馮曉虎

(中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024)

產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)備研制與質(zhì)量管理密切相關(guān)。隨著智能電子產(chǎn)品的普及，如平板顯示和智能手機(jī)的閃光燈作為其重要的功能元件，既能在拍照時(shí)增強(qiáng)曝光量，又能在昏暗處使景物更清晰，其應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)要求越來越高，質(zhì)量管理更加嚴(yán)格。

主流閃光燈前端的鏡片，選用菲涅爾透鏡[1]，如圖1所示。這種光學(xué)透鏡，一面為平面；另一面為一組或多組從小到大的同心圓環(huán)，是由普通凸透鏡演變而來，能夠利用光的干涉和衍射原理，使通過的光線匯聚到同一焦點(diǎn)。這種透鏡比常規(guī)的凸透鏡更輕更薄，非常符合手機(jī)的需求。

圖1 菲涅爾透鏡

傳統(tǒng)的組裝方式是由人工操作，先將閃光燈鏡片面板固定于專用治具，再使用真空吸筆，吸取閃光燈鏡片，按一定的方向，將鏡片組裝貼合到面板的指定位置，如圖2所示。因鏡片很薄，透光率較高，對裝配工藝和裝配精度的要求非常高，產(chǎn)品生產(chǎn)中對各環(huán)節(jié)的質(zhì)量管理要求提出了更高的要求。在產(chǎn)能和精度方面，傳統(tǒng)的組裝方式已無法滿足大批量生產(chǎn)的需求。

圖2 組裝流程

自動(dòng)閃光燈鏡片組裝機(jī)可實(shí)現(xiàn)鏡片和面板的自動(dòng)對位和精確組裝，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。

1 設(shè)備功能及主要技術(shù)指標(biāo)

該設(shè)備采用高精度運(yùn)動(dòng)模組[2]和視覺系統(tǒng)自動(dòng)對位方式，由可編程邏輯控制器（PLC）和工控機(jī)控制，液晶屏顯示視覺圖像，實(shí)現(xiàn)了閃光燈鏡片和面板的自動(dòng)送料、定位和取放，以及自動(dòng)組裝等功能，達(dá)到高精度、高速度的組裝技術(shù)要求，并具有缺料報(bào)警、物料放反防呆、拍照保存等功能。

主要內(nèi)技術(shù)指標(biāo)：

鏡片尺寸：11 mm×7 mm×0.15 mm（L×W×D）

面板尺寸：34 mm×34 mm×1 mm（L×W×D）

組裝精度：±0.03 mm

組裝速率：750片/h

2 影響組裝精度的六因素

產(chǎn)品組裝精度要求高，人工組裝精度已無法滿足要求。在設(shè)備研制過程中，按全面質(zhì)量管理進(jìn)行理論分析，產(chǎn)品質(zhì)量的重點(diǎn)在于組裝精度控制，通常受質(zhì)量管理5M1E六因素影響，即：人、機(jī)、料、法、環(huán)、測。

2.1 人為因素

傳統(tǒng)組裝方式，操作人員手工對位，容易受不同人員目測精度、自身對位技術(shù)、工作時(shí)長等因素影響。自動(dòng)組裝設(shè)備由PLC程序控制各功能部件完成組裝。上下料由人工按操作規(guī)程完成，其他工序全部自動(dòng)運(yùn)行完成。操作人員使用設(shè)備時(shí)，不參與組裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對組裝精度的影響較小。

2.2 設(shè)備因素

傳統(tǒng)組裝方式，操作人員將面板放置于專用治具，對面板進(jìn)行定位。組裝時(shí)，工裝無法對鏡片進(jìn)行準(zhǔn)確定位，組裝精度偏低。設(shè)備由執(zhí)行系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個(gè)關(guān)鍵部分組成。設(shè)備作業(yè)時(shí)，執(zhí)行系統(tǒng)取放精度、視覺系統(tǒng)的精度和控制系統(tǒng)都會(huì)對組裝產(chǎn)生直接影響。

2.3 物料因素

物料主要有閃光燈鏡片和面板2種，每種物料在制作時(shí)，因材料的差異、制作批次的不同、模具的磨損、裁切精度、裁切毛刺等原因，會(huì)有形位偏差、顏色偏差等。這些偏差，在傳統(tǒng)組裝時(shí)，會(huì)影響物料定位和人工目檢和組裝精度。設(shè)備進(jìn)行組裝時(shí)，會(huì)根據(jù)2種物料各自的特性進(jìn)行識(shí)別定位。對于2種偏差，設(shè)備在一定程度上可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是偏差較大時(shí)，無法適應(yīng)，會(huì)影響視覺系統(tǒng)對形狀和位置的抓拍識(shí)別，影響對位精度和組裝精度。因此，需要物料生產(chǎn)商對原材料和生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行管控，盡量保證來料一致性。

