機(jī)器視覺技術(shù)在上帶機(jī)中的應(yīng)用

1 引言
上帶機(jī)是電子元器件生產(chǎn)廠家用于對(duì)成品進(jìn)行電氣測(cè)試并剔除不良品，以及極性排列，正位后自動(dòng)包裝的一種自動(dòng)化程度很高的機(jī)械。舊有的設(shè)計(jì)是不帶機(jī)器視覺功能的，其工作原理如圖1所示:

圖1 傳統(tǒng)上帶機(jī)工作原理示意圖

料盤上的產(chǎn)品壞料數(shù)量非常多，檢測(cè)儀器可靠性不高，并且由于工藝原因產(chǎn)品在料帶上會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻、背翻、和極性倒置的現(xiàn)象，因此對(duì)上帶機(jī)的工作穩(wěn)定性和效率提出了較高要求。傳統(tǒng)的不帶機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)的上帶機(jī)存在以下幾個(gè)重要弊病:
(1) 人員浪費(fèi)
上帶的前道工序?qū)ξ锪线M(jìn)行電氣測(cè)試，不良品用油漆或墨水做上標(biāo)記，并由工人在上帶工序開始之前將有標(biāo)記的物料剔除。由于料盤上存在較多壞料，需要大量的人工用肉眼將壞料取出來(lái)。
(2) 效率較低
料盤上的壞料被人工提走之后，料盤上會(huì)留下許多空位，而原來(lái)的設(shè)備在工作時(shí)電機(jī)是按固定步距前進(jìn)，會(huì)在每個(gè)空位上去拾取并不存在的物料，造成不必要的時(shí)間浪費(fèi)。
(3) 生產(chǎn)合格率低
因?yàn)槭艿饺说膫€(gè)體差異、容易疲勞及情緒等影響，料盤上壞料的提取肯定存在錯(cuò)判或漏判的現(xiàn)象。另外由于工藝等原因，機(jī)器在放料到膠帶上時(shí)還會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻、背翻、和極性倒置的現(xiàn)象。這些勢(shì)必會(huì)影響到產(chǎn)品最終的質(zhì)量。

引入機(jī)器視覺技術(shù)的上帶機(jī)采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)壞料進(jìn)行視覺識(shí)別，對(duì)合格產(chǎn)品進(jìn)行定位且實(shí)現(xiàn)靈活導(dǎo)航，對(duì)包裝后的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，有效地避免了上述種種問(wèn)題，使得生產(chǎn)穩(wěn)定性及效率得到極大的提高。增加視覺系統(tǒng)后的工作原理如圖2所示:

圖2 增加鏡頭后的上帶機(jī)工作原理示意圖

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理
采用機(jī)器視覺技術(shù)的上帶機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示:

圖3 上帶機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

上帶機(jī)控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)方式進(jìn)行，上位機(jī)采用工業(yè)PC機(jī)(IPC)，下位機(jī)采用PLC，雙方以串口方式實(shí)現(xiàn)通信。下位機(jī)為實(shí)際工作控制部分，與各物理信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的直接操作;上位機(jī)為人機(jī)界面及視覺檢測(cè)部分，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，圖像定位、分析及導(dǎo)航。
上帶機(jī)主要的工作分2個(gè)工序完成。

(1) 第一道工序?yàn)閽呙韫ば?SPAN lang=EN-US>
掃描工序由工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC、CCD攝像頭、圖像采集卡和光源、鏡頭等組成的基于PC的機(jī)器視覺子系統(tǒng)，對(duì)料盤(Wafer)上的產(chǎn)品進(jìn)行拍照，然后由視覺分析軟件對(duì)采集到的圖像(Image)進(jìn)行模式匹配，輸出相機(jī)視野內(nèi)所有實(shí)例(Instance)產(chǎn)品的位置信息，如X、Y坐標(biāo)，產(chǎn)品合格信息等等。由視覺系統(tǒng)完成晶片的定位分析后，程序記錄下所有合格產(chǎn)品所在的坐標(biāo)位置。

