手機接口電路板組件計算機視頻測試系統(tǒng)的開發(fā)

應用方案：采用NI 公司的功能強大圖像處理軟件包IMAQVision 和高性能的圖像采集卡，并選配合適的光源、攝像機、鏡頭和XY 平移臺， 用LabVIEW 開發(fā)能滿足實際生產(chǎn)需要的工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)。

介紹：由于手機的設計越來越精巧，手機接口電路板組件生產(chǎn)對裝配精度的標準也不斷提高。如果用人工方式檢驗裝配質(zhì)量就需要多臺價格不菲的測量投影儀，而且檢測速度仍然無法滿足較大規(guī)模生產(chǎn)的要求。利用NI 公司先進的計算機視覺技術開發(fā)的視覺檢測系統(tǒng)能對接口電路板組件中多個連結(jié)器的相對位置及其內(nèi)部零件尺寸等參數(shù)進行自動檢測，并具有測量準確、快速、擴展性強和性價比高等特點。該系統(tǒng)已應用于某世界著名品牌手機接口部件的生產(chǎn)線上。
系統(tǒng)的組成
本系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，系統(tǒng)采用了光強穩(wěn)定的高頻熒光燈和焦距為55mm 的遠心鏡頭（ telecentriclens），這種鏡頭的畸變特別小。此外，系統(tǒng)配置了JVC公司的TK-S350 型黑白攝像機（ 753?582 ） 和NI 公司的PCI-1409 黑白和彩色圖像采集卡。PC采用工業(yè)計算機（PIII/850），XY 電控平移臺的重復定位精度為3mm，行程為200′200mm，最高速度為40mm/S。

檢測方法
檢測系統(tǒng)的任務是對手機接口電路板組件(以下簡稱接口組件)中的3 個連接器的特定位置的幾何尺寸進行測量，其中包括連接器與印刷電路板（PCB）底板的相對位置，連接器之間的間距，以及連接器內(nèi)部零件的尺寸和間距等共24 個參數(shù)，檢驗連接器裝配精度是否符合標準和內(nèi)部零件（如觸點簧片）是否被碰歪等質(zhì)量問題。系統(tǒng)檢測的手機接口組件尺寸比較小，大約是28′10mm。接口組件是以30 個（10 行′3 列）為一組組裝在一塊PCB上，檢測之后才把它們分割開來。實際上，在一個測試周期內(nèi)要完成兩塊PCB 上總共60 個接口組件的自動連續(xù)檢測，其中一塊PCB測正面，而另一塊PCB測反面。為了能達到足夠的測量精度，一個接口組件分左、右兩次拍攝，拍攝時電控平移臺要暫停，以保證拍攝圖像清晰。檢測系統(tǒng)應用程序主要是利用邊緣檢測的方法測出檢測點的坐標值，然后對相關的坐標值進行簡單運算便可得到測量的結(jié)果，其中的關鍵是要能準確找到檢測點。
系統(tǒng)主要功能 
（1） 一個測試周期內(nèi)自動連續(xù)檢測60 個接口組件（以單面檢測計）；
（2） 系統(tǒng)自動標定；
（3） 可調(diào)節(jié)每組檢測線的起始位置和畫線方向；
（4） 可調(diào)節(jié)每個檢測位置的對比度閥值；
（5） 可調(diào)節(jié)一組檢測線的測線數(shù)量和線間距離，并能利用數(shù)字濾波技術減少測量誤差；
（6） 以直觀的LED矩陣方式顯示一個測試周期的結(jié)果，使合格品和不合格品一目了然；
（7） 測量誤差自動修正；
（8） 檢測結(jié)果進行累積統(tǒng)計，測量數(shù)據(jù)生成記錄文件。
本系統(tǒng)的主界面如圖 2 所示，

系統(tǒng)主要技術指標
（1）檢測范圍：200′200mm；
（2）單次檢測的面積：12′10mm；
（3）系統(tǒng)測量分辨率：5mm；
（4）系統(tǒng)測量誤差：小于25mm；
（5）檢測速度：①單幅圖像處理時間為200ms，②一塊PCB板的檢測時間為1 分鐘。由于電控平移臺的
速度不太高，檢測時間實際上大部份消耗在平移臺的走位和為拍攝圖像的暫停上，圖像處理基本上是在電控平移臺走位的過程中完成。
光源的配置
由 于 接 口組件的結(jié)構(gòu)較復雜，使得光源的配置比較困難。為了使檢測部分的特征從復雜背景中凸顯出來，采過很多種方案進行反復的試驗，包括自制LED光源；而最終的方案是在三個不同的位置上分別設置光源：①正面光源，在PCB 上方設置環(huán)形光管，為接口組件的檢測位置提供適度的正面照明；②背面光源，用于透射PCB，加強PCB 與連接器之間的對比度，為了讓光照均勻，加設了乳白色的散射塑料薄板；③側(cè)面光源，垂直照射在連接器的一組金屬觸點簧片（與水平面成30 度夾角）上，使之反光，并與周圍背景形成明顯的反差（見圖1）。光源的穩(wěn)定性對圖像的質(zhì)量也有影響，系統(tǒng)采用的是光強相當穩(wěn)定的高頻熒光燈。此外，還加設了遮蔽罩，以減少環(huán)境光變化所造成的影響。
系統(tǒng)的標定
圖像處理通常是以象素為單位進行計量的，為了將象素為單位的測量結(jié)果與標準尺寸（公制單位）作比較，同時也為了方便用戶查閱數(shù)據(jù)，需將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成以毫米為單位的實際長度，也就是做標定工作。在安裝接口組件PCB的夾具

