česky english Vítejte, dnes je neděle 17. říjen 2021

Umělá inteligence? Důležitý krok ve vývoji 3D AOI…

DPS 2/2020 | Výroba - články
Autor: Ing. Radomír Kubík, PBT Rožnov p. R.

Největší prostor pro vývoj a zdokonalování mají mezi ostatními systémy ve výrobní lince SMT/THT bezesporu automatizované kontrolní systémy. Jedná se totiž o nejméně rozvinutou, poměrně složitou, softwarově orientovanou technologii, která je vysoce závislá na výkonu počítačového vybavení.

Od vzniku koncepce Smart Factory a s orientací na konektivitu a sdílení dat se nároky na technické schopnosti připojených systémů snížily. Konektivita hraje roli zejména, když jsou zadaná data přesná. AOI systémy, konkrétněji AOI systémy s možností 3D měření, jsou klíčovým prvkem prostředí Smart Factory, protože jsou rozcestníkem pro kontrolu kvality a dávají výrobním zařízením cennou zpětnou vazbu. Chyby, které se u AOI vyskytují, jako např. falešná kladná vyhodnocení (úniky), se obvykle neodhalí přímo. A v případě falešných chyb (pseudodefekty) se připojené systémy řídí nesprávným vyhodnocením. Prostředí Smart Factory může ve spojení s AOI fungovat, jen pokud jsou výsledky AOI spolehlivé.

Umělá inteligence

3D AOI systémy jako důležité uzly vyžadují větší zaměření na jejich technické schopnosti. Vzhledem k tomu, že technické specifikace AOI systému neodrážejí jeho schopnosti, je pro potenciálního kupce pravděpodobně nejobtížnější zvolit vhodné zařízení. Obvykle technici, kteří provádí hodnocení, mají pouze hodiny na posouzení systému. Podle toho, jak důkladné je posouzení, je výsledek spíše otázkou pocitů a toho, co používají jiní. Takové výsledky si však v nových technologicky vyspělých řešeních nezaslouží pozornost.

Společnost Mek (Marantz Electronics Ltd.) založená roku 1997 je se svými více než 8 000 instalacemi po celém světě známým výrobcem AOI a SPI systémů, který neustále investuje do inovací, výzkumu a vývoje. Početný tým techniků se v japonské centrále soustředí na rozšiřování možností propojování systémů, ale ještě větší tým pracuje na zlepšení inspekce.

Nejnovějším přírůstkem do rodiny zařízení je celoprofilové 3D AOI Mek ISO-Spector M1 s umělou inteligencí. 3D AOI systém s nekompromisně věrným zobrazením v celém rozsahu a s rychlým programováním.

Vývoj tohoto zařízení trval několik let a jeho konstrukce zahrnuje nejnovější technologie v oblasti hardwaru i softwaru. Výsledkem je specializovaný samoučicí se systém s vysokou přesností, který se snadno programuje nezávisle na obsluze na základě výsledků inspekce. To, že se jedná o samoučení s umělou inteligencí, činí toto zařízení zcela unikátním.

Zorné pole kamery

Aby bylo samoučení AOI možné, musí být výchozí výsledky měření přesné a důvěryhodné. Srdcem kamery zařízení ISO-Spector M1 je 25Mpix senzor s dosud nejrychlejším rozhraním pro přenos dat a s vysoce přesnými údaji z jednoho pixelu. Tak vysoký počet pixelů je nezbytný pro vytvoření co největšího zorného pole, aby bylo možné snímat velké součástky, jako jsou např. konektory, při zachování zřetelnosti malých pájených spojů v rámci jednoho snímku. Zvyšuje se rovněž rychlost inspekce, jelikož kamera provádí méně přesunů. Zorné pole – 69 × 69 mm – je v současnosti největší, jaké může 3D inspekce nabídnout.

Projektory

Aby bylo možné změřit výšku pro výpočet objemů součástek a pájených spojů, je zapotřebí aktivní projekce světla. Zařízení Mek ISO-Spector M1 je vybaveno čtyřmi projektory s vícefrekvenční projekcí moiré (Moiré projektory), které jsou ekvivalentní 16 běžným projektorům. Projekce světla v aktivním úhlu 80° eliminuje téměř veškeré stíny, které vrhají vysoké součástky a jiné objekty. Vynechávání některých součástek při 3D měření je již minulostí. Použité vícefrekvenční projektory umožňují promítat různé moiré rastry, takže je možné měření ve větším rozsahu při zachování rozlišení jednoho výškového kroku v rozhodujících částech. Maximální výška měření je 25 mm. Lze měřit i součástky s nerovným reflexním povrchem.

