摘要：結(jié)合目前行業(yè)現(xiàn)狀及需求，設(shè)計(jì)出一種能對PCBA板缺陷進(jìn)行判斷并分揀出缺陷板的分揀系統(tǒng)，系統(tǒng)包括PLC控制單元、檢測單元、分揀單元、人機(jī)交互單元和上位機(jī)監(jiān)控單元[1]。給出系統(tǒng)總體和各重要部分的設(shè)計(jì)方案及框圖，利用圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)PCBA板的缺陷檢測，應(yīng)用PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)PCBA板的檢測及分揀，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC，機(jī)器視覺，PCBA板，檢測與分揀

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-9545（2023）02-0024-（04）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.02.005

隨著我國電子科技快速發(fā)展，人們對美好需求越來越強(qiáng)烈，各種電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來越智能化，因此對電路板的質(zhì)量要求也隨之提高。目前國內(nèi)在自動(dòng)在線檢測技術(shù)方面水平有限，大部分還是依靠人工檢測和半自動(dòng)化檢測，傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測方法耗費(fèi)時(shí)間長、對工作人員專業(yè)水平要求高以及檢測準(zhǔn)確率低，更糟糕的是員工直接接觸PCBA板也會(huì)使元器件受到污染，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降不能滿足工業(yè)化新形勢的要求[2]。人工檢測已不合適高速發(fā)展的工業(yè)檢測要求。目前主流PCBA檢測設(shè)備有：AOI （automated optical inspection，自動(dòng)光學(xué)檢測）光學(xué)檢測儀、X-ray檢測儀、ICT、老化測試架等。文章采用AOI光學(xué)檢測的方法進(jìn)行PCBA檢測，AOI通過攝像頭自動(dòng)掃描PCBA，采集圖像，測試的焊點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫中的合格的參數(shù)進(jìn)行比較，經(jīng)過圖像處理，可檢測PCBA板少焊、缺焊、漏焊等缺陷[3]。

隨著自動(dòng)化水平的提高和近年來機(jī)器視覺在缺陷檢測方面的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)出一套PCBA板檢測和分揀自動(dòng)化生產(chǎn)線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測的生產(chǎn)線已成為必然[4]。

1檢測器的總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

PCBA板檢測與分揀系統(tǒng)主要由PLC控制單元、檢測單元、分揀單元、人機(jī)交互單元和上位機(jī)監(jiān)控單元構(gòu)成，圖1為總體框圖?？刂茊卧晕鏖T子S7-1200 CPU 1214 FC DC/DC/RLY為控制核心單元，采集紅外傳感器信號，控制伺服電機(jī)和氣缸等設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作。檢測單元由紅外傳感器檢測和視覺檢測兩部分組成。輸送帶將PCBA板送到指定位置時(shí)，PLC檢測到紅外信號，發(fā)出指令停止輸送并由視覺單元檢測PCBA板是否存在缺焊漏焊等，PCBA板存在缺焊漏焊為不合格品，由機(jī)械手的吸盤將不合格PCBA板移出檢測位置，并由輸送帶傳送到不合格品區(qū)域進(jìn)行分揀。分揀單元根據(jù)PLC指令分揀出合格品和不合格品到不同區(qū)域。上位機(jī)用組態(tài)軟件做成的監(jiān)控界面進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示自動(dòng)化生產(chǎn)線的工作情況，實(shí)時(shí)采集合格產(chǎn)品和次品的數(shù)據(jù)并生成相應(yīng)數(shù)據(jù)庫。

1.2 檢測單元

1.2.1檢測單元通過檢測單元實(shí)現(xiàn)PCBA板的定位、圖像采集、圖像分析處理。圖2為檢測單元硬件框圖，檢測單元由紅外傳感器檢測和視覺檢測兩部分組成。由于PCBA板較薄，紅外傳感器不適合安裝在兩側(cè)，故系統(tǒng)的紅外傳感器安裝在兩根傳送皮帶的中間位置，發(fā)射管和接收管安裝在同一位置。當(dāng)PCBA板經(jīng)過指定位置時(shí)，遮擋住紅外傳感器，信號形成反射，接收管收到信號，此時(shí)PCBA板將停在該位置。視覺單元進(jìn)行是否缺陷檢測，視覺單元包括圖2所示的工業(yè)相機(jī)、光源和圖像處理模塊構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)采用CMOS 2D工業(yè)相機(jī)，分辨率2448×2048，全局曝光模式，幀率大于20FPS，Gige Vision（千兆以太網(wǎng)）接口，可以用網(wǎng)線進(jìn)行千兆網(wǎng)速的圖像傳輸，支持多種圖像數(shù)據(jù)格式輸出，無需另外配置圖像采集卡；選擇的鏡頭支持的分辨率為500萬像素，12mm的焦距，最大光圈F2.0，工作距離＞100mm，相機(jī)配合對應(yīng)鏡頭工作，由PLC外部觸發(fā)信號控制相機(jī)采集PCBA板圖像，然后再進(jìn)行圖像處理分析[5]。

1.2.2圖像處理算法PCBA板AOI檢測常見缺陷種類有連焊、漏焊、缺焊、少焊，如圖3所示。

采集來的圖像采用均值濾波。均值濾波也稱為線性濾波，其采用的主要方法為鄰域平均法。線性濾波的基本原理是用均值代替原圖像中的各個(gè)像素值，即對待處理的當(dāng)前像素點(diǎn)（x，y），選擇一個(gè)模板，該模板由其近鄰的若干像素組成，求模板中所有像素的均值，再把該均值賦予當(dāng)前像素點(diǎn)（x，y），作為處理后圖像在該點(diǎn)上的灰度g（x，y），即g（x，y）=∑f（x，y）/m，m為該模板中包含當(dāng)前像素在內(nèi)的像素總個(gè)數(shù)[6]。PCBA板圖像采集后使用均值濾波后更加平滑如圖4所示。

