāo)識和顏色

24、都可按照用戶喜好進(jìn)行修改；多個面板也可同時創(chuàng)建并鏈接在一起。用戶可以完全自主地設(shè)計操作面板，并加密碼保護(hù)，以限制車間操作人員對檢測程序干與能力。VPM通常都在執(zhí)行模式下運行。上述控制面板此時將被顯示并激活，車間操作人員通過集成安裝的觸摸屏使用該控制面板。通過觸摸屏上的各種按鈕，操作人員能夠啟動視覺檢測系統(tǒng)、使系統(tǒng)離線運行、加載各種檢測文件以及系統(tǒng)設(shè)計者所設(shè)置的所有其它功能。  安裝視覺檢測系統(tǒng)可能遇到的問題安裝一套視覺檢測系統(tǒng)時大多會遇到一些問題。以前，PPT在安裝沖壓件質(zhì)量檢測系統(tǒng)時就多次遇到過同一個障礙：當(dāng)物料運輸機(jī)構(gòu)清理干凈后，攝像機(jī)和頻閃燈就能馬上安裝在卷帶輪前方，然而在試運行時竟出現(xiàn)系統(tǒng)的檢測速度明顯跟不上生產(chǎn)節(jié)拍- 盡管此時沖壓連續(xù)生產(chǎn)的速度并沒有超出系統(tǒng)檢測速度的極限。經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，這種"