手機(jī)液晶屏缺陷檢測流水線的控制系統(tǒng)設(shè)計

劉政科，李 艷

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

隨著智能手機(jī)行業(yè)的成熟，手機(jī)液晶屏朝著大尺寸、全面屏的方向發(fā)展，因此對手機(jī)液晶屏的缺陷檢測也提出了更高的要求。目前手機(jī)液晶屏質(zhì)檢多采取人工方式，成本高、效率低、準(zhǔn)確性低，且高強(qiáng)度多批次的檢測工作易損害人眼，嚴(yán)重危害工人健康[1]。手機(jī)液晶屏缺陷檢測流水線的開發(fā)，能有效實現(xiàn)檢測流程的自動化，對提高手機(jī)企業(yè)的生產(chǎn)效率、提高國產(chǎn)手機(jī)的國際競爭力具有重要的現(xiàn)實意義。

針對以上手機(jī)液晶屏缺陷檢測的特點，本文設(shè)計了一種基于PLC、DSP、ARM三種控制器的手機(jī)液晶屏缺陷檢測流水線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可靠性高、自動化程度高、操作簡便、成本低等優(yōu)點。下文將分別從工藝流程控制、控制系統(tǒng)要求、系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計等方面對本控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 流水線控制流程

本流水線共有搬運(yùn)液晶屏、固定至檢測位、FPC（柔性電路板）定位、液晶屏通電、運(yùn)行測試程序、液晶屏空間姿態(tài)調(diào)整、圖像采集、圖像處理與識別、分揀等工序，通過旋轉(zhuǎn)基座切換工位，依次循環(huán)檢測。通過基于PLC、DSP、ARM的控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)各個模塊中各工序之間的協(xié)調(diào)與配合，從而實現(xiàn)各功能模塊的協(xié)調(diào)和連續(xù)性作業(yè)。圖1所示為手機(jī)液晶屏缺陷檢測流水線的控制流程。

圖1 流水線控制流程Fig.1 Flow chart of the pipeline control

在實際檢測過程中，為提高檢測效率，將以上工序分成5個工位完成，每個工位包含1個液晶屏檢測平臺。工位1完成搬運(yùn)液晶屏、固定至檢測位2個工序；工位2完成FPC定位、液晶屏通電、運(yùn)行測試程序3個工序；工位3完成空間姿態(tài)調(diào)整和圖像采集2個工序；工位4完成圖像處理與識別工序；工位5完成分揀工序。實際檢測中5個工位同時執(zhí)行各工位的工序，完成多個液晶屏的差節(jié)拍檢測，極大地提高了檢測效率。各工位間通過旋轉(zhuǎn)底座每隔固定時間進(jìn)行切換。

2 控制系統(tǒng)要求

在提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、降低運(yùn)行成本等理念下，該控制系統(tǒng)技術(shù)要求：

（1）能夠根據(jù)流水線的自動化檢測流程，保證各控制器間的穩(wěn)定通信和邏輯順序的精確控制，使每道工序有條不紊地相互協(xié)調(diào)運(yùn)行；

（2）根據(jù)流水線各工位的功能特點，合理分配各工序及工位的時間，提高穩(wěn)定性和檢測效率；

（3）保證系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，可根據(jù)監(jiān)控界面實時監(jiān)視檢測流程，出現(xiàn)故障具有報警和急停功能；

（4）在滿足生產(chǎn)線控制要求的前提下，應(yīng)該盡可能使系統(tǒng)簡單經(jīng)濟(jì)、易于維護(hù)，控制系統(tǒng)各參數(shù)可調(diào)。

3 硬件系統(tǒng)控制設(shè)計

手機(jī)液晶屏缺陷檢測流水線控制系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、DSP控制系統(tǒng)和ARM圖像識別系統(tǒng)組成，整體分監(jiān)控室和控制現(xiàn)場兩部分，如圖2所示為該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Hardware structure diagram

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)又分為觸摸屏控制系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)兩部分。

3.1.1 觸摸屏控制系統(tǒng)

現(xiàn)場控制采用威綸通TK6070IP彩色觸摸屏。觸摸屏界面主要設(shè)計了手動操作和自動操作界面。其中，自動操作界面可以通過自動工作參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)對不同手機(jī)型號的液晶屏自動化檢測；手動操作界面可以實現(xiàn)流水線的單工位、單工序的運(yùn)行。另外現(xiàn)場觸摸屏還設(shè)置了故障報警和急停等功能。

3.1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)

計算機(jī)采用研祥IPC-810工控機(jī)（IPC），外配一塊MOXACP-168U多串口卡。工控機(jī)IPC上裝有組態(tài)軟件組態(tài)KINGVIEW，它是亞控公司開發(fā)的工業(yè)通用組態(tài)控制軟件，其自帶多種設(shè)備的驅(qū)動程序，可很好地與下位機(jī)PLC進(jìn)行通信[2]。

3.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)主要由一臺三菱FX3U-32MR型PLC、工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手及驅(qū)動和伺服電機(jī)及驅(qū)動組成。PLC控制系統(tǒng)的主要功能是控制搬運(yùn)機(jī)械手搬運(yùn)待測液晶屏并對已測液晶屏按合格與否進(jìn)行分揀；控制伺服電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)底座，對檢測工位進(jìn)行切換；還可以對故障進(jìn)行報警。

FX3U-32MR型PLC通過自帶的RS-232與組態(tài)王進(jìn)行通信，通過RS-422與上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行通信。

