电子连接器自动检测白皮书

在电子连接器（Electronic Connector）制造工业中，连接器插针的冲压速度极高。直不久以前，机器视觉（Machine Vision) 技术都还很难匹敌冲压质量检测的高速要求，实现连接器（插针）冲压质量的100% 在线检测一直是制造商们梦寐以求而难以解决的问题。

机器视觉系统难以掌握运用是制约机器视觉技术在电子工业中应用的第二个原因。幸运的是：得益于摄像和图像处理技术的发展，今天的机器视觉系统已能够以每分钟10000件的速度摄取图像；同时，创新性的人机交互技术也使得机器视觉系统越来越容易掌握和使用。所有这些都极大地促成了机器视觉检测技术在电子连接器制造工业中成功的应用。

本文详细阐述了使用PPT视觉系统对电子连接器插针冲压质量进行100% 在线检测的全过程，介绍了用以探测典型质量缺陷的视觉检测工具和检测方法，以及系统构建所采用的图形化编程语言。

1． 简介

机器视觉技术在工业实际应用中已经历了近二十年的发展，但直到最近五年，该技术才真正开始能够满足电子连接器制造业对质量检测的要求。其中，最主要的障碍就是电子连接器极高的制造速度，特别是连接器插针的冲压过程。一般情况下，插针的冲压速度接近2,000件/分钟--这样的速率是早期的机器视觉系统难以匹敌的。而新的机器视觉系统不断采用了近年来高速发展的摄像和图像处理技术，包括各种DSP（数字信号处理器）- 特别为各种数字信号的高速分析和计算而设计的芯片。这些硬软件技术的应用使得今天的机器视觉系统能够达到并超过10,000件/分钟的图像检测速率。

2．电子连接器的制造过程

电子连接器种类繁多，但制造过程是基本一致的，一般可分为下面四个阶段：

· 冲压(Stamping)
· 电镀(Plating)
· 注塑(Molding)
· 组装(Assembly)

2.1 冲压

电子连接器的制造过程一般从冲压插针开始。通过大型高速冲压机，电子连接器（插针）由薄金属带冲压而成。大卷的金属带一端送入冲压机前端，另一端穿过冲压机液压工作台缠入卷带轮，由卷带轮拉出金属带并卷好冲压出成品。

2.2 电镀

连接器插针冲压完成后即应送去电镀工段。在此阶段，连接器的电子接触表面将镀上各种金属涂层。与冲压阶段相似的一类问题，如插针的扭曲、碎裂或变形，也同样会在冲压好的插针送入电镀设备的过程中出现。通过本文所阐述的技术，这类质量缺陷是很容易被检测出来的。

然而对于多数机器视觉系统供应商而言，电镀过程中所出现的许多质量缺陷还属于检测系统的"禁区"。电子连接器制造商希望检测系统能够检测到连接器插针电镀表面上各种不一致的缺陷如细小划痕和针孔。尽管这些缺陷对于其它产品（如铝制罐头底盖或其它相对平坦的表面）是很容易被识别出来的；但由于大多数电子连接器不规则和含角度的表面设计，视觉检测系统很难得到足以识别出这些细微缺陷所需的图像。

由于某些类型的插针需镀上多层金属，制造商们还希望检测系统能够分辨各种金属涂层以便检验其是否到位和比例正确。这对于使用黑白摄像头的视觉系统来说是非常困难的任务，因为不同金属涂层的图像灰度级实际上相差无几。虽然彩色视觉系统的摄像头能够成功分辨这些不同的金属涂层，但由于涂层表面的不规则角度和反射影响，照明困难的问题依然存在。

2.3 注塑

电子连接器的塑料盒座在注塑阶段制成。通常的工艺是将熔化的塑料注入金属胎膜中，然后快速冷却成形。当熔化塑料未能完全注满胎膜时出现所谓 "漏?quot; (Short Shots), 这是注塑阶段需要检测的一种典型缺陷。 另一些缺陷包括接插孔的填满或部分堵塞（这些接插孔必须保持清洁畅通以便在最后组装时与插针正确接插）。由于使用背光能很方便地识别出盒座漏缺和接插孔堵塞，所以用于注塑完成后质量检测的机器视觉系统相对简单易行

