高速CCD在連接器自動化檢測方向的應用

，，，，

(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471993)

1　項目提出背景

1.1　項目提出現狀

某系列產品是連接器行業的重點產品，產品批量大，2016年全年需求量約90萬只。目前該系列產品的插合端尺寸采用塞棒單個進行測量，平均4S/根，該系列接觸件孔位平均在15個/件左右，測試一件產品需要60S，效率極低。在該系列產品的生產線中，檢測工序已成為瓶頸工序，直接影響整條生產線的工作效率。

由于測試人員技能水平參差不齊，手工測試的可靠性較差，測量結果的不準確性，極易出現錯檢漏檢現象，不能保證產品的一致性，且接觸式測試方法對接觸件鍍層有損傷，不能滿足用戶對產品質量的要求。用戶不認可目前裝配現場的檢測方案，并在審核中給出不合格項，產品結構及檢測方式如圖1所示。

圖1　產品結構及檢測方式

目前，該系列產品的插合端尺寸采用塞棒單個進行測量，平均4S/根，測試一件產品需要60S,測試時先用下極限塞棒插合，然后用上極限尺寸塞棒插合。例如，當檢測上圖所示信號接觸件尺寸(0.80≤尺寸≤1.05)時，先使用為下極限尺寸(直徑為0.80mm)的銷棒逐個插入接觸件檢測，要求檢測時塞棒靠自身重量落下為合格，反之則不合格。然后使用上極限尺寸(直徑為1.05mm)塞棒逐個檢測信號針裝配尺寸，要求檢測時塞棒靠自身重量不落下為合格，反之則不合格。手工逐個用銷棒進行檢測，檢測效率較低，約60S/件，工人勞動強度較大。人工用銷棒檢測尺寸，精度低，可靠性差，無法滿足客戶對產品的質量要求。此外，接觸件錯裝、漏裝情況靠人工目測，易出現漏檢現象。這種檢測方式工作效率較低，工人工作量較大，且可靠性較差，嚴重影響了生產效率，增加了工作成本。

1.2　問題解決方法的提出及預期實現目標

目前，手工銷棒檢測方法，檢測效率較低、可操作性差、檢測可靠性低、檢測精度較低，檢測方式無法滿足批量生產要求及用戶要求。由于測量尺寸多，測量精度要求高，結合生產現場實際需求和用戶要求，本次攻關采用CCD視覺系統進行尺寸檢測，用工業相機系統自動檢測接觸件間距尺寸，自動分析判斷產品合格狀態。預期實現目標如下：

1)自主開發高精度CCD拍照檢測系統，自動在線檢測接觸件間距尺寸；

2)具有接觸件錯裝、漏裝檢測功能，并能夠自動分析判定產品的合格狀態，具有自動報警功能；

3)具有數據自動記錄，需要時可將數據導出，接觸件間距尺寸測試重復精度要求為±0.02mm；

4)單件產品測試效率為不低于7.2s/件。

2　項目攻關過程

2.1　項目立項

由于目前手工銷棒檢測方法效率較低、可操作性差、檢測可靠性低、檢測精度無法滿足要求等問題，目前檢測方式無法滿足批量生產要求及用戶要求，生產現場迫切需求高效的自動化檢測設備，經制造部提出申請，我所開展自動化設備研制工作，設備主要解決以該系列產品接觸件間距自動檢測問題。

2.2　項目難點

2.2.1一次測量尺寸多，檢測效率要求高

該系列產品接觸件較多，其中具有代表性產品1有20對接觸件，需要進行20個尺寸測量，產品2有60對接觸件，需要進行60個尺寸測量，數據處理量大，所有尺寸測量要求在4.5秒內在線測試完成。

2.2.1測量精度高

該系列產品接觸件尺寸較小，部分產品尺寸要求嚴格。根據產品實際需求，要求測量系統重復精度達到±0.02mm，產品尺寸如圖2所示，常規測試方法無法滿足精度要求。

圖2　產品尺寸圖

2.2.3設備要求通用性強

該系列產品種類較多，主要產品有20余種，產品結構差別較大，接觸件形態不一。兼容所有型號產品，對于檢測設備結構設計和視覺系統要求較高。

2.3　方案設計

2.3.1總體方案設計

該接觸件間距檢測系統主要由CCD測量組件、采卡及A/D轉換模塊、工業計算機及系統、機械結構部件及電氣控制系統組成。具體方案如圖3所示。

圖3　整體方案

2.4　CCD組件測量系統

CCD測量系統主要包括：工業CCD相機、光源、工業計算機及相關附件。CCD檢測組件該檢測組件是檢測設備的核心部件，主要由工業相機、鏡頭、光源、背光源、相機調節機構、光源調節機構以及相機防護罩等幾部分組成。光源為相機抓取圖像提供條件，CCD相機及光源組件負責拍取圖像傳輸給工業計算機處理系統，工業計算機及軟件負責數據的分析處理并給出處理結果，CCD測量系統如圖4所示[1]。

圖4　CCD測量系統

CCD 是由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成的一體化的光電轉換器件，其突出特點是以電荷作為信號載體，當入射光照射到CCD光敏單元上時，光敏單元中將產生光電荷Q，Q與光子流速率Δn0、光照時間Tc、光敏單元面積A成正比，即[2]：

Q=ηqΔn0ATc

(1)

