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(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471993)

1　項目提出背景

1.1　項目提出現(xiàn)狀

某系列產(chǎn)品是連接器行業(yè)的重點產(chǎn)品，產(chǎn)品批量大，2016年全年需求量約90萬只。目前該系列產(chǎn)品的插合端尺寸采用塞棒單個進(jìn)行測量，平均4S/根，該系列接觸件孔位平均在15個/件左右，測試一件產(chǎn)品需要60S，效率極低。在該系列產(chǎn)品的生產(chǎn)線中，檢測工序已成為瓶頸工序，直接影響整條生產(chǎn)線的工作效率。

由于測試人員技能水平參差不齊，手工測試的可靠性較差，測量結(jié)果的不準(zhǔn)確性，極易出現(xiàn)錯檢漏檢現(xiàn)象，不能保證產(chǎn)品的一致性，且接觸式測試方法對接觸件鍍層有損傷，不能滿足用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求。用戶不認(rèn)可目前裝配現(xiàn)場的檢測方案，并在審核中給出不合格項，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及檢測方式如圖1所示。

圖1　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及檢測方式

目前，該系列產(chǎn)品的插合端尺寸采用塞棒單個進(jìn)行測量，平均4S/根，測試一件產(chǎn)品需要60S,測試時先用下極限塞棒插合，然后用上極限尺寸塞棒插合。例如，當(dāng)檢測上圖所示信號接觸件尺寸(0.80≤尺寸≤1.05)時，先使用為下極限尺寸(直徑為0.80mm)的銷棒逐個插入接觸件檢測，要求檢測時塞棒靠自身重量落下為合格，反之則不合格。然后使用上極限尺寸(直徑為1.05mm)塞棒逐個檢測信號針裝配尺寸，要求檢測時塞棒靠自身重量不落下為合格，反之則不合格。手工逐個用銷棒進(jìn)行檢測，檢測效率較低，約60S/件，工人勞動強度較大。人工用銷棒檢測尺寸，精度低，可靠性差，無法滿足客戶對產(chǎn)品的質(zhì)量要求。此外，接觸件錯裝、漏裝情況靠人工目測，易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。這種檢測方式工作效率較低，工人工作量較大，且可靠性較差，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，增加了工作成本。

1.2　問題解決方法的提出及預(yù)期實現(xiàn)目標(biāo)

目前，手工銷棒檢測方法，檢測效率較低、可操作性差、檢測可靠性低、檢測精度較低，檢測方式無法滿足批量生產(chǎn)要求及用戶要求。由于測量尺寸多，測量精度要求高，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際需求和用戶要求，本次攻關(guān)采用CCD視覺系統(tǒng)進(jìn)行尺寸檢測，用工業(yè)相機系統(tǒng)自動檢測接觸件間距尺寸，自動分析判斷產(chǎn)品合格狀態(tài)。預(yù)期實現(xiàn)目標(biāo)如下：

1)自主開發(fā)高精度CCD拍照檢測系統(tǒng)，自動在線檢測接觸件間距尺寸；

2)具有接觸件錯裝、漏裝檢測功能，并能夠自動分析判定產(chǎn)品的合格狀態(tài)，具有自動報警功能；

3)具有數(shù)據(jù)自動記錄，需要時可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，接觸件間距尺寸測試重復(fù)精度要求為±0.02mm；

4)單件產(chǎn)品測試效率為不低于7.2s/件。

2　項目攻關(guān)過程

2.1　項目立項

由于目前手工銷棒檢測方法效率較低、可操作性差、檢測可靠性低、檢測精度無法滿足要求等問題，目前檢測方式無法滿足批量生產(chǎn)要求及用戶要求，生產(chǎn)現(xiàn)場迫切需求高效的自動化檢測設(shè)備，經(jīng)制造部提出申請，我所開展自動化設(shè)備研制工作，設(shè)備主要解決以該系列產(chǎn)品接觸件間距自動檢測問題。

2.2　項目難點

2.2.1一次測量尺寸多，檢測效率要求高

該系列產(chǎn)品接觸件較多，其中具有代表性產(chǎn)品1有20對接觸件，需要進(jìn)行20個尺寸測量，產(chǎn)品2有60對接觸件，需要進(jìn)行60個尺寸測量，數(shù)據(jù)處理量大，所有尺寸測量要求在4.5秒內(nèi)在線測試完成。

