馮曉虎

(中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024)

產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)備研制與質(zhì)量管理密切相關(guān)。隨著智能電子產(chǎn)品的普及，如平板顯示和智能手機(jī)的閃光燈作為其重要的功能元件，既能在拍照時(shí)增強(qiáng)曝光量，又能在昏暗處使景物更清晰，其應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)要求越來越高，質(zhì)量管理更加嚴(yán)格。

主流閃光燈前端的鏡片，選用菲涅爾透鏡[1]，如圖1所示。這種光學(xué)透鏡，一面為平面；另一面為一組或多組從小到大的同心圓環(huán)，是由普通凸透鏡演變而來，能夠利用光的干涉和衍射原理，使通過的光線匯聚到同一焦點(diǎn)。這種透鏡比常規(guī)的凸透鏡更輕更薄，非常符合手機(jī)的需求。

圖1 菲涅爾透鏡

傳統(tǒng)的組裝方式是由人工操作，先將閃光燈鏡片面板固定于專用治具，再使用真空吸筆，吸取閃光燈鏡片，按一定的方向，將鏡片組裝貼合到面板的指定位置，如圖2所示。因鏡片很薄，透光率較高，對(duì)裝配工藝和裝配精度的要求非常高，產(chǎn)品生產(chǎn)中對(duì)各環(huán)節(jié)的質(zhì)量管理要求提出了更高的要求。在產(chǎn)能和精度方面，傳統(tǒng)的組裝方式已無法滿足大批量生產(chǎn)的需求。

圖2 組裝流程

自動(dòng)閃光燈鏡片組裝機(jī)可實(shí)現(xiàn)鏡片和面板的自動(dòng)對(duì)位和精確組裝，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。

1 設(shè)備功能及主要技術(shù)指標(biāo)

該設(shè)備采用高精度運(yùn)動(dòng)模組[2]和視覺系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)位方式，由可編程邏輯控制器（PLC）和工控機(jī)控制，液晶屏顯示視覺圖像，實(shí)現(xiàn)了閃光燈鏡片和面板的自動(dòng)送料、定位和取放，以及自動(dòng)組裝等功能，達(dá)到高精度、高速度的組裝技術(shù)要求，并具有缺料報(bào)警、物料放反防呆、拍照保存等功能。

主要內(nèi)技術(shù)指標(biāo)：

鏡片尺寸：11 mm×7 mm×0.15 mm（L×W×D）

面板尺寸：34 mm×34 mm×1 mm（L×W×D）

組裝精度：±0.03 mm

組裝速率：750片/h

2 影響組裝精度的六因素

產(chǎn)品組裝精度要求高，人工組裝精度已無法滿足要求。在設(shè)備研制過程中，按全面質(zhì)量管理進(jìn)行理論分析，產(chǎn)品質(zhì)量的重點(diǎn)在于組裝精度控制，通常受質(zhì)量管理5M1E六因素影響，即：人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)。

2.1 人為因素

傳統(tǒng)組裝方式，操作人員手工對(duì)位，容易受不同人員目測(cè)精度、自身對(duì)位技術(shù)、工作時(shí)長(zhǎng)等因素影響。自動(dòng)組裝設(shè)備由PLC程序控制各功能部件完成組裝。上下料由人工按操作規(guī)程完成，其他工序全部自動(dòng)運(yùn)行完成。操作人員使用設(shè)備時(shí)，不參與組裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)組裝精度的影響較小。

2.2 設(shè)備因素

傳統(tǒng)組裝方式，操作人員將面板放置于專用治具，對(duì)面板進(jìn)行定位。組裝時(shí)，工裝無法對(duì)鏡片進(jìn)行準(zhǔn)確定位，組裝精度偏低。設(shè)備由執(zhí)行系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個(gè)關(guān)鍵部分組成。設(shè)備作業(yè)時(shí)，執(zhí)行系統(tǒng)取放精度、視覺系統(tǒng)的精度和控制系統(tǒng)都會(huì)對(duì)組裝產(chǎn)生直接影響。

2.3 物料因素

物料主要有閃光燈鏡片和面板2種，每種物料在制作時(shí)，因材料的差異、制作批次的不同、模具的磨損、裁切精度、裁切毛刺等原因，會(huì)有形位偏差、顏色偏差等。這些偏差，在傳統(tǒng)組裝時(shí)，會(huì)影響物料定位和人工目檢和組裝精度。設(shè)備進(jìn)行組裝時(shí)，會(huì)根據(jù)2種物料各自的特性進(jìn)行識(shí)別定位。對(duì)于2種偏差，設(shè)備在一定程度上可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是偏差較大時(shí)，無法適應(yīng)，會(huì)影響視覺系統(tǒng)對(duì)形狀和位置的抓拍識(shí)別，影響對(duì)位精度和組裝精度。因此，需要物料生產(chǎn)商對(duì)原材料和生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行管控，盡量保證來料一致性。

