网络变压器芯片自动缺陷检测平台设计_李科宏.pdf

【30】第45卷 第02期 2023-02收稿日期：2021-07-09基金项目：四川轻化工大学研究生创新基金资助项目（y2020008）；四川省教育厅创新团队项目（17TD0026）作者简介：李科宏（1996-），男，四川南充人，硕士研究生，研究方向为自动化设备。通讯作者：王佳（1980-），男，四川自贡人，博士，副教授，研究方向为半固体材料凝固。网络变压器芯片自动缺陷检测平台设计Design of automatic defect detection platform for network transformer李科宏，王 佳*，何庆中，赖镜安，赵苾通LI Ke-hong，WANG Jia*，HE Qing-zhong，LAI Jing-an，ZHAO Bi-tong（四川轻化工大学机 械工程学院，宜宾 644000）摘 要：随着5G技术的发展，电子产品对于抗干扰的要求越来越高，网络变压器芯片的需求量增长迅速，企业在芯片生产过程中采用的手动缺陷检测方法已经无法满足巨大的市场需求。分析了芯片的结构与包装形式，设计出了新型的自动化上下料机构，并创新的利用了机器视觉检测技术与PLC自动控制技术，研制出自动化缺陷检测系统，大大提升了芯片检测的精度与效率。经过实验验证，自动检测平台较传统人工检测方式速度提升了67%，检测精度提升了10%15%，具有很高的应用价值与推广价值。关键词：PLC；机器视觉；缺陷检测；自动化中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)02-0030-060 引言网络变压器芯片又称网络滤波器或数据泵，该芯片产品主要用于高端千兆路由器、车联网、PCMCIA卡、计算机网卡、微型网络周边卡、安防设备和智能家电等各类网络通讯仪器及设备网卡网口1,2。片式芯片在生产过程中，往往会出现表面划痕、水印、上盖歪斜等缺陷，极大的影响了产品外观质量，在生产过程中需增设检测环节对缺陷产品进行剔除3。传统方法通过人工检测、通电检测等手段确定缺陷。检测效率低下，已经无法满足逐渐增加的芯片生产需求4,5。近年来，国内众多专家学者对自动化检测领域进行了大量深入研究，徐宝霞6针对塑料防盗瓶盖的生产缺陷，开发了一种机器视觉缺陷检测系统，解决了生产线的实际生产需求。钱晓亮7提出了一种基于视觉显著性的太阳能电池片表面缺陷检测算法，将人眼的视觉注意机制引入到表面缺陷检测中，具有较高的检测准确率。陈广锋8基于多模板匹配算法搭建起冲压件高速检测系统，使得检测耗时降低到100ms，满足了在线实时检测需求。彭洋9利用PLC控制技术研发了一套回转支承装配检测台控制系统。解决了回转支承装配存在的装配质量差、检测强度高的问题。众多的研究成果说明利用自动化技术和视觉技术进行缺陷检测是有效、可靠的1012。本文基于PLC控制技术和机器视觉检测技术，设计并搭建网络变压器芯片自动化缺陷检测平台，解决网络变压器在检测过程中存在的检测精度差、检测效率低的问题。同时也可降低人工参与度和企业的生产成本1315。1 研究对象本 次 检 测 对 象 是 自 贡 市 某 企 业 所 生 产 的 超 薄千兆单口网络变压器芯片24ATF02-5G，其长宽分别为16.5mm9.7mm，厚度仅为2.5mm，该芯片产品内部由4组磁芯绕组线圈构成，线圈材质为漆包线，漆包线与左右对称的12组针脚用助焊剂相连并引出，上下塑料胶盖以环氧树脂灌装贴合。变压器芯片结构如图1(a)所示。生产过程中产生的表面缺陷如图1(b)图1(d)所示。上排引脚下盖板下排引脚标志位上盖板 (a)芯片侧视图 (b)芯片表面划痕 (c)芯片表面水印 (d)芯片上盖歪斜图1 变压器芯片2 检测平台结构设计2.1 自动检测原理自动检测平台的上料方法采用重力下滑法。如图2所示，芯片成组的装于塑料排管中，检测时将排管放置于A第45卷 第02期 2023-02【31】点，让排管倾斜，打开排管下部的堵头，芯片便会向下滑落到停留B点，由挡件气缸控制挡件手指进行逐一放料。