2.2.1測量精度高

該系列產(chǎn)品接觸件尺寸較小，部分產(chǎn)品尺寸要求嚴(yán)格。根據(jù)產(chǎn)品實際需求，要求測量系統(tǒng)重復(fù)精度達(dá)到±0.02mm，產(chǎn)品尺寸如圖2所示，常規(guī)測試方法無法滿足精度要求。

圖2　產(chǎn)品尺寸圖

2.2.3設(shè)備要求通用性強

該系列產(chǎn)品種類較多，主要產(chǎn)品有20余種，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差別較大，接觸件形態(tài)不一。兼容所有型號產(chǎn)品，對于檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計和視覺系統(tǒng)要求較高。

2.3　方案設(shè)計

2.3.1總體方案設(shè)計

該接觸件間距檢測系統(tǒng)主要由CCD測量組件、采卡及A/D轉(zhuǎn)換模塊、工業(yè)計算機及系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)部件及電氣控制系統(tǒng)組成。具體方案如圖3所示。

圖3　整體方案

2.4　CCD組件測量系統(tǒng)

CCD測量系統(tǒng)主要包括：工業(yè)CCD相機、光源、工業(yè)計算機及相關(guān)附件。CCD檢測組件該檢測組件是檢測設(shè)備的核心部件，主要由工業(yè)相機、鏡頭、光源、背光源、相機調(diào)節(jié)機構(gòu)、光源調(diào)節(jié)機構(gòu)以及相機防護罩等幾部分組成。光源為相機抓取圖像提供條件，CCD相機及光源組件負(fù)責(zé)拍取圖像傳輸給工業(yè)計算機處理系統(tǒng)，工業(yè)計算機及軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析處理并給出處理結(jié)果，CCD測量系統(tǒng)如圖4所示[1]。

圖4　CCD測量系統(tǒng)

CCD 是由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成的一體化的光電轉(zhuǎn)換器件，其突出特點是以電荷作為信號載體，當(dāng)入射光照射到CCD光敏單元上時，光敏單元中將產(chǎn)生光電荷Q，Q與光子流速率Δn0、光照時間Tc、光敏單元面積A成正比，即[2]：

Q=ηqΔn0ATc

(1)

其中，η為材料的量子效率；q為電子電荷量。CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如圖5如示，其中橫坐標(biāo)為照度，lx.s；縱坐標(biāo)為輸出電壓，V0在非飽和區(qū)滿足：

f(s)=d1sτ+d2

(2)

式中，f(s)為輸出信號電壓(V)；s為曝光量(lx.s)；d1為直線段的斜率(V/ lx.s)，表示CCD的光響應(yīng)度；τ為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，τ接近于1；d2為無光照時CCD 的輸出電壓，稱為暗輸出電壓。特性曲線的拐點G所對應(yīng)的曝光量SE稱為飽和曝光量，所對應(yīng)的輸出電壓VSAT稱為飽和輸出電壓。曝光量高于SE后，CCD輸出信號不再增加。由此可見，CCD 圖像傳感器在非飽和區(qū)的光電轉(zhuǎn)換特性接近于線性。因此，應(yīng)將CCD的工作狀態(tài)控制在非飽和區(qū)。

圖5　CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性

2.4　相機、光源的調(diào)整與找正

接觸件間距比較窄，普通光源無法照射至縫隙內(nèi)，同時，由于接觸件有一定弧度，當(dāng)光線從上方照射時，弧面位置反光不強，無法判斷接觸件邊緣，具體實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6　光源實驗1

由于產(chǎn)品裝配一致性較差，接觸件裝配后高低狀態(tài)不一致，如圖測試選取中間位置的兩對相連的彈片時，只有一對彈片成像清晰，相鄰接觸件成像不清晰，上圖中紅圈位置為另一不清晰的彈片，具體實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7　光源實驗2

經(jīng)多次驗證，采取正面打平行光，反面背光補光和圖像處理的方式進(jìn)行檢測，取像效果較好，能滿足測量要求，具體實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8　光源的找正位置

