張亞萍，李曙生

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

貼屏工序是手機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序，直接影響產(chǎn)品的美觀和銷售。手機(jī)貼屏方式分為人工貼屏和自動(dòng)貼屏兩種，相對(duì)于人工貼屏方式，自動(dòng)貼屏方式精度高、效率高、穩(wěn)定性及平穩(wěn)性高，能有效勞動(dòng)強(qiáng)度低和生產(chǎn)成本低，備受工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域青睞。

隨著智能手機(jī)貼屏精度和效率要求的不斷提升，對(duì)高速高精密智能貼屏設(shè)備的需求越來越迫切，在一定程度上已成為影響貼屏精度的技術(shù)瓶頸。我國一些高校和科研院所也在這方面開展了研究，特別是在圖像處理、視覺算法等方面取得了較多的研究成果。呂金隆[1]基于LabVIEW 技術(shù)開發(fā)機(jī)器視覺伺服系統(tǒng)的通用性平臺(tái)，并通過PCB 板自動(dòng)定位檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，但產(chǎn)品最終定位精度并沒有在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證。張振亞[2]利用改進(jìn)的RANSAC算法對(duì)LCD 邊緣點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，得到特定品牌屏幕組件和電池外殼組件之間的位置關(guān)系。解楊敏等[3]對(duì)PCB 板標(biāo)記點(diǎn)和元件圖像進(jìn)行識(shí)別定位研究，但是圖像算法并不適用于高速貼片機(jī)。李俊蒂等[4]利用兩個(gè)固定的單目攝像頭對(duì)兩屏進(jìn)行圖像采集圖像誤差率限制在2%以內(nèi)，三維誤差率限制在0.02cm 以內(nèi)，但此圖像算法并不適合精度貼屏機(jī)和表面彎曲、不規(guī)則的物體的貼合。柴鈺[5]以形狀不規(guī)則的訂書機(jī)為研究對(duì)象，采用單目視覺實(shí)現(xiàn)目標(biāo)姿態(tài)識(shí)別和二維質(zhì)心定位及確定旋轉(zhuǎn)角度，將改進(jìn)后的算法與機(jī)器視覺結(jié)合集成在MATLAB GUI 系統(tǒng)中，得出位姿的識(shí)別率為92.5%，在x方向和y 方向的平均絕對(duì)誤差值分別為3.3710mm 和4.0106mm，角度的平均絕對(duì)誤差值為4.17°。這些研究雖針對(duì)了視覺伺服系統(tǒng)、機(jī)器視覺算法，但仍難滿足自動(dòng)貼屏設(shè)備的高速高精度的貼屏要求。

本文以智能手機(jī)為研究對(duì)象，采用雙目視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)姿態(tài)識(shí)別和二維中心定位及角度旋轉(zhuǎn)，將機(jī)器視覺技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及精密傳動(dòng)技術(shù)三者結(jié)合，提出了一套完整的高速高精度手機(jī)自動(dòng)貼屏解決方案。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本手機(jī)貼屏機(jī)選用CCD 圖像傳感器（以下簡稱為“CCD貼屏機(jī)”），CCD貼屏機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由顯示器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)、精密對(duì)位系統(tǒng)等組成。顯示器主要用于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及操作過程內(nèi)容顯示；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括工控機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行元件等，借助Labview軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制，通過調(diào)用固高控制板提供的DLL 函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服運(yùn)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制以及對(duì)壓力傳感器、霍爾傳感器等輸入輸出元件的信號(hào)采集和實(shí)時(shí)控制；機(jī)器視覺系統(tǒng)包括工業(yè)相機(jī)、光源及視覺處理軟件，借助視覺算法軟件NI vision development module 和相機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件NI-IMAQ for USB Cameras，完成圖像采集、圖像預(yù)處理，快速提取圖像邊緣信息并準(zhǔn)確快速計(jì)算XY軸向偏差和R向角度偏差；精密對(duì)位系統(tǒng)包括XY向直線電機(jī)及R向DD 馬達(dá)，根據(jù)計(jì)算出的XY 軸向偏差和R 向角度偏差完成XYR向的對(duì)位調(diào)整。