2.4 组装

电子连接器制造的最后阶段是成品组装。将电镀好的插针与注塑盒座接插的方式有两种：单独对插或组合对插。单独对插是指每次接插一个插针；组合对插则一次将多个插针同时与盒座接插。不论采取哪种接插方式，制造商都要求在组装阶段检测所有的插针是否有缺漏和定位正确；另外一类常规性的检测任务则与连接器配合面上间距的测量有关。

和冲压阶段一样，连接器的组装也对自动检测系统提出了在检测速度上的挑战。尽管大多数组装线节拍为每秒一到两件，但对于每个通过摄像头的连接器，视觉系统通常都需完成多个不同的检测项目。因而检测速度再次成为一个重要的系统性能指标。

组装完成后，连接器的外形尺寸在数量级上远大于单个插针所允许的尺寸公差。这点也对视觉检测系统带来了另一个问题。例如：某些连接器盒座的尺寸超过一英尺而拥有几百个插针，每个插针位置的检测精度都必须在几千分之一英寸的尺寸范围内。显然，在一幅图像上无法完成一个一英尺长连接器的检测，视觉检测系统只能每次在一较小视野内检测有限数目的插针质量。为完成整个连接器的检测有两种方式：使用多个摄像头（使系统耗费增加）；或当连接器在一个镜头前通过时连续触发相机，视觉系统将连续摄取的单祯图像"缝合" 起来，以判断整个连接器质量是否合格。 后一种方式是PPT视觉检测系统在连接器组装完成后通常所采用的检测方法。

"实际位置"（True Position）的检测是连接器组装对检测系统的另一要求。这个"实际位置"是指每个插针顶端到一条规定的设计基准线之间的距离。视觉检测系统必须在检测图像上作出这条假想的基准线以测量每个插针顶点的"实际位置"并判断其是否达到质量标准。然而用以划定此基准线的基准点在实际的连接器上经常是不可见的，或者有时出现在另外一个平面上而无法在同一镜头的同一时刻内看到。甚至在某些情况下不得不磨去连接器盒体上的塑料以确定这条基准线的位置。这里的确出现了一个与之相关的论题 - 可检测性设计。

可检测性设计（Inspectablity）

由于制造厂商对提高生产效率和产品质量并减少生产成本的不断要求，新的机器视觉系统得到越来越广泛的应用。当各种视觉系统日益普遍时，人们越来越熟悉这类检测系统的特性，并学会了在设计新产品时考虑产品质量的可检测性。例如，如果希望有一条基准线用以检测"实际位置"，则应在连接器设计上考虑到这条基准线的可见性。

3. 深入了解视觉技术 - 冲压件质量检测

如前所述，电子连接器插针的冲压生产速度通常以每分钟上千件来计算。直到最近，检测速度一直都是自动质量检测系统难以克服的障碍。早期的机器视觉检测系统无法提供如此之高的100%的质量检测速度.

3.1 冲压件质量视觉检测的典型应用实例

本文以下将详细阐述一个PPT视觉系统在冲压件质量检测上典型的应用实例。尽管相近的各个应用实例由于各自检测对象插针的变化而有所不同，但多数冲压质量视觉检测系统遵循基本一致的总体构造。如前所述，插针由薄金属带冲压而成。基于不同的冲压工艺，某些插针由单台冲压机一次冲压成形，而另一些插针由多台冲压机分几次冲压成形。当金属带通过冲压机时，一些插针在冲压过程中的阻滞和定位误差会导致产生扭曲或碎裂变形的冲压缺陷。