2.4 組裝方法因素

設(shè)備組裝與人工組裝的方式相同，都是先對面板進(jìn)行定位，再將鏡片與面板位置匹配，然后組裝，設(shè)備組裝自動(dòng)化程度高，定位一致性好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對精度影響小。

2.5 環(huán)境因素

為了保持穩(wěn)定的產(chǎn)品組裝性能，生產(chǎn)過程應(yīng)處于恒溫恒濕和光線良好的環(huán)境。生產(chǎn)初期，設(shè)備擺放于窗戶附近。在測量精度時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)段的測量精度不同。經(jīng)過分析與觀察，發(fā)現(xiàn)主要是受光線影響，視覺系統(tǒng)對圖像的抓取發(fā)生了偏差，且不能通過光源的調(diào)試和視覺系統(tǒng)設(shè)置完全克服，導(dǎo)致圖片拍攝效果差異較大，抓取精度降低，從而影響了組裝精度。

2.6 測量因素

測量的精度是判定成品與否的重要環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)時(shí)，每隔2 h會(huì)測試生產(chǎn)的過程能力指數(shù)Complex Process Capability index（簡稱CPK），如圖3所示，能夠了解過程能力是否滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由專業(yè)人員采用專用儀器測量產(chǎn)品的組裝精度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，生成CPK報(bào)告。因閃光燈鏡片同心圓抓取點(diǎn)本身的特點(diǎn)，不同的測量人員、不同的測量儀器對同一組產(chǎn)品測量的CPK也存在差異。因此，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，組裝后對精度測量需要進(jìn)行管控。

圖3 過程能力

影響組裝精度的有些因素，人工組裝是無法克服的。而設(shè)備組裝，除環(huán)境光線外，設(shè)備本身是影響設(shè)備組裝精度的重要因素，如何控制是重點(diǎn)研究的對象。

3 設(shè)備因素的控制

3.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的抓取和放置精度會(huì)對組裝精度產(chǎn)生影響。

組裝環(huán)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖4所示，為XYZθ軸結(jié)構(gòu)和吸頭結(jié)構(gòu)。X軸和Y軸選用高精度直線電機(jī)模組配合磁柵反饋的控制方式，運(yùn)動(dòng)精度±0.003 mm，Z軸選用高精度小導(dǎo)程絲杠模組配合伺服電機(jī)，運(yùn)動(dòng)精度±0.01 mm，可實(shí)現(xiàn)Z軸位置精度的精確控制。θ軸選用高精度伺服電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)微小角度的旋轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)精度由所有軸運(yùn)動(dòng)的精度共同決定。同時(shí)還需要提高各構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，提高整機(jī)抗變形能力。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

θ軸末端有吸頭結(jié)構(gòu)。吸頭的穩(wěn)定性也會(huì)影響組裝精度。閃光燈鏡片，外形尺寸較?。? mm×11 mm），厚度較薄，約0.15 mm，質(zhì)量較輕，主要材料是工程塑料。吸盤選用平型吸盤，變形小。吸頭吸取時(shí)，如果真空壓力偏大，鏡片會(huì)發(fā)生明顯的變形，視覺系統(tǒng)拍攝的圖像位置偏差和方向偏差較大，導(dǎo)致定位精度降低。而真空壓力偏小時(shí)，鏡片吸取不穩(wěn)定，會(huì)影響組裝的正常進(jìn)行。經(jīng)過反復(fù)的驗(yàn)證，需要對氣路系統(tǒng)真空值進(jìn)行控制。當(dāng)真空壓力在-40 kPa時(shí)，可實(shí)現(xiàn)正常組裝，同時(shí)鏡片的變形較小，不會(huì)影響視覺系統(tǒng)的圖像拍攝與計(jì)算。

3.2 視覺系統(tǒng)

決定組裝精度的另一個(gè)重要因素是視覺系統(tǒng)的精度。對物料進(jìn)行拍照和識(shí)別，視覺的抓取精度和視覺定位算法對物料位置的定位精度有較大的影響。

