1 引言 石英晶體片是石英晶體振蕩器的核心，封裝外殼后即成為石英晶體振蕩器，是電子設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛的一種電子元件。在石英晶體片的生產(chǎn)過程中，要經(jīng)過切割、研磨等工藝過程，其中一部分石英晶體片會(huì)產(chǎn)生崩邊、掉碴、裂紋、斷裂、劃傷等物理缺陷，這樣的殘片必須篩選出來。目前生產(chǎn)過程中主要是依靠人工，通過目視方法檢驗(yàn)石英晶體片存在的缺陷。這種方法存在如下弊端： 1） 檢驗(yàn)結(jié)果不統(tǒng)一。缺陷的形狀千差萬別，由于人的視覺及思維的差別，對存在的缺陷很難用準(zhǔn)確的圖形和文字描述，因此既沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)也沒有量化的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，即使是同一個(gè)操作人員，兩次檢驗(yàn)結(jié)果也不完全一樣。 2） 檢驗(yàn)結(jié)果易受人為因素影響。由于工作枯燥、持續(xù)時(shí)間長、眼睛容易疲勞，檢驗(yàn)完全是憑感覺，檢驗(yàn)結(jié)果在很大程度上取決于人的精神和身體狀態(tài)。 隨著計(jì)算機(jī)、圖像處理、通訊以及控制技術(shù)的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)具備了改變石英晶體片檢驗(yàn)現(xiàn)狀的技術(shù)基礎(chǔ)。筆者研制了一種基于圖像處理的光機(jī)電一體化石英晶體片分選系統(tǒng)。為石英晶體片品質(zhì)篩選開辟了新的途徑。 2 系統(tǒng)工作原理 石英晶體片品質(zhì)分選系統(tǒng)是光機(jī)電一體化的高技術(shù)設(shè)備，采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)識別石英晶體片品質(zhì)，在完成對樣本的人工建模后，能自動(dòng)完成石英晶體片輸送、檢測、分類，可以完全取代人工檢測，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 石英晶體片品質(zhì)分選系統(tǒng)從硬件上分為物料輸送、分選機(jī)構(gòu)、圖像采集、控制器、電源和電腦主機(jī)6個(gè)組成單元，如圖1所示。從軟件上分為控制器軟件和圖像處理軟件包兩部分。 物料輸送單元是由振動(dòng)輸料器和驅(qū)動(dòng)電路組成，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)輸送。其中振動(dòng)輸料器包括圓振和直振兩部分，圓振同時(shí)也是桶形料倉。在桶壁上有從底到頂?shù)穆菪€形料道，石英晶體片在振動(dòng)的作用下，沿料道形成連續(xù)、整齊的排列運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)料倉出口。直振的人口與圓振的出口相連，在直振的出口處有一個(gè)光電開關(guān)，用于檢測該位置是否存在石英晶體片。石英晶體片在振動(dòng)的作用下直線行走，當(dāng)停止振動(dòng)時(shí)即運(yùn)動(dòng)停止。 分選機(jī)構(gòu)單元由步進(jìn)電機(jī)、檢測盤、分選盤和電磁鐵組成。檢測盤和分選盤安裝在步進(jìn)電機(jī)軸上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)。檢測盤和分選盤上都均勻分布了8個(gè)孔，分選盤底部帶有翻蓋，并在翻蓋上安裝有永久磁鋼。當(dāng)檢測盤靜止時(shí)。直振的出口對準(zhǔn)檢測盤上的一個(gè)孔，石英晶體片可以落入檢測盤。同時(shí)檢測盤上的下一個(gè)孔位與光學(xué)顯微鏡頭相對應(yīng)。分選盤靜止位置下安裝有電磁鐵。電磁鐵通電后翻蓋打開，使該孔內(nèi)的石英晶體片落入料盒內(nèi)。 圖像采集單元由光學(xué)顯微鏡、CCD攝像頭和高分辨率圖像捕捉卡組成。圖像捕捉卡安裝在電腦主機(jī)中。通過調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡的焦距和放大倍數(shù)，可以獲得滿意的圖像。CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像的光電轉(zhuǎn)換，圖像捕捉卡最終完成計(jì)算機(jī)成像。 控制器單元由單片機(jī)和USB通信接口、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路、振動(dòng)盤輸料器控制電路等組成。單片機(jī)通過USB通信接口接收控制命令和分類命令，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)作。 圖像處理軟件是基于Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，具有人機(jī)對話、樣本生成、圖像數(shù)字處理、分類及管理全系統(tǒng)的功能。該軟件采用VC++語言編寫。 以一個(gè)石英晶體片的分選過程為例，系統(tǒng)工作原理如下： 物料輸送單元是由振動(dòng)輸料器和驅(qū)動(dòng)電路組成，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)輸送。