1.3 分揀單元

分揀單元采用SCARA（selective compliance assembly robot arm）平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，該機(jī)器人具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度（包括繞X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)和沿Z軸的平移自由度），它的主要職能是搬取零件和裝配工作[7]。PCBA板檢測與分揀系統(tǒng)中此機(jī)器人末端執(zhí)行器采用雙吸盤如圖5所示。

分揀平臺架構(gòu)如圖6所示，PLC控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)皮帶在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下不斷流轉(zhuǎn)將待檢測PCBA板送到檢測區(qū)域，由工業(yè)相機(jī)拍照檢測并分析是否合格再由機(jī)械臂吸盤分揀產(chǎn)品到相應(yīng)的收集區(qū)域。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PCBA板檢測與分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，系統(tǒng)啟動(dòng)后，觸摸屏上出現(xiàn)模式選擇，選擇手動(dòng)模式則進(jìn)入手動(dòng)模式，選擇自動(dòng)模式進(jìn)入自動(dòng)模式，兩種模式均無選擇則5S后自動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)模式，系統(tǒng)控制流程如圖7所示[8]。手動(dòng)模式下主要用來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，可以調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的位移位置、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度調(diào)整、各指示燈的顯示還有真空發(fā)生器是否啟動(dòng)等，用戶在手動(dòng)模式下可以對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。自動(dòng)模式為工作模式和開機(jī)啟動(dòng)模式，可以完成PCBA板的自動(dòng)檢測和分揀功能，同時(shí)可以具有應(yīng)急情況報(bào)警及退出功能。進(jìn)入自動(dòng)模式后先進(jìn)行狀態(tài)初始化，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)載PCBA板到檢測位置進(jìn)行視覺檢測，PLC發(fā)送拍照信號，觸發(fā)上光源點(diǎn)亮，同時(shí)觸發(fā)相機(jī)拍照，通過拍照采集到的圖片進(jìn)行分析，PCBA上是否有缺陷，記錄檢測結(jié)果，并輸出缺陷位置，分揀出合格和不合格產(chǎn)品，計(jì)數(shù)存盤及顯示。

3 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)所使用的光源為同軸光，與環(huán)形光源相比較，同軸光源所照射光直接與PCB板面不易形成反射，可直接清晰觀察到漏焊、少焊、多焊區(qū)域，而環(huán)形光源與實(shí)驗(yàn)面板所形成的紅光反射，極易干擾到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此采用環(huán)形光源。圖8為實(shí)驗(yàn)樣本采集圖樣，（a）圖為初始照片，所使用光源為同軸光，通過增強(qiáng)對比度，使漏焊、少焊、多焊區(qū)域與周圍灰度對比加強(qiáng)，突出缺陷區(qū)域，此處灰度區(qū)域上限參數(shù)設(shè)置為255，下限為34，捕獲圖（b）；將增強(qiáng)對比度后的彩色圖形轉(zhuǎn)為灰度圖（c）；再屏蔽無關(guān)元器件（晶振），防止誤判（晶振易反光，容易誤判為缺焊），捕獲圖（d）；使用均值濾波，將圖像中的噪聲點(diǎn)灰度修正，減少光線所帶來的干燥，也就是濾除一些無用噪聲點(diǎn)，較上一次捕獲，這次比較平滑，捕獲圖（e）；最后使用斑點(diǎn)分析，設(shè)定好合適的面積值，篩選出圖形中漏焊、少焊、多焊區(qū)域，并標(biāo)記出來，捕獲圖（f）。圖（f）高亮綠色部分Block0、Block1、Block2、Block5為缺焊，Block3、Block6為缺焊，Block4、Block7為少焊。檢測出一處缺陷，該板便被標(biāo)識為不合格品，由分揀單元分揀到不合格區(qū)。

4結(jié)語

各種電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來越智能化，因此對電路板的質(zhì)量要求也隨之提高。但目前國內(nèi)在自動(dòng)在線檢測技術(shù)方面水平有限，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量無法滿足工業(yè)化新形勢的需求，結(jié)合PLC控制技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一款PCBA板檢測與分揀系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對PCBA板的自動(dòng)檢測和分揀，提高檢測準(zhǔn)確性及檢測效率[8]。通過實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能很好的檢測出缺陷板并進(jìn)行分揀。具有較高的市場運(yùn)用價(jià)值。

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Design of Detection and Sorting System for

PCBA Board Based on Machine Vision

ZHENG Huizhen，GUO Hongying

（Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou，F(xiàn)ujian 363000，China）

ABSTRACTCombined with the current situation and demand of the industry， a kind of sorting system which could judge the defects of PCBA board and sort out the defective board is designed. The system included PLC control unit， detection unit， sorting unit， human-computer interaction unit and upper computer monitoring unit. The design scheme and block diagram of the whole system and important parts were given. The defect detection of PCBA board was realized by using image processing technology. The automatic operation of the system was realized by using PLC control technology to improve production efficiency. The experimental results showed that the system could meet the design requirements， realize the detection and sorting of PCBA board， and had high application value.

KEY WORDSPLC; machine vision; PCBA board; detection and sorting

（責(zé)任編輯 羅江龍）