电子连接器自动检测白皮书

电子连接器自动检测白皮书在电子连接器（ElectronicConnector）制造工业中，连接器插针的冲压速度极高。直不久以前，机器视觉（MachineVision)技术都还很难匹敌冲压质量检测的高速要求，实现连接器（插针）冲压质量的100%在线检测一直是制造商们梦寐以求而难以解决的问题。机器视觉系统难以掌握运用是制约机器视觉技术在电子工业中应用的第二个原因。幸运的是：得益于摄像和图像处理技术的发展，今天的机器视觉系统已能够以每分钟10000件的速度摄取图像；同时，创新性的人机交互技术也使得机器视觉系统越来越容易掌握和使用。所有这些都极大地促成了机器视觉检测技术在电子连接器制造工业中成功的应用。本文详细阐述了使用PPT视觉系统对电子连接器插针冲压质量进行100%在线检测的全过程，介绍了用以探测典型质量缺陷的视觉检测工具和检测方法，以及系统构建所采用的图形化编程语言。1．简介机器视觉技术在工业实际应用中已经历了近二十年的发展，但直到最近五年，该技术才真正开始能够满足电子连接器制造业对质量检测的要求。其中，最主要的障碍就是电子连接器极高的制造速度，特别是连接器插针的冲压过程。一般情况下，插针的冲压速度接近2,000件/分钟--这样的速率是早期的机器视觉系统难以匹敌的。而新的机器视觉系统不断采用了近年来高速发展的摄像和图像处理技术，包括各种DSP（数字信号处理器）-特别为各种数字信号的高速分析和计算而设计的芯片。这些硬软件技术的应用使得今天的机器视觉系统能够达到并超过10,000件/分钟的图像检测速率。2．电子连接器的制造过程电子连接器种类繁多，但制造过程是基本一致的，一般可分为下面四个阶段：·冲压(Stamping)·电镀(Plating)·注塑(Molding)·组装(Assembly)2.1冲压电子连接器的制造过程一般从冲压插针开始。通过大型高速冲压机，电子连接器（插针）由薄金属带冲压而成。大卷的金属带一端送入冲压机前端，另一端穿过冲压机液压工作台缠入卷带轮，由卷带轮拉出金属带并卷好冲压出成品。2.2电镀连接器插针冲压完成后即应送去电镀工段。在此阶段，连接器的电子接触表面将镀上各种金属涂层。与冲压阶段相似的一类问题，如插针的扭曲、碎裂或变形，也同样会在冲压好的插针送入电镀设备的过程中出现。通过本文所阐述的技术，这类质量缺陷是很容易被检测出来的。然而对于多数机器视觉系统供应商而言，电镀过程中所出现的许多质量缺陷还属于检测系统的禁区。电子连接器制造商希望检测系统能够检测到连接器插针电镀表面上各种不一致的缺陷如细小划痕和针孔。尽管这些缺陷对于其它产品（如铝制罐头底盖或其它相对平坦的表面）是很容易被识别出来的；但由于大多数电子连接器不规则和含角度的表面设计，视觉检测系统很难得到足以识别出这些细微缺陷所需的图像。由于某些类型的插针需镀上多层金属，制造商们还希望检测系统能够分辨各种金属涂层以便检验其是否到位和比例正确。这对于使用黑白摄像头的视觉系统来说是非常困难的任务，因为不同金属涂层的图像灰度级实际上相差无几。虽然彩色视觉系统的摄像头能够成功分辨这些不同的金属涂层，但由于涂层表面的不规则角度和反射影响，照明困难的问题依然存在。2.3注塑电子连接器的塑料盒座在注塑阶段制成。通常的工艺是将熔化的塑料注入金属胎膜中，然后快速冷却成形。当熔化塑料未能完全注满胎膜时出现所谓漏?quot;(ShortShots),这是注塑阶段需要检测的一种典型缺陷。另一些缺陷包括接插孔的填满或部分堵塞（这些接插孔必须保持清洁畅通以便在最后组装时与插针正确接插）。由于使用背光能很方便地识别出盒座漏缺和接插孔堵塞，所以用于注塑完成后质量检测的机器视觉系统相对简单易行2.4组装电子连接器制造的最后阶段是成品组装。