1、手機(jī)接口電路板組件計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)的開發(fā)廣州市暨南大學(xué)電子工程系(510632)  王思華 呂 軍 摘要：本文介紹了用于手機(jī)接口電路板組件質(zhì)量檢測的計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和開發(fā)技術(shù)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對接口電路板組件上多個(gè)連結(jié)器裝配精度的自動檢測。本文還討論了視覺檢測系統(tǒng)的光源、鏡頭和攝像頭的選型和配置方法。關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù) 視覺檢測系統(tǒng) 印刷電路板組件 邊緣檢測1 引言    由于手機(jī)的設(shè)計(jì)越來越精巧，手機(jī)接口電路板組件生產(chǎn)對裝配精度的標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高。如果用人工方式檢驗(yàn)裝配質(zhì)量就需要多臺

2、價(jià)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(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)開發(fā)的視覺檢測系統(tǒng)能對接口電路板組件中多個(gè)連結(jié)器的相對位置及其內(nèi)部零件尺寸等參數(shù)進(jìn)行自動檢測，并具有測量準(zhǔn)確、快速、擴(kuò)展性強(qiáng)和性價(jià)比高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于某世界著名品牌手機(jī)接口部件的生產(chǎn)線上。2 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(qiáng)穩(wěn)定的高頻熒光燈和焦距為55mm的遠(yuǎn)心鏡頭（telecentric lens），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(jī)（753582）和NI公司的PCI-1409黑白和彩色

3、圖像采集卡。PC采用工業(yè)計(jì)算機(jī)（PIII/850），XY電控平移臺的重復(fù)定位精度為3mm，行程為200´200mm，最高速度為40mm/S。                                      &#

4、160;           圖1  系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖3 檢測方法    檢測系統(tǒng)的任務(wù)是對手機(jī)接口電路板組件(以下簡稱接口組件)中的3個(gè)連接器的特定位置的幾何尺寸進(jìn)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(gè)參數(shù)，檢驗(yàn)連接器裝配精度是否符合標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)部零件（如觸點(diǎn)簧片）是否被碰歪等質(zhì)量問題。    系統(tǒng)檢測的手機(jī)接口組件尺寸比較小，大約是28´

5、10mm。接口組件是以30個(gè)（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(shí)際上，在一個(gè)測試周期內(nèi)要完成兩塊PCB上總共60個(gè)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(dá)到足夠的測量精度，一個(gè)接口組件分左、右兩次拍攝，拍攝時(shí)電控平移臺要暫停，以保證拍攝圖像清晰。檢測系統(tǒng)應(yīng)用程序主要是利用邊緣檢測的方法測出檢測點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后對相關(guān)的坐標(biāo)值進(jìn)行簡單運(yùn)算便可得到測量的結(jié)果，其中的關(guān)鍵是要能準(zhǔn)確找到檢測點(diǎn)。4 系統(tǒng)主要功能和技術(shù)指標(biāo)4.1 系統(tǒng)主要功能   （1） 一個(gè)測試周期內(nèi)自動連續(xù)檢測60個(gè)接口組件（

6、以單面檢測計(jì)）；   （2） 系統(tǒng)自動標(biāo)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(gè)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(shù)減少測量誤差；   （6） 以直觀的LED矩陣方式顯示一個(gè)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(jìn)行累積統(tǒng)計(jì)，測量數(shù)

7、據(jù)生成記錄文件。本系統(tǒng)的主界面如圖2所示，圖3則是該系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場的照片。             圖2  視覺檢測系統(tǒng)的主界面    圖  在生產(chǎn)現(xiàn)場的視覺檢測系統(tǒng)照片4.2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)   （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

8、統(tǒng)測量誤差：小于25mm；   （5）檢測速度：單幅圖像處理時(shí)間為200ms，一塊PCB板的檢測時(shí)間為1分鐘。由于電控平移臺的速度不太高，檢測時(shí)間實(shí)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。5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 光源的配置    由于接口組件的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使得光源的配置比較困難。為了使檢測部分的特征從復(fù)雜背景中凸顯出來，采取過很多種方案進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)，包括自制LED光源；而最終的方案是在三個(gè)不同的位置上分別設(shè)置光源：正面光源，在PCB上方設(shè)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；背