圖1 CCD貼屏機(jī)整體結(jié)構(gòu)

該設(shè)備操作簡單快捷。首先將手機(jī)放入到載具中，載具夾緊氣缸夾緊定位，載具上的吸盤吸附手機(jī)，同時(shí)為相機(jī)拍照定位提供光源；然后Z軸伺服模組下移接觸屏幕吸附屏幕，相機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)位置，保證焦距對(duì)準(zhǔn)手機(jī)待貼合屏幕位置；接著采用兩個(gè)CCD 工業(yè)相機(jī)分別采集手機(jī)和手機(jī)屏幕圖像，經(jīng)過圖像預(yù)處理和目標(biāo)識(shí)別定位后，計(jì)算出對(duì)位平臺(tái)XY向水平移動(dòng)距離以及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)R向旋轉(zhuǎn)距離，最后由伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和精密傳動(dòng)控制系統(tǒng)完成自動(dòng)定位和自動(dòng)貼屏操作。

（1）Z1/Z2 軸伺服驅(qū)動(dòng)模塊。Z 軸伺服驅(qū)動(dòng)模塊如圖2 所示，主要包括伺服電機(jī)、編碼器、滾珠絲杠螺母副、支撐板等。Z1軸伺服驅(qū)動(dòng)模塊用于控制機(jī)架組件的Z 向移動(dòng)，在機(jī)架組件左下角和右上角各安裝有一個(gè)工業(yè)相機(jī)，當(dāng)需要攝像時(shí)，由該模塊驅(qū)動(dòng)相機(jī)移動(dòng)至拍照點(diǎn)取像。Z2軸伺服驅(qū)動(dòng)模塊用于控制吸盤組件的Z 向移動(dòng)，定位精度達(dá)到0.008mm。

（2）機(jī)架組件。機(jī)架組件如圖2 所示，整體為幾字型結(jié)構(gòu)，包括X軸調(diào)整軌道和Y軸調(diào)整梁，通過L 型轉(zhuǎn)接組件將邊線CCD 檢測(cè)組件連接在其上滑動(dòng)，可靈活調(diào)整檢測(cè)組件相對(duì)于載具的位置；檢測(cè)組件用于檢測(cè)手機(jī)和屏幕邊線，實(shí)現(xiàn)圖像自動(dòng)采集和識(shí)別，主要包含兩個(gè)工業(yè)相機(jī)和相機(jī)光源，屬于機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心部件，其將物體的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理，而相機(jī)鏡頭的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)視覺系統(tǒng)測(cè)量精度，其將物體的信息映射到傳感器上?，F(xiàn)今，比較主流的圖像傳感器有CCD（電荷耦合元件）和CMOS（金屬氧化物半導(dǎo)體元件）圖像傳感器兩種，CCD 傳感器采用PN 結(jié)隔離層來隔離噪聲，故噪聲少、像元尺寸小以及光的靈敏度高，本設(shè)備選用CCD圖像傳感器，相機(jī)精度為0.008mm。

（3）吸盤組件。吸盤組件如圖2 所示，負(fù)責(zé)吸取和下壓手機(jī)屏幕，其上下運(yùn)動(dòng)由Z2軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。在吸盤組件上安裝有兩個(gè)壓力傳感器，其中一個(gè)用于檢測(cè)吸起屏幕時(shí)的吸力大小，以防止因壓力不足不能可靠地吸起屏幕；另一個(gè)用于檢測(cè)下壓貼屏?xí)r壓力，以防止因壓力過大壓壞屏幕或因壓力過小屏幕貼合不實(shí)。