Umělá inteligence 1

Schopnost měřit až do výšky 25 mm má velký význam pro spolehlivé měření pájených spojů. Pájené spoje takové výšky jsou neobvyklé, ale měření těla součástky je třeba vždy. Jednou z největších výhod 3D měření je přesné určení polohy pouzdra a jeho natočení. Jelikož se součástky mohou během výrobního procesu posunout a/nebo natočit, je třeba rovněž měřit pozici i natočení pájených spojů. Je-li měření výšky součástek, které jsou mimo rozsah, ignorováno, pak i 3D AOI musí k určení pozice a natočení pouzdra součástky využít algoritmy 2D obrazu. Většina 3D AOI systémů je omezena výškou 5 mm, zatímco Mek ISO-Spector M1 ve výchozím nastavení měří až do výšky 25 mm.

Proč ne každé 3D AOI neměří až do 25 mm?

Ne každý výrobce používá vícefrekvenční projektory, kterými se zvyšuje výškový rozsah měření, a to z důvodů složitosti a hardwarových omezení. Promítané rastry musí pokrývat celou plochu zorného pole z určité vzdálenosti a pod určitým úhlem. Spolehlivost a přesnost měření velmi závisí na paralelnosti promítaného rastru. Těžkým úkolem pro optiku je překonat paralaxový efekt promítaného rastru kvůli úhlu projekce. Konstrukce optické jednotky ISO-Spector M1 obsahuje nejnovější japonské technologie, které jsou schopny přesně promítat vzory na celou plochu zorného pole 69 × 69 mm i pod ostrým úhlem 80°. Dalším problémem je hloubka ostrosti použitého objektivu. Telecentrické objektivy, které se používají ve 3D AOI, mají ve srovnání s konvenčními makroobjektivy menší hloubku ostrosti. Promítané rastry musí být zachyceny snímacím senzorem se stejnou úrovní ostrosti a jasu jak na povrchu DPS, tak v nejvyšším bodě měření. Bez rozšířené hloubky ostrosti se promítané rastry na výše položených plochách vůči nižším povrchům rozmazávají.

Aspekty 2D

I při použití 3D AOI jsou zapotřebí pro některé aspekty kontroly 2D algoritmy. Typickými příklady jsou barvy, naváděcí značky, některá označení polarity, určité nežádoucí prvky a zkratové můstky. V takových případech je promyšlená koncepce 2D osvětlení pro 100% kontrolu stejně důležitá jako Moiré projektory. ISO-Spector používá dvojí RGB osvětlení ze dvou různých výšek a úhlů. Mezi 24 kombinacemi osvětlení, včetně aditivního a subtraktivního, se vždy najde kombinace (nebo jednoduché osvětlení), které zvýrazní 2D testovaný bod pro dokonalou kontrolu. Z důvodu různé kvality tisku je pro AOI náročným úkolem kontrola potisku. Příkladem je miniaturní text vypalovaný laserem na malých diodách nebo malých tranzistorech, který bývá za normálních světelných podmínek málo znatelný, nebo dokonce zcela neviditelný. Mek ISO-Spector M1 se svým dvoustupňovým RGB osvětlením a četnými kombinacemi tento problém hravě překonává a je schopen zviditelnit prakticky všechny vyskytující se druhy textu. Jakmile dojde ke zviditelnění textu, systém může pro kontrolu použít buď algoritmy OCR (optické rozpoznávání textu), nebo OCV (optické rozpoznávání ověřovaných znaků).

Programovatelnost

Nedostatkem systémů AOI (včetně 2D AOI) je to, že výsledky jsou silně závislé na zkušenostech programátora. Zjednodušeně řečeno, zkušený programátor je schopen získat od systému AOI více, což se odráží v lepších výsledcích inspekce. To je z důvodu, že během procesu programování musí programátor učinit celou řadu rozhodnutí sám, jelikož software rozhodnutí neprovede automaticky. Kromě výsledků inspekce závisí na zkušenostech programátora také doba programování. Dlouhá doba programování má za následek zpoždění výroby. A tak se bohužel ve výrobě používají nedokončené a nedokonale odladěné programy, což ve svém důsledku rovněž vede ke zpoždění výroby.

Umělá inteligence 2

Aby se eliminovala závislost na úrovni dovedností programátora, musí AOI systém minimalizovat rozhodnutí požadovaná od programátora a provádět je automaticky. Mek ISO-Spector M1 poskytuje stejné výsledky inspekce bez ohledu na to, kdo to programuje. Je to díky nejen umělé inteligenci systému, ale také proto, že nejsou zapotřebí žádné knihovny. Lze snadno importovat Gerber (Pad) data, a tak se většina měření provádí automaticky, aniž by bylo potřeba systému sdělit, jaký typ součástky se měří. Tak se programování stává krátkým a jednoduchým procesem.

