专利名称：自动光学检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及光电检测技术，特别涉及一种自动光学检测系统及方法，用于检测和管理工件及其表贴件，实现对工件及其表贴件安装缺陷的自动检测。
背景技术：
近十年，自动光学检测系统(AOI)被大量地运用在表面贴装印刷电路板生产线上。AOI系统的应用克服了人工检测劳动强度高、眼睛易疲劳、漏验率高、人为因素影响大等弊端，大大提高了检测速度和质量，提高了生产效率，降低了生产成本。随着工业铸件的发展，其安装孔和表贴件安装密度更大，传统的检测技术在技术和速度上都不能适应新的工件质量控制和安装表贴件质量控制，生产规模的海量化给在线的生产质量控制与检测带来了很大的挑战。 目前，工件及表面贴装元件具有种类多，形状各异、颜色不同的特点，由于现有的光学检测装置设计局限，不可能完全适合所有表面贴装元件的检测，因此，现有的光学检测装置对形状各异、颜色不同的表面贴装元件的检测，导致出现许多问题和难点，所以需要一种用于工件及表面贴装元件质量控制的自动光学检测系统(AOI)，实现对工件及其表贴件安装缺陷的自动检测，从而弥补现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的就是针对现有设计存在的不足，提供一种自动光学检测系统设计方案，系统集成多相机、光源控制器、LED光源、PLC、计算机等设备，通过采用多相机对工件多个表面进行安装孔和表贴件的检测，采集图像，自动控制工件组装件的装配质量，实现对工件及其表贴件安装缺陷的自动检测，从而提高检测速度和质量，提高生产效率，降低生产成本。本发明是通过这样的技术方案实现的自动光学检测系统，包括机械系统和控制系统，其特征在于，所述机械系统主要由支架、检测平台、图像采集箱、气缸定位组件和工件托盘构成；
所述控制系统主要由图像采集组件、光源控制器、LED光源、单片机、PLC模块和计算机构成；
支架作为支撑检测平台和气缸定位组件的基架，支架上固定检测平台，检测平台上加工有矩形开口，开口处安装有滚珠滑动平台，滚珠滑动平台用于工件托盘移动和定位，检测平台的平台上设有两个定位销导向孔；两个定位销导向孔与滚珠滑动平台两个边相邻；气缸定位组件包括两个水平安装在检测平台侧面的气缸X和气缸Y，气缸Xl和气缸Y的缸体相互垂直，通过连接件固定在支架上；气缸X的活塞杆连接X向顶杆，气缸Y的活塞杆连接Y向顶杆；χ向顶杆和Y向顶杆用于顶推工件托盘；
气缸定位组件还包括两个安装在检测平台下面的气缸Z，两个气缸Z竖直向上，其活塞杆上分别固定X向定位销和Y向定位销；χ向定位销和Y向定位销分别与检测平台上的两个定位销导向孔位置对应；两个定位销导向孔分别与X向定位销和Y向定位销滑动配合；x向定位销和Y向定位销分别由两个气缸Z控制升降；
检测平台的右侧设有工件托盘滑入的进口导杆，左侧设有工件托盘滑出的合格品出口导杆，前侧设有工件托盘滑出的不合格品出口导杆；
工件处于检测初始状态时，将工件放置在工件托盘内，由计算机向PLC发出定位工件信号，PLC控制气缸X和气缸Y工作，同时，PLC控制X向定位销和Y向定位销抬起，通过X向顶杆、Y向顶杆顶推和X向定位销和Y向定位销的限位作用，使工件托盘精确定位；
图像采集箱为一箱体结构，箱体的下底敞口，箱体的四个侧面的下边沿均加工有缺口，缺口的宽度大于工件托盘的宽度，缺口的高度大于工件托盘的高度，箱体的四个侧面的下边的缺口作为工件托盘的滑入和滑出的窗口 ；其中，与气缸X对应的缺口为合格工件窗口，与气缸Y对应的缺口为不合格工件窗口；
图像采集箱置放在检测平台的上面，图像采集箱内固定顶部、侧部和底部安装有可调相机支架，侧部安装有可调光源支架，顶部相机支架、侧部相机支架、底部相机支架、可调光源支架上分别固定顶相机、侧相机、底相机及LED光源板；
