1 引言
上帶機是電子元器件生產(chǎn)廠家用于對成品進行電氣測試并剔除不良品，以及極性排列，正位后自動包裝的一種自動化程度很高的機械。舊有的設計是不帶機器視覺功能的，其工作原理如圖1所示:

圖1 傳統(tǒng)上帶機工作原理示意圖

料盤上的產(chǎn)品壞料數(shù)量非常多，檢測儀器可靠性不高，并且由于工藝原因產(chǎn)品在料帶上會出現(xiàn)側(cè)翻、背翻、和極性倒置的現(xiàn)象，因此對上帶機的工作穩(wěn)定性和效率提出了較高要求。傳統(tǒng)的不帶機器視覺檢測技術的上帶機存在以下幾個重要弊病:
(1) 人員浪費
上帶的前道工序?qū)ξ锪线M行電氣測試，不良品用油漆或墨水做上標記，并由工人在上帶工序開始之前將有標記的物料剔除。由于料盤上存在較多壞料，需要大量的人工用肉眼將壞料取出來。
(2) 效率較低
料盤上的壞料被人工提走之后，料盤上會留下許多空位，而原來的設備在工作時電機是按固定步距前進，會在每個空位上去拾取并不存在的物料，造成不必要的時間浪費。
(3) 生產(chǎn)合格率低
因為受到人的個體差異、容易疲勞及情緒等影響，料盤上壞料的提取肯定存在錯判或漏判的現(xiàn)象。另外由于工藝等原因，機器在放料到膠帶上時還會出現(xiàn)側(cè)翻、背翻、和極性倒置的現(xiàn)象。這些勢必會影響到產(chǎn)品最終的質(zhì)量。

引入機器視覺技術的上帶機采用圖像識別技術對壞料進行視覺識別，對合格產(chǎn)品進行定位且實現(xiàn)靈活導航，對包裝后的產(chǎn)品進行實時檢測，有效地避免了上述種種問題，使得生產(chǎn)穩(wěn)定性及效率得到極大的提高。增加視覺系統(tǒng)后的工作原理如圖2所示:

圖2 增加鏡頭后的上帶機工作原理示意圖

2 整機結(jié)構(gòu)及工作原理
采用機器視覺技術的上帶機結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示:

圖3 上帶機結(jié)構(gòu)框圖

上帶機控制系統(tǒng)采用上下位機方式進行，上位機采用工業(yè)PC機(IPC)，下位機采用PLC，雙方以串口方式實現(xiàn)通信。下位機為實際工作控制部分，與各物理信號連接，實現(xiàn)對硬件的直接操作;上位機為人機界面及視覺檢測部分，實現(xiàn)人機交互操作，圖像定位、分析及導航。
上帶機主要的工作分2個工序完成。

(1) 第一道工序為掃描工序
掃描工序由工業(yè)計算機IPC、CCD攝像頭、圖像采集卡和光源、鏡頭等組成的基于PC的機器視覺子系統(tǒng)，對料盤(Wafer)上的產(chǎn)品進行拍照，然后由視覺分析軟件對采集到的圖像(Image)進行模式匹配，輸出相機視野內(nèi)所有實例(Instance)產(chǎn)品的位置信息，如X、Y坐標，產(chǎn)品合格信息等等。由視覺系統(tǒng)完成晶片的定位分析后，程序記錄下所有合格產(chǎn)品所在的坐標位置。

(2) 第二道工序進行產(chǎn)品的拾取和料帶產(chǎn)品的檢測
根據(jù)第一道工序得出的合格產(chǎn)品位置信息，求出下一個產(chǎn)品的坐標值，并將該產(chǎn)品的坐標換算成XY平臺的運動步長，由串口發(fā)送到下位機，PLC程序驅(qū)動電機走到相應的位置，然后啟動搖桿拾取產(chǎn)品，產(chǎn)品拾取成功后，下位機通知IPC開始檢測料帶產(chǎn)品，此時IPC開始對料帶產(chǎn)品進行拍照、定位并且分析，如果產(chǎn)品不合格則立即彈出對話框提示用戶對料帶上產(chǎn)品進行糾正。

因為系統(tǒng)在拾取產(chǎn)品時必須同時檢測料帶上的元件狀態(tài)，如果同時還要檢測料盤產(chǎn)品，時間勢必會增長，從而影響到取料桿的取料速度，采用離線提前對料盤產(chǎn)品掃描的方式解決了此問題，它通過掃描分析事先記錄下所有合格產(chǎn)品坐標位置，在拾取產(chǎn)品時，系統(tǒng)則無需再對料盤產(chǎn)品進行取圖和分析，大大節(jié)省了時間以便進行料帶產(chǎn)品的定位和分析。

取料桿在工作過程中可能要做四步工作，(如圖1用數(shù)字符號標明的1,2,3,4所示)首先到料盤上取料，接著將產(chǎn)品放到電氣檢測臺上進行測試，第三步棄料工作則只在產(chǎn)品不合格時進行，最后將合格產(chǎn)品放置到料帶上。

3 IPC軟件系統(tǒng)分析
(1) 功能需求
IPC進行視覺定位，導航及檢測控制，在該控制系統(tǒng)中被稱為上位機。IPC軟件要求實現(xiàn)對圖像的采集、定位、黑點(Ink Die)分析，對產(chǎn)品的導航，與下位機的通信，生產(chǎn)情況記錄等功能。圖像處理及導航時間必須控制在100ms以內(nèi)。生產(chǎn)情況記錄必須每天以不同文件采用數(shù)據(jù)庫形式保存。

