机器视觉技术在上带机中的应用

1 引言
上带机是电子元器件生产厂家用于对成品进行电气测试并剔除不良品，以及极性排列，正位后自动包装的一种自动化程度很高的机械。旧有的设计是不带机器视觉功能的，其工作原理如图1所示:

图1 传统上带机工作原理示意图

料盘上的产品坏料数量非常多，检测仪器可靠性不高，并且由于工艺原因产品在料带上会出现侧翻、背翻、和极性倒置的现象，因此对上带机的工作稳定性和效率提出了较高要求。传统的不带机器视觉检测技术的上带机存在以下几个重要弊病:
(1) 人员浪费
上带的前道工序对物料进行电气测试，不良品用油漆或墨水做上标记，并由工人在上带工序开始之前将有标记的物料剔除。由于料盘上存在较多坏料，需要大量的人工用肉眼将坏料取出来。
(2) 效率较低
料盘上的坏料被人工提走之后，料盘上会留下许多空位，而原来的设备在工作时电机是按固定步距前进，会在每个空位上去拾取并不存在的物料，造成不必要的时间浪费。
(3) 生产合格率低
因为受到人的个体差异、容易疲劳及情绪等影响，料盘上坏料的提取肯定存在错判或漏判的现象。另外由于工艺等原因，机器在放料到胶带上时还会出现侧翻、背翻、和极性倒置的现象。这些势必会影响到产品最终的质量。

引入机器视觉技术的上带机采用图像识别技术对坏料进行视觉识别，对合格产品进行定位且实现灵活导航，对包装后的产品进行实时检测，有效地避免了上述种种问题，使得生产稳定性及效率得到极大的提高。增加视觉系统后的工作原理如图2所示:

图2 增加镜头后的上带机工作原理示意图

2 整机结构及工作原理
采用机器视觉技术的上带机结构框图如图3所示:

图3 上带机结构框图

上带机控制系统采用上下位机方式进行，上位机采用工业PC机(IPC)，下位机采用PLC，双方以串口方式实现通信。下位机为实际工作控制部分，与各物理信号连接，实现对硬件的直接操作;上位机为人机界面及视觉检测部分，实现人机交互操作，图像定位、分析及导航。
上带机主要的工作分2个工序完成。

(1) 第一道工序为扫描工序
扫描工序由工业计算机IPC、CCD摄像头、图像采集卡和光源、镜头等组成的基于PC的机器视觉子系统，对料盘(Wafer)上的产品进行拍照，然后由视觉分析软件对采集到的图像(Image)进行模式匹配，输出相机视野内所有实例(Instance)产品的位置信息，如X、Y坐标，产品合格信息等等。由视觉系统完成晶片的定位分析后，程序记录下所有合格产品所在的坐标位置。

(2) 第二道工序进行产品的拾取和料带产品的检测
根据第一道工序得出的合格产品位置信息，求出下一个产品的坐标值，并将该产品的坐标换算成XY平台的运动步长，由串口发送到下位机，PLC程序驱动电机走到相应的位置，然后启动摇杆拾取产品，产品拾取成功后，下位机通知IPC开始检测料带产品，此时IPC开始对料带产品进行拍照、定位并且分析，如果产品不合格则立即弹出对话框提示用户对料带上产品进行纠正。

因为系统在拾取产品时必须同时检测料带上的元件状态，如果同时还要检测料盘产品，时间势必会增长，从而影响到取料杆的取料速度，采用离线提前对料盘产品扫描的方式解决了此问题，它通过扫描分析事先记录下所有合格产品坐标位置，在拾取产品时，系统则无需再对料盘产品进行取图和分析，大大节省了时间以便进行料带产品的定位和分析。

取料杆在工作过程中可能要做四步工作，(如图1用数字符号标明的1,2,3,4所示)首先到料盘上取料，接着将产品放到电气检测台上进行测试，第三步弃料工作则只在产品不合格时进行，最后将合格产品放置到料带上。

3 IPC软件系统分析
(1) 功能需求
IPC进行视觉定位，导航及检测控制，在该控制系统中被称为上位机。IPC软件要求实现对图像的采集、定位、黑点(Ink Die)分析，对产品的导航，与下位机的通信，生产情况记录等功能。图像处理及导航时间必须控制在100ms以内。生产情况记录必须每天以不同文件采用数据库形式保存。