9、面光源，用于透射PCB，加強(qiáng)PCB與連接器之間的對比度，為了讓光照均勻，加設(shè)了乳白色的散射塑料薄板；側(cè)面光源，垂直照射在連接器的一組金屬觸點(diǎn)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(qiáng)相當(dāng)穩(wěn)定的高頻熒光燈。此外，還加設(shè)了遮蔽罩，以減少環(huán)境光變化所造成的影響。5.2 系統(tǒng)的標(biāo)定    圖像處理通常是以象素為單位進(jìn)行計(jì)量的，為了將象素為單位的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)尺寸（公制單位）作比較，同時(shí)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(shí)際長度，也就是做標(biāo)定工作。在安裝接口組件PC

10、B的夾具上安置了一個(gè)10mm長的精密標(biāo)準(zhǔn)量塊，當(dāng)用戶在系統(tǒng)主界面上按下“標(biāo)定”按鈕，電控平移臺將標(biāo)準(zhǔn)量塊移到攝像機(jī)正下方，系統(tǒng)采集標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算出本系統(tǒng)中一個(gè)象素對應(yīng)多少毫米的比例關(guān)系，以后的所有的測量結(jié)果都根據(jù)這個(gè)比例進(jìn)行換算。5.3 檢測位置的定位    一個(gè)檢測周期實(shí)際上要進(jìn)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(zhǔn)確性，每一次檢測時(shí)首先要確定本次測量的基準(zhǔn)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(biāo)值，并以此作為

11、本次檢測的參考坐標(biāo)，然后根據(jù)各檢測位置的相對坐標(biāo)位置準(zhǔn)確地設(shè)置檢測線。檢測線是成組地設(shè)置的，測出一組檢測點(diǎn)坐標(biāo)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(biāo)識出2組定位線和2組測量線，圖中還有另外6組測量線。 圖   定位檢測線與測量檢測線5.4 邊緣檢測參數(shù)的設(shè)定    雖然采用三個(gè)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(fù)雜，各檢測點(diǎn)及其附近區(qū)域的成像情況還是比較復(fù)雜。加上同一批接口組件中往往會有一點(diǎn)個(gè)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(zhǔn)確性。為此，

12、要合理地設(shè)置各種與邊緣檢測相關(guān)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(xiàng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)都有可能造成較大的測量誤差。檢測系統(tǒng)應(yīng)用軟件中編制了4個(gè)自行設(shè)計(jì)的檢測子程序，供測量不同特點(diǎn)的檢測位置時(shí)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(chǔ)上進(jìn)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(yīng)檢測對象的變化。本系統(tǒng)利用了Edg

13、e 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(gè)象素，從而提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)。5.5 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(diǎn)有高有低；在計(jì)算兩個(gè)檢測點(diǎn)的間距時(shí)，如果它們的物距不相等的話就會引起測量誤差。在本項(xiàng)目中檢測點(diǎn)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(yīng)用軟件中專門設(shè)計(jì)有消除這種誤差的子程序。  

14、（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(diǎn)的測量準(zhǔn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比，計(jì)算出每一個(gè)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(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的要求。這種修正方法同時(shí)減小了其他因素引起的線性誤差。6 結(jié)論    本系統(tǒng)的開發(fā)過程和實(shí)際應(yīng)用情況表明，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可解決手機(jī)接口組件零部件的裝配精度等質(zhì)量檢驗(yàn)問題。和人工檢驗(yàn)的方法相比，本系統(tǒng)大大提高了質(zhì)量檢驗(yàn)工作的效率，同時(shí)能有效地保證產(chǎn)品的質(zhì)量和降低質(zhì)量

15、檢驗(yàn)的成本。利用NI的LabVIEW、IMAQ Vision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(jì)算機(jī)視覺檢測應(yīng)用領(lǐng)域的一條捷徑。基于虛擬儀器技術(shù)的視覺檢測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、成本低和功能擴(kuò)展容易等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)很值得推廣。參考文獻(xiàn)1  National Instruments corporation, IMAQ Vision for LabVIEW User Manual, 2000 Edition2  John Hanks, Using Edge Detection in Machine Vision Gauging,

16、National Instruments corporation Application Notes, 2002 3  National Instruments corporation, IMAQ Vision Concept Manual, 2000 EditionDevelopment of the Computer Vision Inspecting System for Mobile Telephone Interface PCBAAbstract: The design and development techniques of the computer vision inspecting system for interface PCBA quality testing of the mobile telephone are introduced in this paper. The auto-inspecting of assembling precision of PCBA connectors is realized by the system. The selection and configuration of lighting, lens and camera