上安置了一個 10mm 長的精密標準量塊，當用戶在系統(tǒng)主界面上按下“標定”按鈕，電控平移臺將標準量塊移到攝像機正下方，系統(tǒng)采集標準量塊的圖像，然后用邊緣檢測的方法測量出它的長度（象素值），并計算出本系統(tǒng)中一個象素對應多少毫米的比例關系，以后的所有的測量結(jié)果都根據(jù)這個比例進行換算。
檢測位置的定位一個檢測周期實際上要進行120 次檢測，而每一次檢測后PCB都得移位，為避免電控平移臺多次移位的位置累積誤差影響測量的準確性，每一次檢測時首先要確定本次測量的基準參考位置。具體做法是，先用定位檢測線測出該接口組件PCB的兩條相互垂直的板邊的坐標值，并以此作為本次檢測的參考坐標，然后根據(jù)各檢測位置的相對坐標位置準確地設置檢測線。檢測線是成組地設置的，測出一組檢測點坐標值后再用數(shù)字濾波方法減少異常測量值對測量結(jié)果的影響。圖 4 標識出2 組定位線和2 組測量線，圖中還有另外6 組測量線。
邊緣檢測參數(shù)的設定
雖然采用三個光源后拍攝的圖像總體質(zhì)量比較高，但正如圖4 所示，由于檢測對象結(jié)構(gòu)復雜，各檢測點及其附近區(qū)域的成像情況還是比較復雜。加上同一批接口組件中往往會有一點個體差異，而不同批次的接口組件之間還可能有材質(zhì)差異，這些差異均可能會影響邊緣檢測的準確性。為此，要合理地設置各種與邊緣檢測相關的參數(shù)，例如定位和測量檢測線位置，檢測線的起停位置和走向，邊緣檢測的對比度和濾波器寬度，以及單邊緣檢測的處理模式和雙邊緣檢測的極性等參數(shù)等等，其中任何一項參數(shù)設置不當都有可能造成較大的測量誤差。檢測系統(tǒng)應用軟件中編制了4個自行設計的檢測子程序，供測量不同特點的檢測位置時調(diào)用，這些子程序主要是在IMAQ Vision 中的Edge Tool 和Edge Caliper 函數(shù)基礎上進一步開發(fā)的。如果出現(xiàn)接口組件材質(zhì)有較大改變的情況，用戶可以通過系統(tǒng)主界面修改上述定位和測量檢測線位置等參數(shù)，讓系統(tǒng)能適應檢測對象的變化。本系統(tǒng)利用了Edge Tool和Edge Caliper 函數(shù)的亞象素精度的功能，使檢測的分辨率提高到四分之一個象素，從而提高了系統(tǒng)的性能指標。
系統(tǒng)的誤差修正
本系統(tǒng)的測量精度要求較高，因此必須消除或減小各種因素做成的誤差。本系統(tǒng)引起測量誤差的因素主要有以下二種：（1）物距不同引起的測量誤差。由于檢測對象是三維立體結(jié)構(gòu)，檢測點有高有低；在計算兩個檢測點的間距時，如果它們的物距不相等的話就會引起測量誤差。在本項目中檢測點的最大物距之差為5.7mm，這足以造成較大的誤差。為此，系統(tǒng)應用軟件中專門設計有消除這種誤差的子程序。（2）景深不足引起的誤差。由于鏡頭的焦距較長，其景深不足以令所有檢測位置均能非常清晰地成像，圖像不夠清晰的檢測點的測量準確性必然受影響。在系統(tǒng)的統(tǒng)調(diào)階段，將本系統(tǒng)測量結(jié)果和用高精度測量投影儀測量的結(jié)果進行統(tǒng)計對比，計算出每一個測量數(shù)據(jù)的誤差修正值。經(jīng)過很多次的對比和修正，系統(tǒng)測量的精度完全達到實際生產(chǎn)的要求。這種修正方法同時減小了其他因素引起的線性誤差。
結(jié)論
本系統(tǒng)的開發(fā)過程和實際應用情況表明，利用計算機視覺技術可解決手機接口組件零部件的裝配精度等質(zhì)量檢驗問題。和人工檢驗的方法相比，本系統(tǒng)大大提高了質(zhì)量檢驗工作的效率，同時能有效地保證產(chǎn)品的質(zhì)量和降低質(zhì)量檢驗的成本。利用NI 的LabVIEW、IMAQVision 和圖像采集卡研制視覺檢測系統(tǒng)可明顯縮短開發(fā)周期，是通向計算機視覺檢測應用領域的一條捷徑。基于虛擬儀器技術的視覺檢測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、成本低和功能擴展容易等優(yōu)點。因此，這種先進的計算機視覺應用系統(tǒng)開發(fā)技術很值得推廣。