發布日期：2022-04-27 點擊率：83
在電子連接器（Electronic Connector）制造工業中，連接器插針的沖壓速度極高。直不久以前，機器視覺（Machine Vision) 技術都還很難匹敵沖壓質量檢測的高速要求，實現連接器（插針）沖壓質量的100% 在線檢測一直是制造商們夢寐以求而難以解決的問題。
機器視覺系統難以掌握運用是制約機器視覺技術在電子工業中應用的第二個原因。幸運的是：得益于攝像和圖像處理技術的發展，今天的機器視覺系統已能夠以每分鐘10000件的速度攝取圖像；同時，創新性的人機交互技術也使得機器視覺系統越來越容易掌握和使用。所有這些都極大地促成了機器視覺檢測技術在電子連接器制造工業中成功的應用。
本文詳細闡述了使用PPT視覺系統對電子連接器插針沖壓質量進行100% 在線檢測的全過程，介紹了用以探測典型質量缺陷的視覺檢測工具和檢測方法，以及系統構建所采用的圖形化編程語言。
1． 簡介
機器視覺技術在工業實際應用中已經歷了近二十年的發展，但直到最近五年，該技術才真正開始能夠滿足電子連接器制造業對質量檢測的要求。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器視覺系統難以匹敵的。而新的機器視覺系統不斷采用了近年來高速發展的攝像和圖像處理技術，包括各種DSP（數字信號處理器）- 特別為各種數字信號的高速分析和計算而設計的芯片。這些硬軟件技術的應用使得今天的機器視覺系統能夠達到并超過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，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前端，另一端穿過沖壓機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送入電鍍設備的過程中出現。通過本文所闡述的技術，這類質量缺陷是很容易被檢測出來的。
然而對于多數機器視覺系統供應商而言，電鍍過程中所出現的許多質量缺陷還屬于檢測系統的"禁區"。電子連接器制造商希望檢測系統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小劃痕和針孔。盡管這些缺陷對于其它產品（如鋁制罐頭底蓋或其它相對平坦的表面）是很容易被識別出來的；但由于大多數電子連接器不規則和含角度的表面設計，視覺檢測系統很難得到足以識別出這些細微缺陷所需的圖像。
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來說是非常困難的任務，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。當熔化塑料未能完全注滿胎膜時出現所謂 "漏?quot; (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量檢測的機器視覺系統相對簡單易行
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；另外一類常規性的檢測任務則與連接器配合面上間距的測量有關。
和沖壓階段一樣，連接器的組裝也對自動檢測系統提出了在檢測速度上的挑戰。盡管大多數組裝線節拍為每秒一到兩件，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性能指標。
組裝完成后，連接器的外形尺寸在數量級上遠大于單個插針所允許的尺寸公差。這點也對視覺檢測系統帶來了另一個問題。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。顯然，在一幅圖像上無法完成一個一英尺長連接器的檢測，視覺檢測系統只能每次在一較小視野內檢測有限數目的插針質量。為完成整個連接器的檢測有兩種方式：使用多個攝像頭（使系統耗費增加）；或當連接器在一個鏡頭前通過時連續觸發相機，視覺系統將連續攝取的單禎圖像"縫合" 起來，以判斷整個連接器質量是否合格。 后一種方式是PPT視覺檢測系統在連接器組裝完成后通常所采用的檢測方法。
"實際位置"（True Position）的檢測是連接器組裝對檢測系統的另一要求。這個"實際位置"是指每個插針頂端到一條規定的設計基準線之間的距離。視覺檢測系統必須在檢測圖像上作出這條假想的基準線以測量每個插針頂點的"實際位置"并判斷其是否達到質量標準。然而用以劃定此基準線的基準點在實際的連接器上經常是不可見的，或者有時出現在另外一個平面上而無法在同一鏡頭的同一時刻內看到。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線的位置。這里的確出現了一個與之相關的論題 - 可檢測性設計。
可檢測性設計（Inspectablity）
由于制造廠商對提高生產效率和產品質量并減少生產成本的不斷要求，新的機器視覺系統得到越來越廣泛的應用。當各種視覺系統日益普遍時，人們越來越熟悉這類檢測系統的特性，并學會了在設計新產品時考慮產品質量的可檢測性。例如，如果希望有一條基準線用以檢測"實際位置"，則應在連接器設計上考慮到這條基準線的可見性。
3. 深入了解視覺技術 - 沖壓件質量檢測
如前所述，電子連接器插針的沖壓生產速度通常以每分鐘上千件來計算。直到最近，檢測速度一直都是自動質量檢測系統難以克服的障礙。早期的機器視覺檢測系統無法提供如此之高的100%的質量檢測速度.
