高速CCD在连接器自动化检测方向的应用

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(中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471993)

1　项目提出背景

1.1　项目提出现状

某系列产品是连接器行业的重点产品，产品批量大，2016年全年需求量约90万只。目前该系列产品的插合端尺寸采用塞棒单个进行测量，平均4S/根，该系列接触件孔位平均在15个/件左右，测试一件产品需要60S，效率极低。在该系列产品的生产线中，检测工序已成为瓶颈工序，直接影响整条生产线的工作效率。

由于测试人员技能水平参差不齐，手工测试的可靠性较差，测量结果的不准确性，极易出现错检漏检现象，不能保证产品的一致性，且接触式测试方法对接触件镀层有损伤，不能满足用户对产品质量的要求。用户不认可目前装配现场的检测方案，并在审核中给出不合格项，产品结构及检测方式如图1所示。

图1　产品结构及检测方式

目前，该系列产品的插合端尺寸采用塞棒单个进行测量，平均4S/根，测试一件产品需要60S,测试时先用下极限塞棒插合，然后用上极限尺寸塞棒插合。例如，当检测上图所示信号接触件尺寸(0.80≤尺寸≤1.05)时，先使用为下极限尺寸(直径为0.80mm)的销棒逐个插入接触件检测，要求检测时塞棒靠自身重量落下为合格，反之则不合格。然后使用上极限尺寸(直径为1.05mm)塞棒逐个检测信号针装配尺寸，要求检测时塞棒靠自身重量不落下为合格，反之则不合格。手工逐个用销棒进行检测，检测效率较低，约60S/件，工人劳动强度较大。人工用销棒检测尺寸，精度低，可靠性差，无法满足客户对产品的质量要求。此外，接触件错装、漏装情况靠人工目测，易出现漏检现象。这种检测方式工作效率较低，工人工作量较大，且可靠性较差，严重影响了生产效率，增加了工作成本。

1.2　问题解决方法的提出及预期实现目标

目前，手工销棒检测方法，检测效率较低、可操作性差、检测可靠性低、检测精度较低，检测方式无法满足批量生产要求及用户要求。由于测量尺寸多，测量精度要求高，结合生产现场实际需求和用户要求，本次攻关采用CCD视觉系统进行尺寸检测，用工业相机系统自动检测接触件间距尺寸，自动分析判断产品合格状态。预期实现目标如下：

1)自主开发高精度CCD拍照检测系统，自动在线检测接触件间距尺寸；

2)具有接触件错装、漏装检测功能，并能够自动分析判定产品的合格状态，具有自动报警功能；

3)具有数据自动记录，需要时可将数据导出，接触件间距尺寸测试重复精度要求为±0.02mm；

4)单件产品测试效率为不低于7.2s/件。

2　项目攻关过程

2.1　项目立项

由于目前手工销棒检测方法效率较低、可操作性差、检测可靠性低、检测精度无法满足要求等问题，目前检测方式无法满足批量生产要求及用户要求，生产现场迫切需求高效的自动化检测设备，经制造部提出申请，我所开展自动化设备研制工作，设备主要解决以该系列产品接触件间距自动检测问题。

2.2　项目难点

2.2.1一次测量尺寸多，检测效率要求高

该系列产品接触件较多，其中具有代表性产品1有20对接触件，需要进行20个尺寸测量，产品2有60对接触件，需要进行60个尺寸测量，数据处理量大，所有尺寸测量要求在4.5秒内在线测试完成。

2.2.1测量精度高

该系列产品接触件尺寸较小，部分产品尺寸要求严格。根据产品实际需求，要求测量系统重复精度达到±0.02mm，产品尺寸如图2所示，常规测试方法无法满足精度要求。

图2　产品尺寸图

2.2.3设备要求通用性强

该系列产品种类较多，主要产品有20余种，产品结构差别较大，接触件形态不一。兼容所有型号产品，对于检测设备结构设计和视觉系统要求较高。

2.3　方案设计

2.3.1总体方案设计

该接触件间距检测系统主要由CCD测量组件、采卡及A/D转换模块、工业计算机及系统、机械结构部件及电气控制系统组成。具体方案如图3所示。

图3　整体方案

2.4　CCD组件测量系统

CCD测量系统主要包括：工业CCD相机、光源、工业计算机及相关附件。CCD检测组件该检测组件是检测设备的核心部件，主要由工业相机、镜头、光源、背光源、相机调节机构、光源调节机构以及相机防护罩等几部分组成。光源为相机抓取图像提供条件，CCD相机及光源组件负责拍取图像传输给工业计算机处理系统，工业计算机及软件负责数据的分析处理并给出处理结果，CCD测量系统如图4所示[1]。

图4　CCD测量系统

CCD 是由光敏单元、输入结构和输出结构等组成的一体化的光电转换器件，其突出特点是以电荷作为信号载体，当入射光照射到CCD光敏单元上时，光敏单元中将产生光电荷Q，Q与光子流速率Δn0、光照时间Tc、光敏单元面积A成正比，即[2]：

Q=ηqΔn0ATc

(1)

