一種基于視覺檢測與定位的實訓系統設計

周禮緣,郭 瓊*,陳 勇,姚曉寧

(1.無錫職業技術學院,江蘇 無錫 214121;2.蘇州富納艾爾科技有限公司,江蘇 蘇州 215009)

0 引言

給機器安裝視覺如同讓機器長了“眼睛”,具備了“觀察”事物的能力,可以更好地對事物做出判斷和處理,實現“智能”工作。機器視覺系統借助光學裝置和非接觸的傳感器獲得被檢測物體的特征圖像,并通過視覺軟件從圖像中提取信息,進行分析處理,進而實現檢測和控制,可以有效解決以往需要人眼進行的工件識別、定位、測量、檢測等重復性勞動,具有實時性好、定位精度與智能化程度高等優點,逐漸成為實現工業自動化和智能化的核心技術[1-3]。

印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)是電子產品不可或缺的組成部分,其性能好壞直接決定了電子產品質量,因此對PCB板進行質量檢測非常重要。本文設計了一種基于PCB板的視覺檢測與定位實訓系統,項目源于生產實踐,并結合“1+X”第四批職業技能證書《工業視覺系統運維》標準,對實際項目做了知識點梳理和任務設計,實現了對PCB板的高精度測量、檢測和定位功能。經過不斷試驗、調整和優化,系統運行穩定,已用做《工業視覺系統運維》職業技能培訓。

1 系統設計

1.1 系統方案設計

PCB板缺陷檢測是電子行業中非常關鍵的技術。電路板元件的大部分貼裝缺陷,可以從貼裝后元件的幾何特征上體現出來。因此,元件的幾何特征提取是進行檢測的一種重要手段。系統設計時選取了部分PCB板的檢測內容,包括正面關鍵尺寸檢測、背面字符及條碼的識別及比對,設定的工作流程如圖1所示。

圖1 系統檢測和定位的工作流程

根據工作流程,將系統設備劃分為圖像采集、工控機及機械手3個部分,如圖2所示。

圖2 系統結構

圖像采集設備用于采集PCB板圖像,對PCB板正反面進行質量檢測。在合適的光源作用下,相機與圖像采集卡完成圖像數據的實時采集與讀取。其中,上相機用于PCB板正面質量檢測與定位;下相機用于PCB板反面質量檢測與定位。視覺系統的開發環境選用VisionPro視覺軟件。它是一套基于PC架構的視覺系統軟件開發包,集成了用于定位、檢測、識別和通信等任務的工具庫,可用C#、VB和VC等語言進行二次開發,兼容多種圖像采集卡,適用于多種相機設備。

工控機是整個系統的核心控制部分,主要承擔與相機、光源和PLC的通信以及圖像處理與分析工作。工業相機通過GIGE千兆網接口與工控機連接,將采集的圖像數據傳輸給計算機處理。PLC與工控機采用以太網通信,接受工控機發出的控制信號及位置坐標等參數。

機械手系統包括PLC、執行機構及人機界面,由匯川PLC、直角坐標機械手、伺服驅動器及伺服電機等部件組成。PLC接受計算機發出的控制命令,通過控制伺服電機,驅動直角坐標機械手執行相應動作。人機界面用于設置和顯示機械手運動坐標、系統手/自動模式切換操作等。

1.2 系統硬件實現

系統硬件結構設計如圖3所示。PCB板放置在治具的待檢測區,上相機與光源安裝在機械手的Z軸上,隨著Z軸上、下移動,可動態調整相機與PCB板的高度,以獲取高質量的PCB板圖像。安裝于Z軸上的真空吸嘴用于吸取PCB板并移動PCB板到下相機工作位置。下光源安裝在操作臺面、下相機安裝在下光源下部,可手動調節相機工作距離、焦距、光圈等參數。