3.1 沖壓件質量視覺檢測的典型應用實例
本文以下將詳細闡述一個PPT視覺系統在沖壓件質量檢測上典型的應用實例。盡管相近的各個應用實例由于各自檢測對象插針的變化而有所不同，但多數沖壓質量視覺檢測系統遵循基本一致的總體構造。如前所述，插針由薄金屬帶沖壓而成。基于不同的沖壓工藝，某些插針由單臺沖壓機一次沖壓成形，而另一些插針由多臺沖壓機分幾次沖壓成形。當金屬帶通過沖壓機時，一些插針在沖壓過程中的阻滯和定位誤差會導致產生扭曲或碎裂變形的沖壓缺陷。
因為沖壓生產的速度極快，為避免整卷金屬帶報廢及時地檢測出沖壓質量缺陷變得十分重要。隨機的質量缺陷，如金屬碎屑（在沖壓過程中產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致設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！為盡可能早地發現產品缺陷，沖壓工序完成的瞬間就應該立刻進行質量檢測。
PPT視覺系統能夠以各種方式集成安裝到現有的生產線上。如果生產線上有現成的PLC （可編程邏輯控制器），它能象控制其它傳感器或機械裝置一樣控制PPT視覺系統的運行。這些外部的PLC也并非必需的 - PPT視覺系統自身就完全有與各種外部設備（觸發傳感器、廢品剔除機械等）交流的能力。某些PPT的客戶使得他們的視覺系統能夠在一旦檢測出問題時停止沖壓機運行，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品打上記號等，也能夠通過PPT視覺系統輕易實現。
背光（Backlight）是一種針對檢測沖壓過程中典型質量缺陷的極其有效的照明手段。背光可通過在待檢目標的后方布置一束散射光源來實現 - 它能使待檢目標與其明亮背景之間產生強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物的尺寸特征，如長或寬，也用來檢測目標物輪廓（形狀檢測）。
3.2 沖壓件視覺檢測系統的物料輸送和部件構成
這套附加的視覺檢測檢測系統可以十分方便地安裝到沖壓機物料卷帶輪系統上。沖壓成形的插針送出沖壓機后就能夠立即被檢測，再隨金屬帶卷到卷帶輪上。整套系統包括：
一副可調的開口滑槽機構，用以引導載有插針的金屬帶通過攝像頭下方，
一臺PPT-DS2攝像機，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，用以向視覺檢測系統提供待測工件到位的觸發信號。
一臺PPT Passport視覺處理系統
下面的圖2顯示了系統的基本構造情況。
(圖2：典型的沖壓件質量視覺檢測系統的設備布局)
（Take-up reel - 卷帶輪，Camera - 攝像機，sensor - 傳感器，
Carrier strip with contacts - 沖壓插針金屬帶，Stamping press - 沖壓機，
Guide block and strobe light - 導引塊和頻閃燈）
當沖壓成形的插針隨金屬帶送出沖壓機后，它們經由導引塊穿過視覺檢測系統并通過漫反射樹脂玻璃前方。對于每個插針的到來，光敏探測器都會向檢測系統提供一個觸發信號，接通頻閃燈，拍攝圖像，開始執行檢測。采用頻閃燈的目的是避免金屬帶每次都要在攝像頭前停下來。 在現有沖壓生產線的集成上述視覺檢測系統只需對沖壓工段做少許改動。
3.2.1 局部掃描（Partial Scanning）
為了達到最大的圖像分辨率和簡化觸發執行方案，每個插針的圖像通常都要單獨拍攝并檢測，即視覺系統每次只檢測一個插針而非多個。當系統以每分鐘數千個插針的檢測速度運行時，使用局部掃描技術和可重置攝像機就變得十分重要。PPT視覺系統使用的PPT-DS2攝像機具有"雙速掃描（Double-scan）"模式，該模式下攝像機能夠在16.7毫秒時間內獲取一整幅全解析度（640x480）逐行掃描的圖像 - 比標準的RS-170攝像機速度高兩倍。