3.3 DSP控制系統(tǒng)

DSP控制系統(tǒng)包括5臺TMS320F288335型DSP，分別控制5個液晶屏檢測平臺，對應(yīng)流水線的5個工位，每個檢測平臺包括定位夾緊裝置、FPC壓平裝置、FPC連接頭通斷裝置、圖像顯示裝置和二軸旋轉(zhuǎn)云臺[3]，分別完成對待檢液晶屏的固定至檢測位、FPC定位、液晶屏通電、運(yùn)行測試程序、空間姿態(tài)調(diào)整等功能。

DSP控制系統(tǒng)的5臺TMS320F28335通過MAX485芯片和RS-485總線與PLC通信，向PLC發(fā)送工位切換信號實現(xiàn)兩者的邏輯順序配合[4]；通過SPI總線與ARM圖像識別系統(tǒng)通信，實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整工序與圖像采集工序的邏輯順序配合[5]。

3.4 ARM圖像識別系統(tǒng)

ARM圖像識別系統(tǒng)包括一臺S5PV210型ARM控制器、一臺大恒MER-500-7UM工業(yè)相機(jī)、分揀機(jī)械手及其驅(qū)動，主要功能是對液晶屏檢測平臺的各姿態(tài)下的液晶屏采集圖像信息，然后進(jìn)行圖像的處理與識別，按照行業(yè)規(guī)范的缺陷認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)判定液晶屏是否合格，分揀機(jī)械手根據(jù)識別結(jié)果將已測液晶屏搬運(yùn)到對應(yīng)的傳送帶上。S5PV210型號控制器內(nèi)裝有的Linux操作系統(tǒng)，滿足了工業(yè)控制現(xiàn)場低成本、實時圖像處理的要求。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

該控制系統(tǒng)中輸入輸出、檢測反饋元件和執(zhí)行元件種類和數(shù)量較多，是一個較為復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)。因此軟件設(shè)計思路是先對系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，將系統(tǒng)分為分別以PLC、DSP、ARM控制器為核心的三個部分單獨(dú)進(jìn)行軟件設(shè)計，然后設(shè)計各控制器之間的通訊與邏輯順序配合，最后進(jìn)行系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)。PLC控制系統(tǒng)雖然輸入輸出對象較多但是控制難度不高，需要搬運(yùn)機(jī)械手完成固定兩點間的液晶屏搬運(yùn)，旋轉(zhuǎn)底座完成單次72°的旋轉(zhuǎn)；DSP控制系統(tǒng)需要完成圖像采集前的定位、通電和姿態(tài)調(diào)整等功能，各工序間通過傳感器和限位開關(guān)保證嚴(yán)格的順序控制；ARM圖像識別系統(tǒng)需要控制工業(yè)計算機(jī)對被測液晶屏進(jìn)行拍照，并通過運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)上的圖像處理與識別算法程序?qū)D像進(jìn)行識別[6]，并控制分揀機(jī)械手，為保證流水線檢測效率，需要優(yōu)化ARM圖像識別系統(tǒng)的圖像識別效率。

單獨(dú)調(diào)試完成后，需要完成各控制器間的通信和邏輯順序控制。DSP控制系統(tǒng)的每個工位的工序完成后都需要向PLC發(fā)送信號切換工位；DSP控制系統(tǒng)完成每次的姿態(tài)調(diào)整后向ARM發(fā)送拍照信號，且ARM圖像識別系統(tǒng)拍照完成后向DSP反饋一個二次姿態(tài)調(diào)整信號。上述設(shè)計過程完成后，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。將控制系統(tǒng)運(yùn)行方式分為手動運(yùn)行和自動運(yùn)行兩部分。其中，手動運(yùn)行方式可通過對上位機(jī)上簡單設(shè)置實現(xiàn)各個模塊的單獨(dú)手動控制操作；自動運(yùn)行方式采用順序控制方法，能對各邏輯關(guān)系、順序等進(jìn)行精確控制，使各道工序有條不紊互相協(xié)調(diào)運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖4所示為試驗室實物調(diào)試圖。在試驗室經(jīng)過調(diào)試之后，旋轉(zhuǎn)底座、液晶屏檢測平臺和ARM圖像識別系統(tǒng)均單獨(dú)運(yùn)行正常且處理器間通訊穩(wěn)定。然后在工業(yè)現(xiàn)場與傳送帶、機(jī)械手等設(shè)備組成流水線，經(jīng)過一段時間的測試，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了液晶屏在流水線上的自動化缺陷檢測。

5 試驗與結(jié)果分析

位于旋轉(zhuǎn)底座上的4個工位是保證流水線穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，因此對4個工位進(jìn)行運(yùn)行故障率測試，測試結(jié)果如表1所示。由表可知，每個工位的故障率都控制在合理的范圍內(nèi)，其中工位2的故障率較高，這是由于該工位多工序的累積誤差造成的。

圖3 程序流程Fig.3 Program flow chart

圖4 試驗室實物調(diào)試圖Fig.4 Physical debugging diagram

表1 測試結(jié)果Tab.1 Test result

6 結(jié)語

求?；赑LC、DSP、ARM控制器的手機(jī)液晶屏缺陷檢測流水線控制系統(tǒng)，有效地實現(xiàn)了手機(jī)液晶屏檢測的自動化，提高了液晶屏檢測的效率和準(zhǔn)確率，具有穩(wěn)定性高、易操作、低成本、易維護(hù)的特點，對進(jìn)一步提高國產(chǎn)手機(jī)企業(yè)的競爭力具有重要意義。

PLC控制器可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；DSP控制器低功耗、高性能，增強(qiáng)型脈寬調(diào)制模塊可實現(xiàn)多電機(jī)的同時控制；ARM控制器功耗、體積小，其嵌入式控制系統(tǒng)符合本流水線控制現(xiàn)場的低成本、實時性的要

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