光源位置找正以后，當(dāng)入射光照射到CCD光敏單元上時，光敏單元中將產(chǎn)生光電荷，此時就將接觸件間隙圖像的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。數(shù)字量經(jīng)過采卡以二進(jìn)制形式保存到工業(yè)計算機的固態(tài)硬盤中、該產(chǎn)品的每個接觸件間距都會以數(shù)據(jù)庫的形式保存起來，隨后編寫通過編寫的LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行識別、調(diào)用、分析、反饋。工業(yè)計算機快速分析、處理、計算數(shù)據(jù)能力可以大幅度提高該產(chǎn)品的檢測效率。

2.5　檢測設(shè)備整體機械機構(gòu)設(shè)計

綜合考慮產(chǎn)品批量情況和設(shè)備通用性原因，測試設(shè)備設(shè)計總體機構(gòu)為便攜臺式桌面型。設(shè)備外形尺寸為：長500mm*寬500mm*高450mm，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊生產(chǎn)現(xiàn)場移動方便快捷。設(shè)備主要機構(gòu)包括：顯示器、相機及其防護組件、水平移動組件、機箱等部分，機械結(jié)構(gòu)整體布局如圖9所示。

圖9　設(shè)備整體布局

水平移動機構(gòu)及按鈕操作面板待測產(chǎn)品水平移動機構(gòu)包括單軸機器人及附屬機構(gòu)，主要作用是水平移動產(chǎn)品至檢測位置，按鈕操作面板有急停、啟動和復(fù)位操作按鈕，蜂鳴器實現(xiàn)不合格產(chǎn)品的聲光報警功能。產(chǎn)品測試夾具采取快換模塊，當(dāng)更換不同類型產(chǎn)品時可實現(xiàn)快速切換，滿足設(shè)備通用性要求。

2.6　軟件程序設(shè)計

本次攻關(guān)測試系統(tǒng)產(chǎn)用工業(yè)計算機控制，計算機程序基于windows系統(tǒng)[3]，采用LABVIE編寫，單軸驅(qū)動器和CCD均由工業(yè)計算機控制。該產(chǎn)品接觸件間距檢測系統(tǒng)的開機界面和主界面如圖10、11所示。

點擊設(shè)備檢測界面的“參數(shù)設(shè)置”按鈕，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面如圖12所示。

圖10　檢測系統(tǒng)開機畫面

圖11　檢測主界面

圖12　參數(shù)設(shè)置界面

3　項目成果

3.1　實現(xiàn)目標(biāo)

1)采用高精度CCD拍照檢測，自動測試產(chǎn)品接觸件間距尺寸；

2)具有接觸件錯漏檢功；

3)自動分析判定產(chǎn)品合格狀態(tài)，具有自動報警功能；

4)具有數(shù)據(jù)自動記錄，需要時可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出；

5)測試精度達(dá)到±0.02mm。

6)單件產(chǎn)品測試效率為5.5s/件，測試效率提升1.91倍。

4　項目推廣意義

從本次攻關(guān)可以看出，CCD視覺檢測相對于傳統(tǒng)手工量具檢測具有以下優(yōu)勢，并具備較強的推廣意義：

1)實現(xiàn)高效率在線檢測

傳統(tǒng)手工量具檢測，檢測效率低，尤其是單件產(chǎn)品大量尺寸的檢測。CCD視覺檢測識別準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理和反饋迅速，可以大幅度提高生產(chǎn)效率。

2)能檢測人工常規(guī)檢測無法檢測或者難以檢測的尺寸

CCD檢測為非接觸式測量檢測尺寸方式為非接觸式測量，CCD檢測系統(tǒng)通過拍照自動抓取尺寸邊界，對于人工難以檢測的溝槽尺寸、縫隙尺寸、深孔內(nèi)尺寸、接觸件間距類尺寸可實現(xiàn)快速準(zhǔn)確測量。

3)對于大批量、持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)品，可采取視覺模式+工業(yè)機器人進(jìn)行高效在線檢測

隨著自動化技術(shù)的推廣，工業(yè)機器人已逐步應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)和檢測，對于大批量穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)品，可采取視覺系統(tǒng)和工業(yè)機器人組合的模式應(yīng)用，完全取代人工操作，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，大幅度提升非標(biāo)自動化行業(yè)生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

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