2.4 組裝方法因素

設(shè)備組裝與人工組裝的方式相同，都是先對(duì)面板進(jìn)行定位，再將鏡片與面板位置匹配，然后組裝，設(shè)備組裝自動(dòng)化程度高，定位一致性好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對(duì)精度影響小。

2.5 環(huán)境因素

為了保持穩(wěn)定的產(chǎn)品組裝性能，生產(chǎn)過程應(yīng)處于恒溫恒濕和光線良好的環(huán)境。生產(chǎn)初期，設(shè)備擺放于窗戶附近。在測(cè)量精度時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)段的測(cè)量精度不同。經(jīng)過分析與觀察，發(fā)現(xiàn)主要是受光線影響，視覺系統(tǒng)對(duì)圖像的抓取發(fā)生了偏差，且不能通過光源的調(diào)試和視覺系統(tǒng)設(shè)置完全克服，導(dǎo)致圖片拍攝效果差異較大，抓取精度降低，從而影響了組裝精度。

2.6 測(cè)量因素

測(cè)量的精度是判定成品與否的重要環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)時(shí)，每隔2 h會(huì)測(cè)試生產(chǎn)的過程能力指數(shù)Complex Process Capability index（簡(jiǎn)稱CPK），如圖3所示，能夠了解過程能力是否滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由專業(yè)人員采用專用儀器測(cè)量產(chǎn)品的組裝精度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，生成CPK報(bào)告。因閃光燈鏡片同心圓抓取點(diǎn)本身的特點(diǎn)，不同的測(cè)量人員、不同的測(cè)量?jī)x器對(duì)同一組產(chǎn)品測(cè)量的CPK也存在差異。因此，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，組裝后對(duì)精度測(cè)量需要進(jìn)行管控。

圖3 過程能力

影響組裝精度的有些因素，人工組裝是無法克服的。而設(shè)備組裝，除環(huán)境光線外，設(shè)備本身是影響設(shè)備組裝精度的重要因素，如何控制是重點(diǎn)研究的對(duì)象。

3 設(shè)備因素的控制

3.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的抓取和放置精度會(huì)對(duì)組裝精度產(chǎn)生影響。

組裝環(huán)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖4所示，為XYZθ軸結(jié)構(gòu)和吸頭結(jié)構(gòu)。X軸和Y軸選用高精度直線電機(jī)模組配合磁柵反饋的控制方式，運(yùn)動(dòng)精度±0.003 mm，Z軸選用高精度小導(dǎo)程絲杠模組配合伺服電機(jī)，運(yùn)動(dòng)精度±0.01 mm，可實(shí)現(xiàn)Z軸位置精度的精確控制。θ軸選用高精度伺服電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)微小角度的旋轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)精度由所有軸運(yùn)動(dòng)的精度共同決定。同時(shí)還需要提高各構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，提高整機(jī)抗變形能力。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

θ軸末端有吸頭結(jié)構(gòu)。吸頭的穩(wěn)定性也會(huì)影響組裝精度。閃光燈鏡片，外形尺寸較?。? mm×11 mm），厚度較薄，約0.15 mm，質(zhì)量較輕，主要材料是工程塑料。吸盤選用平型吸盤，變形小。吸頭吸取時(shí)，如果真空壓力偏大，鏡片會(huì)發(fā)生明顯的變形，視覺系統(tǒng)拍攝的圖像位置偏差和方向偏差較大，導(dǎo)致定位精度降低。而真空壓力偏小時(shí)，鏡片吸取不穩(wěn)定，會(huì)影響組裝的正常進(jìn)行。經(jīng)過反復(fù)的驗(yàn)證，需要對(duì)氣路系統(tǒng)真空值進(jìn)行控制。當(dāng)真空壓力在-40 kPa時(shí)，可實(shí)現(xiàn)正常組裝，同時(shí)鏡片的變形較小，不會(huì)影響視覺系統(tǒng)的圖像拍攝與計(jì)算。

3.2 視覺系統(tǒng)

決定組裝精度的另一個(gè)重要因素是視覺系統(tǒng)的精度。對(duì)物料進(jìn)行拍照和識(shí)別，視覺的抓取精度和視覺定位算法對(duì)物料位置的定位精度有較大的影響。