然而在許多沖壓件質量檢測的應用實例中，這樣的速度仍舊太慢，因此PPT視覺系統使用了稱?quot;局部掃描"的技術來進一步減少圖像獲取總的時間。使用局部掃描技術的攝像機只對有限數目的掃描行進行圖像掃描--掃描行越少，圖像獲取的速度越快。掃描行數目不是固定的，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，若設置攝像機使其僅僅掃描前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大于另一個方向的目標物，如插針等。
下面的圖3給出了局部掃描技術的原理。
圖3：PPT-DS2攝像機掃描模式：整幅雙速掃描和局部掃描。 單位：Pixels - 像素
（左圖 - 全解析度雙速掃描模式：在16.7毫秒內獲取整幅（640x480）圖像）；
（右圖 - 局部掃描模式的例子：在4.8毫秒內獲取部分（640x120）圖像，未經掃描的圖像區域保持為空白）
一般情況下，沖壓件質量缺陷包括插針的變形或扭曲、多余的金屬粘附（金屬碎屑）和外形尺寸的誤差等。視覺系統可識別的一些沖壓插針的典型質量缺陷如圖4所示。
（Twisted contact - 插針扭曲，metal flash - 屬粘附碎屑，
Crushed contact - 觸點擠壓變形，Thin contact - 插針過細）
3.2.2 視覺檢測工具（Vision tools）
由于受到各種機械和電子干擾或遲滯的影響，每次在被視覺系統捕獲到的圖像上，待測零件（插針）的位置都會有變化。因此在進行零件檢測之前，系統首先必須在視野范圍內尋獲目標零件的位置。PPT視覺系統采用名為"原點"（Origin Tool）的視覺檢測工具來獲得屏幕上目標零件的位置和角度。這個工具由圖像上的三個相互垂直交叉的ROI (Region of Interest) "感興趣的區域" 坐標組成。這些ROI將告訴視覺系統在哪里尋獲目標和尋獲的信息。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, 來共同確定目標零件在圖像平面上的位置和角度。
圖5：三個ROI坐標 - 檢測插針在其背光圖像中的位置
（Primary ROI - 第一個ROI，Secondary ROI - 第二個ROI，Perpendicular ROI - 垂直ROI）
插針的這幾個位置邊緣坐標和起始角度將傳送給后續的一些視覺檢測工具并用以校準它們的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。由于視覺系統主要采用"金規"（標準零件）圖像作為自教的初始化方式，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，并通知系統忽略所有在給定灰度級范圍之外的像素，系統就能據此"學習"而產生一個點陣圖像模板。此后，只有那些在此特征區內并為模板所"激活"的像素才被檢測。若所有?quot;激活"的像素都在用戶定義的灰度范圍之內，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。
圖6：模板工具--檢測插針變形缺陷以及形狀校驗
（Template of "turned ON" pixels - 像素"激活"的模板，Gird of ROIs - ROI網格：視覺系統僅僅檢測那些限在特征區內并被模板所"激活"的像素）
"輔助模板"（Complementary Template）此工具可用于檢測目標物（插針）的周圍區域。示例如圖7。
圖7：輔助模板 - 檢測插針周圍區域以及是否有粘附碎屑
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而通不過輔助模板工具檢測。