因为冲压生产的速度极快，为避免整卷金属带报废及时地检测出冲压质量缺陷变得十分重要。随机的质量缺陷，如金属碎屑（在冲压过程中产生并粘附于金属带上），也必须被检测出来。如果被一直带到组装线上，这些金属碎屑将有可能导致设备卡塞或不合格的组装成品，甚至有更为糟糕的 - 被顾客投诉！为尽可能早地发现产品缺陷，冲压工序完成的瞬间就应该立刻进行质量检测。

PPT视觉系统能够以各种方式集成安装到现有的生产线上。如果生产线上有现成的PLC （可编程逻辑控制器），它能象控制其它传感器或机械装置一样控制PPT视觉系统的运行。这些外部的PLC也并非必需的 - PPT视觉系统自身就完全有与各种外部设备（触发传感器、废品剔除机械等）交流的能力。某些PPT的客户使得他们的视觉系统能够在一旦检测出问题时停止冲压机运行，以便操作人员排除故障。类似的其它方案，如控制喷涂枪给检测出缺陷的产品打上记号等，也能够通过PPT视觉系统轻易实现。 [page]

背光（Backlight）是一种针对检测冲压过程中典型质量缺陷的极其有效的照明手段。背光可通过在待检目标的后方布置一束散射光源来实现 - 它能使待检目标与其明亮背景之间产生强烈对比而获得清晰的具有剪影效果的检测图像。这样的理想图像通常用来测量目标物的尺寸特征，如长或宽，也用来检测目标物轮廓（形状检测）。

3.2 冲压件视觉检测系统的物料输送和部件构成

这套附加的视觉检测检测系统可以十分方便地安装到冲压机物料卷带轮系统上。冲压成形的插针送出冲压机后就能够立即被检测，再随金属带卷到卷带轮上。整套系统包括：
一副可调的开口滑槽机构，用以引导载有插针的金属带通过摄像头下方，

一台PPT-DS2摄像机，安装在该金属带上方；
一盏频闪灯和一块漫反射树脂玻璃，安装在该金属带下方；
一套光敏探测器，用以向视觉检测系统提供待测工件到位的触发信号。
一台PPT Passport视觉处理系统

下面的图2显示了系统的基本构造情况。

(图2：典型的冲压件质量视觉检测系统的设备布局)
（Take-up reel - 卷带轮，Camera - 摄像机，sensor - 传感器，
Carrier strip with contacts - 冲压插针金属带，Stamping press - 冲压机，
Guide block and strobe light - 导引块和频闪灯）

当冲压成形的插针随金属带送出冲压机后，它们经由导引块穿过视觉检测系统并通过漫反射树脂玻璃前方。对于每个插针的到来，光敏探测器都会向检测系统提供一个触发信号，接通频闪灯，拍摄图像，开始执行检测。采用频闪灯的目的是避免金属带每次都要在摄像头前停下来。　在现有冲压生产线的集成上述视觉检测系统只需对冲压工段做少许改动。

3.2.1 局部扫描（Partial Scanning）

为了达到最大的图像分辨率和简化触发执行方案，每个插针的图像通常都要单独拍摄并检测，即视觉系统每次只检测一个插针而非多个。当系统以每分钟数千个插针的检测速度运行时，使用局部扫描技术和可重置摄像机就变得十分重要。PPT视觉系统使用的PPT-DS2摄像机具有"双速扫描（Double-scan）"模式，该模式下摄像机能够在16.7毫秒时间内获取一整幅全解析度（640x480）逐行扫描的图像 - 比标准的RS-170摄像机速度高两倍。

然而在许多冲压件质量检测的应用实例中，这样的速度仍旧太慢，因此PPT视觉系统使用了称?quot;局部扫描"的技术来进一步减少图像获取总的时间。使用局部扫描技术的摄像机只对有限数目的扫描行进行图像扫描--扫描行越少，图像获取的速度越快。扫描行数目不是固定的，可随使用者的意图改变。例如，扫描480行图像需耗时16.7毫秒，若设置摄像机使其仅仅扫描前120行则只需扫描时间4.18毫秒。因为仍然使用了水平方向上的全部分辨率，局部扫描非常适合于那些外形尺寸在一个方向上远大于另一个方向的目标物，如插针等。