所述控制系统的图像采集组件包括多个机位的数字相机，数字相机通过安装在计算机扩展插槽中的1394采集卡与计算机连接；由多个机位的数字相机同时采集图像，图像信号传送给计算机，单片机通过串口与计算机通信，由计算机控制单片机，通过单片机I/O端口控制气缸定位组件中的气缸动作；
计算机中包括检测系统软件，检测系统软件包括零件检测模块和数据库管理模块；检测开始前，由零件检测模块获取待检工件的模版数据，建立模版数据库，模版数据库数据来源于多个机位的数字相机同时采集一个合格工件的图像信号，将合格工件的图像信号作为检测相同待检工件的图像信号的比对标准；
检测开始后，零件检测模块将获取被检测工件数据，将被检测工件数据和模版数据库数据进行比对，然后把检测结果存放在结果数据库，被检测工件数据来源于多个机位的数字相机同时采集检测工件的图像信号；
计算机检测系统软件根据比对结果，将检测结果信息传送给单片机，单片机接受检测结果信息，经单片机程序处理，通过单片机的一个I/O端口向PLC模块的一个数字量输入端置高电平，由PLC模块的继电器输出端控制相应的气缸动作；
当被检测工件为合格工件，单片机程序驱动PLC动作控制气缸X动作，将工件从合格工件窗口顶出
当被检测工件为不合格工件，单片机程序驱动PLC动作控制气缸Y动作，将工件从不合格工件窗口顶出。自动光学检测系统的检测方法，包括步骤如下
a)工件经过流水线传送到检测位置；
b)系统顶相机检测到工件进入检测平台；
c)计算机通过单片机向PLC发出定位工件信号，PLC控制2个定位销抬起；
d)计算机通过单片机向PLC发出定位工件信号；
e)PLC推动定位气缸把工件推到定位位置；
f)工件到位后，顶相机开始采集图像；g)首先粗定位，然后顶相机寻找工件上的定位孔，找到后利用定位孔对工件图像进行校准；
h)对校准后的图像定位被检工件；
i)对定位好的被检工件与预存的工件模版数据进行比对； j)判断被检工件特征及组件
A、当被检工件合格，向PLC发出合格指令，气缸X和气缸Y退回，PLC控制合格推出窗口定位销落下，然后控制气缸X把工件从合格窗口推出；
推出后，PLC控制气缸回位，控制定位销升起，系统语音报警工件检测合格，存储工件图像并记录工件组件特征；
B、当被检工件不合格，向PLC发出合格指令，定位气缸X和气缸Y退回，PLC控制不合 格推出窗口定位销落下，然后控制气缸Y把工件从不合格窗口推出；
推出工件后，PLC控制气缸X和气缸Y回位，控制定位销升起，系统语音报警工件检测不合格，存储工件图像并记录工件组件特征。本发明有益效果用于工件及其表贴件质量控制的AOI系统，基于机器视觉的检测技术，具有非接触、多维检测、快速高效准确等特点，可有效检测和管理工件及其表贴件，实现对工件及其表贴件安装缺陷的自动检测，控制工件的质量，主要用做各种刚性工件及表贴件安装缺陷检测；
利用PLC控制两个气缸，实现待检工件高精度定位，通过图像采集组件获取被检测工件图像信息，由检测系统软件的零件检测模块对图像数据进行信息比对，进行优缺品判别，利用PLC控制两个气缸实现工件分选过程的自动化，大大提高了整条生产线的自动化程度，省去了人工处理的诸多问题，并提高生产效率。
图I是本发明控制系统框 图2是软件框架结构 图3主要流程 图4是自动光学检测系统主视 图5是自动光学检测系统俯视 图6是机械系统立体图A ；
图7是机械系统立体图B ；
图8是机械系统局部立体 图9是工件定位状态时气缸位置 图10是顶出合格工件时气缸位置 图11是顶出缺陷工件时气缸位置 图12是滚珠滑动平台示意 图13是顶相机及其支架示意 图14是侧相机及其支架示意 图15是底相机及其支架示意 图16是光源及其支架示意图。
图中1.支架，2.检测平台，3.图像采集箱，4.气缸定位组件，5.工件托盘，6.滚珠滑动平台；7.进口导杆，8.合格品出口导杆，9.不合格品出口导杆，10.顶部相机支架，11.侧部相机支架，12.底部相机支架，13.可调光源支架；41.气缸X，42.气缸Y，43.气缸Ζ。