圖3 檢測系統硬件結構

監控系統包括顯示測量結果的PC機監控界面和HMI操作界面,HMI操作界面布局如圖4所示。

圖4 HMI操作界面

2 光源選擇與應用分析

2.1 光源選擇

光源及其產生的照明效果對視覺判斷會產生極大的影響,是決定成像質量的重要因素。常用的光源主要有鹵素燈、熒光燈、LED燈、氙燈等類型,形狀有環形、條形、平面、同軸光源等,顏色有白色、紅色、藍色等。影響照明效果的因素復雜多變,目前沒有普適的機器視覺照明方案,往往需要針對具體的應用環境,并考慮待檢測目標與背景的光反射與傳輸特性區別、距離等因素來選擇合適的照明方案,以達到目標特征與背景的最佳分割效果和顯示效果,提高系統的可靠性[4-7]。

由于LED光源具有發光效率高、響應速度快、發光穩定、壽命長、易于組成不同形狀、成本低等優點,越來越被重視,成為機器視覺的首選光源。本系統上、下相機光源均選用白色LED光源;為了達到PCB板表面光照基本均勻,增大測量區域與背景區域對比度,保證圖像的穩定性和圖像處理的成像效果,需要選擇合適的LED照明形狀。

2.2 上光源設計及應用

上相機主要用于印刷電路版的尺寸測量及劃傷檢測。由于PCB板上集成了許多不同的小芯片,表面反光且平整不一,經過分析與現場實驗,上相機檢測的光源采用同軸光源,以消除PCB板表面不平整引起的反光及陰影,打光效果如圖5所示。

圖5 PCB板打光效果

同軸光源工作原理如圖6所示。高密度LED光源通過45°半透半反分光鏡,一部分光經鏡面反射到下面的物體上,然后從物體反射上來的光又通過半透半反鏡面將一部分光照射到攝像頭用于成像。成像的光源與相機、鏡頭在同一軸上,可以有效消除物體表面的反光和避免圖像中產生攝像頭的倒影。

圖6 同軸光源結構及工作原理

同軸光源適用于反射度較高的金屬表面及玻璃的取相,能夠清晰地反映出凹凸物體的表面圖像,常被用于印刷電路板的網絡、硅晶片的表面劃傷等檢測。

2.3 下光源設計及應用

下相機主要用于對PCB板背面的字符、二維碼檢測,并對PCB板精確定位,以便PCB板能精準進入待流轉區的指定位置。本系統采用的PCB板圖形為白底黑字,比較容易識別,選用一般的環形光源就可以達到檢測要求,PCB板背面打光效果如圖7所示。

圖7 打光效果

環形光源可提供不同的照射角度、突出被測PCB板的三維信息、消除對角照射的陰影,保證PCB板背面圖形的成像質量。

3 圖像檢測要點

3.1 相機標定

相機標定從相機獲取的圖像信息出發,計算三維空間中物體的幾何信息,由此重建和識別物體。VisionPro軟件提供了CogCalibCheckerboardTool(標定板標定)和CogCailbNPointToNPointTool(N點標定)兩種標定工具。標定板標定是基于標定板來建立像素坐標和實際坐標之間的2 D轉換關系;N點標定是利用像素坐標與物理空間的幾何測量坐標間的對應關系來校正拍攝圖片與實際物理空間的對應關系。在本系統中,尺寸測量工具采用標定板標定,機械手位置坐標采用N點標定法標定。

3.1.1 棋盤格標定

上相機標定板采用棋盤格,通過將校準板的圖像和以實際物理單位表示的校準板上柵格點的間距提供給標定工具,來計算物理坐標和圖像坐標之間的最佳擬合二維變換。相機的標定板標定方法克服了傳統標定法需要的高精度標定物缺點,既能保證測量精度又易于實現。標定界面如圖8所示,運行該工具可實現空間坐標的校正。

圖8 棋盤標定界面

3.1.2 N點標定

機械手位置坐標的確定,采用N點標定法;N點標定法,可以保證標定的坐標系和機械軸系坐標一致;用兩組點集來校正圖像,一組點集為像素坐標點,另一組點集是像素坐標點對應的物理坐標點。使用該工具時,選取的特征點應盡可能分散,通過對兩組點集的計算獲得最佳的2 D轉換,工具運行后,將此2 D轉換添加到輸入圖像的坐標空間中,并輸出校正后的圖像。

