机器视觉与科学成像在机电产品制造中的应用

关键词： 成像 , 机电产品 , 机器 , 视觉

近年来，计算机技术不断进步，使得图像采集成为一种广为使用的测量数据来源，从而推动了计算机自动机器视觉与科学成像技术在电子产品捡测技术有了新的突破，所以才会有”任何通过人来完成的检测过程都适合于用机器视觉技术来代替”新机理.这是因为与机器相比，人有情绪，会疲劳，故把人用作机器是不可靠的，因此该新机理的出现是必然的.

机器视觉系统

机器视觉系统一般包括光源、镜头、CCD照相机、图像处理单元(或图像采集卡)、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。机器视觉系统组成示意见图1(a)，实际例举示意见图1(b)。
 

图1(a) 机器视觉系统基本组成示意框图图1(b) 机器视觉系统使用组成列举—基于PC的视觉系统基本组成示意图

光源：与视觉传感器的照明因素一样，它是影响机器视觉系统输入的重要因素，它直接影响输入数据的质量和应用效果。针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。其光源可分为可见光和不可见光。常用的几种可见光源是白帜灯、日光灯、水银灯和钠光灯。另一方面，环境光有可能影响图像的质量，所以可采用基于PC的方案主要针对电子生产测试设备，其优点是高性能、高灵活度和高性价比，十分适合于高难度、高分辨率和高速的机器视觉应用。

所以可采用加防护屏的方法来减少环境光的影响。照明系统按其照射方法可分为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。其中，背向照明是被测物放在光源和摄像机之间，它的优点是能获得高对比度的图像。前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧，这种方式便于安装。结构光照明是将光栅或线光源等投射到被测物上，根据它们产生的畸变，解调出被测物的三维信息。频闪光照明是将高频率的光脉冲照射到物体上，摄像机拍摄要求与光源同步

镜头：镜头选择应注意焦距，目标高度，影像高度，放大倍数，影像至目标的距离，中心点 / 节点与畸变.

相机：按照不同标准可分为标准分辨率数字相机和模拟相机等。要根据不同的实际应用场合选不同的相机和高分辨率相机:线扫描CCD和面阵CCD;单色相机和彩色相机。

图象采集卡：图像采集卡只是完整的机器视觉系统的一个部件，但是它扮演一个非常重要的角色。图像采集卡直接决定了摄像头的接口：黑白、彩色、模拟、数字等。比较典型的是PCI或AGP兼容的捕获卡，可以将图像迅速地传送到计算机存储器进行处理。有些采集卡有内置的多路开关。例如，可以连接8个不同的摄像机，然后告诉采集卡采用那一个相机抓拍到的信息。有些采集卡有内置的数字输入以触发采集卡进行捕捉，当采集卡抓拍图像时数字输出口就触发闸门。

视觉处理器：视觉处理器集采集卡与处理器于一体。以往计算机速度较慢时，采用视觉处理器加快视觉处理任务。现在由于采集卡可以快速传输图象到存储器，而且计算机也快多了，所以现在视觉处理器用的较少了。

工作过程：视觉系统的输出并非图像视频信号，而是经过运算处理之后的检测结果(如尺寸数据)。通常，机器视觉测试就是用机器代替肉眼来做测量和判断.首先采用CCD照相机将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如：面积、长度、数量、位置等。最后，根据预设的容许度和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等。上位机(如PC和PLC)实时获得检测结果后，指挥运动系统或I/O系统执行相应的控制动作(如定位和分类)。

机器视觉是新兴的自动化市场，之所以这么说，主要机器视觉技术实际上就是利用摄像机替代人眼，图像处理软件替代大脑对生产线上产品进行质量检验或识别，它基本上由光源、镜头、摄像机、图像采集卡、图像处理器/软件以及必要的I/O所组成。机器视觉检验具有极高的效率、重复性以及精度，并且在很多情况下是人眼所无法替代的。视觉系统可以快速、准确和高可重复性地自动完成诸如部件测量和检查的工作，这样就可以帮助制造商提高产品质量和生产力。视觉系统在制造过程中的每一步都可以生成有价值的监测数据，这同时也可以帮助控制工程师扩展过程诊断的功能

