enginyeria en automàtica i electrònica...

PROYECTO FINAL DE CARRERASistema de Visión Artificial

Enginyeria en Automàtica i Electrònica Industrial

AUTOR: Daniel Martínez BarambioDIRECTOR: Eduard Llobet Valero

FECHA: Septiembre / 2003

A mis padres, gracias por vuestro esfuerzo.

A Montse, mi niña bonita.

A Eduard Llobet, por su atención y disponibilidad.

0.- ÍNDICE

Sistema de Visión Artificial 0 Índice

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Sistema de Visión Artificial

0 Índice i

1 Introducción 11.1 Antecedentes 11.2 Objectivos 11.3 Qué es IMAQ? 21.4 Porqué se utiliza LabVIEW? 2

2 Sistemas de Visión Artificial 32.1 Sistemas de percepción artificial 32.2 Instrumentación Virtual 62.3 Componentes de un sistema de visión basado en PC 10

3 Especificaciones del Sistema 113.1 Descripción del Proceso 113.2 Objeto a Examinar 123.3 Cámara de Vídeo + Óptica 14

3.3.1 Selección de la cámara 143.3.2 Óptica 173.3.3 Nivel de detalle 20

3.4 Iluminación y acondicionamiento de la imagen 203.4.1 Requisitos fundamentales 203.4.2 Sistema de iluminación implementado 21

3.5 Cambios realizados para la integración en la CFF 243.6 Hardware IMAQ de adquisición de imágenes 28

3.6.1 Características generales básicas 283.6.2 IMAQ PCI-1407 29

3.7 NI-IMAQ Driver Software 313.8 Triggering 32

3.8.1 Especificaciones de triggering de la PCI-1407 323.8.2 Descripción del sistema de sensado 343.8.3 Programación en LabView 37

3.9 Control de avance de la PCB 453.9.1 Descripción de la aplicación 453.9.2 Programación en LabView 49

4 Manual del Usuario 544.1 Requisitos de funcionamiento 544.2 Setup del entorno de la Célula de Fabricación Flexible (CFF) 574.3 Funcionamiento del progama de inspección 60

4.3.1 Calibración de la Cámara 604.3.2 Capturar Imagen 614.3.3 Procesar Imágenes desde Fichero 624.3.4 Procesar Imágenes desde la Cámara. Aplicación de la CFF 63

4.4 Patrones, ROI’s y Mantenimiento del Sistema 63

Sistema de Visión Artificial 0 Índice

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5 Resultados Obtenidos 655.1 PCB’s utilizadas 655.2 Limitaciones del Sistema 675.3 Nuevas vías de trabajo 68

6 Conclusiones 69

7 Bibliografía 70

ANEXO: Datasheets e Información asociada 71? Relay datasheet? Sensor datasheet? ULN 2003 datasheet? 4 Steps to Selecting the Appropriate Proximity Sensor or Switch? Relay Technical Information

1.- INTRODUCCIÓN

Sistema de Visión Artificial 1 Introducción

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1 Introducción

El proyecto se enmarca dentro de la asignatura de Sistemas de Percepción, que perteneceal segundo curso de la Ingeniería en Automática y Electrónica Industrial (2º ciclo). En unaparte sustancial del temario de la misma, se estudian técnicas para el procesado digital dela imagen y sistemas de visión artificial.

En el presente proyecto, se pretende desarrollar un sistema de visión artificial para lainspección de placas PCB en el entorno de una célula de fabricación flexible. Las placasviajarán por una cinta transportadora, y el sistema será capaz de detectarlas y realizar elcontrol de calidad sobre las mismas. Para llevar a cabo el proyecto, se dispone de unacámara CCD monocromo, una tarjeta de adquisición monocanal y el software necesariopara diseñar, depurar e implementar aplicaciones de visión artificial (librerías de IMAQVision de Labview, específicas para el diseño de sistemas de visión artificial).

1.1 Antecedentes

El proyecto se ha desarrollado a partir de un proyecto ya defendido de visión artificial. Setrata básicamente de acoplar un sistema de inspección de placas PCB en el entorno de unacélula de fabricación flexible. De esta manera, se puede ampliar el campo de aplicación deeste sistema, ya que puede ser usado en entornos más industriales. Por tanto, gran parte dela documentación proviene de este proyecto, de la misma manera que el soft dereconocimiento de patrones que se ha utilizado.

Además del entorno de la célula de fabricación flexible (cinta transportadora), también sedispone de un armario de iluminación con una cámara CCD monocromo, una tarjeta deadquisición monocanal, un sensor inductivo de proximidad y un circuito de activación deuna electroválvula (que controla el paso de las placas según sea el resultado de lainspección).

1.2 Objetivos

? Rediseñar una aplicación para la inspección de componentes sobre placas PCB.

? Generar el hardware y software necesario para integrar la aplicación anterior en lacélula de fabricación flexible. Para ello, se utilizarán entornos de instrumentaciónvirtual como Labview.

? Diseñar, implementar y verificar los algoritmos de procesado de la imagen quepermitan realizar la aplicación escogida.

? Para diseñar los diferentes módulos de procesado de la imagen se utilizará el entornode diseño y depuración IMAQ Vision Builder y posteriormente se codificará utilizandolas funciones de IMAQ Vision para Labview.

? Se considerará la posibilidad de poner en la web del Departamento el materialgenerado.

Sistema de Visión Artificial 1 Introducción

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1.3 Qué es IMAQ?

Es un conjunto de herramientas para el desarrollo de aplicaciones relacionadas con laadquisición y el procesado de la imagen. Dentro del conjunto de aplicaciones, se puedendistinguir dos grandes bloques:? IMAQ Vision Builder: es una herramienta que sirve para realizar pruebas y ensayos en

aplicaciones de procesado de imágenes. Permite construir de manera intuitivaalgorismos hechos a medida, a la vez que también permite ejecutarlos para comprobarsu funcionamiento.

? IMAQ Vision for G: es un conjunto de funciones disponibles en LabVIEW que nospermiten crear aplicaciones para el tratamiento y procesado de la imagen. Lafuncionalidad es la misma que se consigue con IMAQ Vison Builder, pero en este casola aplicación se ejecuta desde Labview, con las ventajas que esto conlleva.

El IMAQ Vision Builder incluye una potente aplicación que permite traducir el algoritmoque se ha creado a partir de Labview. Con esto se ahorra mucho tiempo, ya que es muchomás rápido crear y probar algoritmos con IMAQ Vision Builder que con LabVIEW.

1.4 Por qué se utiliza LabVIEW?

Tradicionalmente, la mayoría de aplicaciones de control o de adquisición de datos seprogramaban en lenguajes de alto nivel muy potentes tales como el C, Pascal, Basic, etc. Elproblema de estos lenguajes es que no proporcionan la posibilidad de realizar laprogramación de forma gráfica, con lo que ello implica. Por otro lado, existen lenguajescomo el Visual C++ o Visual Basic que permiten trabajar con entornos gráficos, pero sonmucho más complejos en su utilización a nivel de usuario.

En cambio, LabVIEW nos permite por un lado diseñar las pantallas que verá el usuario y através de las cuales interaccionará con el proceso a controlar. Por otro lado, este softwarepermite realizar el diseño de las diferentes subrutinas de control de manera simplificada yordenada, pudiendo ser llamadas desde el programa principal.

La programación en LabVIEW se podría comparar con una placa de circuito impreso, yaque por un lado se tienen componentes electrónicos (transistores, resistencias,..) que es loque realmente el usuario ve por pantalla. Los terminales de cada elemento que aparece porpantalla se rutearán a los bloques funcionales (circuitos integrados) para generar los datosque se deseen visualizar. La programación se reliza de manera gráfica (editando yconectando iconos), por lo que las aplicaciones se crean de manera intuitiva (plasmando lasideas sobre diagramas de bloques). Todo esto se produce sin escribir ni una sola línea decódigo.

Otro de los motivos de la utilización de LabVIEW es que el lenguaje incorpora una grancantidad de drivers para el control de instrumentos de laboratorio y periféricos del PC(GPIB, RS232...). Todo esto facilita mucho el trabajo y aporta flexibilidad al sistema.

2.- SISTEMAS DE VISIÓNARTIFICIAL

Sistema de Visión Artificial 2 Visión Artificial

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2 Sistemas de Visión Artificial

En el entorno industrial, se busca cada vez más la productividad (procesos más eficientes).Además, estos niveles de productividad tienen que ir asociados con unos altísimos nivelesde calidad fianal del producto acabado. Por este motivo, es importante tener un controlexhausitvo sobre el proceso productivo. Una de las soluciones que se solía adoptar era lade ubicar diversos controladores a lo largo de la línea productiva. De esta manera, sepodría detectar (mediante inspección ocular). El gran inconveniente de este tipo de testeoparece claro, ya que la capacidad humana para realizar procesos repetitivos se reduceincreíblemente cuando además se requiere un gran nivel de precisión en la inspección.

Gracias a la constante reducción en costes y a la gran capacidad de los ordenadores, sepuede llegar a susutituir el cometido de una persona por un sistema de visión artificial. Deesta manera, se potencian las funciones del control de calidad de forma sustancial (la fatigahumana es inexistente y la precisión del control es mucho mayor). Por tanto, la fiabilidadde estos sistemas de control con respecto a la observación meramente visual esindiscutible. Sin embargo, también presentan algunos inconvenientes: son instalacioneshechas a medida, por lo que el coste de implementación es bastante elevado. Además, serequiere realizar un enrenamiento del sistema y ajustar su funcionamiento. El problemaradica en que se depende mucho del entorno en el que se trabaja, de manera que factorescomo la iluminación y la contaminación ambiental son cruciales. Es por estosinconvenientes que no se acaba de ver clara la sustitución de los tradicionales controles decalidad por estas nuevas herramientas automatizadas.

En el campo de la electrónica se tiene un ‘nicho’ por explotar. Es un mercado en el que elcontrol de calidad es más complicado (tamaño de pistas, componentes mal insertados, …).Por este motivo, y si la producción es elevada, un sistema de visión artificial para el controlde calidad es muy recomendable. En consecuencia, se ha creido conveniente trabajar eneste proyecto, ya que el mercado demanda sistemas de este calibre para este tipo desectores tecnológicos.

2.1 Sistemas de percepción artificialEn términos generales, un sistema de percepción artificial es un sistema electrónicomultisensor capaz de obtener, procesar, analizar y reconocer información relativa al mediodonde se encuentra. Los bloques constituyentes de un sistema de percepción artificial, conmayor o menor grado de flexibilidad, son los que se muestran a continuación:

Figura 2.1.1. Diagrama de bloques


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Los sensores son los que permiten obtener señales medibles características del medio quese está analizando. El acondicionamiento de señal se encarga de extraer las característicasmás relevantes procedentes del sistema multisensor. Esta información compacta sedenomina patrón. El sistema de reconocimiento de patrones analiza esta información, demanera que es capaz de aprender, categorizar y reconocer los patrones. Los actuadores sonun elemento que no forma parte del sistema de percepción propiamente dicho, pero quenormalmente se incluye en la mayoría de aplicaciones si se quiere actuar en función de latoma de decisión del sistema.

Las equivalencias que se pueden encontrar entre percepción animal o biológica ypercepción artificial se muestran en la siguiente relación:

Figura 2.1.2. Equivalencias percepción hombre-máquina

De entre las aplicaciones de la percepción artificial, se pueden destacar los siguientescampos:

? Sistemas de visión: Robótica, control de calidad, identificación.? Sistemas de olfato y de gusto: Analisis de aromas y detección de gases por los

primeros y líquidos por los segundos.? Sistemas de tacto: Robótica, rugosidad.? Sistemas de oído: Ultrasonidos (determinar posición, control de calidad, sensado

químico), sistemas de audio, identificación.

