機械視覺在液晶切割機上的應用

陳鑫

摘 要：在液晶顯示器基板的生產過程中由于效率的因素，一次會在一大張玻璃基板上制作數個顯示單元，在前段工序完成后再將其切割開從而得到獨立的液晶板。在待切割的玻璃基板上印有十字形切割標記，切割時需要沿十字標記中心切割。為保證切割精度，在切割刀上方架設兩個CCD，并將CCD圖像顯示到屏幕，同時屏幕中心生成十字線標記。經調試后設備出廠時切割線條應正好通過顯示屏上兩十字標記的中心。為實現高精度自動化生產現在要將這一工作自動完成。首先由CCD識別固定的標記，并通過此標記在CCD視野內的移動自動計算機械坐標變化量與視野內像素坐標變化量的關系，進而由系統計算出把視野內特定標記移動到視野內任意位置所需的位移量。至此，切割標記只要出現在視野內，系統就會自動計算出將該標記調整到正確的待切割位置時各軸所需的移動量，從而實現自動對位。

關鍵詞：液晶自造設備 TFT切割機 機械視覺 視覺對位

中圖分類號：TQ171.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0126-02

在液晶顯示器基板的生產過程中由于效率的因素，一次會在一大張玻璃基板上制作數個顯示單元，在前段工序完成后再將其切割開從而得到獨立的液晶板。液晶切割機既是用于分割液晶基板特種設備。常用單片的液晶基板厚度為0.2～0.7 mm，切割精度要求依照顯示器外形尺寸及用途不同有較大變化，但一般在0.01～0.1 mm。以上特點決定了液晶切割機的特點是高精度低載荷。

1 切割機的基本結構

在待切割的玻璃基板上印有黑色十字形切割標記，標記實際尺寸在1 mm左右，經放大后顯示在屏幕上。切割時沿十字標記中心切割即可。切割精度一般在0.01～0.1 mm。在切割刀上方架設兩個CCD，并將CCD圖像顯示到屏幕，同時屏幕中心生成十字線標記。經調試后，設備出廠時切割線條應正好與顯示屏上兩十字線的橫向線條相重合。通過CCD顯示畫面（見圖1）。

畫面中心十字線和切割頭切出的刀痕重合，黑色十字標志是切割標記，切痕應通過十字標記中心。

2 機械視覺對位原理

機械視覺對位就是指通過CCD分辨已知標記并自動調整機械運動部件，使標記與目標相重合的過程，它有兩項核心技術。一項是機械視覺技術，即將視野中的圖像與使用者告知的圖像進行比對，并在視野中找到預先告知的標記。這一部分主要是計算機圖形學研究的領域，該文中不做過多闡述。另一項是對位技術，指的是通過觀察標記在視野中的位置，計算出將標記移動到指定位置時設備各軸所需的移動量。

機械視覺對位的過程可以分為兩個步驟：第一步稱為校正，即設備的學習過程，在這一過程中設備通過對自身運動的觀察從而實現視覺坐標與機械坐標的統一。第二步稱為對位，在設備完成第一部的校正工作后，自動計算完成當前對位工作各軸所需的運動量，進而將指定標記移動到目標位置。從這里我們可以看出對位實際上就是對坐標系的統一。

首先我們要做一個證明。平面直角坐標系X1OY1以原點O點為圓心旋轉任意固定角度δ（為方便證明我們限定-90°<δ<90°）得到平面直角坐標系X2OY2，一點S在坐標系X1OY1下坐標為（x1，y1）在坐標系X2OY2下坐標為（x2，y2）（見圖2）。

求解（x1，y1）（x2，y2）的關系

將S在坐標系X1OY1下坐標（x1，y1）；再坐標系X2OY2下坐標（x2，y2）

轉化為對應的極坐標形式

x1=lcosα x2=lcosβ

y1=lsinα y2=lsinβ

因為α=β+δ由三角形公式可知

sinα=sinβcosδ+cosβsinδ

cosα=cosβcosδ-sinβsinδ

將上面6式聯立，有

y1= y2cosδ+ x2sinδ

y2= y1cosδ- x1sinδ

x1= x2cosδ- y2sinδ

x2= x1cosδ+ y1sinδ

由于δ是常量由此我們得出結論：當（x1，y1）（x2，y2）中任何一組坐標已知，則可以通過上述形勢表達另一組坐標。

下面我們繼續論述視覺對位的坐標統一。我們通過設備移動時觀察視野中的登陸標記的坐標變化從而將視覺坐標系與機械坐標系統一。依據設備情況建立坐標系（見圖2）。

圖2中包括3個坐標系分別是：

（1）工作臺Y軸和CCD的X軸組成的機械坐標系，稱為XOY坐標系，單位mm。

（2）左CCD視野中的水平軸與垂直軸組成的視覺坐標系，稱為X′O′Y′坐標系，單位像素。

（3）右CCD視野中的水平軸與垂直軸組成的視覺坐標系，稱為X″O″Y″坐標系，單位像素。

在左CCD視野中有一點A，右CCD視野中有一點B，我們記錄當前位置并稱它為校正原點。在校正過程中設備做了以下3組動作。

（1）工作臺沿Y正向移動TY，左CCD視野中A移動到了B，右CCD視野中E移動到了F；設備回校正原點。

（2）工作臺沿X正向移動TX，左CCD視野中A移動到了C，右CCD視野中E移動到了G；設備回校正原點。

（3）工作臺以O為中心順時針旋轉θ，左CCD視野中A移動到了D，右CCD視野中E移動到了H；設備回校正原點。

由于機械視覺技術的應用，在我們登陸了標記點后可以在任意時刻知道標記點在CCD視野中的位置，也就是說我們知道所有點在X′O′Y′坐標系和X″O″Y″坐標系中的坐標。現在需要我們將這X′O′Y′坐標系和X″O″Y″坐標系統一到XOY坐標系上來。對這一過程這里只給出方法并不詳細討論過程。