下面的图3给出了局部扫描技术的原理。

图3：PPT-DS2摄像机扫描模式：整幅双速扫描和局部扫描。 单位：Pixels - 像素
（左图 - 全解析度双速扫描模式：在16.7毫秒内获取整幅（640x480）图像）；
（右图 - 局部扫描模式的例子：在4.8毫秒内获取部分（640x120）图像，未经扫描的图像区域保持为空白）

一般情况下，冲压件质量缺陷包括插针的变形或扭曲、多余的金属粘附（金属碎屑）和外形尺寸的误差等。视觉系统可识别的一些冲压插针的典型质量缺陷如图4所示。

（Twisted contact　- 插针扭曲，Metal flash - 属粘附碎屑，
Crushed contact - 触点挤压变形，Thin contact - 插针过细）

3.2.2 视觉检测工具（Vision tools）

由于受到各种机械和电子干扰或迟滞的影响，每次在被视觉系统捕获到的图像上，待测零件（插针）的位置都会有变化。因此在进行零件检测之前，系统首先必须在视野范围内寻获目标零件的位置。PPT视觉系统采用名为"原点"（Origin Tool）的视觉检测工具来获得屏幕上目标零件的位置和角度。这个工具由图像上的三个相互垂直交叉的ROI (Region of Interest)　"感兴趣的区域" 坐标组成。这些ROI将告诉视觉系统在哪里寻获目标和寻获的信息。第一和第二个ROI采用对比检测方法 (Contrast Sensing) 以获得目标零件的边的信息，并计算出起始角度；再加上第三个ROI（垂直方向）所获得的边的信息, 来共同确定目标零件在图像平面上的位置和角度。

图5：三个ROI坐标 - 检测插针在其背光图像中的位置
（Primary ROI - 第一个ROI，Secondary ROI - 第二个ROI，Perpendicular ROI - 垂直ROI）

插针的这几个位置边缘坐标和起始角度将传送给后续的一些视觉检测工具并用以校准它们的ROI相对于插针顶端的位置。

"模板"（Template）工具提供一种简单的手段以检测插针是否变形或扭曲以及插针外形之间的一致性。该工具非常适合于检测零件的基本外形。由于视觉系统主要采用"金规"（标准零件）图像作为自教的初始化方式，模板工具也因此极易建立。用户只需简单地划定一个覆盖整个插针图像的特征区，并通知系统忽略所有在给定灰度级范围之外的像素，系统就能据此"学习"而产生一个点阵图像模板。此后，只有那些在此特征区内并为模板所"激活"的像素才被检测。若所有?quot;激活"的像素都在用户定义的灰度范围之内，则模板工具检测通过。示例如图6，所有覆盖在模板之下的像素（图中以单灰色显示）都应是黑色的；若存在插针变形或扭曲，那么这些像素中就会有一部分因此变亮而无法通过模板检测。

图6：模板工具--检测插针变形缺陷以及形状校验
（Template of "turned ON" pixels - 像素"激活"的模板，Gird of ROIs - ROI网格：视觉系统仅仅检测那些限在特征区内并被模板所"激活"的像素）[page]

"辅助模板"（Complementary Template）此工具可用于检测目标物（插针）的周围区域。示例如图7。

图7：辅助模板 - 检测插针周围区域以及是否有粘附碎屑

若插针上有冗余金属或金属碎屑，其图像上就会有黑色像素出现而通不过辅助模板工具检测。

外形尺寸及误差是由"量规"（Gauges）等工具检测。量规工具有像素精度和亚像素精度两种。对于常见的典型冲压件缺陷，像素精度级量规就能达到较令人满意的检测效果。例如，视野范围为13mm x 10mm的图像能使系统达到 +/- 0.0203mm的检测分辨率（13mm/640像素数 = 0.0203 mm/像素）。显然，图像视野越小，系统分辨率越高。