La aplicación que se ha desarrollado en el presente proyecto pertenece al grupo de sistemasde visión artificial. Concretamente, se puede ubicar dentro de los sistemas de control decalidad, ya que se trata de una aplicación de comprobación del correcto posicionado deunos componentes en una placa PCB. Hoy en día, los sistemas de control de calidad de laproducción que la industria demanda a la visión artificial, son de cuatro tipos:

? Metrología unidimensional y bidemensional (25,6%). La aplicación de lainspección del PCB corresponde a este grupo.

? Sistemas de guiado: robótica (16,3 %).? Sistemas de inspección en plano (14,1 %). Por ejemplo, inspección de componentes

eléctricos i electrónicos.? Metrología tridimensional (12,4%).

Visión artificial Vista

Olfato electrónico Olfato

Lengua electrónica Gusto

Manipulador Tacto

Sist. ultrasónicos Oído


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Son varias las industrias clave en las aplicaciones de visión:? Automatización industrial

Figura 2.1.3. Inspección de un contenedor

? Test y medidas

Figura 2.1.4. Pruebas en automoción

? Automatización de laboratorios

Figura 2.1.5. Recuento de células


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2.2 Instrumentación Virtual

Los sistemas de visión y procesado de imágenes basados en PC representan una alternativaa los sistemas convencionales. Utilizando una cámara, una lente y un PC con el soft y elhard apropiado (tarjeta de adquisisción de vídeo principalmente), se puede desarrollar unsistema automático de inspección (tanto para control de calidad como para sistemas demedida de alta precisión).

Impulsado por la convergencia de diversas tecnologías, aplicaciones de visión y porcesadode imagen basadas en PC son hoy en día una realidad. Los avances tecnológicosconseguidos, juntamente con la asombrosa evolución del PC (con micros más potentes yrobustos, sistemas operativos más estables), han hecho posible que el ususario final puedahoy en día desarrollar aplicaciones de procesado de imagen que antes estaban reservadas aatuténticos especialistas o a empresas de gran poder adquisitivo.

Gracias a la instrumentación virtual y a la convergencia de almenos cuatro tecnologías , hasido posible que hoy en día se pueda hablar de aplicaciones de procesado de imagenbasadas en PC. A continuación, se muestra una figura que plasma lo expuesto:

Figura 2.2.1 Convergencia de tecnologías

Cada una de estas cuatro tecnologías tiene un papel fundamental en el avance de lossitemas de procesado de imagen, en los que el PC ha sido un factor trascendental para eldesarrollo de este tipo de aplicaciones. Gracias al PC, la instrumentación virtual, es decir,la utilización del PC para realizar funciones de instrumentos de medida, ha sido unarealidad desde hace unos años. Lógicamente, se han aprovechando los beneficios de lasCPU’s más potentes y sistemas operativos más robustos (Win NT), junto con canales decomunicación (bus local PCI) más rápidos y flexibles. A continuación, se presenta unesquema de lo que se puede considerar como un modelo de instrumentación virtual basadaen PC:

Software yHardwareAmigables

(IMAQ y DAQ)

Bus LocalPCI

Sistemas deVisión

Basados en PC

Avances en CPU

SistemasOperativos más

Robustos


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Figura 2.2.2 Modelo de instrumentación basado en PC’s

Los sistemas de procesado de imagen son parte del modelo de instrumentación virtual en elcual el PC es la plataforma sobre la cual se desarrollan, entre otras cosas, las aplicacionesde captura, procesado, presentación y/o almacenamiento de imágenes y de control deprocesos basados en información gráfica o visual.

Son muchas las aplicaciones de la instrumentación virtual y de los sistemas de procesadode imagen basados en el PC. Entre otras, se pueden nombrar campos como I+D, control decalidad, pruebas y medidas automatizadas, control de procesos, ingeniería demantenimiento, etc. El modelo de instrumentación virtual mostrado anteriormente, permiteque un sistema de visión se pueda combinar con un sistema de control utilizando un soloPC (con el uso de una tarjeta de adquisición de imagen, una tarjeta de adquisición de datosy control y finalmente el soft correspondiente a cada aplicación).

Los componentes necesarios para formar un sistema de visión basado en PC se listan acontinuación:

- Un PC (Ordenador Personal)- La tarjeta de captura y procesado de imágenes (IMAQ)- El software de la aplicación (LabVIEW, IMAQ VISION, NI-IMAQ)- La cámara (CCD, etc.)- La iluminación apropiada.


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Figura 2.2.3 Sistema de visión

Dentro del PC, la estructura del software y el hardware necesarios en aplicaciones devisión artifial, puede ser la siguiente:

Figura 2.2.4 Estructura de un sistema de visión basado en PC


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Gracias a esta estructura, se puede programar la tarjeta de adquisición de imágenes a unnivel bastante simplificado. Es el paquete de interfase entre el hardware y la aplicación(NI-IMAQ), el que se encarga de tranformar las órdenes a nivel Labview o C+ en señalesapropiadas hacia el hard para realizar las capturas correctamente. A continuación, sepresenta una figura en la que se pone de manifiesto la relación flexibilidad-coste en lossistemas de visión artificial:

Figura 2.2.5 Curva de solución de visión

Hoy en día, los sistemas de visión basados en PC ofrecen un aumento de productividad,robusteza y fiabilidad de las líneas de producción, además de una alta eficiencia y lacapacidad de realizar tareas de inspección más sofisticadas. Desde la inspección de lentesde contacto, hasta la selección de naranjas defectuosas de una línea de envasado, pasandopor la inspección de los sensores de los airbags de los automóviles. Además, las solucionesde visión basadas en PC han incrementado gracias a la mejora de la relación precio-funcionamiento. Por un lado, el coste será más bajo cuanta más flexibilidad tenga elusuario a la hora de programar la aplicación. Los costes de desarrollo de visión tambiénestán disminuyendo porque el hard y el software son más flexibles y configurables, por loque se reducen los tiempos de setup.

En la siguiente gráfica se refleja la evolución que ha sufrido y que se prevee en el mercadode la visión artificial aplicada a la indústria europea. Las cantidades vienen expresadas enmillones de dólares:

945,3

789,9

664,1

562478,8

411,2356,6

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Figura 2.2.6 Estadística y previsiones del mercado de visión

Bajo Alto

Coste

FlexibilidadDefinido por el

usuario

Definido por elfabricante

Sistemabasado en PC

Integración desistemas de visión

Sistemacerrado


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2.3 Componentes de un sistema de visión basado en PC

Los elementos clave que componen un sistema de visión basado en PC son los siguientes:

Figura 2.3.1. Elementos de un sistema de visión basado en PC

? Iluminación (Lighting): Se tiene que pensar en la iluminación como el análogo alcondidiconamiento de señal en una aplicación de adquisisción de datos.Seleccionando la técnica de iluminación adecuada, el desarrollo del software sepuede simplificar enormemente. En otras palabras, si la escena está correctamenteiluminada, la imagen adquirida tiene muchas más posibilidades de ser procesadacon éxito.

? Lentes y ópticas (Optics): Dependiendo de las dimensiones del objeto ainspeccionar, las especificaciones de la cámara y la lente son vitales. En unacámara será importante la medida del sensor CCD, y en la lente la distancia focal yla mínima distancia de enfoque.

? Cámara: Se pueden solucionar muchas aplicaciones de visión con cámarasanalógicas estándar (monocromo y de color), ya que son fáciles de configurar ymantener. En cambio, si se quiere mejorar la resolución y velocidades deadquisición, se deben utilizar cámaras digitales. También existen cámaras deinfrarojos para aplicaciones térmicas.

? Plug-in IMAQ hardware (Frame grabber): Debido a la proliferación del hardwarede adquisición de imágenes, éste resulta más accesible económicamente. Además,ofrece más funcionalidad, facilidad de configuración (plug&play), y versatilidad.

? Software de la aplicación, el cual puede ser gráfico (p.e. LabVIEW) o un lenguajeen código escrito (p.e. LabWindows/CVI). Este soft, controla el dispositivo IMAQ,así como el procesado y la visualización de la imagen capturada.

? Ordenador personal PC o PXI.

3.- ESPECIFICACIONES DELSISTEMA

Sistema de Visión Artificial 3 Especificaciones del Sistema

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3 Especificaciones del Sistema

En este capítulo, se comentará en detalle en qué consiste el sistema de visión artificial quese ha implementado. A grandes bloques, el sistema de visión se puede desglosar en lassiguientes partes:

? Célula de Fabricación Flexible (CFF).? Placa PCB a examinar.? Cámara de vídeo + óptica.? Tarjeta de adquisición de imagen (IMAQ PCI-1407).? Sistema de iluminación.? Sistema de trigger.? Sistema de retención/avance de la PCB.? Soft de inspección (LabView).

Una vez enumerados los puntos de los que consta el proyecto, se emprezará por describir elproceso en el cual se realizará la inspección de la placa de PCB en el entorno de la célulade fabricación flexible.

3.1 Descripción del ProcesoSe trata de montar un sistema de visión artificial en el entorno de una célula de fabricaciónflexible. Se tienen unas placas PCB en la que existen una serie de componentes insertados.Estas placas viajarán por una cinta transportadora que se encuentra en una de las partes dela célula de fabricación. El sistema tiene que ser capaz de detectar el paso de la platformasobre la que viajan las PCB’s, captar una imagen y procesarla para verificar la validez delproducto. Dependiendo del resultado de la inspección, la placa avanzará o se mantendráretenida para que se decida qué hacer con ella. A continuación, se muestra una imagengeneral del sistema de visión:

Figura 3.1.1 Sistema de Visión Artificial


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Para ello, se dispone de un armario de iluminación en el que se encuentra ubicada lacámara CCD. Este conjunto (armario de iluminación y cámara) se halla montado sobre lacinta transportadora. Además, existe un sensor inductivo de proximidad (montado sobre lacinta a la altura del armario de iluminación) que detecta el paso de la plataforma metálicasobre la que viajan las placas. Cuando ésta pasa a la altura del sensor, se envía una señal detrigger a la tarjeta de adquisición y se realiza la captura. En ese preciso momento, serealiza el procesado de la imagen (mediante Labview e Imaq Vision) y se decide si la piezaestá conforme o no con lo estipulado.

Cabe destacar que en general, las aplicaciones de visión se realizar a medida del objeto quese quiere inspeccionar. Por tanto, la flexibilidad de la aplicación es bastante limitada. Eneste caso, no nos encontramos delante de una expcepción, por lo cual si cambia el diseñode la placa el sistema no será capaz de adaptarse a los cambios realizados. De todos modos,se ha intentado realizar un programa en el que sea lo más fácil posible realizar cambios, demanera que se pudan inspeccionar placas con diferentes configuraciones. Estacircunstancia es debida a que se ha planteado el problema de manera modular, en el quecada componente es preprocesado y analizado individualmente.

3.2 Objecto a ExaminarA continuación, se muestra la placa de ciurcuito impreso que se tiene que inspeccionar:

Figura 3.2.1 Placa PCB

Es importante señalar que la funcionalidad de este circuito no es relevante, ya que esteproyecto tiene fines docentes. Por tanto, la combinación de componentes que se muestran ysu disposición geométrica son bastante arbitrarias. Se trata únicamente, de demostrar queeste sistema de visión artificial es capaz de comprobar la calidad del producto en análisis.

Dimensiones:

70x47 mm


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Para entrar en detalle, los componentes que forman la placa son los siguientes:

Figura 3.2.2 Componentes a inspeccionar

Para cada componente de la placa, se ha establecido un procedimiento de identificación desus características principales con el objetivo de comprobar su correcta inserción:? Conector: se detectará la presencia o ausencia de este elemento.