（4）載具和仿形托盤組件。載具組件如圖3所示，安裝在對(duì)位和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上方，用于承載固定手機(jī)，當(dāng)手機(jī)型號(hào)變化時(shí)，只需要改變載具就能滿足其他產(chǎn)品的加工要求。仿形托板組件，通過支撐立柱和環(huán)形支撐板支撐至靠近載具水平高度的位置，數(shù)量為兩組，對(duì)稱地設(shè)置在載具的兩側(cè)，每一組包括一個(gè)滑動(dòng)氣缸和固定在滑動(dòng)氣缸上的仿形托板，從而在載具的兩側(cè)托起手機(jī)屏幕，之后吸盤組件在Z2軸的驅(qū)動(dòng)下吸附托盤上的手機(jī)屏幕，為屏幕攝像做好準(zhǔn)備。

（5）對(duì)位及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。對(duì)位及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)如圖3所示，是貼屏設(shè)備中的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)依據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)位姿偏差計(jì)算結(jié)果自動(dòng)調(diào)整手機(jī)在水平面內(nèi)X 向和Y 向位置以及空間R 向圓周位置，調(diào)整精度直接影響貼屏精度。本設(shè)備XYR 模組中R向采用DD 馬達(dá)控制，相對(duì)于普通傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)，DD馬達(dá)采用直接驅(qū)動(dòng)的安裝方式，由于省去了減速機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪等中間環(huán)節(jié)，間隙誤差和機(jī)械磨損誤差被減為最少，并且它的伺服剛性也可以隨時(shí)修正誤差，定位精度較傳統(tǒng)的伺服控制定位模組提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到0.002mm。

圖3 操作平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)

2 自動(dòng)識(shí)別定位流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)識(shí)別定位操作主要完成相機(jī)取像、相機(jī)標(biāo)定、相機(jī)抓邊信息處理、對(duì)位坐標(biāo)計(jì)算、計(jì)算結(jié)果發(fā)送等工作，自動(dòng)識(shí)別定位流程如圖4所示。

圖4 貼屏自動(dòng)識(shí)別定位流程

3 機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)位計(jì)算程序設(shè)計(jì)

程序編制中采用取像工具（CogAcqFifoTool1）獲取圖像，通過調(diào)節(jié)曝光、亮度、及對(duì)比度參數(shù)來調(diào)整圖片效果，曝光值越大，圖片越亮；采用空間定位工具（FixtureTool）輸出定位空間，圖形訓(xùn)練工具（PMAlignTool）查找產(chǎn)品共同特征，以完成圖形特征的快速查找；采用找線工具（Find-LineTool）尋找產(chǎn)品邊緣，在尋邊過程中，通過調(diào)整找線工具的卡尺數(shù)量，搜索長度，投影長度，搜索方向，對(duì)比度閾值，過濾一半像素等參數(shù)確保找到線的準(zhǔn)確性；采用標(biāo)定工具（CogCalibNPointToNPointTool）分別對(duì)2 個(gè)相機(jī)進(jìn)行九點(diǎn)標(biāo)定，以確定相機(jī)與伺服之間的坐標(biāo)關(guān)系以及相機(jī)之間的距離，標(biāo)定結(jié)束后將結(jié)果導(dǎo)入模板，。部分對(duì)位程序計(jì)算如圖5所示。

圖5 貼屏識(shí)別定位部分程序

4 結(jié)語

從設(shè)備測(cè)試的結(jié)果看，該設(shè)備定位精度≤±0.005mm，重復(fù)定位精度≤±0.005mm，貼屏速度≥300 片/小時(shí)，屏幕貼合平整度≤±0.005mm，貼屏精度和效率大幅提升，基本滿足了工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咚俑呔荣N屏設(shè)備需求。同時(shí)，該設(shè)備機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠快速進(jìn)行模板識(shí)別，簡單直觀的操作界面，可快速設(shè)定調(diào)整機(jī)器操作程序，針對(duì)不同形狀尺寸的電子產(chǎn)品只需換載具，即可應(yīng)用于其他型號(hào)電子產(chǎn)品的貼屏工序，設(shè)備柔性化和通用化程度大幅提升。