外形尺寸及誤差是由"量規"（Gauges）等工具檢測。量規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，像素精度級量規就能達到較令人滿意的檢測效果。例如，視野范圍為13mm x 10mm的圖像能使系統達到 +/- 0.0203mm的檢測分辨率（13mm/640像素數 = 0.0203 mm/像素）。顯然，圖像視野越小，系統分辨率越高。
Sub-pixel Line Gauge Tool (亞像素量規) 檢測精度能達到1/4像素（標準差）。它可以完成同一目標物的多個檢測項目，也可多次執行同一檢測項目。即定義一種檢測項目并使其在某個選定圖像區域內重復執行。特別是對于沿一個系列中心檢測多個目標的任務，該功能非常有效。Sub-pixel Line Gauge Tool采用連通性分析算法來檢測圖像邊緣，可達到亞像素級的檢測精度。系統做初始化時，用戶即可在 "金規"（即標準零件）圖像上指定兩條邊緣并告訴系統測量這兩條邊緣線之間的距離。之后的實際生產檢測中，系統將測量每個零件相應的邊緣線之的距離，如果這個距離在給定范圍內，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標出了一組Sub-pixel Line 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。
圖8：Sub-pixel Line Gauge Tool - 檢測外形尺寸的誤差
（一組Sub-pixel Line Gauge Tool 的ROI 的位置，用以測量插針多個截面的
寬度和縱向總長）
"反差工具"（Contrast Tool）可以用來檢測多種前面已討論過的質量缺陷。該工具利用ROI來判斷區域內的灰度級是否存在反差 - 有反差則可證實目標特征存在，無反差則表明目標特征（如金屬碎屑）不存在。
上述各種視覺檢測工具一旦開始運行，系統將通過內置的Opto22輸出模塊把檢測結果（成功/失敗的信號）送到生產線上其它設備。例如在一個典型的沖壓件質量檢測實例中，若視覺系統檢測到一個有缺陷的零件，則檢測失敗信號會立刻送到沖壓機控制器以停止沖壓機運行。同時，操作人員會收到一個示警信號。只有在造成質量缺陷的原因查明并解決之后，操作人員才能開動沖壓機重新生產。
上述各種視覺檢測工具的檢測結果還將被收集并顯示在操作屏幕上；或者為了進一步的統計分析而輸出到運行于主機上的其它軟件，如電子數據表格或統計過程控制（SPC）程序。
3.2.3 視覺檢測系統編程
PPT所有型號的機器視覺系統都裝有PPT的視覺程序管理軟件 - VPM (Vision Program Manager)。VPM采用圖形化的編程語言，使用戶不必掌握計算機編程語言就能極為自由地創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（Edit Mode）和 執行模式（Run Mode）。
編輯模式下，用戶首先編輯檢測程序以指示視覺系統該做些什么。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。這里的每個圖標都代表了一種基本的機器功能。用戶還可以用各種顏色的線條連接這些圖標，以此指明整個檢測過程中的執行順序和數據流動路線。最后，設置每個圖標特定的功能參數。
編輯完檢測程序后，用戶可創建自己個性化的 "控制面板"（Control Panels）。這些面板是供車間操作人員在生產線上使用的。利用前述創建檢測程序時所用的點擊組合方式，用戶在很短時間之內就能創建這些面板。一個面板中所有組件的形狀、位置、標識和顏色都可按照用戶喜好進行修改；多個面板也可同時創建并鏈接在一起。用戶可以完全自主地設計操作面板，并加密碼保護，以限制車間操作人員對檢測程序干與能力。
VPM通常都在執行模式下運行。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、使系統離線運行、加載各種檢測文件以及系統設計者所設置的所有其它功能。