? Condensadores: se comprobará tanto la presencia como la polaridad (gracias a la marcaexistente en su encapsulado).

? Transistores: se comprobará que estén donde corresponde y correctamente insertados

? Diodos: se inspeccionará la posición de los diodos y su polaridad.

? Puentes de metal: se comprobará la presencia de todos ellos.

? Resistencias: se determinará la presencia de las mismas pero no su valor (ya que lacámara es monocromo).

? C. I. en zócalos: en cada zócalo existe un circuito integrado. Se lee la referenciaserigrafiada en su superficie para decidir su correcta colocación. El sistema tambiénserá capaz de detectar una inversión en la colocación, así como si está desplazado.

Una vez finalizadas todas estas inspecciones, se generará un informe con el resultadoobtenido. De esta manera, se podrá comprobar si la placa cumple con todos los requisitosexigidos de inicio.

Transistores

Conector

Puentes demetal

CI en zócalos

Condensadores

Diodos

Resistencias


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3.3 Cámara de Vídeo + Óptica

El conjunto cámara-óptica, el hardware IMAQ de captura de imágenes y el NI-IMAQdriver software forman el sistema de adquisición de imágenes de una aplicación de visiónartificial basada en PC.

Figura 3.3.1. Sistema de adquisición de imágenes

En este apartado, se explicará qué tipo de cámara se ha escogido para la aplicación enestudio. Esta decisión es transcendental a la hora de obtener una buena imagen, por lo cualel éxito del proyecto depende en gran parte de esta elección.

3.3.1. Selección de la cámara

Cuando se habla de una cámara se hace referencia a un sofisticado transductor queconvierte una escena en una señal eléctrica de vídeo, que posteriormente con los restanteselementos del sistema de adquisición y un PC se procesa y analiza. En el mercado existendos tipos básicos (de acuerdo con el tipo de señal que proporcionan): las analógicas y lasdigitales. En nuestro caso, la que se ha utilizado es de tipo analógico. Son cámaras queproporcionan una señal de vídeo analógica que se digitaliza posteriormente mediante latarjeta de adquisición de vídeo (en este caso la IMAQ PCI-1407).

Típicamente, las cámaras utilizan un array CCD (Charge Coupled Device) que se haconvertido en el estándar tecnológico en las cámaras. Este tipo de cámaras cumplen conuna serie de características ventajosas respecto a otro tipo de cámaras. En primer lugar, esfácil configurarlas y son simples a la hora de manejarlas. Además, aportan una altaresolución, son resistentes, pequeñas y de bajo coste. Su consumo de potencia es tambiénbajo, por lo que son aconsejables para aplicaciones con mucha carga de trabajo.

Figura 3.3.1.1. Matriz CCD de una cámara

SISTEMA DEADQUISICIÓN

Luz

Salida devídeoRegistros de salida


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Un CCD es una matriz rectangular de miles de semiconductores interconectados. Cadapíxel es un elemento fotosensible de estado sólido que genera y almacena una cargaeléctrica cuando es iluminado. El píxel o sensor es el bloque básico constructivo de unaimagen CCD. En la mayoría de configuraciones el sensor incluye una circuitería quealmacena y transfiere su carga hacia un registro de desplazamiento. Éste convierte lamatriz de cargas espaciales de la imagen CCD en una imagen de vídeo variable en eltiempo. La información temporal de la posición vertical y horizontal más el valor delsensor son combinados para formar la señal de vídeo analógico.

La señal de vídeo analógica está basada en el estándar de televisión, que es el estándaranalógico más común para representar señales de vídeo. Los estándares analógicosexistentes son el RS-170 (B/N) y el NTSC (color) asociados a una velocidad de 30imágenes por segundo y una resolución de 640x480 píxels, y por otro lado el CCIR (B/N)y el PAL (color) con 25 imágenes por segundo y 768x576 píxels de resolución.

Aunque la relación señal-ruido es mayor que en una digital (donde la digitalización se hacea nivel de la propia cámara antes de enviarla a la placa), las cámaras analógicas son másbaratas, con estándares fáciles de configurar y además pueden resolver numerosasaplicaciones a un precio atractivo. Las cámaras pueden proporcionar señales de color omonocromo (blanco y negro), y su elección dependerá del tipo de imagen a procesar. En elcaso de la PCB a examinar, con un procesado adecuado de la imagen es suficiente paradeterminar la presencia y el correcto insertado de los componentes.

Otro aspecto esencial en este proyecto, es determinar si el la escena a inspeccionar está enmovimiento o no. En la primera etapa de pruebas, se pensó realizar la captura de la imagencon la PCB en movimiento, y el resultado que se obtuvo se muestra a continuación:

Figura 3.3.1.2. Imagen de la PCB en modo Frame

El problema es que se necesitaría una cámara de las llamadas progresivas, es decir,pensadas para captar imágenes de objetos en movimiento. En las cámaras analógicasestándar, la imagen se compone de dos campos (fields), uno par y otro impar(correspondientes a las líneas horizontales pares e impares en cada caso). Con estos doscampos, la tarjeta de adquisición los entrelaza y forma una sola imagen (frame).El problema es que existe un ligero retraso entre la adquisición de ambos campos, por loque si el objeto a inspeccionar está en movimiento la imagen compuesta final queda poco


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nítida. Sin embargo, existe la posibilidad de poder mejorar la calidad de la imagen si seconfigura la cámara para que únicamente componga la imagen con un solo campo. De estamanera (en teoría), se puede solucionar el problema del movimiento con una cámaraanalógica estándar. Por tanto, se realizaron pruebas para realizar la adquisición en estemodo (modo field), pero los resultados obtenidos no fueron satisfactorios. En la siguienteimagen se puede comprobar este hecho:

Figura 3.3.1.3. Imagen de la PCB en modo Field

Por tanto, al realizar estas pruebas quedó claro que con la cámara que se disponía no sepodía captar la imagen de la PCB en movimiento. Utilizando una cámara progresiva, esteproblema se soluciona ya que la imagen la componen con un solo campo, obteniendo asíuna imagen nítida.

Finalmente, la cámara utilitzada es una PULNiX modelo PE2015. Se trata de una cámarade televisión con una matriz CCD de 752x582 píxels monocromo, y cumple con elstandard CCIR (25 frames/sec). A continuación se muestra una figura de esta cámara:

Figura 3.3.1.4. Cámara CCD PULNIX PE2015


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Las características técnicas son las siguientes:

Tabla 3.3.1.5. Características de la cámara CCD

3.3.2. Óptica

Una vez se tiene la cámara, el reto inmediatamente posterior es establecer la óptica másadecuada para la aplicación que se tiene. Normalmente en los sistemas de adquisición deimágenes la cámara se selecciona primero basándose en las necesidades de la aplicación,ya que la medida de la matriz de los sensores CCD es uno de los parámetrosimprescindibles para encontrar la óptica más adecuada. Por tanto, los parámetros aconsiderar para la elección de un buen sistema para adquisición de imágenes es elsiguiente:

? Resolución, que vendrá dada por la medida de la característica más pequeña delobjeto que se quiera destacar en la imagen.

? Medida del sensor (sensor size), dimensiones del área activa del sensor CCD.? Campo de visión (field of view), área bajo inspección que la cámara puede adquirir.? Distancia de trabajo (working distance), que es la distancia desde la óptica de la

cámara hasta el objeto a inspeccionar.


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En la siguiente figura, se muestran los parámetros más a tener en cuenta a la hora dediseñar un sistema de adquisición de imagen:

Figura 3.3.2.1. Parámetros de un sistema de adquisición de imagen

El sistema de adquisición debe ser diseñado con el objetivo de captar imágenes desuficiente calidad como para extraer la información necesaria para extraer conclusiones.

Dentro de las diversas especificaciones de los objetivos, es interesante destacar tres:

1. Distancia focal: es la distancia existente entre la matriz CCD y el punto de enfoquedel objetivo. Cuanto más pequeña sea la distancia focal, mayor será el campo devisión. En la aplicación que se ha estudiado, para encuadrar un objeto pequeñocomo la PCB haría falta acercar mucho la cámara (en caso que la distancia focalfuera pequeña). De tal manera, se tendría que acercar mucho el objeto a la cámara yse producirían problemas de enfoque (ya que se estaría por debajo de la mínimadistancia de enfoque).

Si en cambio se utiliza un objetivo con una distancia focal grande, el campo devisión será más estrecho y se tendrá que alejar el objeto para encuadrarlo sinproblemas.

2. Otro parámetro a tener en cuenta es el tamaño de de la matriz CCD. En este caso setiene que ésta es de 1/3’’.

3. La montura del objetivo tiene que ser adecuada para el tipo de cámara que seutiliza. Existen dos tipos de montura: la C y la CS. Mecánicamente soncompatibles, pero la montura debe corresponder la óptica apropiada para que lasimágenes sean nítidas.


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A continuación se muestra de manera gráfica un esquema de la óptica y sus parámetros:

Figura 3.3.2.2. Óptica

Inicialmente, se diponía de un objetivo multifocal (de 3.5 a 8 mm) con montura CS, con elque la imagen que se obtenía era totalmente borrosa. Más adelante se descubrió que lacámara llevaba incorporado un accesorio para incorporar monturas tipo C. Una vez quitadoeste accesorio las imágenes volvieron a ser nítidas. El problema surgió cuando secomprobó que para encuadrar la placa de PCB (de 70x47 mm) era necesario acercar muchola cámara a la placa, de manera que el enfoque no era bueno. Por este motivo, se decidióadquirir una óptica más apropiada. Se trata de una óptica multifocal (de 5 a 50 mm), quesoluciona el problema anteriormente descrito. En la siguiente figura, se muestra la ópticaque se utiliza:

Figura 3.3.2.3. Ajuste de la óptica

ZOOM

IRIS

ENFOQUE

Distancia Focal Mínima distancia de enfoque


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3.3.3 Nivel de DetalleEs necesario calcular cuál será la resolución (también denominada nivel de detalle) con laque el sistema será capaz de obtener las imágenes. Así, se podrá determinar qué límite setiene para inspeccionar detalles pequeños (tales como los caracteres serigrafiados en loscircuitos integrados).

Como se ha dicho anteriormente, la placa a examinar es de 70x47 mm. Una vez la imagense ha encuadrado y se han eliminado los márgenes, se obtiene una imagen de 676x463pixels.

Figura 3.3.3.1. Medidas de la placa PCB

Si dividimos 676/70 = 9,6 píxels/mm y 463/47 = 9,8 píxels/mm, se puede decir que cadamilímetro de placa equivale aproximadamente a ~9 píxels de la imagen. Con estaresolución, se puede inspeccionar perfectamente los caracteres serigrafiados encima de losintegrados.

3.4 Iluminación y acondicionamiento de la imagen.El tener una buena iluminación es una función vital para realizar un apropiadoacondicionado de la imagen. De esta manera se optimizará y mejorará el rendimiento en suprocesamiento.

3.4.1. Requisitos fundamentalesIluminar la escena y el objeto de forma adecuada es un paso crítico y muy importante parael éxito del desarrollo de una aplicación de inspección basada en PC. Si embargo, muy amenudo se ignora su relevancia. El objetivo de la iluminación es acondicionar el campo deimagen para separar el elemento que se quiere inspeccionar de su entorno o background.

La elección de una buena técnica de iluminación debe permitir contrastar bien cada uno delos componentes de la placa para poder realizar un apropiado procesado. Con una buenaimagen, todos los pasos posteriores al procesado (filtrado, análisis morfológico,..) son másfáciles. Por tanto, los aspectos básicos que se buscan con una buena iluminación son:

? Luz homogenea sobre el campo de visión.? Máximo contraste para las características de interés (en este caso los componentes a

analizar).? Mínimo contraste de las características que no interesan.? Mínima sensibilidad a variaciones ambientales.