Co lze kontrolovat?

Pod pojmem „full 3D“ inspekce většinou každý předpokládá, že lze měřit každou veličinu, součástku, pájený spoj, vývod, pin atp. To však není správné, protože většina tzv. „full 3D“ AOI je schopna měřit pouze běžné povrchy pouzder součástek a někdy tvar pájeného spoje pasivních čipů a délku vývodů IC/QFP součástek. Docela náročné je měřit objekty nepravidelných tvarů, jako jsou neobvyklé součástky nebo objekty lesklé a reflexní. Takže se na pouzdrech takových součástek měří pouze koplanarita a u pájených spojů se obvykle spoléhá na boční osvětlení, což je 2D inspekce.

Mek ISO-Spector M1 může měřit jakýkoliv objekt, který má měřitelnou výšku ve 3D. To znamená jakékoliv součástky včetně těch, které mají nepravidelný tvar, dále pájené spoje nejmenších součástek, THT vývody a jejich zapájení, cizí materiály atd. Pro 3D měření neexistují téměř žádné výjimky – kromě průhledných součástek, protože skrz ně proniká světlo.

Lze tedy konstatovat, že se dá kontrolovat nebo spíše změřit každá součástka, která je viditelná kamerou, a lze tedy zjišťovat její přítomnost/nepřítomnost, posun XYZ, koplanaritu XY, správnou velikost, správný typ, polaritu, nadzvednuté vývody, všechny druhy defektů pájených spojů, můstky, cizí materiály aj.

IPC?

Při sestavování inspekční procedury (programu) pro AOI je kromě dat CAD a Gerber zapotřebí i hotová deska. Toleranční hodnoty, jako např. posunutí součástek nebo objemy pájených spojů, jsou pak založeny na desce, která byla k dispozici. I když byla deska vizuálně zkontrolována a vyhodnocena jako vyhovující, stále není známo, zda tolerance splňují hodnoty normy IPC. 3D AOI se pro tento úkol jeví jako ideální nástroj.

Mek ISO-Spector lze nastavit tak, aby výsledky měření porovnával s normou IPC-A-610 ve třídách I, II a III. Doslova jedním stisknutím tlačítka může být takové měření aktivováno po dokončení inspekční procedury.

Cizí materiály

Další nedostatek klasické 2D AOI je detekování cizích materiálů, součástí nebo objektů, které jsou na desce navíc. I když každý objekt má svůj XY rozměr, je docela složité rozpoznat velmi malý objekt, jako např. něco, co je připsáno ke značce na DPS, nebo malá nečistota. V takových případech se hodí údaj o výšce Z. U některých AOI je ještě stále problémem vynechat určité plochy, kde jsou osazeny součástky, a naopak přidružit plochy, které neobsahují žádné testovací rámečky.

Mek ISO-Spector disponuje detekováním cizího materiálu ve všech 3 rozměrech, automatickým vynecháváním nepotřebných ploch a automatickým začleněním prázdných ploch. Opět je to záležitost stisknutí jednoho tlačítka.

Pájené spoje

Kontrola nebo měření pájených spojů je ze všech typů inspekcí nejnáročnější a v průběhu vyhodnocovací fáze nejpožadovanější. Mnozí předpokládají, že když je taková inspekce provedena správně, budou správně provedeny i ostatní inspekce. Jenže tato inspekce je náročná na optiku a programové vybavení AOI a je nejnáchylnější k lidským chybám v průběhu procesu programování. Dokonce i po jeho dokončení může odladění trvat dlouho, jelikož lidská chyba patří ke třem největším zdrojům výskytů falešných chyb.

Tyto problémy nejsou společnosti Mek neznámé a výsledkem jejich překonání je ISO-Spector M1. Programování pájených spojů je 100% automatické a založené na umělé inteligenci.

Umělá inteligence

Inspekce pájených spojů je zcela odkázána na strojové učení – umělou inteligenci (UI).

Systém se učí z procesních tolerancí, z dobrých pájených spojů, z vlastních chyb, v učení pokračuje i během výroby a nezapomíná minulost. Učí se i z odlišných návrhů rozložení plošek jiných uživatelů. Mění svoji strategii rozhodování v závislosti na tvaru pájeného spoje a druhu součástky a poskytuje programátorům volnost v případě potřeby změnit parametry. Výsledkem je téměř nulový výskyt falešných chyb s maximální mírou detekce vad. ISO-Spector M1 je pravděpodobně prvním AOI na trhu se schopností UI a jedním z největších úspěchů v inovacích společnosti Mek za posledních 25 let vývoje.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik