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1、基于图形化管理控制自动光学检查的 LED 性能试验摘要：本文注重于在发光二极管（LED）的发展和生产中的自动化光学检查系统，检查包括了亮度和前向电压。在运动控制方面，我们使用了图形化管理和控制的思想，联合了LabVIEW 软件和可编程逻辑控制器（PLC） 。通过连接模拟输入模块，PLC 会读取前向电压的值，并判断值过大还是过小。在 LED 光学检查中，LabVIEW 软件用来在获得的数据和分析图像数据来调整电荷耦合器件（CCD）摄像头。LED 的亮度是根据它是否达到理想的标准二进制形态面积像素来判断，LED 快速地在轨道上前进，被 PLC 控制的一个气缸将用来分开它们到不同的储存区。这个系统的
2、特色在于包括自动控制平台和图形化检查。从试验中，LED 检查的速度会达到 40-45 片每分钟。亮度检查中，当检查在黑暗的房间或者外部环境亮度固定的条件下，处理精确度会达到 100%。关键词：自动光学检查(AOI) 电荷耦合器件(CCD) 发光二极管(LED) 图形化管理控制 1.介绍伴随着快速增长的半导体工业，在尾灯的制造上，车辆尾灯是被传统电灯泡取代为高通量的 LED。通常，车灯的主要目的是显示和照明。当车辆停车、转弯和倒车时，车辆 LED 通过数字仪表盘来启用。因此，电-光学性能的要求是解决 LED 的光视角、亮度、电压和电流这些问题。对于汽车制造商，用于汽车照明的主要因素是 LED 的
3、质量是否可靠。一般来讲，除了在汽车事故中，人为的或者是因为设计缺陷，LED 的整体平均寿命大概为小时，并且 LED 和所有汽车部件相比已经拥有最长的生命周期了。然而，由于不成熟的光学检测技术和成品率低，一个大问题是，前灯制造厂商无法找出哪些安装到印刷电路板（PCB）上 LED 亮度不足。因此，前灯制第 1 页造厂商将在人力检查上花费很大。为了解决这个问题，我们开发了一个 AOI 系统测量 LED 性能。在试验设施上，赖等人设计了一直检测机制，包括黑暗的房间、LED 放置盘、颜色传感器和光纤数据采集卡。Miran 等人使用了一个 LED 自动光学质量检测的机器视觉系统。通过对 LED 的光投影到
4、屏幕上的图像获得了光学性质。比较了参考文献，研究发现，赖等人的优势是必须在同一时间使用盘的旋转不断检测六个发光二极管，并对 LED 进行光学比较。尽管 LED 系统的定位是手动的，但是他们还是有一个全自动每小时检查 50000 或者更快的速度。在监控系统中，串行通信包括了信号 M0-M5 和 D0。苏等人成功开发了 PLC与 PC 之间的串行通信，这是一个硬件结构简单的很实用的监控系统。米等人提供了通信结构、参数设置和监控系统的组地址。曾等人设计了 LabVIEW 的计算机图形程序的检测，其中含有数据采集卡、数据处理和分级系统。软件程序主要包含成像过程、切换程序、实时报告和操作界面的设计。本文
5、中，我们建立的系统不仅可以自动检查 LED 和 PCB 装配好的样品，也能计算检查过程的成品率。此外，后者也可作为未来购买参考的可靠数据库。图 1：自动光学检查设备由 LabVIEW 软件、PLC、模拟输入模块、CCD 摄像第 2 页头、IMAQ 卡和 LED 检验台。图 2：系统结构的移动流程图图 3：传动机构图解运行 人工放入判断 LED 是否放入轨道检查区前向电压检查分离机构 机构分离机构 亮度检查通过滑动筒分类定位板LED 检查制动板塑料槽电杆气动缸前端板第 3 页图 4：检查区流程图2.试验装置在图 1 中，本实验的实验设备是由 LabVIEW 软件、PLC、模拟输入模块、CCD 摄