图像检测分为两部分，第一部分实现产品上墨点(Ink)的检测，剔除有墨点元件;第二部分实现料带上元件检测，判断产品的有无或产品姿态是否合格。
(2) 软件主框图
扫描工序软件框图如图4所示，拾取产品及产品检测软件框图如图5所示:

图4 扫描工序软件框图


图5 拾取产品及产品检测软件框图

(3) 实现方案
视觉定位部分是在HexSight视觉软件包的基础上进行的二次开发，导航部分采用Visual C＋＋进行编程。 HexSight软件包是Adept公司出品的一款高性能的机器视觉开发包，其定位精度高，一次识别只需不到30ms，支持VB，VC＋＋等流行编程软件，容易进行二次开发。

光源采用的是新加坡东冠科技生产的RIN－70－3R－30。镜头采用视觉龙公司的VD07－140定倍镜头。视频卡则使用的是Matrox的Meteor2，其可接12路视频信号，两路数字输入和数字输出，分辨率达768*576。由于该卡程序已经由Hexsight软件绑定，所以无需编程即可实现两者的连接。
(4) 子模块介绍
·图像采集
图像采集模块通过Hexsight里面提供的的HSA cquisitionDevice控件实现，它实现采集卡的软件接口，图像的捕获，镜头参数的调校及补偿等诸多功能，是第一道工序，也是必做的工序。其部分界面如图6所示:

图6 图像采集界面图

·产品定位
通过Hexsight的HSLocator实现，它主要提供图像引入，模板制作及匹配参数设定等功能，其部分界面如图7所示:

图7 产品定位界面

·产品合格分析，即Ink 产品的查找
通过Hexsight里的HSBlobAnalyzer实现，其主要对图像中的斑点进行设置及计算，部分界面如图8所示:

图8 Ink 产品的查找界面

·导航
导航方法为自行设计的拾取产品时的移位规则。大致原理:在第一道扫描工序完便记录下所有合格产品的位置，进入第二道工序后系统对合格产品位置进行分析，走位依照从下到上，从左到右(换行后从右到左)的顺序，一般只走到合格产品位置，如果相邻的合格产品间距超过5个，系统为防止电机步距过大，会将超过5个的步长按照一定算法分为N个短步来走，这样取料杆势必会在坏料或空位上停留一次，但上位机在此之前会发送指令指示该位置为空或坏料，所以PLC此时不会启动料杆前端的吸嘴吸取产品。系统拾取完成一行最后一个合格产品时会换行并改变电机X轴的前进方向，直到全部产品拾取完毕。
·通信模块
上下位机间的通信主要为Rs-232串行通信方式。产品偏移值、产品合格信号及电机到位信号都以串行通信方式实现。

4 应用状况及测试结果分析
(1) 程序主界面图
上位机应用程序采用VC++6.0实现，主界面如图9所示:

图9 上位机程序主界面

(2) 效果
·该程序界面简洁友好，使用方便，功能较为齐全。分为普通用户级和高级用户级两种参数设置模式;
·部分设置采用密码限制，保护程序的使用安全;
·程序采用模拟图方式实时显示产品合格情况及系统拾取产品状态;
·每天的生产数据自动以数据库形式保存，方便查看和统计。
经过一段时间的使用测试，统计得出性能如附表。
该系统能快速定位并识别合格与不合格产品，各项性能指标都可以满足甚至超出生产的预期要求。

5 结束语
本系统采用了以机器视觉系统IPC为上位机，运动控制及过程控制PLC为下位机的控制系统体系结构，视觉系统PC提供定位信息，PLC控制运动及生产过程，两者通过RS－232串口通讯传递运动数据和状态检测/控制信号。集成的系统有效地克服了原有系统的种种问题，使得生产精度，稳定性及效率得到了极大的提高。该上带机已批量生产，投产后性能一直十分稳定。
文中介绍用先进的机器视觉技术改造传统的生产设备，将PC式视觉系统引入原来由PLC控制的机构，使之发挥更大的效能，具有一定的代表性。

参考文献
［1］颜发根,丁少华,陈乐,刘建群. 基于PC的机器视觉系统［J］. PLC＆FA,2004，(7):129-140.
［2］姚强,丁少华,颜发根,陈乐,刘建群. 机器视觉技术在装片机中的应用［J］. PLC＆ FA,2004,(9):99-105.
［3］HexSight 用户手册［Z］.

（转载）