具体实施例方式为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明
如图I至图16所示，自动光学检测系统，包括机械系统和控制系统，机械系统主要由支架I、检测平台2、图像采集箱3、气缸定位组件4和工件托盘5构成；
控制系统主要由图像采集组件、光源控制器、LED光源、单片机、PLC模块和计算机构 成；
支架I作为支撑检测平台2和气缸定位组件4的基架，支架I上固定检测平台2，检测平台2上加工有矩形开口，开口处安装有滚珠滑动平台6，滚珠滑动平台6用于工件托盘5移动和定位，检测平台2的平台上设有两个定位销导向孔；两个定位销导向孔与滚珠滑动平台6两个边相邻；
气缸定位组件4包括两个水平安装在检测平台侧面的气缸Χ41和气缸Υ42，气缸Χ41和气缸Υ42的缸体相互垂直，通过连接件固定在支架I上；气缸Χ41的活塞杆连接X向顶杆，气缸Υ42的活塞杆连接Y向顶杆；Χ向顶杆和Y向顶杆用于顶推工件托盘5 ；
气缸定位组件4还包括两个安装在检测平台下面的气缸Ζ43，两个气缸Ζ43竖直向上，其活塞杆上分别固定X向定位销44和Y向定位销45 ；Χ向定位销44和Y向定位销45分别与检测平台2上的两个定位销导向孔位置对应；两个定位销导向孔分别与X向定位销44和Y向定位销45滑动配合；Χ向定位销44和Y向定位销45分别由两个气缸Ζ43控制升降；检测平台2的右侧设有工件托盘滑入的进口导杆7，左侧设有工件托盘滑出的合格品出口导杆8，前侧设有工件托盘滑出的不合格品出口导杆9 ；
工件处于检测初始状态时，将工件放置在工件托盘5内，由计算机向PLC发出定位工件信号，PLC控制气缸Χ41和气缸Υ42工作，同时，PLC控制X向定位销44和Y向定位销45抬起，通过X向顶杆、Y向顶杆顶推和X向定位销44和Y向定位销45的限位作用，使工件托盘5精确定位；
图像采集箱3为一箱体结构，箱体的下底敞口，箱体的四个侧面的下边沿均加工有缺口，缺口的宽度大于工件托盘5的宽度，缺口的高度大于工件托盘的高度，箱体的四个侧面的下边的缺口作为工件托盘的滑入和滑出的窗口；其中，与气缸Χ41对应的缺口为合格工件窗口，与气缸Υ42对应的缺口为不合格工件窗口 ；
图像采集箱3置放在检测平台2的上面，图像采集箱3内固定顶部、侧部和底部安装有可调相机支架，侧部安装有可调光源支架，顶部相机支架10、侧部相机支架11、底部相机支架12、可调光源支架13上分别固定顶相机、侧相机、底相机及LED光源板；
控制系统的图像采集组件包括多个机位的数字相机，数字相机通过安装在计算机扩展插槽中的1394采集卡与计算机连接；由多个机位的数字相机同时采集图像，图像信号传送给计算机，单片机通过串口与计算机通信，由计算机控制单片机，通过单片机I/O端口控制气缸定位组件中的气缸动作；计算机中包括检测系统软件，检测系统软件包括零件检测模块和数据库管理模块，检测开始前，由零件检测模块获取待检工件的模版数据，建立模版数据库，模版数据库数据来源于多个机位的数字相机同时采集一个合格工件的图像信号，将合格工件的图像信号作为检测相同待检工件的图像信号的比对标准；
检测开始后，零件检测模块将获取被检测工件数据，将被检测工件数据和模版数据库数据进行比对，然后把检测结果存放在结果数据库，被检测工件数据来源于多个机位的数字相机同时采集检测工件的图像信号；
计算机检测系统软件根据比对结果，将检测结果信息传送给单片机，单片机接受检测结果信息，经单片机程序处理，通过单片机的一个I/o端口向PLC模块的一个数字量输入端置高电平，由PLC模块的继电器输出端控制相应的气缸动作； 当被检测工件为合格工件，单片机程序驱动PLC动作控制气缸X41动作，将工件从合格工件窗口顶出
