手機接口電路板組件測試計算機視覺(jué)系統
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由于手機的設計越來(lái)越精巧，手機接口電路板組件生產(chǎn)對裝配精度的標準也不斷提高。如果用人工方式檢驗裝配質(zhì)量就需要多臺價(jià)格不菲的測量投影儀，而且檢測速度仍然無(wú)法滿(mǎn)足較大規模生產(chǎn)的要求。利用NI公司先進(jìn)的計算機視覺(jué)技術(shù)開(kāi)發(fā)的視覺(jué)檢測系統能對接口電路板組件中多個(gè)連結器的相對位置及其內部零件尺寸等參數進(jìn)行自動(dòng)檢測，并具有測量準確、快速、擴展性強和性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。
本系統采用了光強穩定的高頻熒光燈和焦距為55mm的遠心鏡頭(telecentric lens)，這種鏡頭的畸變特別小。此外，系統配置了JVC公司的TK-S350型黑白攝像機(753×582)和NI公司的PCI-1409黑白和彩色圖像采集卡。PC采用工業(yè)計算機(PIII/850)，XY電控平移臺的重復定位精度為3μm，行程為200×200mm，最高速度為40mm/S。
檢測方法和系統構成
檢測系統的任務(wù)是對手機接口電路板組件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)接口組件)中的3個(gè)連接器的特定位置的幾何尺寸進(jìn)行測量，其中包括連接器與印刷電路板(PCB)底板的相對位置，連接器之間的間距，以及連接器內部零件的尺寸和間距等共24個(gè)參數，檢驗連接器裝配精度是否符合標準和內部零件(如觸點(diǎn)簧片)是否被碰歪等質(zhì)量問(wèn)題。
系統檢測的手機接口組件尺寸比較小，大約是28×10mm。接口組件是以30個(gè)(10行(3列)為一組組裝在一塊PCB上，檢測之后才把它們分割開(kāi)來(lái)。實(shí)際上，在一個(gè)測試周期內要完成兩塊PCB上總共60個(gè)接口組件的自動(dòng)連續檢測，其中一塊PCB測正面，而另一塊PCB測反面。為了能達到足夠的測量精度，一個(gè)接口組件分左、右兩次拍攝，拍攝時(shí)電控平移臺要暫停，以保證拍攝圖像清晰。檢測系統應用程序主要是利用邊緣檢測的方法測出檢測點(diǎn)的坐標值，然后對相關(guān)的坐標值進(jìn)行簡(jiǎn)單運算便可得到測量的結果，其中的關(guān)鍵是要能準確找到檢測點(diǎn)。
系統主要功能
(1) 一個(gè)測試周期內自動(dòng)連續檢測60個(gè)接口組件(以單面檢測計)；
(2) 系統自動(dòng)標定；
(3) 可調節每組檢測線(xiàn)的起始位置和畫(huà)線(xiàn)方向；
(4) 可調節每個(gè)檢測位置的對比度閥值；
(5) 可調節一組檢測線(xiàn)的測線(xiàn)數量和線(xiàn)間距離，并能利用數字濾波技術(shù)減少測量誤差；
(6) 以直觀(guān)的LED矩陣方式顯示一個(gè)測試周期的結果，使合格品和不合格品一目了然；
(7) 測量誤差自動(dòng)修正；
(8) 檢測結果進(jìn)行累積統計，測量數據生成記錄文件。
本系統的主界面如圖2所示，圖3則是該系統在生產(chǎn)現場(chǎng)的照片。
系統主要技術(shù)指標
(1)檢測范圍：200×200mm；
(2)單次檢測的面積：12×10mm；
(3)系統測量分辨率：5μm；
(4)系統測量誤差：小于25μm；
(5)檢測速度：a. 單幅圖像處理時(shí)間為200ms；b.