圖像檢測分為兩部分，第一部分實現(xiàn)產(chǎn)品上墨點(Ink)的檢測，剔除有墨點元件;第二部分實現(xiàn)料帶上元件檢測，判斷產(chǎn)品的有無或產(chǎn)品姿態(tài)是否合格。
(2) 軟件主框圖
掃描工序軟件框圖如圖4所示，拾取產(chǎn)品及產(chǎn)品檢測軟件框圖如圖5所示:

圖4 掃描工序軟件框圖


圖5 拾取產(chǎn)品及產(chǎn)品檢測軟件框圖

(3) 實現(xiàn)方案
視覺定位部分是在HexSight視覺軟件包的基礎上進行的二次開發(fā)，導航部分采用Visual C＋＋進行編程。 HexSight軟件包是Adept公司出品的一款高性能的機器視覺開發(fā)包，其定位精度高，一次識別只需不到30ms，支持VB，VC＋＋等流行編程軟件，容易進行二次開發(fā)。

光源采用的是新加坡東冠科技生產(chǎn)的RIN－70－3R－30。鏡頭采用視覺龍公司的VD07－140定倍鏡頭。視頻卡則使用的是Matrox的Meteor2，其可接12路視頻信號，兩路數(shù)字輸入和數(shù)字輸出，分辨率達768*576。由于該卡程序已經(jīng)由Hexsight軟件綁定，所以無需編程即可實現(xiàn)兩者的連接。
(4) 子模塊介紹
·圖像采集
圖像采集模塊通過Hexsight里面提供的的HSA cquisitionDevice控件實現(xiàn)，它實現(xiàn)采集卡的軟件接口，圖像的捕獲，鏡頭參數(shù)的調(diào)校及補償?shù)戎T多功能，是第一道工序，也是必做的工序。其部分界面如圖6所示:

圖6 圖像采集界面圖

·產(chǎn)品定位
通過Hexsight的HSLocator實現(xiàn)，它主要提供圖像引入，模板制作及匹配參數(shù)設定等功能，其部分界面如圖7所示:

圖7 產(chǎn)品定位界面

·產(chǎn)品合格分析，即Ink 產(chǎn)品的查找
通過Hexsight里的HSBlobAnalyzer實現(xiàn)，其主要對圖像中的斑點進行設置及計算，部分界面如圖8所示:

圖8 Ink 產(chǎn)品的查找界面

·導航
導航方法為自行設計的拾取產(chǎn)品時的移位規(guī)則。大致原理:在第一道掃描工序完便記錄下所有合格產(chǎn)品的位置，進入第二道工序后系統(tǒng)對合格產(chǎn)品位置進行分析，走位依照從下到上，從左到右(換行后從右到左)的順序，一般只走到合格產(chǎn)品位置，如果相鄰的合格產(chǎn)品間距超過5個，系統(tǒng)為防止電機步距過大，會將超過5個的步長按照一定算法分為N個短步來走，這樣取料桿勢必會在壞料或空位上停留一次，但上位機在此之前會發(fā)送指令指示該位置為空或壞料，所以PLC此時不會啟動料桿前端的吸嘴吸取產(chǎn)品。系統(tǒng)拾取完成一行最后一個合格產(chǎn)品時會換行并改變電機X軸的前進方向，直到全部產(chǎn)品拾取完畢。
·通信模塊
上下位機間的通信主要為Rs-232串行通信方式。產(chǎn)品偏移值、產(chǎn)品合格信號及電機到位信號都以串行通信方式實現(xiàn)。

4 應用狀況及測試結(jié)果分析
(1) 程序主界面圖
上位機應用程序采用VC++6.0實現(xiàn)，主界面如圖9所示:

圖9 上位機程序主界面

(2) 效果
·該程序界面簡潔友好，使用方便，功能較為齊全。分為普通用戶級和高級用戶級兩種參數(shù)設置模式;
·部分設置采用密碼限制，保護程序的使用安全;
·程序采用模擬圖方式實時顯示產(chǎn)品合格情況及系統(tǒng)拾取產(chǎn)品狀態(tài);
·每天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動以數(shù)據(jù)庫形式保存，方便查看和統(tǒng)計。
經(jīng)過一段時間的使用測試，統(tǒng)計得出性能如附表。
該系統(tǒng)能快速定位并識別合格與不合格產(chǎn)品，各項性能指標都可以滿足甚至超出生產(chǎn)的預期要求。

5 結(jié)束語
本系統(tǒng)采用了以機器視覺系統(tǒng)IPC為上位機，運動控制及過程控制PLC為下位機的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，視覺系統(tǒng)PC提供定位信息，PLC控制運動及生產(chǎn)過程，兩者通過RS－232串口通訊傳遞運動數(shù)據(jù)和狀態(tài)檢測/控制信號。集成的系統(tǒng)有效地克服了原有系統(tǒng)的種種問題，使得生產(chǎn)精度，穩(wěn)定性及效率得到了極大的提高。該上帶機已批量生產(chǎn)，投產(chǎn)后性能一直十分穩(wěn)定。
文中介紹用先進的機器視覺技術改造傳統(tǒng)的生產(chǎn)設備，將PC式視覺系統(tǒng)引入原來由PLC控制的機構(gòu)，使之發(fā)揮更大的效能，具有一定的代表性。

參考文獻
［1］顏發(fā)根,丁少華,陳樂,劉建群. 基于PC的機器視覺系統(tǒng)［J］. PLC＆FA,2004，(7):129-140.
［2］姚強,丁少華,顏發(fā)根,陳樂,劉建群. 機器視覺技術在裝片機中的應用［J］. PLC＆ FA,2004,(9):99-105.
［3］HexSight 用戶手冊［Z］.

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