推件气缸将待检测的芯片推送至检测点，通过实时图像采集并做缺陷检测，检测合格芯片直接滑入合格排管中储存，不合格芯片将通过推送气缸推送至C点滑入不合格排管中。图2 检测原理2.2 总体结构设计根据自动检测平台的检测原理和主要功能部件结构的分析，设计检测平台的总体结构如图3所示。自动检测平台的整体结构布置充分考虑了总体结构尺寸的要求，并做到各功能部件结布置紧凑、互不干扰。平台的总体结构分为三个工作模块，上部为上料机构，中部为检测机构，下部为下料机构。图3 检测平台总体结构2.3 上料模块结构设计根据排管的结构特征和芯片的上料原理设计了自动上料模块结构如图4(a)所示，装有待检测芯片的排管堆叠在排管匣中，排管上料时推管气缸1、2伸出将排管匣最下层的排管推送至上料卡口处由楔块固定。排管内的芯片靠重力滑出进入上料轨道。排管内的芯片全部滑出后，推管气缸回缩进行下一根排管的上料，空排管从卡口处下落至下方的排管回收栏。上料轨道处设有挡件机构如图4(b)所示，以手指气缸的开闭控制手指的交替运动，使得芯片逐一下滑。(a)上料结构(b)挡件气缸图4 上料机构2.4 检测模块结构设计本文通过单目视觉进行芯片的表面缺陷检测，在检测区域需要配备检测光源对芯片表面进行打光，以确保镜头获得高素质的照片。检测模块的结构设计如图5所示，镜头处于芯片检测区域的中心上方位置，两个条形光源分布在镜头两侧。当挡件机构将芯片逐一放料，芯片进入检测区域，接近传感器检测到到位信号后，上位机开始检测程序。CCD相机进行拍照，将镜头采集到的芯片表面信息传输到上位机进行图像处理和缺陷检测。图5 检测机构2.5 下料模块结构设计与上料模块功能类似，下料时推管气缸组需要将空排管推送至下料卡口固定，检测完成的合格芯片自下料轨道【32】第45卷 第02期 2023-02下滑进入1号卡口的排管中，不合格芯片由推送气缸推送至2号卡口完成下料。排管装填完毕后由卡口落入下方的排管回收栏。下料模块的结构设计如图6所示。图6 下料机构3 元器件选型3.1 控制元器件选型PLC控制器以其技术成熟、通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强且编程相对简单的众多优点，广泛的应用于工业生产领域种。考虑到本次缺陷自动检测平台的控制类型多为气缸开关量，系统检测所需要的输入输出端子数量不多，选用三菱（Mitsubishi）FX系列的FX2n-32MR型PLC控制器，其结构如图7所示。图7三菱 FX2n-32MR控制器PLC的I/O口分配以及PLC的接线如图8所示。图8 I/O口分配3.2 气缸与电磁阀选型电磁阀是用于控制压缩气体导通及换向的电子元件，其安装位置介于气源装置压缩机和各个执行气缸之间，在气压路线上起到开关作用。它的工作原理为利用内部密封腔和电磁线圈协同配合工作，当PLC控制器给予其电信号时，能够改变气动执行元件内部压缩气体的流通方向，从而改变气缸的工作状态。选用亚德客两位五通电磁阀如图9所示。图9 电磁阀工厂的生产要求平台低成本且易于安装维护，选用气缸作为各机构的执行元件。气缸结构简单，控制方便，擅长直线往复运动，且价格低廉。所以本次缺陷检测平台设计使用5种类型的气缸来完成机构设定的动作。气路控制如图10所示。图10 平台气动控制3.3 相机与镜头选型被测芯片无需获得相对位置等深度信息，本次缺陷检测采用单目视觉系统，由于此次视觉检测系统需要采集的芯片产品尺寸较小，长宽和面积仅为16.5mm9.7mm，工厂检测光线环境不良且需要相机连续作业，因此对相机像素和分辨率提出了较高的要求。通过多方面考虑，相机选择迈德威视MV-GED500C-T型CCD相机进行图像采集，该相机具体参数如表1所示。镜头选择迈德威视MV-LD-25-5M-E型，第45卷 第02期 2023-02【33】其具体参数如表2所示。