一塊PCB板的檢測時(shí)間為1分鐘。由于電控平移臺的速度不太高，檢測時(shí)間實(shí)際上大部份消耗在平移臺的走位和為拍攝圖像的暫停上，圖像處理基本上是在電控平移臺走位的過(guò)程中完成。
光源的配置
由于接口組件的結構較復雜，使得光源的配置比較困難。為了使檢測部分的特征從復雜背景中凸顯出來(lái)，采取過(guò)很多種方案進(jìn)行反復的試驗，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置光源：a. 正面光源，在PCB上方設置環(huán)形光管，為接口組件的檢測位置提供適度的正面照明；b. 背面光源，用于透射PCB，加強PCB與連接器之間的對比度，為了讓光照均勻，加設了乳白色的散射塑料薄板；c. 側面光源，垂直照射在連接器的一組金屬觸點(diǎn)簧片(與水平面成30度夾角)上，使之反光，并與周?chē)尘靶纬擅黠@的反差(見(jiàn)圖1)。光源的穩定性對圖像的質(zhì)量也有影響，系統采用的是光強相當穩定的高頻熒光燈。此外，還加設了遮蔽罩，以減少環(huán)境光變化所造成的影響。
系統的標定
圖像處理通常是以象素為單位進(jìn)行計量的，為了將象素為單位的測量結果與標準尺寸(公制單位)作比較，同時(shí)也為了方便用戶(hù)查閱數據，需將測量結果轉換成以毫米為單位的實(shí)際長(cháng)度，也就是做標定工作。在安裝接口組件PCB的夾具上安置了一個(gè)10mm長(cháng)的精密標準量塊，當用戶(hù)在系統主界面上按下“標定”按鈕，電控平移臺將標準量塊移到攝像機正下方，系統采集標準量塊的圖像，然后用邊緣檢測的方法測量出它的長(cháng)度(象素值)，并計算出本系統中一個(gè)象素對應多少毫米的比例關(guān)系，以后的所有的測量結果都根據這個(gè)比例進(jìn)行換算。
檢測位置的定位
一個(gè)檢測周期實(shí)際上要進(jìn)行120次檢測，而每一次檢測后PCB都得移位，為避免電控平移臺多次移位的位置累積誤差影響測量的準確性，每一次檢測時(shí)首先要確定本次測量的基準參考位置。具體做法是，先用定位檢測線(xiàn)測出該接口組件PCB的兩條相互垂直的板邊的坐標值，并以此作為本次檢測的參考坐標，然后根據各檢測位置的相對坐標位置準確地設置檢測線(xiàn)。檢測線(xiàn)是成組地設置的，測出一組檢測點(diǎn)坐標值后再用數字濾波方法減少異常測量值對測量結果的影響。圖4標識出2組定位線(xiàn)和2組測量線(xiàn)，圖中還有另外6組測量線(xiàn)。
邊緣檢測參數的設定
雖然采用三個(gè)光源后拍攝的圖像總體質(zhì)量比較高，但正如圖4所示，由于檢測對象結構復雜，各檢測點(diǎn)及其附近區域的成像情況還是比較復雜。加上同一批接口組件中往往會(huì )有一點(diǎn)個(gè)體差異，而不同批次的接口組件之間還可能有材質(zhì)差異，這些差異均可能會(huì )影響邊緣檢測的準確性。為此，要合理地設置各種與邊緣檢測相關(guān)的參數，例如定位和測量檢測線(xiàn)位置，檢測線(xiàn)的起停位置和走向，邊緣檢測的對比度和濾波器寬度，以及單邊緣檢測的處理模式和雙邊緣檢測的極性等參數等等，其中任何一項參數設置不當都有可能造成較大的測量誤差。檢測系統應用軟件中編制了4個(gè)自行設計的檢測子程序，供測量不同特點(diǎn)的檢測位置時(shí)調用，這些子程序主要是在IMAQ Vision中的 Edge Tool和Edge Caliper函數基礎上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的。
如果出現接口組件材質(zhì)有較大改變的情況，用戶(hù)可以通過(guò)系統主界面修改上述定位和測量檢測線(xiàn)位置等參數，讓系統能適應檢測對象的變化。本系統利用了Edge Tool和Edge Caliper函數的亞象素精度的功能，使檢測的分辨率提高到四分之一個(gè)象素，從而提高了系統的性能指標。
系統的誤差修正
本系統的測量精度要求較高，因此必須消除或減小各種因素做成的誤差。本系統引起測量誤差的因素主要有以下二種：
(1)物距不同引起的測量誤差。由于檢測對象是三維立體結構，檢測點(diǎn)有高有低；在計算兩個(gè)檢測點(diǎn)的間距時(shí)，如果它們的物距不相等的話(huà)就會(huì )引起測量誤差。在本項目中檢測點(diǎn)的最大物距之差為5.7mm，這足以造成較大的誤差。為此，系統應用軟件中專(zhuān)門(mén)設計有消除這種誤差的子程序。
(2)景深不足引起的誤差。由于鏡頭的焦距較長(cháng)，其景深不足以令所有檢測位置均能非常清晰地成像，圖像不夠清晰的檢測點(diǎn)的測量準確性必然受影響。在系統的統調階段，將本系統測量結果和用高精度測量投影儀測量的結果進(jìn)行統計對比，計算出每一個(gè)測量數據的誤差修正值。經(jīng)過(guò)很多次的對比和修正，系統測量的精度完全達到實(shí)際生產(chǎn)的要求。這種修正方法同時(shí)減小了其他因素引起的線(xiàn)性誤差。
本文小結
本系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程和實(shí)際應用情況表明，利用計算機視覺(jué)技術(shù)可解決手機接口組件零部件的裝配精度等質(zhì)量檢驗問(wèn)題。和人工檢驗的方法相比，本系統大大提高了質(zhì)量檢驗工作的效率，同時(shí)能有效地保證產(chǎn)品的質(zhì)量和降低質(zhì)量檢驗的成本。利用LabVIEW、IMAQ Vision和圖像采集卡研制視覺(jué)檢測系統可明顯縮短開(kāi)發(fā)周期，是通向計算機視覺(jué)檢測應用領(lǐng)域的一條捷徑?；谔摂M儀器技術(shù)的視覺(jué)檢測系統具有結構靈活、成本低和功能擴展容易等優(yōu)點(diǎn)。
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