将电镀好的插针与注塑盒座接插的方式有两种：单独对插或组合对插。单独对插是指每次接插一个插针；组合对插则一次将多个插针同时与盒座接插。不论采取哪种接插方式，制造商都要求在组装阶段检测所有的插针是否有缺漏和定位正确；另外一类常规性的检测任务则与连接器配合面上间距的测量有关。和冲压阶段一样，连接器的组装也对自动检测系统提出了在检测速度上的挑战。尽管大多数组装线节拍为每秒一到两件，但对于每个通过摄像头的连接器，视觉系统通常都需完成多个不同的检测项目。因而检测速度再次成为一个重要的系统性能指标。组装完成后，连接器的外形尺寸在数量级上远大于单个插针所允许的尺寸公差。这点也对视觉检测系统带来了另一个问题。例如：某些连接器盒座的尺寸超过一英尺而拥有几百个插针，每个插针位置的检测精度都必须在几千分之一英寸的尺寸范围内。显然，在一幅图像上无法完成一个一英尺长连接器的检测，视觉检测系统只能每次在一较小视野内检测有限数目的插针质量。为完成整个连接器的检测有两种方式：使用多个摄像头（使系统耗费增加）；或当连接器在一个镜头前通过时连续触发相机，视觉系统将连续摄取的单祯图像缝合起来，以判断整个连接器质量是否合格。后一种方式是PPT视觉检测系统在连接器组装完成后通常所采用的检测方法。实际位置（TruePosition）的检测是连接器组装对检测系统的另一要求。这个实际位置是指每个插针顶端到一条规定的设计基准线之间的距离。视觉检测系统必须在检测图像上作出这条假想的基准线以测量每个插针顶点的实际位置并判断其是否达到质量标准。然而用以划定此基准线的基准点在实际的连接器上经常是不可见的，或者有时出现在另外一个平面上而无法在同一镜头的同一时刻内看到。甚至在某些情况下不得不磨去连接器盒体上的塑料以确定这条基准线的位置。这里的确出现了一个与之相关的论题-可检测性设计。可检测性设计（Inspectablity）由于制造厂商对提高生产效率和产品质量并减少生产成本的不断要求，新的机器视觉系统得到越来越广泛的应用。当各种视觉系统日益普遍时，人们越来越熟悉这类检测系统的特性，并学会了在设计新产品时考虑产品质量的可检测性。例如，如果希望有一条基准线用以检测实际位置，则应在连接器设计上考虑到这条基准线的可见性。3.深入了解视觉技术-冲压件质量检测如前所述，电子连接器插针的冲压生产速度通常以每分钟上千件来计算。直到最近，检测速度一直都是自动质量检测系统难以克服的障碍。早期的机器视觉检测系统无法提供如此之高的100%的质量检测速度.3.1冲压件质量视觉检测的典型应用实例本文以下将详细阐述一个PPT视觉系统在冲压件质量检测上典型的应用实例。尽管相近的各个应用实例由于各自检测对象插针的变化而有所不同，但多数冲压质量视觉检测系统遵循基本一致的总体构造。如前所述，插针由薄金属带冲压而成。基于不同的冲压工艺，某些插针由单台冲压机一次冲压成形，而另一些插针由多台冲压机分几次冲压成形。当金属带通过冲压机时，一些插针在冲压过程中的阻滞和定位误差会导致产生扭曲或碎裂变形的冲压缺陷。因为冲压生产的速度极快，为避免整卷金属带报废及时地检测出冲压质量缺陷变得十分重要。随机的质量缺陷，如金属碎屑（在冲压过程中产生并粘附于金属带上），也必须被检测出来。如果被一直带到组装线上，这些金属碎屑将有可能导致设备卡塞或不合格的组装成品，甚至有更为糟糕的-被顾客投诉！为尽可能早地发现产品缺陷，冲压工序完成的瞬间就应该立刻进行质量检测。PPT视觉系统能够以各种方式集成安装到现有的生产线上。如果生产线上有现成的PLC（可编程逻辑控制器），它能象控制其它传感器或机械装置一样控制PPT视觉系统的运行。