当被检测工件为不合格工件，单片机程序驱动PLC动作控制气缸Y42动作，将工件从不合格工件窗口顶出。主要的技术参数包括
单片机采用STC89C51RC单片机；
PLC 采用 JMDM-PLC20DI0MT PLC 控制器；
2个130w 1394接口相机，分辨率1280*1024，像素尺寸5. 2um*5. 2um ;传感器类型CMOS，输出颜色Bayer彩色，光学尺寸1/2英寸。I个usb接口的底相机，相机分辨率>640 X 480 ;两个8mm镜头，镜头直径与焦距之比的最大值为I: I. 4，图像最大尺寸8. 8mmX6. 6_，光圈Fl. 4 F16C，焦点O. Im Inf ；
上相机安装于顶面中心，高度可调；
侧面相机位于侧面，高度可在100-650mm范围内调节，倾角可调。底相机距离底面30 80mm ;配两个条形光源尺寸(长X宽X高)大于(212 X 44 X 22mm)，安装高度、倾角及光照亮度均可调、无闪烁；
配一个光源控制器控制LED光源。检测的工件尺寸大于400mmX 300mm,最小检测特征小于5mm,可以根据用户工件特征选择进行检测，检测的特征包括各种颜色、形状，可以检测工件三个立体平面的特征；外壳尺寸(长X宽X高)大于(930X650X975mm)。 创新点1、系统集成多相机、光源控制器、LED光源、PLC、计算机等设备，多相机同时采集图像，由开关控制并可自动控制工件组装件的装配质量，并可以实时显示工件图像。2、设计用户自定义检测区域和特征，并存入数据库。以图像分割技术和校正技术为中心，分割工件并根据工件定位孔校正图像，利用相机检测工件是否进入本设备并控制气缸推动工件进行定位和检测。3、以图像匹配技术为中心，进行形状、颜色、梯度等信息的有效融合，弥补由于单一特征造成的检测不准确等弊端。采用多相机对工件多个表面进行安装孔和表贴件的检测，检测的工件尺寸大于400mmX 300mm,最小检测特征小于5mm,检测工件及表贴件30个特征的速度小于2s ；
根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。
权利要求
1.自动光学检测系统，包括机械系统和控制系统，其特征在于，所述机械系统主要由支架、检测平台、图像采集箱、气缸定位组件和工件托盘构成； 所述控制系统主要由图像采集组件、光源控制器、LED光源、单片机、PLC模块和计算机构成； 支架作为支撑检测平台和气缸定位组件的基架，支架上固定检测平台，检测平台上加工有矩形开口，开口处安装有滚珠滑动平台，滚珠滑动平台用于工件托盘移动和定位，检测平台的平台上设有两个定位销导向孔；两个定位销导向孔与滚珠滑动平台两个边相邻；气缸定位组件包括两个水平安装在检测平台侧面的气缸X和气缸Y，气缸Xl和气缸Y的缸体相互垂直，通过连接件固定在支架上；气缸X的活塞杆连接X向顶杆，气缸Y的活塞杆连接Y向顶杆；χ向顶杆和Y向顶杆用于顶推工件托盘； 气缸定位组件还包括两个安装在检测平台下面的气缸Z，两个气缸Z竖直向上，其活塞杆上分别固定X向定位销和Y向定位销；χ向定位销和Y向定位销分别与检测平台上的两个定位销导向孔位置对应；两个定位销导向孔分别与X向定位销和Y向定位销滑动配合；x向定位销和Y向定位销分别由两个气缸Z控制升降； 检测平台的右侧设有工件托盘滑入的进口导杆，左侧设有工件托盘滑出的合格品出口导杆，前侧设有工件托盘滑出的不合格品出口导杆； 工件处于检测初始状态时，将工件放置在工件托盘内，由计算机向PLC发出定位工件信号，PLC控制气缸X和气缸Y工作，同时，PLC控制X向定位销和Y向定位销抬起，通过X向顶杆、Y向顶杆顶推和X向定位销和Y向定位销的限位作用，使工件托盘精确定位；图像采集箱为一箱体结构，箱体的下底敞口，箱体的四个侧面的下边沿均加工有缺口，缺口的宽度大于工件托盘的宽度，缺口的高度大于工件托盘的高度，箱体的四个侧面的下边的缺口作为工件托盘的滑入和滑出的窗口 ；其中，与气缸X对应的缺口为合格工件窗口，与气缸Y对应的缺口为不合格工件窗口； 图像采集箱置放在检测平台的上面，图像采集箱内固定顶部、侧部和底部安装有可调相机支架，侧部安装有可调光源支架，顶部相机支架、侧部相机支架、底部相机支架、可调光源支架上分别固定顶相机、侧相机、底相机及LED光源板； 所述控制系统的图像采集组件包括多个机位的数字相机，数字相机通过安装在计算机扩展插槽中的1394采集卡与计算机连接；由多个机位的数字相机同时采集图像，图像信号传送给计算机，单片机通过串口与计算机通信，由计算机控制单片机，通过单片机I/O端口控制气缸定位组件中的气缸动作； 计算机中包括检测系统软件，检测系统软件包括零件检测模块和数据库管理模块；检测开始前，由零件检测模块获取待检工件的模版数据，建立模版数据库，模版数据库数据来源于多个机位的数字相机同时采集一个合格工件的图像信号，将合格工件的图像信号作为检测相同待检工件的图像信号的比对标准； 检测开始后，零件检测模块将获取被检测工件数据，将被检测工件数据和模版数据库数据进行比对，然后把检测结果存放在结果数据库，被检测工件数据来源于多个机位的数字相机同时采集检测工件的图像信号； 计算机检测系统软件根据比对结果，将检测结果信息传送给单片机，单片机接受检测结果信息，经单片机程序处理，通过单片机的一个I/O端口向PLC模块的一个数字量输入端置高电平，由PLC模块的继电器输出端控制相应的气缸动作； 当被检测工件为合格工件，单片机程序驱动PLC动作控制气缸X动作，将工件从合格工件窗口顶出； 当被检测工件为不合格工件，单片机程序驱动PLC动作控制气缸Y动作，将工件从不合格工件窗口顶出。
2.自动光学检测系统的检测方法，其特征在于，包括步骤如下 a)工件经过流水线传送到检测位置； b)系统顶相机检测到工件进入检测平台； c)计算机通过单片机向PLC发出定位工件信号，PLC控制2个定位销抬起； d)计算机通过单片机向PLC发出定位工件信号； e)PLC推动定位气缸把工件推到定位位置； f)工件到位后，顶相机开始采集图像； g)首先粗定位，然后顶相机寻找工件上的定位孔，找到后利用定位孔对工件图像进行校准； h)对校准后的图像定位被检工件； i)对定位好的被检工件与预存的工件模版数据进行比对； j)判断被检工件特征及组件 A、当被检工件合格，向PLC发出合格指令，气缸X和气缸Y退回，PLC控制合格推出窗口定位销落下，然后控制气缸X把工件从合格窗口推出； 推出后，PLC控制气缸回位，控制定位销升起，系统语音报警工件检测合格，存储工件图像并记录工件组件特征； B、当被检工件不合格，向PLC发出合格指令，定位气缸X和气缸Y退回，PLC控制不合格推出窗口定位销落下，然后控制气缸Y把工件从不合格窗口推出； 推出工件后，PLC控制气缸X和气缸Y回位，控制定位销升起，系统语音报警工件检测不合格，存储工件图像并记录工件组件特征。
全文摘要
本发明涉及一种自动光学检测系统及方法，包括机械系统和控制系统，机械系统主要由支架、检测平台、图像采集箱、气缸定位组件和工件托盘构成；控制系统主要由图像采集组件、光源控制器、LED光源、单片机、PLC模块和计算机构成；由零件检测模块获取待检工件的模版数据，建立模版数据库，模版数据库数据来源于多个机位的数字相机同时采集一个合格工件的图像信号，将合格工件的图像信号作为检测相同待检工件的图像信号的比对标准；本发明具有非接触、多维检测、快速高效准确等特点，可有效检测和管理工件及其表贴件，实现对工件及其表贴件安装缺陷的自动检测。
文档编号G01N21/88GK102866166SQ201210351268
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者王忠强, 耿磊 申请人:天津嘉乐惠电子科技有限公司