6、像头、采集卡、检查平台组成的。LabView 软件是整个系统的枢纽，并将该信号通过 RS-232 发送到 PLC。此外，它还可以处理由模拟量输入模块的正向电压的数字信号，并且判断 LED 的过大或过小。CCD 摄像头抓取光信号和 IMAQ 卡转换成图像，并确定 LED 的亮度。该系统的运行流程图如图 2 所示。首先，我们把 LED 通过人工的方式放入轨道中，LED 将会通过分离机构检测区。最后，系统将由滑动气缸进行分类。与测量系统相比，我们的 AOI 系统具有可以连续检测 LED 和立即找出这些缺陷的优势。图 5：当接触到 LED 的针时，电杆移动 4mm 去提供电源电流LED 进入检查区前端
7、板向上移动 4 毫米图像检查前端板向下移动 4 毫米打开制动板LED 进入储存区等待下一 LED 检 查发亮的 LED接触第 4 页图 6：分离原理图解，包括了气缸前端板，制动杆和固定角板制动杆轨道气缸的前端板固定角板气缸进气机械向上检查区域 完好气缸排气机械向下气缸进气轨道入口 完好停止第 5 页图 7：分离机制流程图：（a）流程图， （b-d）气缸吸气和排气，在垂直运动时分离的状况2.1 机械设计在这项研究中，该平台包括制动机构、分离机构、滑动机构、检查区、轨道等等。这里，我们主要描述检查区的机械设计和分离机理。2.1.1 检查区当前的传输机制的示意图如图 3 所示，其中包括四个电杆、限位
8、杆、定位板、塑料槽板和前端的气动缸。这种机械设计为 4 针 LED 尺寸，其主要功能如下：（1）电动杆和电源连接，并提供一个恒定电流给 LED。 （2）限位杆的作用是避免未检查的 LED 滑动到储存处。 （3）定位板的功能是检验区域的 LED 位置。（4）塑料槽作为一个非导电材料连接轨道。 （5）前端板与气缸相连接。其驱动电杆作垂直运动，并保持与 LED 的接触。图 4 显示的是检查区域的活动流程图。首先，LED 进入检查区。然后，前端板向上移动 4 毫米，电杆与 LED 接触，LED 发光（如图 5 所示） 。在图像检查之后，前端板向后移动，然后制动杆打开，LED 滑入储存区。2.1.2 分
9、离机构当他们由于重力滑入轨道时，LED 将紧密排成一条线，并且分类机构将确保他们一个一个进入检查区。在我们的系统中，分离机构包括气缸的前端板、固定角板、制动杆。气缸驱动垂直前端板。本机构图和运动图分别如图 6、7 所示，该机构运动的论述分为两部分。首先，气缸进气口和机构向上运动。如图 7B 所示，制动杆 A 阻挡所有的 LED，气缸排气和机构向下运动。如图 7C 所示，制动杆 A 和 B 同时向下移动。然后制动杆 B 会阻碍其他 LED 进入第一个检查区域。第 6 页2.2 可编程逻辑控制器PLC 是用于一个包括分离机构的顺序控制、检查区结构、滑动机构和光纤传感器的平台。此外，它可以通过 RS
10、-232 与 LabVIEW 进行通信和连接。在我们的系统中选择了三菱公司 PLC 型号 FX3U-32MR/ES-A。2.3 模拟量输入模块在我们的系统中，模拟量输入模块使用的是三菱公司的 FX2N-2AD 型号。它是用来检查 LED 的正向电压，并将两个点的模拟输入（即电压和电流）转化为数字的 12 位值，并向 PLC 通信这些值。测量电路如图 8 所示，其中电源提供稳定电路，并与 LED 的阳极和阴极相连接。相应的模拟量发送到 FX2N-2AD，然后传送 0-4000 以内有效的信号值。图 9 是模拟量和数字量的关系图。例如，0-4000 的数字量是对应于模拟量从 0-10V，数字量 4
11、0 的值相当于模拟量 0.1V（） 。因此，PLC40 10/4000可以根据用户设置发送数字值到 PC 上与标准电压相比较。LED 的正向电压超过标准电压的将会被移除。图 8：测量前向电压的电路第 7 页图 9：FX2N-2AD 中模拟值和数字值的关系图2.4 CCD 摄像头和 IMAQ 卡CCD 图像传感器是硅晶体的集成电路，组成的一个稠密矩阵光电二极管或者是通过转换光能量以光子进入的残留。CCD 摄像机是由 Unibrain 生产的型号为 Fire-i 620c，并且具有逐行扫描以观察 LED 的光源提供全帧图像。用于视觉系统的图像采集卡是由 NI 公司的产品型号为 PCI-8252。I