前文所述的沖壓件質量檢測系統的流程可以用VPM的圖形化編程語言給出，如圖9所示。Camera Tool - 整個檢測流程由攝像機工具開始，
Origin Tool - 原點工具確定零件在視野中的位置，
Template tools - 模板工具，
Sub-pixel Line Gauge Tool
Parallel Output Tool - 若任何檢測工具檢測失敗，并行輸出工具向沖壓機發送"停機"信號。
攝像機工具（Camera Tool）指定整個檢測流程由攝像機開始。原點工具（Origin Tool）確定每個插針在攝像機視野中的位置和角度，并將此信息提供給后續各個檢測工具。兩組模板工具（Template Tool）分別檢測插針是否存在變形、扭曲或金屬碎屑和觸點形狀的一致性。亞像素量規（Sub-pixel Line Gauge）檢測插針有關的形狀尺寸誤差是否合格。一個量規工具就可以度量出幾個尺寸數據。
圖中的流程線規定了所有檢測工具的執行順序，即只有當前一個工具檢測通過后，后一個工具才可以執行。如果任何一個工具檢測不能通過，那么并行輸出工具（Parallel Output）將按照流程線規定向沖壓機控制器送出失敗信號，沖壓機立即停止運行。盡管所有的檢測工具都有各自的檢測失敗/成功/執行的計數器，但每個零件的檢測都會首先觸發原點工具，所以總的檢測零件數將由原點工具(Origin Tool) 的執行計數器給出。
3.2.4 安裝視覺檢測系統可能遇到的問題
安裝一套視覺檢測系統時大多會遇到一些問題。以前，PPT在安裝沖壓件質量檢測系統時就多次遇到過同一個障礙：當物料運輸機構清理干凈后，攝像機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系統的檢測速度明顯跟不上生產節拍 - 盡管此時沖壓連續生產的速度并沒有超出系統檢測速度的極限。經過分析研究發現，這種 "超速"（Overrun）問題是由于卷帶輪不規則的轉速所引起。當運輸金屬帶出現松弛時，卷帶輪加速運轉以張緊運輸帶；松弛一旦消除，卷帶輪的轉速又放慢下來。由于卷帶輪設計上的轉速總是落后于運輸帶，因此每次卷帶輪張緊運輸帶后減速都重新造成運輸帶的大段松弛。其結果導致了運輸帶通過視覺檢測系統導引塊時不規則、突然地加速運動，有時甚至超出了視覺系統的檢測速度極限。"超速"問題的解決方法是仔細地調整卷帶輪的轉速。只要能消除運輸金屬帶運動過程中的不規則突變，視覺檢測系統就能夠保持與沖壓生產速度的同步。
殘留在插針上的潤滑油給視覺檢測系統帶來另一個問題。金屬帶在通過沖壓過程中需要足夠的潤滑，可是這些潤滑油滴也會經常粘附在沖壓后的插針上。若它們被視覺檢測系統誤認為是金屬粘附碎屑，則將導致檢測誤判。為了解決這個問題，可以在插針觸點未到達檢測系統之前安裝一副氣流噴掃裝置以清除零件上殘留的潤滑油。
4. 總結
當前，機器視覺系統為電子連接器制造工業中四個階段（沖壓、電鍍、注塑和組裝）的質量檢測提供了非常出色的解決方案。以沖壓工藝為代表的高速制造過程要求檢測系統有極高的檢測速度，這一直是制約電子連接器制造工業實現全面自動化質量檢測的主要障礙。可喜的是，得益于攝像和圖像處理技術的進步，視覺系統今天終于有足夠的能力達到10,000件/分鐘的在線檢測速度。
與此同時，機器視覺系統應用技術的進步使得其使用已極為方便。值得注意的是，當評估在生產線上安裝機器視覺系統的可行性時，電子連接器的主要制造商們越來越多地把機器視覺系統易于安裝維護作為了一個主要的因素來考慮。
過去的五年中，許多成功安裝的機器視覺系統已開始在市場上出現。這些已在電子連接器制造業中安裝使用的視覺系統極大地減少了廢品率，防止了質量不合格產品到達客戶手里，為制造商帶來了豐厚的投資回報。多數情況下，用于安裝視覺系統的投資在幾個月里就能夠收回。
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