機(jī)器視覺檢測(cè)在電子連接器制造工業(yè)中的應(yīng)用 ———保證沖壓件無缺陷- 機(jī)器視覺檢測(cè)在電子連接器制造工業(yè)中的應(yīng)用
在電子連接器（Electronic Connector）制造工業(yè)中，連接器插針的沖壓速度極高。直到不久以前，機(jī)器視覺（Machine Vision) 技術(shù)都還很難匹敵沖壓質(zhì)量檢測(cè)的高速要求，實(shí)現(xiàn)連接器（插針）沖壓質(zhì)量的100% 在線檢測(cè)一直是制造商們夢(mèng)寐以求而難以解決的問題。
機(jī)器視覺系統(tǒng)難以掌握運(yùn)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(gè)原因。幸運(yùn)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(shí)，創(chuàng)新性的人機(jī)交互技術(shù)也使得機(jī)器視覺系統(tǒng)越來越容易掌握和使用。所有這些都極大地促成了機(jī)器視覺檢測(cè)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(duì)電子連接器插針沖壓質(zhì)量進(jìn)行100% 在線檢測(cè)的全過程，介紹了用以探測(cè)典型質(zhì)量缺陷的視覺檢測(cè)工具和檢測(cè)方法，以及系統(tǒng)構(gòu)建所采用的圖形化編程語言。
1． 簡(jiǎn)介
機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)實(shí)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(duì)質(zhì)量檢測(cè)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)展的攝像和圖像處理技術(shù)，包括各種DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）- 特別為各種數(shù)字信號(hào)的高速分析和計(jì)算而設(shè)計(jì)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(cè)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(gè)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?zèng)_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)前端，另一端穿過沖壓機(jī)液壓工作臺(tái)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(huì)在沖壓好的插針?biāo)腿腚婂冊(cè)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(cè)出來的。
然而對(duì)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(cè)系統(tǒng)的"禁區(qū)"。電子連接器制造商希望檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)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(duì)于其它產(chǎn)品（如鋁制罐頭底蓋或其它相對(duì)平坦的表面）是很容易被識(shí)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(jì)，視覺檢測(cè)系統(tǒng)很難得到足以識(shí)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(cè)系統(tǒng)能夠分辨各種金屬涂層以便檢驗(yàn)其是否到位和比例正確。這對(duì)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?yàn)椴煌饘偻繉拥膱D像灰度級(jí)實(shí)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(shí)出現(xiàn)所謂 "漏?quot; (Short Shots), 這是注塑階段需要檢測(cè)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(shí)與插針正確接插）。由于使用背光能很方便地識(shí)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(cè)的機(jī)器視覺系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)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：?jiǎn)为?dú)對(duì)插或組合對(duì)插。單獨(dú)對(duì)插是指每次接插一個(gè)插針；組合對(duì)插則一次將多個(gè)插針同時(shí)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(cè)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(cè)任務(wù)則與連接器配合面上間距的測(cè)量有關(guān)。
和沖壓階段一樣，連接器的組裝也對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)提出了在檢測(cè)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(duì)于每個(gè)通過攝像頭的連接器，視覺系統(tǒng)通常都需完成多個(gè)不同的檢測(cè)項(xiàng)目。因而檢測(cè)速度再次成為一個(gè)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(jí)上遠(yuǎn)大于單個(gè)插針?biāo)试S的尺寸公差。這點(diǎn)也對(duì)視覺檢測(cè)系統(tǒng)帶來了另一個(gè)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(gè)插針，每個(gè)插針位置的檢測(cè)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(gè)一英尺長(zhǎng)連接器的檢測(cè)，視覺檢測(cè)系統(tǒng)只能每次在一較小視野內(nèi)檢測(cè)有限數(shù)目的插針質(zhì)量。為完成整個(gè)連接器的檢測(cè)有兩種方式：使用多個(gè)攝像頭（使系統(tǒng)耗費(fèi)增加）；或當(dāng)連接器在一個(gè)鏡頭前通過時(shí)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(gè)連接器質(zhì)量是否合格。 后一種方式是PPT視覺檢測(cè)系統(tǒng)在連接器組裝完成后通常所采用的檢測(cè)方法。