(2) 第二道工序進(jìn)行產(chǎn)品的拾取和料帶產(chǎn)品的檢測(cè)
根據(jù)第一道工序得出的合格產(chǎn)品位置信息，求出下一個(gè)產(chǎn)品的坐標(biāo)值，并將該產(chǎn)品的坐標(biāo)換算成XY平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)，由串口發(fā)送到下位機(jī)，PLC程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)走到相應(yīng)的位置，然后啟動(dòng)搖桿拾取產(chǎn)品，產(chǎn)品拾取成功后，下位機(jī)通知IPC開始檢測(cè)料帶產(chǎn)品，此時(shí)IPC開始對(duì)料帶產(chǎn)品進(jìn)行拍照、定位并且分析，如果產(chǎn)品不合格則立即彈出對(duì)話框提示用戶對(duì)料帶上產(chǎn)品進(jìn)行糾正。

因?yàn)橄到y(tǒng)在拾取產(chǎn)品時(shí)必須同時(shí)檢測(cè)料帶上的元件狀態(tài)，如果同時(shí)還要檢測(cè)料盤產(chǎn)品，時(shí)間勢(shì)必會(huì)增長(zhǎng)，從而影響到取料桿的取料速度，采用離線提前對(duì)料盤產(chǎn)品掃描的方式解決了此問(wèn)題，它通過(guò)掃描分析事先記錄下所有合格產(chǎn)品坐標(biāo)位置，在拾取產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)則無(wú)需再對(duì)料盤產(chǎn)品進(jìn)行取圖和分析，大大節(jié)省了時(shí)間以便進(jìn)行料帶產(chǎn)品的定位和分析。

取料桿在工作過(guò)程中可能要做四步工作，(如圖1用數(shù)字符號(hào)標(biāo)明的1,2,3,4所示)首先到料盤上取料，接著將產(chǎn)品放到電氣檢測(cè)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，第三步棄料工作則只在產(chǎn)品不合格時(shí)進(jìn)行，最后將合格產(chǎn)品放置到料帶上。

3 IPC軟件系統(tǒng)分析
(1) 功能需求
IPC進(jìn)行視覺定位，導(dǎo)航及檢測(cè)控制，在該控制系統(tǒng)中被稱為上位機(jī)。IPC軟件要求實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的采集、定位、黑點(diǎn)(Ink Die)分析，對(duì)產(chǎn)品的導(dǎo)航，與下位機(jī)的通信，生產(chǎn)情況記錄等功能。圖像處理及導(dǎo)航時(shí)間必須控制在100ms以內(nèi)。生產(chǎn)情況記錄必須每天以不同文件采用數(shù)據(jù)庫(kù)形式保存。

圖像檢測(cè)分為兩部分，第一部分實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上墨點(diǎn)(Ink)的檢測(cè)，剔除有墨點(diǎn)元件;第二部分實(shí)現(xiàn)料帶上元件檢測(cè)，判斷產(chǎn)品的有無(wú)或產(chǎn)品姿態(tài)是否合格。
(2) 軟件主框圖
掃描工序軟件框圖如圖4所示，拾取產(chǎn)品及產(chǎn)品檢測(cè)軟件框圖如圖5所示:

圖4 掃描工序軟件框圖


圖5 拾取產(chǎn)品及產(chǎn)品檢測(cè)軟件框圖

(3) 實(shí)現(xiàn)方案
視覺定位部分是在HexSight視覺軟件包的基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開發(fā)，導(dǎo)航部分采用Visual C＋＋進(jìn)行編程。 HexSight軟件包是Adept公司出品的一款高性能的機(jī)器視覺開發(fā)包，其定位精度高，一次識(shí)別只需不到30ms，支持VB，VC＋＋等流行編程軟件，容易進(jìn)行二次開發(fā)。

光源采用的是新加坡東冠科技生產(chǎn)的RIN－70－3R－30。鏡頭采用視覺龍公司的VD07－140定倍鏡頭。視頻卡則使用的是Matrox的Meteor2，其可接12路視頻信號(hào)，兩路數(shù)字輸入和數(shù)字輸出，分辨率達(dá)768*576。由于該卡程序已經(jīng)由Hexsight軟件綁定，所以無(wú)需編程即可實(shí)現(xiàn)兩者的連接。
(4) 子模塊介紹
·圖像采集
圖像采集模塊通過(guò)Hexsight里面提供的的HSA cquisitionDevice控件實(shí)現(xiàn)，它實(shí)現(xiàn)采集卡的軟件接口，圖像的捕獲，鏡頭參數(shù)的調(diào)校及補(bǔ)償?shù)戎T多功能，是第一道工序，也是必做的工序。其部分界面如圖6所示:

圖6 圖像采集界面圖

·產(chǎn)品定位
通過(guò)Hexsight的HSLocator實(shí)現(xiàn)，它主要提供圖像引入，模板制作及匹配參數(shù)設(shè)定等功能，其部分界面如圖7所示:

圖7 產(chǎn)品定位界面

·產(chǎn)品合格分析，即Ink 產(chǎn)品的查找
通過(guò)Hexsight里的HSBlobAnalyzer實(shí)現(xiàn)，其主要對(duì)圖像中的斑點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置及計(jì)算，部分界面如圖8所示:

圖8 Ink 產(chǎn)品的查找界面

·導(dǎo)航
導(dǎo)航方法為自行設(shè)計(jì)的拾取產(chǎn)品時(shí)的移位規(guī)則。大致原理:在第一道掃描工序完便記錄下所有合格產(chǎn)品的位置，進(jìn)入第二道工序后系統(tǒng)對(duì)合格產(chǎn)品位置進(jìn)行分析，走位依照從下到上，從左到右(換行后從右到左)的順序，一般只走到合格產(chǎn)品位置，如果相鄰的合格產(chǎn)品間距超過(guò)5個(gè)，系統(tǒng)為防止電機(jī)步距過(guò)大，會(huì)將超過(guò)5個(gè)的步長(zhǎng)按照一定算法分為N個(gè)短步來(lái)走，這樣取料桿勢(shì)必會(huì)在壞料或空位上停留一次，但上位機(jī)在此之前會(huì)發(fā)送指令指示該位置為空或壞料，所以PLC此時(shí)不會(huì)啟動(dòng)料桿前端的吸嘴吸取產(chǎn)品。系統(tǒng)拾取完成一行最后一個(gè)合格產(chǎn)品時(shí)會(huì)換行并改變電機(jī)X軸的前進(jìn)方向，直到全部產(chǎn)品拾取完畢。
·通信模塊
上下位機(jī)間的通信主要為Rs-232串行通信方式。產(chǎn)品偏移值、產(chǎn)品合格信號(hào)及電機(jī)到位信號(hào)都以串行通信方式實(shí)現(xiàn)。

4 應(yīng)用狀況及測(cè)試結(jié)果分析
(1) 程序主界面圖
上位機(jī)應(yīng)用程序采用VC++6.0實(shí)現(xiàn)，主界面如圖9所示:

圖9 上位機(jī)程序主界面

(2) 效果
·該程序界面簡(jiǎn)潔友好，使用方便，功能較為齊全。分為普通用戶級(jí)和高級(jí)用戶級(jí)兩種參數(shù)設(shè)置模式;
·部分設(shè)置采用密碼限制，保護(hù)程序的使用安全;
·程序采用模擬圖方式實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)品合格情況及系統(tǒng)拾取產(chǎn)品狀態(tài);
·每天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)以數(shù)據(jù)庫(kù)形式保存，方便查看和統(tǒng)計(jì)。
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用測(cè)試，統(tǒng)計(jì)得出性能如附表。
該系統(tǒng)能快速定位并識(shí)別合格與不合格產(chǎn)品，各項(xiàng)性能指標(biāo)都可以滿足甚至超出生產(chǎn)的預(yù)期要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)采用了以機(jī)器視覺系統(tǒng)IPC為上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制及過(guò)程控制PLC為下位機(jī)的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，視覺系統(tǒng)PC提供定位信息，PLC控制運(yùn)動(dòng)及生產(chǎn)過(guò)程，兩者通過(guò)RS－232串口通訊傳遞運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)檢測(cè)/控制信號(hào)。集成的系統(tǒng)有效地克服了原有系統(tǒng)的種種問(wèn)題，使得生產(chǎn)精度，穩(wěn)定性及效率得到了極大的提高。該上帶機(jī)已批量生產(chǎn)，投產(chǎn)后性能一直十分穩(wěn)定。
文中介紹用先進(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù)改造傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備，將PC式視覺系統(tǒng)引入原來(lái)由PLC控制的機(jī)構(gòu)，使之發(fā)揮更大的效能，具有一定的代表性。

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