其中振動(dòng)輸料器包括圓振和直振兩部分，圓振同時(shí)也是桶形料倉。在桶壁上有從底到頂?shù)穆菪€形料道，石英晶體片在振動(dòng)的作用下，沿料道形成連續(xù)、整齊的排列運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)料倉出口。直振的人口與圓振的出口相連，在直振的出口處有一個(gè)光電開關(guān)，用于檢測該位置是否存在石英晶體片。石英晶體片在振動(dòng)的作用下直線行走，當(dāng)停止振動(dòng)時(shí)即運(yùn)動(dòng)停止。 分選機(jī)構(gòu)單元由步進(jìn)電機(jī)、檢測盤、分選盤和電磁鐵組成。檢測盤和分選盤安裝在步進(jìn)電機(jī)軸上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)。檢測盤和分選盤上都均勻分布了8個(gè)孔，分選盤底部帶有翻蓋，并在翻蓋上安裝有永久磁鋼。當(dāng)檢測盤靜止時(shí)。直振的出口對準(zhǔn)檢測盤上的一個(gè)孔，石英晶體片可以落入檢測盤。同時(shí)檢測盤上的下一個(gè)孔位與光學(xué)顯微鏡頭相對應(yīng)。分選盤靜止位置下安裝有電磁鐵。電磁鐵通電后翻蓋打開，使該孔內(nèi)的石英晶體片落入料盒內(nèi)。 圖像采集單元由光學(xué)顯微鏡、CCD攝像頭和高分辨率圖像捕捉卡組成。圖像捕捉卡安裝在電腦主機(jī)中。通過調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡的焦距和放大倍數(shù)，可以獲得滿意的圖像。CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像的光電轉(zhuǎn)換，圖像捕捉卡最終完成計(jì)算機(jī)成像。 控制器單元由單片機(jī)和USB通信接口、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路、振動(dòng)盤輸料器控制電路等組成。單片機(jī)通過USB通信接口接收控制命令和分類命令，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)作。 圖像處理軟件是基于Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，具有人機(jī)對話、樣本生成、圖像數(shù)字處理、分類及管理全系統(tǒng)的功能。該軟件采用VC++語言編寫。 以一個(gè)石英晶體片的分選過程為例，系統(tǒng)工作原理如下： 1） 控制器控制直振起振，一個(gè)石英晶體片落人檢測盤的孔內(nèi)。直振上的光電信號反饋到控制器，直振停止。 2） 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)45°，剛落入檢測盤的石英晶體片被送到光學(xué)顯微鏡的鏡頭下，控制器向電腦主機(jī)發(fā)出定位完成信號。 3） 接收到定位完成信號后，電腦主機(jī)上的圖像處理軟件包首先調(diào)用攝像程序，拍攝石英晶體片圖像。然后電腦主機(jī)再向控制器發(fā)出攝像完畢信號，調(diào)用圖像處理程序，按事先制訂的規(guī)則分類，并將分類結(jié)果發(fā)送至控制器。 4） 控制器接收到攝像完畢信號后啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 5） 在步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，石英晶體片從檢測盤落入分選盤。 6） 控制器接收到分類結(jié)果后，在步進(jìn)電機(jī)停止時(shí)，根據(jù)分類結(jié)果驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁鐵，使翻蓋打開，石英晶體片落入相應(yīng)的容器內(nèi)。 在生產(chǎn)中上述步驟是連續(xù)、同步的，由于檢測盤的運(yùn)行速度較慢，圖像處理基本上是在檢測盤運(yùn)行過程中進(jìn)行的。而裝入石英晶體片、攝像、卸料等動(dòng)作是在步進(jìn)電機(jī)的每一次停止中實(shí)現(xiàn)的。 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 硬件電路包括USB接口器件CH375、電磁鐵驅(qū)動(dòng)橋路、直振光電信號比較器、單片機(jī)P89LPC932以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)配套使用，本系統(tǒng)選用的驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)方向可以一次設(shè)定，不再更改。驅(qū)動(dòng)信號為脈沖串，脈沖數(shù)決定了旋轉(zhuǎn)角度，脈沖頻率決定了旋轉(zhuǎn)速率。脈沖輸入使得單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的連接非常簡單，本系統(tǒng)中單片機(jī)的T2定時(shí)器設(shè)置成自動(dòng)重裝載時(shí)間常數(shù)的定時(shí)器，用以控制脈沖頻率。將P1.0設(shè)置成自動(dòng)裝載脈沖輸出并與T0連接，T0設(shè)置成計(jì)數(shù)器方式，裝入輸出脈沖數(shù)，當(dāng)其中的計(jì)數(shù)減為0時(shí)，停止P1.0的脈沖輸出。 