70 mm

47 mm


21

Además, no se debe olvidar que para conseguir imágenes de calidad con el máximocontraste, no sólo influye la iluminación. Intervienen otros factores tales comocaracterísticas mecánicas, cámaras, óptica, así como la técnica empleada para procesar laimagen.

3.4.2. Sistema de iluminación implementadoEn este proyecto, lo que se ha hecho para aislar el sistema de las condiciones ambientales,ha sido construir una cámara opaca con tubos de luz fluorescente en su interior. De estemodo, se consiguen niveles de luz constante que favorecen el proceso de inspección.

La cámara de iluminación se ha construido en PVC blanco, tal como se muestra en lasiguiente figura:

Figura 3.4.1.1. Vista exterior de la cámara de iluminación


22

En cuanto al interior del armario, se muestra a continuación una figura en la que se puedeapreciar la cámara y la cinta transportadora con la PCB que lo atraviesan:

Figura 3.4.1.2. Interior de la cámara de iluminación

Las medidas internas del armario de iluminación son:

- Altura: 50 cm.- Anchura: 31 cm.- Profundidad: 31 cm.

Las medidas externas son:

- Altura: 60 cm.- Anchura: 35 cm.- Profundidad: 35 cm.


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En cuanto a las especificaciones propias de la iluminación se han utilizado 4 tubosfluorescentes de 15 W con luz 54 (luz día con una temperatura de color 6200ºK) queofrecen aproximadamente 830 lúmenes cada uno. Con esta cantidad de luz, se hanminimizado los efectos de las sombras y los reflejos de las placas a examinar, de maneraque se facilita enormemente la tarea del análisis y reconocimiento de los componentes.

En la siguiente figura, se muestra el armario con los fluorescentes encendidos:

Figura 3.4.1.3. Armario iluminado


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3.5 Cambios realizados para la integración en la CFF

Con el objetivo de acoplar el armario de iluminación que contiene la cámara a la CFF(célula de fabricación flexible), así como permitir que las PCB’s viajen por la cintatransportadora de ésta, se han debido realizar una serie de cambios. Estos radicanbásicamente en los siguientes puntos:

1) Se han utilizado un par de perfiles de aluminio para poder acoplar el sistema deinspección en la CFF. Estos perfiles están firmemente unidos a la estructura de la cintatransportadora. Así mismo, se ha atornillado la base del armario de iluminación quecontiene la cámara a estos perfiles con el fin de tener un sistema sólido. De esta manera, lainspección de PCB’s será más robusta a cualquier posible movimiento o vibración.

En la siguiente figura, se puede apreciar el montaje del sistema de visión sobre la cintatransportadora (circunferencias? perfiles de aluminio; cuadrados? fijación de la base delarmario a los perfiles):

Figura 3.5.1. Detalle de los perfiles metálicos que unen el sistema con la CFF

Es interesante destacar que aflojando las palometas de sujeción, se puede orientar todo elsistema hacia un lado u otro, de manera que se pueda ajustar el campo de imagen de lacámara y poder realizar una imagen apropiada.

En esta línea, si se tuvieran problemas de mal encuadre de la imagen, se tiene aquí ungrado de libertad para poder obtener así el encuadre preciso. De no ser así, se tendríanbastantes problemas para inspeccionar las PCB’s. Es éste, por tanto, un punto crítico delsistema, y se debe tener mucho cuidado de no mover la posición del armario una vez setiene correctamente encuadrada la imagen.


25

2) Otro cambio realizado ha sido el de adaptar los laterales del armario para que laplaca a inspeccionar, junto con la base que la transporta, pueda atravesar éste. El aspectode los laterales del armario se puede apreciar en la siguiente figura:

Figura 3.5.2. Detalle de las oberturas realizadas en los laterales del armario

En también interesante señalar que si cambia la orientación del armario para obtener unbuen encuadre de la imagen, podría darse el caso que la PCB no entrara por la aberturarealizada. De todas maneras, con las aberturas que se han realizado, aún existe margen parapoder mover el conjunto.

3) Se han creado unas bases de plástico inyectado para poder acoplar las PCB’s alsistema de transporte utilizado en la CFF. De esta manera, las PCB’s van atornilladas aestas bases, por lo que no existe ningún tipo de tolerancia en el sistema de transporte delobjeto a inspeccionar. A continuación se muestra una figura de estas bases:

Figura 3.5.3. Detalle de la plataforma y la base de plástico sobre las que vajan las PCB’s


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Se muestra también otro detalle únicamente de las bases inyectadas creadas para estaaplicación:

Figura 3.5.4. Detalle de la plataforma de plástico

En esta otra figura se aprecia cómo se une la base metálica con la base de plástico. Éstaúltima ha de tener las medidas justas para que encaje en los pivotes de sujeción queincorpora la el sistema de transporte de la CFF:

Figura 3.5.5. Detalle de la unión entre bases


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4) Finalmente, se ha perforado la base del armario para poder instalar el pistón dedoble efecto con el pivote metálico que retiene la placa. A continuación se puede observarla mecanización realizada en la base:

Figura 3.5.6. Acondicionamiento de la base para inserción del pistón-pivote metálico

En este punto es interesante destacar que si se quiere variar mucho la posición del armario,se debería agrandar el hueco abierto en la base del armario. De no ser así, no se podríanrealizar cambios de orientación del conjunto armario-cámara.


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3.6. Hardware IMAQ de adquisición de imágenes

3.6.1. Características generales básicasEl último elemento que forma parte del sistema de adquisición es la placa de captura deimágenes, junto con el software driver NI-IMAQ asociado. A grandes rasgos, la tarjeta seencarga de digitalizar la señal de vídeo analógica procedente de la cámara. A continuación,se aplica un preprocesado si es necesario, se envía al ordenador para que el software deprogramación (en este caso Labview) analice los datos y decida en consecuencia. Todo esteproceso entre el ordenador y el hardware lo controla el driver NI-IMAQ. En el momentode escoger el hard para la aplicación de visión se tienen que tener en cuenta variosaspectos. Desde la memoria propia de la tarjeta de adquisición (onboard memory), latransferencia rápida de datos a la memoria del PC, capacidades avanzadas de triggering,funciones de preprocesamiento, hasta la integración del hardware de adquisición de datosy de control de movimiento. Los dispositivos IMAQ hardware para vídeo analógico deNational Instruments tienen un multiplexor de vídeo de manera que pueden adquirir ymultiplexar hasta cuatro canales. Operan con el bus PCI de alta velocidad, y disponen decuatro triggers externos, un filtro anticromático para eliminar el color en señales de vídeoen color, con la ganancia y el offset programable.

Figura 3.6.1.1. Dispositivo hardware IMAQ por vídeo analógico

Además, las placas IMAQ incluyen una look-up table (LUT) para preprocesado ythresholding en la propia tarjeta y con la posibilidad de poder cargar una LUT hecha amedida. También se puede seleccionar una región de interés (ROI) para poder reducir laimagen (datos) que se están transfiriendo a través del bus.


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3.6.2. IMAQ PCI-1407

La tarjeta de adquisición IMAQ analógica de National Instruments utilizada es la IMAQPCI-1407, que es una tarjeta que trabaja con 8 bits (256 tonos de gris) y permite una altavelocidad de conversión (hasta 25 imágenes por segundo).

La tarjeta trabaja con un driver de National Instruments, y dentro de las aplicaciones NI-IMAQ (LabVIEW e IMAQ Vision Builder) se puede acceder a la tarjeta de video sinnecesidad de programar los registros internos de la misma. El soft se encarga de realizar losaccesos al hardware de manera amigable. Con esto, se facilita mucho el trabajo delprogramador y se optimiza el funcionamiento del hard. El incoveniente más grande es quesi se quiere utilizar un lenguage de programación que no sea LabVIEW (como Visual C ootros), es muy probable que haya que programar un driver específico para controlar laplaca de adquisición. En la siguiente figura se muestra lo explicado:

Figura 3.6.2.1. Relación entre el entorno de programación, NI-IMAQ, y el Hardware


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A grandes rasgos, la IMAQ PCI-1407 incorpora un conversor analógico-digital de 8 bits.A continuación, se presenta un esquema básico que ilustra su funcionaminto:

Figura 3.6.2.2. Diagrama de bloques de la IMAQ PCI - 1407

Como se observa, la señal de video entra por la toma BNC y se almacena en un buffer. Acontinuación, si llega una petición de lectura, esta señal pasa a un conversor analógico-digital (habiéndose ajustado previamente el offset y la ganancia). Finalmente la señal devídeo se transmite al bus PCI del ordenador.

Esta tarjeta posee características de hardware para aplicaciones en tiempo real que ayudana mejorar el rendimiento del sistema de visión. La digitalización de la imagen se realiza através de un convertidor A/D flash de 8 bits. El resultado de la conversión pasa a una look-up table RAM de 256x8 bits. La LUT puede ser configurada para implementar operacionessimples de preprocesado de imagen como manipulación gamma, inversión de datos oaumento de contraste. También permite un control de ROI, seleccionando la zona deinterés de la imagen de manera que la transferencia de la imagen hacia la memoria del PCy su procesamiento son más rápidos. Con la corrección de la relación de aspecto, se puedecorregir la calibración del píxel debida a efectos de la cámara.

El bus CompactPCI está diseñado para trabajar con los procesadores más nuevos(transfiriendo datos a 100 Mbytes/s), siendo ideal para aplicaciones de vídeo. La interfícielógica asegura que la tarjeta reune los requerimientos estrictos de carga y tiempo de laespecificación PCI. Para asegurar los índices de transferencia más rápidos, la tarjeta utilizael integrado MITE DMA. Se trata de un ASIC específico para adquisición de imágenes ydatos optimizado por bus PCI mastering. El chip tiene tres controladores independientesDMA por entrada analógica o de vídeo, salida analógica y operaciones de tiemposimultaneas.


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El procesador MITE DMA afrece elevados rendimientos, ya que realiza el entrelazado ycopia en la memoria del PC, eliminando la intervención de la CPU. Esta técnica se llama“Scatter-Gather” DMA bus mastering, y elimina la necesidad de reprogramar elcontrolador DMA para cada ubicación de memoria, pudiéndolo hacer “al vuelo” y asírealizar una transferencia continua de imagen.

Figura 3.6.2.3. “Scatter-Gather” DMA (Bus Mastering)

Gracias al MITE y a la potencia de los PC’s, existe menos necesidad de tarjetas de vídeocaras con procesadores DSP. La placa también dispone de buffers FIFO de 4 KB (más decuatro líneas completas de vídeo) usados para almacenar temporalmente la imagen que noestá siendo transmitida hacia el bus PCI.

3.7. NI-IMAQ Driver Software

Esta herramienta proporciona la unión entre la aplicación software y el hardware. Es lainterficie software que controla los detalles de hardware, se comunica con las diferentestarjetas, y permite que la funcionalidad hardware sea fácilmente accesible al programadorsin necesidad de escribir a nivel de registros u otros programas complicados.

1407

Tarjeta IMAQ

Figura 3.7.1. Interficie entre hardware y software


32

Esta herramienta está incluida en el dispositivo IMAQ de National Instruments. NI-IMAQes una extensa librería de funciones que se llama desde el entorno de programación(LabView en este caso). Estas funciones incluyen rutinas para:

- Adquirir imágenes continuamente en memoria, adquisición desde múltiplesentradas de vídeo, o adquisición de múltiples imágenes hacia múltiples buffers.