視覺系統(tǒng)的精度，由多種因素決定，如相機(jī)鏡頭的參數(shù)、光源類型、視覺系統(tǒng)的安裝、視覺系統(tǒng)的設(shè)置，以及視覺算法等。

該設(shè)備采用雙相機(jī)方案，即上相機(jī)和下相機(jī)。上相機(jī)采用背光源，用于拍攝閃光燈面板的圖像，下相機(jī)用于拍攝吸頭上的閃光燈鏡片的圖像。視覺系統(tǒng)對兩套相機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理，計(jì)算出面板的目標(biāo)位置與角度和鏡片的相對位置與角度，通過角度補(bǔ)償和坐標(biāo)補(bǔ)償，調(diào)整吸頭上鏡片的角度偏差和位置偏差，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成組裝。

3.2.1 視覺系統(tǒng)的配置與安裝方式

（1）上相機(jī)系統(tǒng)如圖5所示，根據(jù)閃光燈面板的特點(diǎn)、尺寸和精度需求，經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，配置如下：

圖5 上相機(jī)系統(tǒng)CCD安裝圖

相機(jī)：2 000萬像素工業(yè)相機(jī)，分辨率5 472像素×3 648像素

鏡頭：工作距離220 mm

光源：方形背光源，位于下方

視野：25 mm×20 mm

單個(gè)像素對應(yīng)的大小，長邊4.6 μm/像素，短邊5.5 μm/像素。背光源的精度取2個(gè)像素，則面板的視覺精度按短邊精度取11 μm。

（2）下相機(jī)系統(tǒng)如圖6所示，根據(jù)閃光燈鏡片的特點(diǎn)、尺寸和精度需求，經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，配置如下：

圖6 下相機(jī)系統(tǒng)CCD安裝圖

相機(jī)：2 000萬像素工業(yè)相機(jī)

鏡頭：工作距離110 mm

光源：環(huán)形光源，工作距離40 mm

視野：16 mm×12 mm

單個(gè)像素對應(yīng)的大小，長邊2.9 μm/像素，短邊3.3 μm/像素。正光源的精度取4個(gè)像素，則閃光燈鏡片的視覺精度按短邊精度取13.2 μm。

3.2.2 視覺系統(tǒng)的設(shè)置

圖像的邊緣由視覺系統(tǒng)設(shè)置，控制圖像的噪點(diǎn)，通過增強(qiáng)對比度、調(diào)節(jié)曝光度、相機(jī)增益值和圖像伽馬值等方法，去除干擾區(qū)域，獲得滿足需求的圖像邊緣輪廓，從而得出圖像中心點(diǎn)位置及方向。

3.2.3 視覺算法

根據(jù)兩套工業(yè)相機(jī)的實(shí)際安裝位置，經(jīng)過視覺設(shè)定和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，根據(jù)視覺算法，完成兩套相機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手眼標(biāo)定和映射標(biāo)定。這樣，視覺捕捉的圖像，經(jīng)過視覺算法，就可以使控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成精確的位置移動(dòng)和角度調(diào)整。

3.3 控制系統(tǒng)

該設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)是PLC，能夠完成整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的物料取放、定位與組裝和視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊等功能，保證了組裝的穩(wěn)定性和可靠性。機(jī)構(gòu)本身有剛性，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度過快，且驟啟驟停，機(jī)構(gòu)本身會(huì)有振動(dòng)，影響位置精度、角度精度及視覺拍照的效果等?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)需求，設(shè)定一些動(dòng)作延時(shí)，如：軸運(yùn)動(dòng)延時(shí)、真空吸附延時(shí)、拍照延時(shí)等，可提高運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)視覺系統(tǒng)提供的位置坐標(biāo)及角度補(bǔ)償，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行X向、Y向和角度的調(diào)整。控制系統(tǒng)可以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)從不同的來料位置吸取閃光燈鏡片，并放到指定的相機(jī)拍照位，進(jìn)行圖像采集。另外在電路硬件上，增加了抗干擾設(shè)計(jì)，保證控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)束語

運(yùn)用全面質(zhì)量管理理論，通過對影響設(shè)備精度因素的分析驗(yàn)證，明確了影響組裝精度的主要因素是執(zhí)行機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)初期，對各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行理論分析與計(jì)算。專門對視覺系統(tǒng)的精度控制和PLC控制進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)過不斷地優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，組裝精度高，滿足生產(chǎn)要求。