12、EEE 1394 卡提供了一个移动的、容易使用的解决方案，可以从 IEEE 1394 摄像机的图像获得、保持、显示和处理图像。第 8 页图 10：信号传送流程图3. 图形监控在 LabVIEW 软件，我们利用五个串行通信五个点：虚拟仪器配置串行端口、虚拟仪器读、虚拟仪器写、虚拟仪器串行端口位和虚拟仪器关。串行通信可以实现时，这些模块间的合理连接完成。我们使用八个软构件在图形监控系统中，他们的描述如表 1。之后 PC 的初始条件的设置，它将发送信号的 M0 打开系统。之后在用户设置 LED 的数量（即 PC 发送 D0 给 PLC） ，PC 将会等待接收信号 M4，这意味着 LED 已经到达检P
13、C 向 PLC 发送 M1?图像检查第 9 页查区。然后，系统将处理成像检测和接收从 PLC 来的信号 D65。D65 的目的是发送 LED 的到 PC。之后 LED 的性能将被测量，PC 将会发送 M2 或 M3 来确定LED 是否合格。然后，如果轨道入口没有 LED，PC 将会发送 M5 给 PLC。最终流程将会等待接受 M4，如果用户没有按下停止键。上述的流程可以在图 10 中看到。表 1：软元件的描述和关系软元件描述关系M0打开系统PCPLCM1关闭系统PCPLCM2LED 符合标准PCPLCM3LED 不符合标准PCPLCM4LED 到达检查区PLCPCM5轨道入口没有 LEDPLC
14、PCD0LED 数量PCPLCD65LED 前向电压PLCPC通信的文本格式可以在 2-4 中看到和四通信命令都在表 2 中。PC 讲等待软构件 M4、M5 和 D65。M4 是从 LED 被电源点亮就接收从 PLC 的数据，M5 是观察轨道入口间的间隙，D65 是接收 LED 的值。M4 和 M5 的信号传输方法是一样的。我们使用的信号 D65 接收的是 LED 正向电压。通过使用模拟量输入模块，要求在一个范围为 0 到 4000 的数字值，并且通过 D65 传输到 PC。第 10 页从图 9 中，我们知道数字 400 的值等于 1V。为了避免浮点运算和减少地址，我们首先划分数字值为 4。当
15、 D65 传输完成，再将值除以 100。表 2：交流命令命令代码命令软元件功能0.(30H)读X,Y,M,S,T,C,D读条件下的位和字1.(31H)写X,Y,M,S,T,C,D写条件下的位和字7.(37H)强制打开X,Y,M,S,T,C强制设定某些位为开8.(38H)强制关闭X,Y,M,S,T,C强制设定某些位为关4.软件程序4.1 人机接口操作界面如图 11 所示：其中包括实时图像选项卡和表选项卡。图像选项卡包括开关、信号灯、初始设定、实时和二进制图像，而表选项卡包括 LED 的所有的实时信息。每个功能描述如下：（1）开关包括四个按钮：启动、停止、退出和测试。 （2）信号指示器代表信号的
16、M 传输的条件。 （3）初始设置包括延迟时间设定、标准值范围（上下限） ，的标准值，和 LED 的数量。 （4）成像检测系统在界面上实时显示和二进制图像。 （5）表提供了 LED 检测的实时的信息，例如：色彩 R、G、B 的均值和 LED 的，合格的样品量，失败和剩余的样品量，最大值、最小值和平均值，以及通过率（%） 。第 11 页图 11：建立的接口系统：（a）实时图像选项卡（b）表选项卡第 12 页图12：LabVIEW 软件程序的流程图运行初始化测试图像检查查找标准值返回开始停止退出返回返回关闭系统轨道入口完 好？从 PLC 接收 M5输出表格从 PLC 接收 M2发送 M3 到 PLCLED 是否合格从 PLC 接收 D65图像检查从 PLC 接收 M4PC 发送 M1 到 PLC关闭系统离开程序发送 M1 到 PLC发送 M0 到 PLC发送 D0 到 PLC第 13 页4.2 开关设计开关的设计包括三个按钮和一个触发按钮。按钮可以启动、停止、退出。触发按钮主要用于手动测试。LabVIEW 程