- Usos DMA para transferir imágenes, es decir, control del integrado scatter-gatherMITE DMA.

- Manejar líneas digitales E/S para controlar relés de estado sólido (se puedencontrolar electroválvulas utilizando la tarjeta DAQ PXI-6527).

- Iniciar (trigger) de adquisición de imagen por evento.- Escalar o “diezmar” la imagen desde el hardware.- Cargar una LUT a la tarjeta para funciones de preprocesado.

NI-IMAQ dispone de dos niveles de programación: funciones de programación de alto ybajo nivel, lo cual proporciona flexibilidad, funcionalidad y un camino de interfase fácilentre LabView y los dispositivos hardware. Además, se tiene una ayuda para reducir eltiempo de desarrollo de la aplicación, pudiéndose elegir entre muchos tipos de métodos deadquisición. De esta manera, se pueden intercambiar cámaras y tarjetas sin tener quecambiar significativamente ningún tipo de código. IMAQ hardware y NI-IMAQ estándiseñados para trabajar con IMAQ Vision (software de procesado de imagen), ofreciendocapturas en tiempo real, así como la extracción de información crítica en procesos detiempo real.

3.8. TriggeringTrigger o disparo es uno de los modos de funcionamiento de la placa de vídeo. El uso deltrigger posibilita un aumento muy importante en las capacidades del sistema deadquisición. De esta manera, se puede realizar una captura de eventos de corta duración demanera eficiente. Por tanto, se evita el tener que adquirir la imagen constantemente y latransferencia de información a través del bus PCI. Utilizando un trigger externo, seidentifica exactamente el momento en el cual se tiene que captar la imagen de la PCB.

3.8.1. Especificaciones de triggering de la PCI-1407La tarjeta de adquisición tiene una entrada de trigger (conector tipo BCN) que se encuentraen la parte posterior de la misma. En esta imagen se puede apreciar su ubicación:

Figura 3.8.1.1. Entrada BCN de trigger de la IMAQ PCI-1407


33

En cuanto a las características y descripción de estas entradas, se tiene la siguienteinformación:

Figura 3.8.1.2. Descripcion de las diferentes señales de entrada

También es necesario, a la hora de acondicionar la salida del sensor que se elija, tener encuenta las características de la señal de trigger que acepta la PCI-1407:

Figura 3.8.1.3. Carácterísticas de la señal de trigger

Por tanto, se necesita una señal de entrada de trigger de tipo TTL y unos umbrales mínimosde 2V (VIH) y 0,8 V (VIL). Es decir, el nivel alto de esta señal debe ser superior VIH y elnivel bajo debe ser inferior a VIL .También es importante señalar que la detección deltrigger puede ser tanto de flanco de subida como de bajada. Con toda esta información, yase tiene una idea del tipo de sensor que se necesita y del tipo de señal de salida que tieneque entregar este mismo.


34

3.8.2. Descripción del sistema de sensadoEn cuanto al sensor utilizado, se ha escogido un sensor inductivo de proximidad, con elobjetivo de controlar el paso de la plataforma metálica que transporta la PCB. De estamanera, se mandará la señal de trigger cuando la placa esté debajo de la cámara a la alturaadecuada para obtener una buena imagen de la misma. Gracias al pivote metálico queexiste (pistón de doble efecto), la placa se para en el punto de encuadre exacto para que laimagen tomada se pueda comparar con el patrón de comparación y así comprobar lavalidez o no de esa placa. Durante este apartado, se irá mostrando las características delsensor utilizado, y también se detallará de qué manera se acondiciona la señal que entregaeste sensor (ajustando la tensión de salida). A continuación, se muestra una imagen de estaaplicación:

Figura 3.8.2.1. Sensor integrado en el sistema de visión

En la siguiente figura se puede apreciar el conjunto de elementos que forman el sistema detriggering:

Figura 3.8.2.2. Sensor integrado en el sistema de visión


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Este conjunto está formado por los siguientes elementos:-Sensor inductivo.-Pletina de aluminio de sujeción.-Cable coaxial con conector BCN para conexión con tarjeta de vídeo.-Cable de tres hilos para alimentar el sensor y extraer la tensión de salida.-Interfase de ajuste de Vo a través de un potenciómetro y dos regletas (una para

alimentar al sensor y otra para la obtención de Vo).-Cables de alimentación.

Las características técnicas del sensor utilizado son las siguientes:

M8 PNP

Figura 3.8.2.3. Sensor Inductivo de proximidad PNP

Como se observa en la figura anterior, el sensor se comporta como una fuente de corriente,por lo que se tiene que ajustar la carga de la salida para obtener la tensión deseada. En estecaso, al necesitarse una tensión de salida compatible TTL (aproximadamente 5 V), se hamontado una placa de topos con unas regletas de entrada/salida y un potenciómetromultivuelta.

Seguidamente, se muestran los valores de la tensión de alimentación, la resistencia delpotenciómetro y la tensión de salida que se obtiene:

Vin=6,85 VVo?5 V.

R=43 ?


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Por tanto, la señal que proporciona el sensor es del siguiente tipo:

Figura 3.8.1.2. Salida del sensor inductivo

A continuación, se presenta más información acerca de este sensor:

Dimensiones (mm)M8 M12 M18 M30

Long. Total (mm) 65 65 65 65Long. Rosca (mm) 40 50 50 50Rosca M8×1 M12×1 M18×1 M30×1Características técnicasTemp. De funcionamiento de -25°C a +70°CProtección ambiental IP67Tensión de alimentación 10-30V d.c.

M8 M12 M18 M30Frecuencia de conmutación 1,5kHz 1kHz 800Hz 200HzDistancia de detección (mm):Acero dulce 1,5 2,0 5,0 10,0Factores de reducción:Acero inoxidable 0,75 0,70 0,70 0,80Aluminio 0,45 0,30 0,30 0,30Cobre 0,35 0,20 0,30 0,30Corriente de conmutación 200mACorriente sin carga 15-20mAIndicador de salida LED amarillo

Finalmente, cabe destacar que en la tarjeta de adquisición, se puede configurar el triggerpara que detecte la subida o la bajada de un flanco. En este caso, se ha configurado paraque se detecte flanco de subida. Este aspecto tiene que estar ligado con la programación deltrigger a nivel de Labview para que el sistema reconozca la señal.

Vo [V]

t

5 V

0 V

Detecta la presencia de metal

No hay detección


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3.8.3. Programación en LabViewLa cámara una vez en funcionamiento empieza a adquirir la señal analógica de vídeo.Configurando la tarjeta de adquisición en modo trigger, la señal externa indica el inicio dela adquisición. Para configurar a través de Labview la adquisición por trigger, se necesitautilizar funciones de bajo nivel de la librería de NI-IMAQ.

Una vez se ha podido obtener una señal TTL en la salida del sensor, se simplificasignificativamente la programación en LabView. Se trata de configurar los parámetros deadquisición por triggering, desglosándolos en:

1) Adquisición de la imagen en la subida o bajada del flanco.2) Selección de la tarea a ejecutar una vez llegada la señal de trigger.3) Canal de entrada del trigger.4) Tiempo de espera de la señal de trigger.

En la figura que se muestra a continuación, se puede apreciar la parte de LabView que seencarga de adquirir la imagen de la PCB cuando se detecta la presencia de la placa:

D E S D E L A C A M E R A

i m a t g e 1

8 b i t s

i m g 0

1

R e c t a n g l e

2 5 5 , 0 0In v e r t F r a me

7 9 0 5 1 41 0 8 4 706 0

Externa l t r igger 0

3 0 0 0 0

Tr igger s ta r t o f acqu is i t i on

T r u e

Figura 3.8.3.1. Programación en Labview para adquisición por triggering

En primer lugar, se debe dejar claro que la parte del programa que se ha mostrado esexclusivamente la dedicada a la configuración de adquisición por trigger y la adquisiciónde la imagen en sí. Con esta parte de programa, se obtiene una imagen (denominada placaen la figura) que es la que a continuación se inspecciona para comprobar que no existaninguna anomalía. Una vez aclarado este punto, se describirá función por función cómo serealiza la adquisición vía trigger:


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1) Inicialización de la tarjeta de adquisición de vídeo (IMAQ PCI-1407)

El “Interface Name” que se utiliza es el que tiene por defecto la función, es decir, img0.

2) Se crea una imagen en memoria de 8 bits por píxel (256 tonos de gris).

Seleccionando un “Image Type” de 8 bits, se obtiene una imagen de buena calidad que nodesborda la capacidad de procesado del PC.


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3) Se configuran las opciones de adquisición por trigger:

En cuanto a las opciones de configuración mostradas anteriormente, es convenientecomentarlas:

-Frame timeout (ms): en este campo se debe introducir el tiempo que se indica quedebe esperar la tarjeta de adquisición a que se produzca el evento de trigger, es decir, a quepase la plataforma metálica por delante del sensor inductivo. Se ha considerado oportunoque exista un margen considerable de 30 segundos, ya que puede existir algún problema enla cinta transportadora o en la alimentación del sensor.

-Trigger polarity: En este caso se configura la tarjeta para que detecte el flanco desubida de la señal de trigger. Por tanto, se ha configurado en modo HIGH-TRUE.

-Trigger line: En este campo se indica por qué línea del dispositivo de adquisiciónllegará la señal de trigger. En este caso, se escoge la línea external trigger 0, ya que es lalínea que llega a la PCI-1407.

Otros parámetros a configurar en la inicialización de trigger son:


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De estos últimos, el parámetro importante es:

-Trigger action: En este campo se establece qué se hace cuando llega la el flancode subida. En esta aplicación se ha escogido la opción de trigger start of acquisition,mediante la cual una vez llega el flanco se realiza la adquisición.

4) Se ha insertado una estructura For con la que se adquiere la imagen de la PCB:

1

R e c t a n g l e

2 5 5 , 0 0I n v e r t F r a m e

7 9 0 5 1 41 0 8 4 706 0

Ex te rna l t r i gge r 0

Figura 3.8.2.2. Bucle For para adquirir la imagen

El bucle For se utiliza porque al chocar la plataforma metálica que transporta la PCB conel pivote metálico del pistón de doble efecto, la vibración reciente del choque hace que laimagen captada tenga algo de movimiento y no sea adecuada para ser procesada. De estamanera, se repite la adquisición de la imagen 60 veces y se procesa exclusivamente laúltima imagen adquirida en el bucle. Se asegura así, por tanto, que no exista ningún tipo defluctuación en la imagen.


41

A continuación se describen las 3 funciones que se encuentran dentro del bucle, y que seencargan de adquirir la imagen:

4.1) IMAQ Snap adquiere una única imagen cada vez que se ejecuta. Es fácilmenteprogramable y es aconsejable utilizar en aplicaciones de baja velocidad.

La función tiene como entradas:-Image in: Proviene de la salida de “New Image” de la función IMAQ Create.-IMAQ Session In: Proviene de la salida “IMAQ Session Out” de la función

IMAQ Init.-error in: Comunicación de error de alguna función anterior.

Como salidas de la función, se han utilizado las análogas a las entradas definidasanteriormente, es decir, Image Out, IMAQ Session Out y error out.


42

4.2) Con IMAQ Draw se sobreimpresiona sobre la imagen de la PCB unrectángulo que servirá de encuadre. De esta manera, ajustando el sistema del armariocámara-iluminación, se podrá encuadrar la imagen justo en los límites de dicho rectángulo.

Las entradas utilizadas han sido las siguientes:-Draw Mode : con este parámetro se indica si únicamente se traza el contorno o

también se rellena el interior. En este caso se ha escogido Invert Frame para que traceexclusivamente el contorno.

-Pixel Color: este parámetro no haría falta completarlo ya que con la opciónanterior de Invert Frame este campo no se tiene en cuenta.