在滿足工作需求的前提下,本研究選擇了5個移動的點生成二維空間與相機像素之間的轉換關系。標定時在相機視野內移動機械手并拍攝照片,記錄移動的每個位置的空間坐標和像素坐標,記錄界面如圖9所示。

圖9 N點標定法

3.2 測量基準線的確定

在檢測PCB板時,以訓練的PCB模板為基準,判斷被測PCB板是否與訓練模型相匹配。如果不匹配則輸出未識別信息,系統自動進入下一個PCB板的掃描拍攝和識別。如果匹配,則圖像處理并輸出計算結果。

上相機測量時,先在每一個指定的測量位置上利用CogFindLineTool(找線)工具盡可能準確地找到對應的線段,以此線段為基準線,測量被測線段上的每一個有效點到基準線的垂直距離,再求平均值,以確保測量精度。

本系統是在印刷版上找3條線段的位置(如圖10所示的元件A、B、C3個邊),并根據3條線段生成的有效點數擬合成直線(CogFitLineTool工具)作為基準線,這樣處理可以有效剔除由于定位偏差等因素造成的測量偏差。

圖10 欲擬合的線段及擬合的基準線

3.3 下相機的兩次定位

當上相機測量完成后,通過安裝在機械手上的吸嘴,將PCB板吸取并移動至下相機拍照位置,下相機進行定位和字符識別等處理。在這個移動過程中,機械手移動、PCB板晃動等因素會帶來新的誤差,為了確保PCB板能準確定位并搬移到待流轉區的指定位置,需要通過兩次定位,分別計算PCB板的角度和位置偏差,如圖11所示。

圖11 下相機兩次定位

當機械手將PCB板移動至下相機取相位時,工控機獲取PCB板的當前角度,進行角度偏移(angdown)計算,并將其轉換為角度脈沖數,然后將轉換結果傳給PLC,由PLC驅動機械手將PCB板旋轉一個angdown角度,完成角度補償。

當PCB板角度轉正后,下相機再次拍照進行第二次取相,工控機根據PCB板當前的位置坐標(curX,curY),結合示教時的基準位置(staX,staY)和相對于擺放位置的偏移位置(deltaX,deltaY),對PCB板X、Y軸的實際移動量進行計算和脈沖數換算,并將計算結果傳給PLC,從而驅動機械手將PCB板搬移到待流轉區的指定擺放位置。

對PCB板位置的兩次偏移計算與處理,使PLC獲得精準的機械手運動坐標,能確保PCB板經過兩次移動后仍然準確進入待流轉區的指定位置。

4 系統功能實現

系統自動運行時,PCB板的檢測值、系統運行狀態等參數可通過PC機界面實時顯示,如圖12所示。檢測界面包括檢測的圖像、檢測數據和判定結果,以及系統實時運行時的偏移計算數據顯示。

圖12 PCB板質量檢測監視畫面

為滿足系統實訓的針對性,對系統的應用開發做了簡化處理。按照功能將系統劃分為視覺檢測和機械手搬運兩部分,并將機械手知識封裝,使用時可不涉及機械手具體知識,只需通過人機界面實現對機械手的參數設定和運行操作,從而進一步突出工業視覺應用、提高學員學習興趣。如圖13所示,依托HMI界面的可視化指引,可對機械手系統實現手/自動、運動機構參數設置等操作,以配合視覺檢測功能塊實現PCB板檢測、定位、數據處理等功能,獲得有關視覺的必修知識。

圖13 機械手運動機構操作和參數設置

5 結語

本文設計了一種基于視覺檢測與定位的實訓系統。該系統可兼容不同用途的治具,豐富視覺應用場景,例如:將PCB板治具更換成書簽治具,可設計實現書簽的識別和劃痕檢測功能;更換成元器件組裝治具,可實現元器件的精確組裝功能等;可根據專業需求將功能封裝的機械手系統作為研究和學習的載體,進一步設計和開展運動控制、PLC應用、人機界面開發等訓練項目。

本設計的實訓系統內容先進、應用靈活,可針對工業視覺培訓需求,將機械手功能塊進行封裝,既能聚焦工業視覺知識學習,又可為工業視覺應用提供多場景應用載體,對高校開發實驗實訓設備及提高實踐教學效果具有一定的借鑒意義。