Sub-pixel Line Gauge Tool (亚像素量规) 检测精度能达到1/4像素（标准差）。它可以完成同一目标物的多个检测项目，也可多次执行同一检测项目。即定义一种检测项目并使其在某个选定图像区域内重复执行。特别是对于沿一个系列中心检测多个目标的任务，该功能非常有效。Sub-pixel Line Gauge Tool采用连通性分析算法来检测图像边缘，可达到亚像素级的检测精度。系统做初始化时，用户即可在 "金规"（即标准零件）图像上指定两条边缘并告诉系统测量这两条边缘线之间的距离。之后的实际生产检测中，系统将测量每个零件相应的边缘线之的距离，如果这个距离在给定范围内，检测通过；否则不予通过。那么视觉系视觉能检测哪些尺寸误差呢？这个问题将完全取决于所检测图像的实际状况。图8标出了一组Sub-pixel Line Gauge Tool的ROI的位置，以及制造商希望能被检测的几种典型尺寸。

图8：Sub-pixel Line Gauge Tool　- 检测外形尺寸的误差
（一组Sub-pixel Line Gauge Tool 的ROI 的位置，用以测量插针多个截面的
宽度和纵向总长）

"反差工具"（Contrast Tool）可以用来检测多种前面已讨论过的质量缺陷。该工具利用ROI来判断区域内的灰度级是否存在反差 - 有反差则可证实目标特征存在，无反差则表明目标特征（如金属碎屑）不存在。

上述各种视觉检测工具一旦开始运行，系统将通过内置的Opto22输出模块把检测结果（成功/失败的信号）送到生产线上其它设备。例如在一个典型的冲压件质量检测实例中，若视觉系统检测到一个有缺陷的零件，则检测失败信号会立刻送到冲压机控制器以停止冲压机运行。同时，操作人员会收到一个示警信号。只有在造成质量缺陷的原因查明并解决之后，操作人员才能开动冲压机重新生产。

上述各种视觉检测工具的检测结果还将被收集并显示在操作屏幕上；或者为了进一步的统计分析而输出到运行于主机上的其它软件，如电子数据表格或统计过程控制（SPC）程序。

3.2.3 视觉检测系统编程

PPT所有型号的机器视觉系统都装有PPT的视觉程序管理软件 - VPM (Vision Program Manager)。VPM采用图形化的编程语言，使用户不必掌握计算机编程语言就能极为自由地创建各种视觉检测程序。VPM有两种截然不同的运行模式：编辑模式（Edit Mode）和 执行模式（Run Mode）。

编辑模式下，用户首先编辑检测程序以指示视觉系统该做些什么。在此过程中，用户不必敲入一行行的指令代码，只需抓取各种图标并将它们拖放组合到一起成为可视化的流程图。这里的每个图标都代表了一种基本的机器功能。用户还可以用各种颜色的线条连接这些图标，以此指明整个检测过程中的执行顺序和数据流动路线。最后，设置每个图标特定的功能参数。

编辑完检测程序后，用户可创建自己个性化的 "控制面板"（Control Panels）。这些面板是供车间操作人员在生产线上使用的。利用前述创建检测程序时所用的点击组合方式，用户在很短时间之内就能创建这些面板。一个面板中所有组件的形状、位置、标识和颜色都可按照用户喜好进行修改；多个面板也可同时创建并链接在一起。用户可以完全自主地设计操作面板，并加密码保护，以限制车间操作人员对检测程序干与能力。

VPM通常都在执行模式下运行。上述控制面板此时将被显示并激活，车间操作人员通过集成安装的触摸屏使用该控制面板。通过触摸屏上的各种按钮，操作人员能够启动视觉检测系统、使系统离线运行、加载各种检测文件以及系统设计者所设置的所有其它功能。