-Image Src: este parámetro es la imagen de entrada sobre la cual se dibuja elrectángulo.

-Coordinates: estas son las coordenadas de los vértices del rectángulo.-Shape to draw: es el tipo de figura que se sobreimpresionará en la imagen. En este

caso se ha escogido la opción Rectangle, ya que la PCB tiene forma rectangular y sepueden ajustar así ambas figuras.

-Image Dst Out: es la imagen procesada de la entrada, es decir, la imagen de laPCB con el encuadre del rectángulo.


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4.3) La última función del bucle For es IMAQ WindDraw, y es la que se encargade mostrar la imagen captada y procesada en una ventana (que aparece automáticamente alejecutarse la función).

Las entradas utilizadas son las siguientes:-Window Number: se escoge la ventana número 1 (existe la posibilidad de mostrar

hasta 16 ventanas simultáneamente).-Image: con este parámetro se especifica la imagen que será mostrada.-Resize to Image Size : aquí se indica si la ventana ajustará su tamaño a la imagen

que se muestra. En este caso se ha creído conveniente escoger esta opción.


44

5) Finalmente, se utiliza la función IMAQ Close para cerrar todos los recursosutilizados a nivel de harware (tarjeta de vídeo) y a nivel de software (funciones encargadasde realizar la adquisición).

Por tanto, se han mostrado y descrito todas las funciones utilizadas para realizar laadquisición de la imagen vía trigger, de esta manera no se debe tener ningún problema a lahora de entender o modificar el programa si fuera necesario.


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3.9. Control del avance de la PCBUna vez se capta la señal de trigger y se adquiere la imagen, se realiza el procesado de lamisma y se comprueba si existe alguna anomalía. En el caso que el sistema localice algúndefecto en la placa ésta se retendrá para que se pueda retirar o comprobar in situ quéproblema existe. Ahora bien, si no existe ningún tipo de defecto, se tiene que dejarcontinuar la PCB por la cinta transportadora para su posterior almacenamiento.

3.9.1. Descripción de la aplicaciónPara realizar esta tarea, existe un pivote metálico que retiene la placa. Este pivote secontrola mediante un pistón de doble efecto, que es activado por una electroválvula. Eneste punto es dónde interviene la aplicación diseñada para controlar el avance de la PCB.Para tener una idea más aproximada a lo que se ha hecho, se presenta seguidamente unaimagen de esta aplicación:

Figura 3.9.1.1. Pistón de doble efecto con pivote metálico

El accionamiento de este pistón se controla mediante una electroválvula (VCC=24 V) quedeja pasar o corta el aire que hace bajar el pivote metálico. La electrovalvula utilizada semuestra a continuación:

Figura 3.9.1.2. Electroválvula de control


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Por tanto, se trata de controlar mediante Labview la activación de este pistón para hacerque la placa inspeccionada avance o no. Lo que se ha hecho ha sido realizar una escrituraserie al puerto paralelo del PC, de manera que con una circuitería externa se puedecontrolar la activación del pistón. A continuación se muestra este interfase con el PC paracontrolar la activación de la electroválvula:

Figura 3.9.1.3. Interface de control mediante PC

El funcionamiento de esta aplicación es el siguiente. Una vez se tiene en el puerto paraleloun bit (tensión de nivel TTL), se utiliza ésta para activar un relé (que a su vez controlará laelectroválvula que activa el pistón de doble efecto). El problema es que con la señal TTLdel puerto paralelo no se puede activar el relé de control de la electroválvula (ya que aportauna corriente máxima de 20 mA). Por tanto, se necesita una circuitería para acondicionaresta señal y poder así activar la electroválvula. Esta función se realiza mediante una etapadarlington y un relé.

Un esquema simplificado de esta aplicación se muestra a continuación:

Figura 3.9.1.4. Etapas del sistema de control del avance de la PCB

SerialWrite toParallel

Port

ACTIVACIÓNELECTROVÁLVULA

ETAPA DARLINGTON RELÉPUERTO PARALELO


47

Si se profundiza y se entra más en detalle en cada etapa, se puede mostrar qué funcióntiene cada una de manera más clara:

1) En primer lugar, se presenta un esquema del pinout del conector del puertoparalelo (DB25):

Figura 3.9.1.5. Pinout del DB25 del puerto paralelo

Como se aprecia en la figura, el byte escrito se puede conseguir entre los pines 2 y 9.Además, cada bit de salida se debe referenciar a su masa correspondiente (es decir, señalpin2-gnd pin 18, hasta señal pin 9-gnd pin 25).

Existen un par de posibles errores que pueden complicar la escritura serie en el puertoparalelo. Para solventarlos, son necesarias las siguientes operaciones:

a) Se tienen que llevar a masa los pines 11 (Busy) y 12 (Paper Error). Si no serealiza esta operación, el driver que controla el puerto pensará que la impresora con la quese quiere esablecer comunicación está ocupada o que está en estado de error y no escribiráningún dato en el puerto paralelo.

b) El puerto paralelo LPT1 tiene que estar correctamente listado como undispositivo serie en el archivo “Labview.ini”. Por tanto, es necesario escribir en dichoarchivo la siguiente línea:

serial Devices=”COM1;COM2;LPT1”

Es importante anotar que Labview asigna la numeración del puerto según la lista anteriorempezando por 0, así que el puerto paralelo LPT1 será el número 2.


48

TTL signal fromParallel Port

2) En esta segunda etapa, se acondiciona la tensión proviniente del puerto paralelopara que sea capaz de excitar la bobina del relé.

Figura 3.9.1.6. Esquema del driver ULN2003

Debido a que las salidas TTL del puerto paralelo sólo ofrecen hasta un máximo de 20 mA,se hace necesaria la presencia de una etapa amplificadora. Por tanto, en esta etapa seamplifica la señal TTL del puerto paralelo a través de una etapa amlificadora Darlington. Ala salida de esta etapa, se dispone de una señal de alta potencia (hasta 500 mA) que nospermite poder activar un relé.

3) En esta etapa se encuentra el relé que activará la electroválvula. La señal queproviene de la etapa darlington anterior es ya capaz de activar la bobina del relé. Lascaracterísticas principales del relé utilizado se muestran a continuación:

Figura 3.9.1.7. Esquema excitación Relé

(COM=12,5 V)

Bobina del Relé (12 V)

Ic

+

-

VL

VL=12 VIC=8A


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Por tanto, se excitará la bobina del relé mediante la etapa darlington (tensión VL). Paraalimentar la electroválvula (24 V) se conectará la alimentación a los pines 11, 12 y 14según convenga para que el relé se encuentre normalmente abierto (NA) o normalmentecerrado (NC).

3.9.2. Programación en LabViewEn este apartado, se describirá detalladamente los cambios y nuevos programas que se hantenido que añadir al programa principal para controlar mediante el PC el paso de la PCB.En primer lugar, se mostrará la modificación realizada en el programa que se encarga deinspeccionar la placa (inspecció de placa.vi) para que una vez analizada la validez de laplaca se proceda a bajar el pivote metálico y dejar así que avance la PCB. En la figurasiguiente, por tanto, se puede observar esta aplicación implementada en LabView:

D 6

D 5

D 4

D 3

D 2

D 1

C o n d g r a n

Cond pe t i t

R 3

R 2

R 1

S O C O L 1

S O C O L 1 t e x t 2


S O C O L 2


S O C O L 3

S O C O L 1 g i r a t 2

S O C O L 2 g i r a t

S O C O L 3 g i r a t

T 1

T 2

T 3

3 pon ts

pon t pe t i t

C O N N E C T O R

A c t i v a c i ó n R e l é _ D . v i

2 0 [ 0 . . 2 0 ]

Figura 3.9.2.1. Programación en Labview para el contrrol de avance de la PCB


50

En primer lugar, se puede apreciar el último frame de la estructura sequence que gestionala inspección de la placa. En este tipo de estructuras, los pasos (frames) van avanzandosecuencialmente a medida que se ejecutan. Este último frame (el número 20) mostrado enla figura, es el que se encarga de decidir si se ejecutará la rutina “Activa_Relé_D.vi”.Mediante una lectura de las variables locales booleanas de cada elemento examinado en laPCB (cuyo valor será true si el elemento está correctamente situado y false si existe algunaanomalía), se decidirá en una estructura AND (o OR, como se quiera configurar) si seejecuta la rutina de activación del relé (y consiguiente bajada del pivote metálico).

Veamos a continuación el operador utilizado para decidir si se activa el relé (se puedeencontrar en el menú Boolean de la paleta de Functions):

Figura 3.9.2.2. Operador AND/OR

Por tanto, según se utilice una operación tipo AND o OR, se puede decidir que la placaavance únicamente si todos los componentes de la PCB están OK (que es el caso mostradoen la figura del frame 20) o por el contrario que la placa avance igualmente si alguno de loscomponentes es válido (operación OR). En consecuencia, existe en este punto un ciertomargen para el programador a la hora de decidir la política a seguir en cuanto a las PCB’sno válidas.

Finalmente, hay que señalar que no se realiza la lectura de las variables locales que indicansi los circuitos integrados que se encuentran en los zócalos están girados o no. Estasvariables se denominan “SOCOL_1_girat”, “SOCOL_2_girat” y “SOCOL_3_girat”respectivamente. Si se quisiera que éstas tuvieran algún peso a la hora de decidir si la placaavanza o no, se deberían conectar a las entradas del Compound Arithmetic.

El siguiente paso es describir la rutina que se ha creado para realizar la escritura serie através del puerto paralelo, es decir, el icono que aparece con el nombre de“Activación_Relé_D”. En primer lugar conviene aclarar que se ha decidido utilizar elpuerto paralelo como interfase de control porque es una manera sencilla de realizarescrituras de datos mediante una escritura serie. En el entorno de Windows se puedenescribir datos al puerto paralelo utilizando las mismas rutinas de alto nivel (VI’s deLabview) creadas para comunicaciones serie. De esta manera se obtiene una funcionalidaddel puerto paralelo sin tener en cuenta las líneas de estado y control usadas por el puertoparalelo para la comunicación paralela.


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En la siguiente figura se puede apreciar la rutina que se encarga de activar el relé:

Serial Port Ini t

S i m p l e E r r o r H a n d l e r

Ser ia l Por t In i t

1. Intitialize Port 2. Write String to Port

Simp le E r ro r Hand le r

Ser ia l Por t Wr i te

S e r i a l P o r t W r i t e . v i

Error False: SerialPort Write Executed

5

2

/ / / / /

0 [ 0 . . 1 ]

T r u e

Figura 3.9.2.3. Programación en Labview para la escritura en el puerto paralelo

La rutina consta de las siguientes estructuras y funciones:1) Estructura Case: Se utiliza esta estructura para que se ejecute esta rutina sólo en

caso que se cumpla la condición del Compound Arithmetic, es decir, la operación AND oOR.

2) Estructura Sequence : Esta estructura contiene dos frames. Con el primero deellos obtenemos 5 Voltios en un bit de datos del puerto paralelo (escribiendo el carácter /),con el segundo se vuelve a dejar ese bit a 0 V (escribiendo el carácter d). Dentro de estosframes, se han utilizado dos funciones (ambas se encuentran en el template de Funciones?Instrument I/O? Serial):

2.1) Serial Port Init: Con esta función se inicializa el puerto paralelo para laescritura serie:


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Los parámetros de entrada configurados son:

-buffer size : se configura para tener un buffer de 5 bytes. De esta manera se excitala bobina del relé durante un tiempo suficiente como para conmutarlo.