表1 MV-GED500C-T相机参数项目参数传感器2/3”CCD分辨率24482048曝光时间范围0.0051200000ms快门类型全局快门像素位深度12bit灵敏度530/800mV 1/30s帧率9FPS像元尺寸3.453.45m用户自定义数据区2KBytes帧缓存32MBytes视觉标准协议GigE VisionV1.2、GenICam数据接口RJ45千兆网增益（倍数）16视觉协议GigE Vision、GenlCam镜头接口机身C接口，可选CS接口支持语言C#/C+/C/VB6/VB.NET/Python外形尺寸29mm29mm40mm 表2 MV-LD-25-5M-E镜头参数项目参数镜头型号MV-LD-25-5M-E焦距f定焦25mm光圈范围F1.4F16接口C接口最小物距100mm聚焦范围0.1 m-视场角68.857.144.1后焦距12.69mm滤镜尺寸M390.5mm畸变-2.06%y=8mm特性5.0MP（超500万像素）外观尺寸41*51.4mm 3.4 光源选型光源对CCD镜头采集到的图像质量、曝光效果、采集精度等具有很大的影响，是图像采集质量的关键因素。通过在工厂生产环境种的打光实验分析，本次光源选用条形侧光源和背光源相结合的打光系统。如图11所示。图11 光源与相机4 软件程序编写4.1 自动控制流程自动检测平台的自动化检测流程如图12所示。图12 自动检测流程4.2 PLC通信设置检测平台使用上位机软件进行图像处理与缺陷判断，需要将PLC与上位机进行通讯。通过MX Component软件设置好串口信息如图13(a)所示，再通过PLC Monitor软件进行通信测试。利用VS平台进行上位机通讯程序的编写，编写C#程序时，首先需要安装三菱MITSUBISHI ActUtlType Control控件包如图13(b)所示，并在工具栏调用三菱控件。再进行程序编写。(a)设置串口信息【34】第45卷 第02期 2023-02(b)安装三菱控件图13 PLC与上位机通信4.3 PLC程序编写运用模块化编程思想编写的PLC程序，可以有效降低各动作程序之间的耦合性，降低程序复杂程度，易于后期的功能改进与维护。根据设计的自动化检测流程，为各机构设定具体动作。编写的梯形图主程序如图14所示，总程序共含有6条控制总线，分别为程序初始化，执行件复位，手动和自动模式以及暂停和急停。图14 PLC主程序4.4 上位机界面开发利用VS平台与Halcon进行联合编程，开发上位机控制界面。首先，使用HDevelop软件完成芯片产品图像处理编程代码，将其导出为C#格式文件，在C#程序中添加using HalconDotNet头文件。然后引入halcondotnet.dll文件，在工具箱中调用halconwindow控件，接下来便能根据所需开发上位机控制界面如图14所示，该界面总计包含12项信息。其中，包含判断结果，缺陷类型，缺陷大小、检测计数以及显示图像等5个图像处理信息，同时也包含运行、停止循环检测等7项Button类按钮。图15 上位机界面开发5 实验验证5.1 实验平台搭建所有零件完成加工后，随后开展实验平台的搭建。首先对零件表面残留碎屑进行清洗，并按照零件所属功能部分对其分类以便后续装配。然后根据零件、套件、组件和部件的装配方式，结合装配图上的要求对零件进行初始装配。搭建时装配时先检查加工零件是否达到设计要求，其次应选择正确的配合方法和装配顺序。先装配完成各子模块，最后将各模块组合安装成实验平台。平台安装完成后连接PLC与电源、各电磁阀、继电器的线路，将气缸与电磁阀连接。搭建的检测实验平台如图13所示。图16 检测实验平台5.2 缺陷检测实验如图14所示，进行芯片产品的缺陷检测实验，进行芯片检测实验前应检查各线路的连接，先进行预通电测试，确保平台运行安全。测试正常完成后，将PLC开关拨到RUN模式，打开软件，先点击平台复位将各元件回归初始位置，准备开始缺陷检测。若要进行手动检测，应该将一个芯片先放置在检测台上，依此点击打开相机、采集图像、图像处理。自动检测时需要在点击平台复位后点击循环检测按钮，再