其中，η为材料的量子效率；q为电子电荷量。CCD图像传感器的光电转换特性如图5如示，其中横坐标为照度，lx.s；纵坐标为输出电压，V0在非饱和区满足：

f(s)=d1sτ+d2

(2)

式中，f(s)为输出信号电压(V)；s为曝光量(lx.s)；d1为直线段的斜率(V/ lx.s)，表示CCD的光响应度；τ为光电转换系数，τ接近于1；d2为无光照时CCD 的输出电压，称为暗输出电压。特性曲线的拐点G所对应的曝光量SE称为饱和曝光量，所对应的输出电压VSAT称为饱和输出电压。曝光量高于SE后，CCD输出信号不再增加。由此可见，CCD 图像传感器在非饱和区的光电转换特性接近于线性。因此，应将CCD的工作状态控制在非饱和区。

图5　CCD图像传感器的光电转换特性

2.4　相机、光源的调整与找正

接触件间距比较窄，普通光源无法照射至缝隙内，同时，由于接触件有一定弧度，当光线从上方照射时，弧面位置反光不强，无法判断接触件边缘，具体实验结果如图6所示。

图6　光源实验1

由于产品装配一致性较差，接触件装配后高低状态不一致，如图测试选取中间位置的两对相连的弹片时，只有一对弹片成像清晰，相邻接触件成像不清晰，上图中红圈位置为另一不清晰的弹片，具体实验结果如图7所示。

图7　光源实验2

经多次验证，采取正面打平行光，反面背光补光和图像处理的方式进行检测，取像效果较好，能满足测量要求，具体实验结果如图8所示。

图8　光源的找正位置

光源位置找正以后，当入射光照射到CCD光敏单元上时，光敏单元中将产生光电荷，此时就将接触件间隙图像的模拟量转化成数字量。数字量经过采卡以二进制形式保存到工业计算机的固态硬盘中、该产品的每个接触件间距都会以数据库的形式保存起来，随后编写通过编写的LabVIEW软件对数据库进行识别、调用、分析、反馈。工业计算机快速分析、处理、计算数据能力可以大幅度提高该产品的检测效率。

2.5　检测设备整体机械机构设计

综合考虑产品批量情况和设备通用性原因，测试设备设计总体机构为便携台式桌面型。设备外形尺寸为：长500mm*宽500mm*高450mm，设备结构紧凑生产现场移动方便快捷。设备主要机构包括：显示器、相机及其防护组件、水平移动组件、机箱等部分，机械结构整体布局如图9所示。

图9　设备整体布局

水平移动机构及按钮操作面板待测产品水平移动机构包括单轴机器人及附属机构，主要作用是水平移动产品至检测位置，按钮操作面板有急停、启动和复位操作按钮，蜂鸣器实现不合格产品的声光报警功能。产品测试夹具采取快换模块，当更换不同类型产品时可实现快速切换，满足设备通用性要求。

2.6　软件程序设计

本次攻关测试系统产用工业计算机控制，计算机程序基于windows系统[3]，采用LABVIE编写，单轴驱动器和CCD均由工业计算机控制。该产品接触件间距检测系统的开机界面和主界面如图10、11所示。

点击设备检测界面的“参数设置”按钮，进入参数设置界面如图12所示。

图10　检测系统开机画面

图11　检测主界面

图12　参数设置界面

3　项目成果

3.1　实现目标

1)采用高精度CCD拍照检测，自动测试产品接触件间距尺寸；

2)具有接触件错漏检功；

3)自动分析判定产品合格状态，具有自动报警功能；

4)具有数据自动记录，需要时可将数据导出；

5)测试精度达到±0.02mm。

6)单件产品测试效率为5.5s/件，测试效率提升1.91倍。

4　项目推广意义

从本次攻关可以看出，CCD视觉检测相对于传统手工量具检测具有以下优势，并具备较强的推广意义：

1)实现高效率在线检测

传统手工量具检测，检测效率低，尤其是单件产品大量尺寸的检测。CCD视觉检测识别准确、数据处理和反馈迅速，可以大幅度提高生产效率。

2)能检测人工常规检测无法检测或者难以检测的尺寸

CCD检测为非接触式测量检测尺寸方式为非接触式测量，CCD检测系统通过拍照自动抓取尺寸边界，对于人工难以检测的沟槽尺寸、缝隙尺寸、深孔内尺寸、接触件间距类尺寸可实现快速准确测量。

3)对于大批量、持续稳定生产产品，可采取视觉模式+工业机器人进行高效在线检测

随着自动化技术的推广，工业机器人已逐步应用于产品生产和检测，对于大批量稳定生产产品，可采取视觉系统和工业机器人组合的模式应用，完全取代人工操作，实现智能化生产，大幅度提升非标自动化行业生产效率。

参考文献：

[1]史磊．基于CCD图像分析的路基沉降测量系统的开发．山西电子技术 ,2013(3).

[2]刘征，彭小奇，丁剑.国外CCD检测技术在工业中的应用与发展.工业仪表与自动化装置.2005(4).

[3]谢冰,陈昌鑫,郑宾．基于LabVIEW的数据采集与信号处理系统设计．现代电子技术，2011，34(14).