-port number: en este campo se indica el puerto que se va a utilizar. Como secomentó anteriormente ( punto 3.9.1. Descripción de la aplicación), se ha configurado elpuerto paralelo en la posición 2. Sin embargo, en cualquier PC la numeración de estospuertos es:

Por tanto, se puede mantener esta configuración o bien se puede cambiar ésta como se hahecho en este caso (es decir, configurar el LPT1 asociado al port number 2). Estos cambiosse deben realizar en el fichero de configuración de LabView, es decir, labview.ini.


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2.2) Serial Port Write : Esta función se encarga de realizar la escritura en el puertoparalelo una vez éste ha sido inicializado:

Los parámetros que se han configurado son los siguientes:

-port number: situación idéntica a la función anterior. Port number #2 (LPT1).-string to write : este campo hay que completarlo con la cadena de caracteres que

se escribirá en el puerto paralelo. Hay que tener en cuenta que el buffer size debe ser igualque el número de caracteres para que se escriban todos. De no ser así, se escribirán tantosbytes como indique el buffer size aunque en el string to write se escriban más caracteres.

Como en el pinout del puerto paralelo interesa únicamente leer un bit para obtener 5 V, seha optado por leer el bit bajo del byte que se escribe y decidir consecuentemente quécarácter se escribe. En el siguiente resumen se explica el por qué de los caracteresutilizados:

Códigos ASCII : equivalencia entre el carácter y su código hexadecimal

/ ?2F? 0010 1111d?64 ? 0101 0010

Se ha creado, por tanto, una aplicación que permite de manera sencilla y directa controlarun relé. De esta manera, se puede alimentar cualquier dispositivo (en este caso laelectroválvula) y desconectarlo cuando se quiera.

5V0V

4.- MANUAL DEL USUARIO

Sistema de Visión Artificial 4 Manual del Usuario

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4 Manual del Usuario

En este capítulo, se describirán los aspectos más a tener en cuenta a la hora de utilizar elsistema de visión artificial creado en el presente proyecto. Se pretende dotar al usuario deuna guía rápida de instalación y posterior uso del sistema de visión artificial, empezandopor los requisitos de funcionamiento. Finalmente se describirán los pasos a seguir parahacer el set up del sistema.

4.1 Requisitos de funcionamiento

Para que la aplicación de visión creada funcione correctamente, los siguientes requisitos(hard y soft) son necesarios:

? Hardware:? Pentium II o superior.

? Se necesita tener instalada la tarjeta de adquisición IMAQ PCI-1407.

? Una cámara CCD en blanco y negro que cumpla el estandar CCIR.

? Monitor color 1024x768 píxels

? Software:

? Paquete de aplicaciones IMAQ Vision que incluye:1) IMAQ Vision Builder.2) IMAQ Vision for G.

? LabVIEW 5.0 como mínimo.

? Se necesita tener instalados en el PC los drivers de la placa de vídeo IMAQ PCI-1407. También es necesario configurar estos drivers correctamente, para lo cual sedescriben a continuación los pasos a seguir para hacerlo:

1) Entrar en la aplicación para configurar dispositivos de National Instruments.

Figura 4.1.1 Dispositivos NI


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2) Seleccionar el dispositivo IMAQ PCI-1407 y con el botón de la derecha escogerel tipo de cámara CCIR, como se puede ver en la siguiente figura:

Figura 4.1.2 Seleccionar tipo de cámara CCIR

3) Visualizar las propiedades del dispositivo:

Figura 4.1.3 Propiedades del dispositivo


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4) Introducir los valores que indica la figura:

Figura 4.1.4 Valores de setup de la cámara CCD

Finalmente, se debe instalar el programa de LabVIEW que gestiona la inspección de laplaca PCB. Para tal fin, se deben instalar todas las carpetas y archivos que forman elprograma. La carpeta raíz que continene todo el soft se muestra a continuación:

Figura 4.1.5 Directorios del software

Dentro del directorio “programa” existe un archivo llamado “menu principal.vi”, que es elque ejecuta el programa. También debe exisitir la carpeta “funcions” con las subrutinasutilizadas en Labview, y la carpeta “patrons”. Ésta última contiene diversos subdirectoriosen los que se encuentran los patrones de reconocimiento utilizados para realizar lainspección de la PCB.


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4.2 Setup del entorno de la Célula de Fabricación Flexible (CFF)

En este apartado se describirán los pasos a seguir para poder trabajar en el entorno de lacélula de fabricación flexible. Se necesitará alimentar todos los dispositivos que formanparte de esta aplicación, así como gestionar las entradas de aire comprimido que accionanel pistón de doble efecto. Por tanto, los pasos a seguir antes de poder trabajar con el soft deinpección son los siguientes:

1) Encender el PC, alimentar la cámara y el armario con los tubos fluorescentes.

Figura 4.2.1 Alimentación iluminación y cámara

2) Alimentar la célula de fabricación flexible. Poner la llave de contacto a ‘1’:

Figura 4.2.2 Conmutar la llave de alimentación a ‘1’

Interruptor deencendido de los

fluorescentes

Cablealimentaciónfluorescentes

Cablealimentación

cámara


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3) Alimentar los motores de la cinta transportadora. Para ello, se debe accionar elinterruptor K1:

Figura 4.2.3 Alimentación de la cinta transportadora

4) Abrir las llaves de paso (la general y la de la línea que acciona el pistón de dobleefecto) del aire comprimido. De esta manera, se habilita el funcionamiento del pistónneumático que retiene y deja pasar la plataforma con la PCB.

Figura 4.2.4 Alimentación de la cinta transportadora

Paso general cerrado

Paso general abierto


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Línea individual de alimentación de la electroválvula:

Figura 4.2.5 Apertura de las llaves de paso de la línea de la electroválvula

Para que el pivote metálico vuelva a su posición original (retención de la PCB), esnecesario accionar la válvula de vacío del aire. De esta manera se elimina todo el aire deltubo que llega al pistón y el pivote sube. Previamente a realizar este vacío, es necesario quela llave de paso general del aire comprimido esté cerrada.

5) Alimentar el sensor inductivo que indica la llegada de la plataforma y lacircuitería externa que acciona la electroválvula:

Figura 4.2.6 Alimentación del sensor y de la electroválvula

Una vez se hayan seguido y cumplido todos estos pasos, el sistema está listo para que seejecute el soft de inpección.

Llave línea pistón

Válvula devacío del aire


60

4.3 Funcionamiento del progama de inspección

El menú principal consta de 5 opciones, como se muestra en esta figura:

Figura 4.3.1 Menú principal

1. Calibració de la camera : permite ajustar la cámara para que las imágenes captadaspor ésta esten correctamente enfocadas, encuadradas e iluminadas apropiamente.

2. Capturar imatge : Permite guardar imágenes capturadas por la cámara CCD yalmacenarlas en un archivo.

3. Processar imatges des de fitxer: procesa imágenes que estén previamenteguardadas.

4. Processar imatge des de la camera : esta es la opción que permite controlar laaplicación creada para la célula de fabricación flexible. La placa se examinará y sepermitirá que avance o no por la cinta transportadora.

4.3.1 Calibración de la Cámara

Esta opción facilita la tarea de ajuste de la cámara, de manera que la imagen captada poresta sea válida para que la aplicación funcione correctamente. El problema es que laimagen captada debe ser siempre la misma e idéntica al patrón de comparación que seutiliza. Por tanto, se debe ajustar la altura, enfoque y nivel de luminosidad para conseguirencuadrar la imagen perferctamente.

Aplicación para laCélula de

Fabricación Flexible


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En este menú se muestra una ventana en la que se ve el patrón de comparación, y cuandose ejecuta se abre otra ventana en la que aparece la imagen que la cámara está captando enese momento. Para facilitar el encuadre, aparece en la imagen captada un recuadropemanente para indicar el ajuste del zoom o altura de la cámara (en definitiva para ajustarel tamaño de la imagen). A continuación se muestran los posibles puntos de ajuste de lacámara:

Figura 4.31.1. Puntos de ajuste de la cámara

4.3.2 Capturar Imagen

Esta opción permite capturar imágenes captadas por la cámara y guardarlas en un archivode formato BMP. En la pantalla que aparece se tienen dos opciones: salvar imagen y salir.El fucncionamiento es ya intuitivo.

Figura 4.3.2.1 Panel de captura de imágenes

Ajuste de la altura

Enfoque

Iris (cantidad de luz)

Zoom

Inclinación


62

4.3.3 Procesar Imágenes desde Fichero

Esta función permite procesar la imagen de una placa que haya sido captada y guardadapreviamente. El panel principal que aparece es el siguiente:

Figura 4.3.3.1 Panel principal

El procedimiento para procesar una imagen es el siguiente:

1. Escoger los integrados que vayan montados en los zócalos de la placa, utilizandolos menús desplegables (“escull xip (socol x)”.

2. Al clicar en la opción , se abrirá una ventana en la que se pedirá

que se seleccione el path del archivo de imagen.

3. Una vez seleccionada la imagen, se iniciará el proceso de inspección de la PCB.

4. Finalmente, cuando acabe el proceso de inspección aparecerá un mensaje comoeste:

Figura 4.3.3.2 Mensaje de nuevo procesado de imagen

Antes de responder, se necesitará comprobar los resultados de la inspección en el panelprincipal. Se podrán analizar los fallos en el mismo y actuar en consecuencia. Se puedevolver a procesar otra imagen o regresar al menú principal.


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4.3.4 Procesar Imágenes desde la Cámara. Aplicación de la CFF

Este apartado es muy similar al anterior, aunque difiere en el método de adquisisción de laimagen. En este caso, la imagen se captará cuando se mande la señal de disparo desde elsensor instalado. Hay que tener en cuenta que una vez se ha ejecutado esta parte delprograma, se tiene un margen temporal de 30 segundos para que el sensor detecte laplataforma metálica que transporta la PCB.

Si la inspección indica que la placa es válida, ésta seguirá avanzando por la cintatransportadora. En caso negativo, se tiene la opción de que la PCB avance y posteriormentese saque de la línea o que permanezca retenida hasta que se retire o se analice el problema.

4.4 Patrones, ROI’s y Mantenimiento del Sistema

Se puede dar el caso que se quiera hacer alguna modificación en la PCB o mejorar losresultados de inspección. En tal caso, se debería cambiar los patrones de comparación oretocar las ROI de los componentes. Para realizar estas tareas de mejora y ajuste, esnecesario utilizar el IMAQ Vision Builder.

Dentro del directorio “patrons” existe un subdirectorio para cada componente, en el que sepuede encontrar un “script” (archivo *.scr) con las rutinas de procesado de imagen queutiliza el software. También se puede encontrar dentro del subdirectorio para cadacomponente la imagen del patrón en sí (archivo *.png). En esta figura se puede apreciar locomentado:

Figura 4.4.1. Patrones y Scripts de cada componente

Lo que se debe hacer es ejecutar el “script” que se quiera hasta llegar al “patternmatching”, entonces se puede crear un nuevo patrón y guardarlo siempre con el mismonombre que el anterior.


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Otra opción de mejora o cambio es modificar las ROI utilitando IMAQ Vision Builder.Para obtener las nuevas coordenadas es conveniente utilizar el “builder file” que generaIMAQ Vision Builder. Las ROI de todos los componentes se muestran a continuación:

Figura 4.4.2. ROI’s de todos los componentes

En cuanto al mantenimiento del sistema, es necesario tener muy en cuenta los siguientespuntos:

? No se debe mover la posición del armario que contiene la iluminación y lacámara, ya que está posicionado y orientado de manera exacta para tener unencuadre preciso de la PCB.

? No se debe tener la iluminación del armario encendida durante periodos muyelevados (de 2 o 3 horas en adelante), ya que la temperatura que puede llegar aadquirir el interior del armario puede ser muy elevada, pudiendo así causaralgún tipo de daño a la cámara.

? Se debe tener cuidado con el conexionado de las placas de topos que formanparte del proyecto, ya que se puede soltar algún cable de alguna regleta eimpedir que el sistema funcione correctamente.

? Se deben conservar las PCB’s en un lugar que no sufran demasiado deterioro,ya que los patrones de comparación guardados pueden diferir de la inspecciónreal si ha existido algún golpe o desperfecto en alguno de los componentes.

5.- RESULTADOS OBTENIDOS

Sistema de Visión Artificial 5 Resultados Obtenidos

65

5 Resultados Obtenidos

Durante este capítulo, se describirán los resultados que se han considerado de más valoracadémico, así como se señalarán los aspectos más relevantes en cuanto a las limitacionesque puede sufrir el sistema de visión implementado. Finalmente, también se comentaránalgunas vías de trabajo futuras que pueden paliar las limitaciones que adolece el sistema.

5.1 PCB’s utilizadas

Las placas de circuito impreso que se han utilizado para llevar a cabo las pruebas han sidotres. De éstas, se ha tomado una como la placa modelo (es decir, el patrón correcto que seutiliza como comparación en el soft de inspección). Las dos restantes sufren algúnproblema, como se indicará posteriormente.

Por tanto, se muestran a continuación las PCB’s utilizadas en la validación del soft deinspección:

Figura 5.1.1. PCB modelo

Figura 5.1.2. PCB 2 Figura 5.1.3 PCB 3

La primera figura muestra la placa modelo, considerada como partrón a la hora deinspeccionar el resto de placas. Por otro lado, las PCB’s 2 y 3 presentan una serie deirregularidades con el objetivo de mostrar el correcto funcionamiento del sistema de visiónimplementado.


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Seguidamente, se enumeran los defectos de las placas no válidas:

Pel que fa als xips, es disposa dels s

Los posibles circuitos integrados que pueden ir montados sobre los zócalos son:

- Zócalo 1: 351 y 741- Zócalo 2: W24257- Zócalo 3: MCM2114 y P21464

Si los integrados mencionados anteriormente no se encuentran el zócalo que lescorresponde se producirá un error en la inspección de los mismos. También es interesantedestacar que los integrados P21464 y W24257 se inspeccionan carácter por carácter,mientras que el resto se comprueban mediante un único patrón que identifica todo elintegrado. Esto es debido a que para los CI 351, 741 y MCM2114 las letras serigrafiadasen sus encapsulados son muy pequeñas y no permiten crear un patrón que pueda serreconocido a posteriori.

Finalmente, se presentan algunos resultados de pruebas realizadas. En primer lugar semuestra el resultado de la inspección para una de las placas defectuosas:

Figura 5.1.4. Resultado con PCB defectuosa

? Defectos PCB 2:- Condensador pequeño girado.- Diodos D1,D3 y D6 girados.- Falta un puente metálico.- Transistores T2 y T3 girados.- Falta el conector.

? Defectos PCB 3:- Condensador grande girado.- Diodo D5 girado.- Falta el puente metálico pequeño.- Transistor T1 girado.


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En la siguiente figura se muestra el resultado de la inspección de otra placa defectuosa conalgún integrado girado:

Figura 5.1.5. Resultado con PCB defectuosa

5.2 Limitaciones del Sistema

Durante este apartado se describirán las limitaciones que se han observado durante laimplementación del presente proyecto y que por diversos motivos no han podido sereliminadas o minimizadas. Se describen a continuación las limitaciones o problemas queperjudican en más o menos grado el funcionamiento y aplicación del sistema. Estaslimitaciones se estructuran en dos grandes bloques:

1) Implementación en la Célula de Fabricación Flexible

? La aplicación para la inspección de PCB’s adolece de un sistema dealimentación continua de placas, ya que éstas se situan manualmente sobre lacinta transporadora y avanzan así hacia la aplicación de inspección.

? Sería conveniente implementar algún sistema para poder rearmar o retornar elpivote metálico del pistón de doble efecto a su posición original de no avancede PCB.

? Falta de integración con el resto de estaciones de la CFF, pudiéndose integraresta aplicación en el montaje y clasificación de pistones (objetivo de la CFF).

2) Soft de Inspección

? A nivel general, los componentes inspeccionados deben corresponderexactamente con los patrones guardados y que sirven como referencia a la horade realizar la inspección.

? En cuanto a los circuitos integrados, si las letras serigrafiadas en el encapsuladoson de un color que destaque poco (marrón, amarillo, dorado) se tendrán


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problemas a la hora de reconocerlas. Mejorando los reflejos del sistema deiluminación se podría solucionar este inconveniente.

? No se puede identificar el valor óhmico de las resistencias, ya que la cámara esmonocromo y no se puede interpretar la codificación de bandas de colores.

? En cuanto a los 3 puentes metálicos, al haberse escogido como patrón deinspección los tres puentes juntos, no se podría discernir si alguno de ellos falta.Sería un problema de planteamiento de búsqueda, y si interesa se podríaninspeccionar con patrones de búsqueda individuales.

5.3 Nuevas vías de trabajo

En cuanto a las nuevas vías de trabajo, se debe decir que surgen de la necesidad de reduciral máximo las limitaciones que ofrece la aplicación de inspección creada. Se enumeran acontinuación algunas de las posibles vías de trabajo de cara a evolucionar y mejorar laaplicación de visión artificial creada:

? Investigar una alimentación de las PCB’s auomatizada, bien sea cerrando elrecorrido de la cinta transportadora o utilizando una estación alimentadora de laCélula de Fabricación Flexible (CFF).

? Integración de la aplicación creada con el resto de estaciones de la CFF. Parallevar a cabo esta integración, sería necesario utilizar los PLC’s para estableceruna comunicación que permita una total integración.

? Al hilo de la anterior propuesta, también se podría utilizar la estaciónclasificadora de la CFF para clasificar y almacenar las PCB’s válidas y noválidas procedentes de la inspección.

? Sería interesante también encontrar una solución para poder rearmar o retornarel pistón metálico a su posición de retención, ya que después de bajar y permitirel paso de la placa se retorna a dicho estado de manera manual (utilizando undepresor ubicado en el regulador de presión de la línea principal deabastecimiento de aire comprimido).

? Otra posible nueva vía de trabajo sería mejorar el sistema de retención de laPCB, utilizando un dispositivo existente en el laboratorio. La función de dichodispositivo es la de fijar y elevar la plataforma metálica que contiene la placa.De esta manera, la inspección se realizaría en condiciones mucho más estables(en cuanto a posibles vibraciones producidas por la cinta transportadora). Estaidea no se ha llevado a cabo por la falta de disponibilidad de dicho dispositivo,ya que en la actualidad se está utilizando para otra aplicación de la CFF.

? También sería interesante, una vez considerado que el sistema estásuficientemente evolucionado, fijar el armario a la cinta transportadora demanera más robusta que en la actualidad (tornillos con palometas en la cabeza ).

? Finalmente, se podría intentar realizar la inspección de la placa sin que ésta separara. Para poder llevar a cabo esta idea, se necesitaría adquirir una cámara delas llamadas progresivas, que son capaces de adquirir imágenes de objetos enmovimiento sin sufrir problemas de nitidez.

6.- CONCLUSIONES

Sistema de Visión Artificial 6 Conclusiones

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6 Conclusiones

Las conclusiones que se pueden extraer después de haber estado trabajando en el montajede esta aplicación de visión artificial, se pueden resumir en los siguientes puntos:

? Se ha podido adaptar el sistema de visión existente al nuevo entorno de la Célula deFabricación Flexible (CFF). Para conseguir tal objetivo, se han tenido que hacercambios físicos en el armario que contiene la cámara, así como adquirir unas guíasde aluminio sobre las que poder apoyar el conjunto armario de iluminación-cámara.

? Se han fabricado unas piezas de plástico sobre las que se han anclado las PCB’s aexaminar. Este conjunto pieza de plástico-PCB encajan perfectamente en laplataforma metálica que viaja sobre la cinta transportadora de la CFF.

? Se ha incorporado al sistema un sensor inductivo para detectar la llegada de laplataforma metálica que transporta la PCB. Con la señar de trigger que proporcionaeste sensor, la cámara únicamente capta imágenes en el momento de la llegada delobjeto a examinar. De esta manera, se ahorran recursos de la tarjeta de vídeo yconsecuentemente del PC.

? Se ha diseñado un sistema de retención de la PCB mediante un pistón de dobleefecto con un pivote metálico. El accionamiento del pistón se controla medianteuna electroválvula. Por tanto, se ha diseñado una aplicación para conmutar laelectroválvula a través del PC (escritura serie al puerto paralelo desde Labview).

? Se han rediseñado y creado varias partes del soft en Labview que controla elsistema. Por un lado, se ha programado la sincronización entre la llegada de la PCBy la captación de la imagen (triggering), y por otro lado se ha agregado la parte decontrol del pivote metálico (control de electroválvula a través del PC).

? Se ha comprobado el correcto funcionamiento del conjunto hard-soft, realizandopruebas experimentales. Se han podido comprobar también ciertas limitaciones delsistema a la hora de poder captar la imagen en la posición exacta, ya que el pivotemetálico simplemente las para mientras la cinta sigue avanzando.

En definitiva, se ha podido adaptar el sistema ya existente de visión artificial a un nuevoentorno menos limitado. Por tanto, se ha dado un paso adelante a la hora de poderflexibilizar al máximo esta aplicación de control de calidad, ya que esta nueva situación seasemeja más a los casos reales de producción industrial.

De todas maneras, aún existe bastante margen de mejora para hacer de éste un sistemarobusto y aplicable en entornos agresivos y con más fluctuación de variables. Es decir, sepodrían implementar, por ejemplo, acciones correctivas en situaciones de emergencia. Entales casos, el sistema diseñado no está preparado para actuar ante situaciones imprevistas.

7.- BIBLIOGRAFÍA

Sistema de Visión Artificial 7 Bibliografía

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7 Bibliografía

PFC “Sistema de Visió orientat a la Docència” –2002, Alejandro Adame Vidiella.

PFC “Control de qualiata d’una línia en producció de cons de galeta mitjançant un sistemade visió” –2002, David Pijuan Rabasó.

Antonio Mánuel Lázaro, “LabVIEW Programación gráfica para el control deinstrumentación” – 1996, Editorial paraninfo.

Leonard Sokoloff, “Basic Concepts of LabVIEW” - 1998, Prentice-Hall, Inc.

National Instruments, “IMAQ PCI/PXI – 1407 User Manual” – 1998.

National Instruments, “IMAQ Vision Builder Tutorial” – 1999.

National Instruments, “IMAQ Vision for G Reference Manual” – 1999.

National Instruments, “IMAQ Vision User Manual” – 1999.

Eduard Llobet Valero, “Apunts de Sistemas de Percepció” – 2001.

Páginas web de Internet:

National Instruments - Measurement and Automationhttp://www.natinst.com/

Research Group of Computer Vision and Artificial Intelligencehttp://iamwww.unibe.ch/~fkiwww/Welcome.html

Grupo de Visión Artificialhttp://www-gva.dec.usc.es/

WIP Proyectos Industrialeshttp://www.wip.es

Pulnixhttp://www.pulnix.com

Instrucontrolhttp://www.instrucontrol.com

ANEXO: Datasheets e InformaciónAsociada

Sistema de Visión Artificial Datasheets e Información Asociada

Los datasheets de los componentes utilizados a lo largo del presente proyecto y algunainformación relacionada con la correcta elección de los sensores de proximidad y de losrelés se puede encontrar en la siguiente dirección de internet:

http://www.amidata.es/

enginyeria en automàtica i electrònica...

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