计算机自动机器视觉的应用大致上可以分成定位、量测、识别、缺陷检测四大类，其中以定位的应用最为广泛。机器视觉系统可以用来检视主机板上的电子组件，也可以用来控制机械手臂，在机械手臂上加装CCD，利用影像辨识的定位，带动机械手臂来做病毒研究、药物混合等.一些高危险性的医疗研究。除了精准之外，对人类的生命也比较有安全保障。

可见机器视觉检测的速度和精确度成为机电子产品检测的新途径，这取决于以下二种类型的糸统所具特征优势。其一为图像采集的系统组件与应用软件，其二为生产车间标准的机器视觉糸统。

图像采集系统组件与软件

图像采集系统组件有图像采集硬件、驱动软件和应用软件。硬件可提供图像捕获、定时和控制功能;驱动软件通过一个标准的APl接口对硬件进行操作;应用软件可以将硬件和驱动软件结合到特定应用的解决方案中，并大大缩短开发时间。

图像采集(IMAQ)驱动软件又是支持Windows2000/NT/XP/Me/9x的IMAQ硬件的完全图象采集驱动软件。它支持所有IMAQ的硬件，可在LabVlEW，LabWindows/CVI，Measurement Studio(VisualBasic和Visual C++)中任意调用

应用开发软件具有以下模块：

·视觉开发模块(Vision Development Module)

视觉开发模块，是专为开发机器视觉和科学成像应用的工程师及科学家而设计。该模块包括视觉生成器(Vision Builder)和IMAQ视觉(1MAQVision)两部分。其中视觉生成器是交互式环境，它让开发人员无需编程，即能快速完成视觉应用的模型建立。 IMAQ视觉是—套包含各种图像处理函数的功能库。

与其他视觉产品不同，视觉生成器和IMAQ视觉软件配合工作，能简化视觉系统的软件开发工作。视觉生成器能够自动产生一个在LabVIEW环境下使用的IMAQ视觉框图(见图2)，框图包括与在视觉生成器中所进行—系列操作相同的功能。可将此框图集成到自动化或产品测试应用中，以便系统可以同时支持多种功能，如：运动控制，仪器控制，或数据采集。还可以安装LabVlEWRT，充分利用嵌入式系统功能，这将带来更高的稳定性和灵活性，及使用简易性。
 

图2 视觉框图

·光学字符辨认软件(OCR)

OCR 软件是基于计算机的工业用字符辨认软件，用来在工业处理变化不良质量图像的情况下，仍提供高速、可靠的字体阅读性能。OCR提供简单易用的功能来阅读文字字母。典型的应用包括辨认半导体芯片上的序列号、元件、电子封装、磁盘磁头、及其他小型元件。OCR软件是1MAQVision的附加工具套件。

·自动检测视觉生成器

自动检测视觉生成器是—种可配置的机器视觉软件，可利用它完成模型建立，基准设定和应用程序配置等实际应用。自动检测视觉生成器，无需编程即可升级到强大的编程环境：如LabVIEW中。它带有内置式开发界面，因此能迅速完成监视，指导和鉴定应用。该软件还包括能够建立复杂通过/失败判断，数字I/O设备控制和与PLC等串行设备通讯等程序应用的功能。利用检测视觉生成器，能完成：在交互式，菜单驱动的环境下开发机器视觉应用;自动生成LabVlEW代码; 控制数字I/O，PLC和其他串行设备;利用PCI和PXI图像采集设备和1394总线的工业像机采集图像硬件。