第一步：統一單位。

X′O′Y′坐標系和X″O″Y″坐標系統的單位是像素，XOY坐標系單位是mm。但CCD中的像素單位和機械坐標中的mm單位存在線性對應關系，所以有：

像素坐標變化量×K=機械坐標變化量

K：轉換系數，物理意義為當CCD視野中坐標點移動一個像素時標記點在實際工作臺上移動的距離。單位是mm/像素。

由于左右CCD的放大倍率等物理條件不可能完全相等，所以左右CCD的K值不一樣。分別設為K′K″。由于CCD單位像素不是正方形，因此我們要將K分為X向的KX和Y向KY。

所以統一單位只需要確定以下4個參數：

KX′ 左CCD在X方向的轉換系數

KY′ 左CCD在Y方向的轉換系數

KX″ 右CCD在X方向的轉換系數

KY″ 右CCD在Y方向的轉換系數

通過運動（1）（2）我們可知AB間距為MY ；AC間距為MX；EF間距為MY；EG間距為MX。通過這4各條件方程組求解上面4個參數。

第二步：統一坐標軸方向。

在運動（Ⅰ）（Ⅱ）中我們會發現原本物體沿機械坐標系的Y向移動，可在CCD顯示中X相也出現了微小的位移量。這是因為CCD安裝時CCD坐標并不一定和機械坐標平行而是存在微小夾角，且數值可通過坐標變化量求得。因此我們要建立一個中間坐標系，以左CCD為例，中間坐標系XlOlYl與X′O′Y′坐標系O′點重合，與XOY坐標系坐標軸方向相同，單位相同。中間坐標系XlOlYl與X′O′Y′坐標系轉換時以極軸坐標系為中介。同理建立中間坐標系XrOrYr。

根據前文的論證

y1= y2cosδ+ x2sinδ

y2= y1cosδ- x1sinδ

x1= x2cosδ- y2sinδ

x2= x1cosδ+ y1sinδ

再將第一步的條件帶入整理后我們可以得到函數組

yl= M1y′+ M2x′

yr= N1y″+ N2x″

xl= M3x′+ M4y′

xr= N3x″+ N4y″

M1 M2 M3 M4 N1 N2 N3 N4是通過前面方程組解出的常量。通過這一函數組我們可以將CCD中的像素坐標量轉化成和視覺坐標原點重合且與機械坐標方向相同、單位一致的中間坐標系的坐標。

第三步：確定O、O′、O″的相對位置關系。

坐標系XrOrYr轉換成XOY坐標系只需要將O′點坐標與XrOrYr中坐標相加即可。

坐標系XlOlYl轉換成XOY坐標系只需要將O″點坐標與XlOlYl中坐標相加即可。

設O′、O″在XOY坐標系中的坐標為O′（Xlo，Ylo）、O″（Xro，Yro）。

以左CCD為例，通過函數組①我們知道A點D點在XOY坐標系中的坐標為A（Xla+Xlo， Yla+Ylo）、D（Xld+Xlo， Yld+Ylo），其中A（Xla，Yla）、D（Xld，Yld）為A點D點在中間坐標系XlOlYl中的坐標，為已知量，依據運動（Ⅲ）OA=OD；OE=OH；∠DOA=θ； ∠HOE=θ可解Xlo、Ylo。

至此我們得到一函數組

y= M1y′+ M2x′+ Ylo

y= N1y″+ N2x″+ Yro

x= M3x′+ M4y′+ Xlo

x= N3x″+ N4y″+ Xro

從左、右CCD讀出的像素坐標帶入這一函數組就可得到視野內標記點在統一的機械坐標下的位置坐標。

通過上述工作我們將左、右CCD的視覺坐標統一到了工作臺的機械坐標上來。這一轉換函數組包括12個待定量，我們通過校正中的3組動作將他們一一求出。校正的唯一目的就是為了得出這一函數組。一旦這一函數組確立校正的工作也就完成了。余下對位的工作就很容易了。我們只需要算出當前標記在XOY坐標系的坐標和目標位置在XOY坐標系的坐標，兩者相減就是工作臺需要移動的行程。這一過程我們稱之為對位。

理論上函數組中所有的12個待定量在正常運轉過程中是不會再變的，除非CCD從新拆裝或是其它相關機械部件更換。所以設備只需要出廠前作一次校正就可以一直執行對位工作。但是由于實際運行情況比較復雜，建議每次在設備正常維護檢修的時候做一次校正，以提高設備的穩定性。

3 結語

機械視覺對位是模仿人手工對位過程而產生的一項技術，在液晶制造業有著廣泛的應用。該文概略的闡述了機械視覺對位技術的原理，并闡述了該技術在液晶切割機上的應用。

參考文獻

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