視覺系統(tǒng)的精度，由多種因素決定，如相機(jī)鏡頭的參數(shù)、光源類型、視覺系統(tǒng)的安裝、視覺系統(tǒng)的設(shè)置，以及視覺算法等。

該設(shè)備采用雙相機(jī)方案，即上相機(jī)和下相機(jī)。上相機(jī)采用背光源，用于拍攝閃光燈面板的圖像，下相機(jī)用于拍攝吸頭上的閃光燈鏡片的圖像。視覺系統(tǒng)對(duì)兩套相機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理，計(jì)算出面板的目標(biāo)位置與角度和鏡片的相對(duì)位置與角度，通過角度補(bǔ)償和坐標(biāo)補(bǔ)償，調(diào)整吸頭上鏡片的角度偏差和位置偏差，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成組裝。

3.2.1 視覺系統(tǒng)的配置與安裝方式

（1）上相機(jī)系統(tǒng)如圖5所示，根據(jù)閃光燈面板的特點(diǎn)、尺寸和精度需求，經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，配置如下：

圖5 上相機(jī)系統(tǒng)CCD安裝圖

相機(jī)：2 000萬像素工業(yè)相機(jī)，分辨率5 472像素×3 648像素

鏡頭：工作距離220 mm

光源：方形背光源，位于下方

視野：25 mm×20 mm

單個(gè)像素對(duì)應(yīng)的大小，長(zhǎng)邊4.6 μm/像素，短邊5.5 μm/像素。背光源的精度取2個(gè)像素，則面板的視覺精度按短邊精度取11 μm。

（2）下相機(jī)系統(tǒng)如圖6所示，根據(jù)閃光燈鏡片的特點(diǎn)、尺寸和精度需求，經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，配置如下：

圖6 下相機(jī)系統(tǒng)CCD安裝圖

相機(jī)：2 000萬像素工業(yè)相機(jī)

鏡頭：工作距離110 mm

光源：環(huán)形光源，工作距離40 mm

視野：16 mm×12 mm

單個(gè)像素對(duì)應(yīng)的大小，長(zhǎng)邊2.9 μm/像素，短邊3.3 μm/像素。正光源的精度取4個(gè)像素，則閃光燈鏡片的視覺精度按短邊精度取13.2 μm。

3.2.2 視覺系統(tǒng)的設(shè)置

圖像的邊緣由視覺系統(tǒng)設(shè)置，控制圖像的噪點(diǎn)，通過增強(qiáng)對(duì)比度、調(diào)節(jié)曝光度、相機(jī)增益值和圖像伽馬值等方法，去除干擾區(qū)域，獲得滿足需求的圖像邊緣輪廓，從而得出圖像中心點(diǎn)位置及方向。

3.2.3 視覺算法

根據(jù)兩套工業(yè)相機(jī)的實(shí)際安裝位置，經(jīng)過視覺設(shè)定和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，根據(jù)視覺算法，完成兩套相機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手眼標(biāo)定和映射標(biāo)定。這樣，視覺捕捉的圖像，經(jīng)過視覺算法，就可以使控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成精確的位置移動(dòng)和角度調(diào)整。

3.3 控制系統(tǒng)

該設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)是PLC，能夠完成整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的物料取放、定位與組裝和視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊等功能，保證了組裝的穩(wěn)定性和可靠性。機(jī)構(gòu)本身有剛性，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度過快，且驟啟驟停，機(jī)構(gòu)本身會(huì)有振動(dòng)，影響位置精度、角度精度及視覺拍照的效果等。控制系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)需求，設(shè)定一些動(dòng)作延時(shí)，如：軸運(yùn)動(dòng)延時(shí)、真空吸附延時(shí)、拍照延時(shí)等，可提高運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)視覺系統(tǒng)提供的位置坐標(biāo)及角度補(bǔ)償，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行X向、Y向和角度的調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)可以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)從不同的來料位置吸取閃光燈鏡片，并放到指定的相機(jī)拍照位，進(jìn)行圖像采集。另外在電路硬件上，增加了抗干擾設(shè)計(jì)，保證控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用全面質(zhì)量管理理論，通過對(duì)影響設(shè)備精度因素的分析驗(yàn)證，明確了影響組裝精度的主要因素是執(zhí)行機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)初期，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行理論分析與計(jì)算。專門對(duì)視覺系統(tǒng)的精度控制和PLC控制進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)過不斷地優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，組裝精度高，滿足生產(chǎn)要求。