机器视觉系统应用举例

在机电产品生产线上的应用

通过配置机器视觉和图象处理的硬件部分，并提供相应的二次开发的软件平台，使制造商的工程师可以针对自已的产品，较容易的进行视觉识别软件开发，为—般的生产线提供较为灵活和价格相对便宜的机器视觉检测系统。如在生产自动线上对各不同规格软盘定位孔尺寸作精确的检测;又如电气电子装配中连接器的引脚间距、数目，以及进行条形码的验证和标签的检测等;并及时发现生产线上的错误并提高直通率，对每个线路板进入和离开每个流程式进行跟踪，为生产线产量的优化和有效的缺陷分析提供足够的数据。

图3为机器视觉与科学成像技术应用示意图。
 

图3 机器视觉与科学成像技术及设备及应用示意图

·生产车间标准的机器视觉糸统

该视觉系统提供了一整套完整强大有效的检测工具，表面质量检验，尺寸测量，导向定位，光学字符校验和阅读，二维码阅读。例如：其中的PATFIND定位功能提供了高精度和绝对可靠性，特别是在极其恶劣的制造环境下，如不良的灯光，或工件外观不断改变的情况下，亦能保证达到其测量精度，保证测量的重复性和可靠性，同时可通过各种参数的优化设置，快速达到检测的目的。图4为工件定位精度与尺寸测量示例图。
 

图4 用生产车间的视觉系统对工作定位孔与尺寸精度测量示例图

该一体式的用户环境是集成的视觉系统用户开发环境，类似Windows界面，它不但可更有效的进行程式开发，并提供强大的系统管理工具，使得程序设置，监控和系统管理更简单，这种视觉系统所提供的简单实用的网络型开发环境，使得基于生产车间的低成本用户更快速地开发项目。

·快速，简易的软件设置

该视觉系统不需高级语言编程，只需通过Excell表单界面进行设定操作，既快速又简易，并可在线根据产品的不同特性修改和完善程式参数，同时表单可以直接用来完成运行时的友好用户界面。

·网络使使用更简单

不管是系统的远程操控，数据的集中处理，还是简单的糸统组网，内置的以太网接口使得一切都变简单了。系统支持各类标准的网络协议和总线协议，使用这些都不需通过额外的连接工具就可直接连接到PLC等上位机进行操控。

机器视觉使探针制造与电子连接器制造中的检测实现100%自动检查

由于探针的外部形状对于成功的晶圆级测试操作十分重要，探针制造过去采用的是手动视频检测和光学比较仪结合的方法，为探针板制造上提供符合各项严格要求的探针。但是随着IC芯片的产量和对于探针的需求不断增加，这个过程显得过于耗费人力。探针检查占了整个制造时间的很大一部分，因此需要进行自动化改造. 带有运动控制的机器视觉系统集成到自动探针检查中，从而实现了更快的检测速度和更高的精度，也使得整个系统更加易于操作。该系统能够自动记录每次检测(图 5)，同时提高其可重复性，并能够提供反馈信息，方便了流程的改进。从而大大减少检查时间。
 

图5 机器视觉系统应用在探针制造检测过程中示意图

机器视觉与科学成像技术发展的新要求

检测的速度和效率应在机器视觉检测系统的易操作性和低成本维护，编程和程序维护的难易程度、人机操作交互界面掌握和使用的难易上清晰地表现出来，一句话简单易用。

应有坚固的实时紧凑视觉(CompactVision)系统。

它能为各种监测，校准，测定和识别应用提供具有灵活性，集成性和坚固性的系统。结合3个FireWire接口的高性能处理器使坚固的实时紧凑视觉系统可以应付任何监测工作。可选的多种数字I/O使系统可以和范围广泛的自动化设备通信，包括PLC、继电器和机器人。并经过设计，系统可在制造环境中常见的极端工作温度下工作。将不再受限于传统智能摄像机有限的图像处理能力，传感器尺寸和传感器的速度。

这种坚固的实时紧凑视觉系统是一个通用视觉系统，包括LabVlEW、IMAQ VisionBuilder软件，可以快速建立模型、IMAQ Vision软件、OCR软件、高性能图像采集、照相机、镜头、以及通用电源等。软件、硬件、与照相机的设计相互配合，可以更快速的进行使用开发。