这些外部的PLC也并非必需的-PPT视觉系统自身就完全有与各种外部设备（触发传感器、废品剔除机械等）交流的能力。某些PPT的客户使得他们的视觉系统能够在一旦检测出问题时停止冲压机运行，以便操作人员排除故障。类似的其它方案，如控制喷涂枪给检测出缺陷的产品打上记号等，也能够通过PPT视觉系统轻易实现。背光（Backlight）是一种针对检测冲压过程中典型质量缺陷的极其有效的照明手段。背光可通过在待检目标的后方布置一束散射光源来实现-它能使待检目标与其明亮背景之间产生强烈对比而获得清晰的具有剪影效果的检测图像。这样的理想图像通常用来测量目标物的尺寸特征，如长或宽，也用来检测目标物轮廓（形状检测）。3.2冲压件视觉检测系统的物料输送和部件构成这套附加的视觉检测检测系统可以十分方便地安装到冲压机物料卷带轮系统上。冲压成形的插针送出冲压机后就能够立即被检测，再随金属带卷到卷带轮上。整套系统包括：一副可调的开口滑槽机构，用以引导载有插针的金属带通过摄像头下方，一台PPT-DS2摄像机，安装在该金属带上方；一盏频闪灯和一块漫反射树脂玻璃，安装在该金属带下方；一套光敏探测器，用以向视觉检测系统提供待测工件到位的触发信号。一台PPTPassport视觉处理系统下面的图2显示了系统的基本构造情况。(图2：典型的冲压件质量视觉检测系统的设备布局)（Take-upreel-卷带轮，Camera-摄像机，sensor-传感器，Carrierstripwithcontacts-冲压插针金属带，Stampingpress-冲压机，Guideblockandstrobelight-导引块和频闪灯）当冲压成形的插针随金属带送出冲压机后，它们经由导引块穿过视觉检测系统并通过漫反射树脂玻璃前方。对于每个插针的到来，光敏探测器都会向检测系统提供一个触发信号，接通频闪灯，拍摄图像，开始执行检测。采用频闪灯的目的是避免金属带每次都要在摄像头前停下来。在现有冲压生产线的集成上述视觉检测系统只需对冲压工段做少许改动。3.2.1局部扫描（PartialScanning）为了达到最大的图像分辨率和简化触发执行方案，每个插针的图像通常都要单独拍摄并检测，即视觉系统每次只检测一个插针而非多个。当系统以每分钟数千个插针的检测速度运行时，使用局部扫描技术和可重置摄像机就变得十分重要。PPT视觉系统使用的PPT-DS2摄像机具有双速扫描（Double-scan）模式，该模式下摄像机能够在16.7毫秒时间内获取一整幅全解析度（640x480）逐行扫描的图像-比标准的RS-170摄像机速度高两倍。然而在许多冲压件质量检测的应用实例中，这样的速度仍旧太慢，因此PPT视觉系统使用了称?quot;局部扫描的技术来进一步减少图像获取总的时间。使用局部扫描技术的摄像机只对有限数目的扫描行进行图像扫描--扫描行越少，图像获取的速度越快。扫描行数目不是固定的，可随使用者的意图改变。例如，扫描480行图像需耗时16.7毫秒，若设置摄像机使其仅仅扫描前120行则只需扫描时间4.18毫秒。因为仍然使用了水平方向上的全部分辨率，局部扫描非常适合于那些外形尺寸在一个方向上远大于另一个方向的目标物，如插针等。下面的图3给出了局部扫描技术的原理。图3：PPT-DS2摄像机扫描模式：整幅双速扫描和局部扫描。单位：Pixels-像素（左图-全解析度双速扫描模式：在16.7毫秒内获取整幅（640x480）图像）；（右图-局部扫描模式的例子：在4.8毫秒内获取部分（640x120）图像，未经扫描的图像区域保持为空白）一般情况下，冲压件质量缺陷包括插针的变形或扭曲、多余的金属粘附（金属碎屑）和外形尺寸的误差等。视觉系统可识别的一些冲压插针的典型质量缺陷如图4所示。