其中，η為材料的量子效率；q為電子電荷量。CCD圖像傳感器的光電轉換特性如圖5如示，其中橫坐標為照度，lx.s；縱坐標為輸出電壓，V0在非飽和區滿足：

f(s)=d1sτ+d2

(2)

式中，f(s)為輸出信號電壓(V)；s為曝光量(lx.s)；d1為直線段的斜率(V/ lx.s)，表示CCD的光響應度；τ為光電轉換系數，τ接近于1；d2為無光照時CCD 的輸出電壓，稱為暗輸出電壓。特性曲線的拐點G所對應的曝光量SE稱為飽和曝光量，所對應的輸出電壓VSAT稱為飽和輸出電壓。曝光量高于SE后，CCD輸出信號不再增加。由此可見，CCD 圖像傳感器在非飽和區的光電轉換特性接近于線性。因此，應將CCD的工作狀態控制在非飽和區。

圖5　CCD圖像傳感器的光電轉換特性

2.4　相機、光源的調整與找正

接觸件間距比較窄，普通光源無法照射至縫隙內，同時，由于接觸件有一定弧度，當光線從上方照射時，弧面位置反光不強，無法判斷接觸件邊緣，具體實驗結果如圖6所示。

圖6　光源實驗1

由于產品裝配一致性較差，接觸件裝配后高低狀態不一致，如圖測試選取中間位置的兩對相連的彈片時，只有一對彈片成像清晰，相鄰接觸件成像不清晰，上圖中紅圈位置為另一不清晰的彈片，具體實驗結果如圖7所示。

圖7　光源實驗2

經多次驗證，采取正面打平行光，反面背光補光和圖像處理的方式進行檢測，取像效果較好，能滿足測量要求，具體實驗結果如圖8所示。

圖8　光源的找正位置

光源位置找正以后，當入射光照射到CCD光敏單元上時，光敏單元中將產生光電荷，此時就將接觸件間隙圖像的模擬量轉化成數字量。數字量經過采卡以二進制形式保存到工業計算機的固態硬盤中、該產品的每個接觸件間距都會以數據庫的形式保存起來，隨后編寫通過編寫的LabVIEW軟件對數據庫進行識別、調用、分析、反饋。工業計算機快速分析、處理、計算數據能力可以大幅度提高該產品的檢測效率。

2.5　檢測設備整體機械機構設計

綜合考慮產品批量情況和設備通用性原因，測試設備設計總體機構為便攜臺式桌面型。設備外形尺寸為：長500mm*寬500mm*高450mm，設備結構緊湊生產現場移動方便快捷。設備主要機構包括：顯示器、相機及其防護組件、水平移動組件、機箱等部分，機械結構整體布局如圖9所示。

圖9　設備整體布局

水平移動機構及按鈕操作面板待測產品水平移動機構包括單軸機器人及附屬機構，主要作用是水平移動產品至檢測位置，按鈕操作面板有急停、啟動和復位操作按鈕，蜂鳴器實現不合格產品的聲光報警功能。產品測試夾具采取快換模塊，當更換不同類型產品時可實現快速切換，滿足設備通用性要求。

2.6　軟件程序設計

本次攻關測試系統產用工業計算機控制，計算機程序基于windows系統[3]，采用LABVIE編寫，單軸驅動器和CCD均由工業計算機控制。該產品接觸件間距檢測系統的開機界面和主界面如圖10、11所示。

點擊設備檢測界面的“參數設置”按鈕，進入參數設置界面如圖12所示。

圖10　檢測系統開機畫面

圖11　檢測主界面

圖12　參數設置界面

3　項目成果

3.1　實現目標

1)采用高精度CCD拍照檢測，自動測試產品接觸件間距尺寸；

2)具有接觸件錯漏檢功；

3)自動分析判定產品合格狀態，具有自動報警功能；

4)具有數據自動記錄，需要時可將數據導出；

5)測試精度達到±0.02mm。

6)單件產品測試效率為5.5s/件，測試效率提升1.91倍。

4　項目推廣意義

從本次攻關可以看出，CCD視覺檢測相對于傳統手工量具檢測具有以下優勢，并具備較強的推廣意義：

1)實現高效率在線檢測

傳統手工量具檢測，檢測效率低，尤其是單件產品大量尺寸的檢測。CCD視覺檢測識別準確、數據處理和反饋迅速，可以大幅度提高生產效率。

2)能檢測人工常規檢測無法檢測或者難以檢測的尺寸

CCD檢測為非接觸式測量檢測尺寸方式為非接觸式測量，CCD檢測系統通過拍照自動抓取尺寸邊界，對于人工難以檢測的溝槽尺寸、縫隙尺寸、深孔內尺寸、接觸件間距類尺寸可實現快速準確測量。

3)對于大批量、持續穩定生產產品，可采取視覺模式+工業機器人進行高效在線檢測

隨著自動化技術的推廣，工業機器人已逐步應用于產品生產和檢測，對于大批量穩定生產產品，可采取視覺系統和工業機器人組合的模式應用，完全取代人工操作，實現智能化生產，大幅度提升非標自動化行業生產效率。

參考文獻：

[1]史磊．基于CCD圖像分析的路基沉降測量系統的開發．山西電子技術 ,2013(3).

[2]劉征，彭小奇，丁劍.國外CCD檢測技術在工業中的應用與發展.工業儀表與自動化裝置.2005(4).

[3]謝冰,陳昌鑫,鄭賓．基于LabVIEW的數據采集與信號處理系統設計．現代電子技術，2011，34(14).