前文所述的冲压件质量检测系统的流程可以用VPM的图形化编程语言给出，如图9所示。Camera Tool - 整个检测流程由摄像机工具开始，
Origin Tool - 原点工具确定零件在视野中的位置，
Template tools - 模板工具，
Sub-pixel Line Gauge Tool
Parallel Output Tool - 若任何检测工具检测失败，并行输出工具向冲压机发送"停机"信号。

摄像机工具（Camera Tool）指定整个检测流程由摄像机开始。原点工具（Origin Tool）确定每个插针在摄像机视野中的位置和角度，并将此信息提供给后续各个检测工具。两组模板工具（Template Tool）分别检测插针是否存在变形、扭曲或金属碎屑和触点形状的一致性。亚像素量规（Sub-pixel Line Gauge）检测插针有关的形状尺寸误差是否合格。一个量规工具就可以度量出几个尺寸数据。

图中的流程线规定了所有检测工具的执行顺序，即只有当前一个工具检测通过后，后一个工具才可以执行。如果任何一个工具检测不能通过，那么并行输出工具（Parallel Output）将按照流程线规定向冲压机控制器送出失败信号，冲压机立即停止运行。尽管所有的检测工具都有各自的检测失败/成功/执行的计数器，但每个零件的检测都会首先触发原点工具，所以总的检测零件数将由原点工具(Origin Tool) 的执行计数器给出。

3.2.4 安装视觉检测系统可能遇到的问题

安装一套视觉检测系统时大多会遇到一些问题。以前，PPT在安装冲压件质量检测系统时就多次遇到过同一个障碍：当物料运输机构清理干净后，摄像机和频闪灯就能马上安装在卷带轮前方，然而在试运行时竟出现系统的检测速度明显跟不上生产节拍 - 尽管此时冲压连续生产的速度并没有超出系统检测速度的极限。经过分析研究发现，这种 "超速"（Overrun）问题是由于卷带轮不规则的转速所引起。当运输金属带出现松弛时，卷带轮加速运转以张紧运输带；松弛一旦消除，卷带轮的转速又放慢下来。由于卷带轮设计上的转速总是落后于运输带，因此每次卷带轮张紧运输带后减速都重新造成运输带的大段松弛。其结果导致了运输带通过视觉检测系统导引块时不规则、突然地加速运动，有时甚至超出了视觉系统的检测速度极限。"超速"问题的解决方法是仔细地调整卷带轮的转速。只要能消除运输金属带运动过程中的不规则突变，视觉检测系统就能够保持与冲压生产速度的同步。

残留在插针上的润滑油给视觉检测系统带来另一个问题。金属带在通过冲压过程中需要足够的润滑，可是这些润滑油滴也会经常粘附在冲压后的插针上。若它们被视觉检测系统误认为是金属粘附碎屑，则将导致检测误判。为了解决这个问题，可以在插针触点未到达检测系统之前安装一副气流喷扫装置以清除零件上残留的润滑油。

4. 总结

当前，机器视觉系统为电子连接器制造工业中四个阶段（冲压、电镀、注塑和组装）的质量检测提供了非常出色的解决方案。以冲压工艺为代表的高速制造过程要求检测系统有极高的检测速度，这一直是制约电子连接器制造工业实现全面自动化质量检测的主要障碍。可喜的是，得益于摄像和图像处理技术的进步，视觉系统今天终于有足够的能力达到10,000件/分钟的在线检测速度。

与此同时，机器视觉系统应用技术的进步使得其使用已极为方便。值得注意的是，当评估在生产线上安装机器视觉系统的可行性时，电子连接器的主要制造商们越来越多地把机器视觉系统易于安装维护作为了一个主要的因素来考虑。

过去的五年中，许多成功安装的机器视觉系统已开始在市场上出现。这些已在电子连接器制造业中安装使用的视觉系统极大地减少了废品率，防止了质量不合格产品到达客户手里，为制造商带来了丰厚的投资回报。多数情况下，用于安装视觉系统的投资在几个月里就能够收回。