分選盤的翻蓋上鑲嵌一個(gè)永久磁鋼，翻蓋本身是靠彈簧施壓關(guān)閉的。給電磁鐵通電使其產(chǎn)生與磁鋼相反的磁性，就可打開翻蓋。再給電磁鐵反向通電，使其產(chǎn)生與磁鋼相同的磁性，加快翻蓋關(guān)閉速度。電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路采用全橋結(jié)構(gòu)，線圈接在兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)上。當(dāng)兩個(gè)輸入端中的任意一個(gè)為高電平時(shí)，使一個(gè)橋臂的上半部分和另一個(gè)橋臂的下半部分導(dǎo)通，電磁鐵動(dòng)作。當(dāng)輸入端都是低電平時(shí)，橋路不關(guān)斷，電磁鐵不動(dòng)作。 控制器與電腦主機(jī)的通訊是通過CH375 USB接口電路實(shí)現(xiàn)的。為了提高生產(chǎn)效率，希望盡可能提高控制器與電腦主機(jī)通訊的實(shí)時(shí)性，考慮到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大，采用USB通訊的響應(yīng)速度可以滿足要求。單片機(jī)的中斷輸入INT0接收CH375的INT信號，P1.1輸出連接CH375的A0，選擇數(shù)據(jù)／命令方式。T1設(shè)置為定時(shí)器模式，用于控制電磁鐵的導(dǎo)通時(shí)間。 控制器的中斷源分配為：INT0：USB口中斷；INT1：直振光電信號；T0：計(jì)數(shù)器方式，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)；T1：定時(shí)器方式，電磁鐵導(dǎo)通時(shí)間定時(shí)。 4 控制器軟件設(shè)計(jì) 進(jìn)行控制器軟件設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到有4個(gè)中斷源，因此將一些耗時(shí)較長的復(fù)雜計(jì)算、判斷等放在主循環(huán)程序中。程序采用C51編寫、調(diào)試，INT0中斷（CH375）函數(shù)流程，T1、T0中斷函數(shù)流程。 5 圖像處理 圖像處理軟件包的作用是通過圖像數(shù)字處理的方法對石英晶體片進(jìn)行缺陷檢測、分類、統(tǒng)計(jì)和顯示，并將分類結(jié)果發(fā)送至控制器。該系統(tǒng)既可以處理矩形石英晶體片，也可以處理圓形石英晶體片，這兩種形狀不同的石英晶體片的處理流程是不一樣的。考慮到圖像處理技術(shù)屬另一門學(xué)科，過于詳細(xì)的敘述會(huì)使文章冗長且難以理解，本文僅以圓形石英晶體片的炸心缺陷為例，簡單介紹系統(tǒng)是如何對圖像進(jìn)行數(shù)字處理，完成分類的。 圓形石英晶體片的缺陷主要有：炸心、劃痕、陰影、崩邊、炸口、斷裂等。每一種缺陷都有相應(yīng)的編碼。系統(tǒng)通過對合格品的圖像建模，產(chǎn)生一個(gè)樣本模板。生產(chǎn)過程中每一個(gè)石英晶體片的圖像都與模板相比較，如果沒有差別就是合格品，如果有差別再按不同的判定準(zhǔn)則逐一判別，直到產(chǎn)生缺陷編碼為止。 本系統(tǒng)采用單色攝像頭，所得圖像是256級灰度。石英晶體片的完好部分與缺陷部分在灰度等級上存在一定差別，各種不同的缺陷灰度等級也不相同，缺陷有一定的形狀、面積并占據(jù)某一位置，這些特征都是對石英晶體片檢測和分類的依據(jù)。 炸心缺陷的檢測過程如下： 1） 邊緣檢測。使用Prewitt邊緣檢測法，對圓形石英晶片的實(shí)際目標(biāo)進(jìn)行邊緣檢測，然后用相應(yīng)的門限值進(jìn)行二值化。將經(jīng)過二值化后的圖像與模板相比較，取出兩者都是白色的區(qū)域，對這些白色區(qū)域進(jìn)行區(qū)域標(biāo)記，缺陷就保留在其中。 2） 面積判別。細(xì)小的污點(diǎn)在經(jīng)過邊緣檢測之后也會(huì)表現(xiàn)為白色區(qū)域，為避免對檢測產(chǎn)生干擾，首先要檢查被標(biāo)記的區(qū)域，保留那些面積大于相應(yīng)門限值的區(qū)域。 3） 位置判別。炸心不與邊緣連接，所以還要進(jìn)行位置的判別。判斷可能的缺陷區(qū)域是否與邊緣相連，是否完全處于邊緣附近。如果不是，再進(jìn)行下面的灰度判別。 不同的缺陷其灰度等級是不同的，通過對各種缺陷的灰度測定，可以找出相對應(yīng)的灰度值作為判定缺陷的門限值。實(shí)際拍攝的圖像灰度與炸心的灰度門限值相比較，高于此值即可判定為炸心。至此，完成了圓形石英晶片內(nèi)部的炸心缺陷檢測。 為一個(gè)圓形石英晶片內(nèi)部缺陷（炸心）的檢測結(jié)果，右圖中白色線條是檢測出的炸心形狀和位置，在左圖的對應(yīng)位置上可以看到一條灰度較大的線條，該線條就是炸心的圖像顯示。 6 結(jié)束語 對石英晶體片品質(zhì)分選系統(tǒng)進(jìn)行的大量測試表明，該系統(tǒng)對石英晶體片缺陷的檢出率達(dá)到100％，錯(cuò)誤檢出率為0，缺陷分類正確率達(dá)到95％，分選速度已經(jīng)接近人工分選速度。今后的工作是進(jìn)一步推廣應(yīng)用，并在大量應(yīng)用的基礎(chǔ)上逐步統(tǒng)一缺陷分類，建立行業(yè)內(nèi)公認(rèn)、量化的缺陷分類標(biāo)準(zhǔn)。