"實(shí)際位置"（True Position）的檢測(cè)是連接器組裝對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的另一要求。這個(gè)"實(shí)際位置"是指每個(gè)插針頂端到一條規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線之間的距離。視覺檢測(cè)系統(tǒng)必須在檢測(cè)圖像上作出這條假想的基準(zhǔn)線以測(cè)量每個(gè)插針頂點(diǎn)的"實(shí)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(diǎn)在實(shí)際的連接器上經(jīng)常是不可見的，或者有時(shí)出現(xiàn)在另外一個(gè)平面上而無法在同一鏡頭的同一時(shí)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(gè)與之相關(guān)的論題 - 可檢測(cè)性設(shè)計(jì)。
可檢測(cè)性設(shè)計(jì)（Inspectablity）
由于制造廠商對(duì)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(shí)，人們?cè)絹碓绞煜み@類檢測(cè)系統(tǒng)的特性，并學(xué)會(huì)了在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)考慮產(chǎn)品質(zhì)量的可檢測(cè)性。例如，如果希望有一條基準(zhǔn)線用以檢測(cè)"實(shí)際位置"，則應(yīng)在連接器設(shè)計(jì)上考慮到這條基準(zhǔn)線的可見性。
某位制造商希望對(duì)一種盒式插座內(nèi)金屬觸點(diǎn)進(jìn)行缺漏和定位是否正確的檢測(cè)。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(gè)黑塑料殼體，金屬觸點(diǎn)就粘 貼在殼體當(dāng)中。插座的原始設(shè)計(jì)給視覺檢測(cè)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(cè)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(jì)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(gè)小開口。對(duì)于視覺檢測(cè)系統(tǒng)而言，僅是這一細(xì)微的修改便使得一個(gè)原本復(fù)雜的問題能夠獲得既簡(jiǎn)單又更具可靠性的解決。對(duì)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(cè)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(cè)
如前所述，電子連接器插針的沖壓生產(chǎn)速度通常以每分鐘上千件來計(jì)算。直到最近，檢測(cè)速度一直都是自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)難以克服的障礙。早期的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)無法提供如此之高的100%的質(zhì)量檢測(cè)速度.
3.1 沖壓件質(zhì)量視覺檢測(cè)的典型應(yīng)用實(shí)例
本文以下將詳細(xì)闡述一個(gè)PPT視覺系統(tǒng)在沖壓件質(zhì)量檢測(cè)上典型的應(yīng)用實(shí)例。盡管相近的各個(gè)應(yīng)用實(shí)例由于各自檢測(cè)對(duì)象插針的變化而有所不同，但多數(shù)沖壓質(zhì)量視覺檢測(cè)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。基于不同的沖壓工藝，某些插針由單臺(tái)沖壓機(jī)一次沖壓成形，而另一些插針由多臺(tái)沖壓機(jī)分幾次沖壓成形。當(dāng)金屬帶通過沖壓機(jī)時(shí)，一些插針在沖壓過程中的阻滯和定位誤差會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生扭曲或碎裂變形的沖壓缺陷。
因?yàn)闆_壓生產(chǎn)的速度極快，為避免整卷金屬帶報(bào)廢及時(shí)地檢測(cè)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(cè)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，沖壓工序完成的瞬間就應(yīng)該立刻進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。
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(yùn)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(cè)出問題時(shí)停止沖壓機(jī)運(yùn)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(cè)出缺陷的產(chǎn)品打上記號(hào)等，也能夠通過PPT視覺系統(tǒng)輕易實(shí)現(xiàn)。
背光（Backlight）是一種針對(duì)檢測(cè)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)的后方布置一束散射光源來實(shí)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(duì)比而獲得清晰的具有剪影效果的檢測(cè)圖像。這樣的理想圖像通常用來測(cè)量目標(biāo)物的尺寸特征，如長(zhǎng)或?qū)挘灿脕頇z測(cè)目標(biāo)物輪廓（形狀檢測(cè)）。
