基于雙目機器視覺的高速高精度自動貼屏機設計

張亞萍，李曙生

（泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300）

貼屏工序是手機產品生產中的關鍵工序，直接影響產品的美觀和銷售。手機貼屏方式分為人工貼屏和自動貼屏兩種，相對于人工貼屏方式，自動貼屏方式精度高、效率高、穩定性及平穩性高，能有效勞動強度低和生產成本低，備受工業應用領域青睞。

隨著智能手機貼屏精度和效率要求的不斷提升，對高速高精密智能貼屏設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 技術開發機器視覺伺服系統的通用性平臺，并通過PCB 板自動定位檢測系統對設計開發平臺進行測試，但產品最終定位精度并沒有在實際生產設備上進行驗證。張振亞[2]利用改進的RANSAC算法對LCD 邊緣點進行直線擬合，得到特定品牌屏幕組件和電池外殼組件之間的位置關系。解楊敏等[3]對PCB 板標記點和元件圖像進行識別定位研究，但是圖像算法并不適用于高速貼片機。李俊蒂等[4]利用兩個固定的單目攝像頭對兩屏進行圖像采集圖像誤差率限制在2%以內，三維誤差率限制在0.02cm 以內，但此圖像算法并不適合精度貼屏機和表面彎曲、不規則的物體的貼合。柴鈺[5]以形狀不規則的訂書機為研究對象，采用單目視覺實現目標姿態識別和二維質心定位及確定旋轉角度，將改進后的算法與機器視覺結合集成在MATLAB GUI 系統中，得出位姿的識別率為92.5%，在x方向和y 方向的平均絕對誤差值分別為3.3710mm 和4.0106mm，角度的平均絕對誤差值為4.17°。這些研究雖針對了視覺伺服系統、機器視覺算法，但仍難滿足自動貼屏設備的高速高精度的貼屏要求。

本文以智能手機為研究對象，采用雙目視覺系統實現目標姿態識別和二維中心定位及角度旋轉，將機器視覺技術、伺服驅動技術以及精密傳動技術三者結合，提出了一套完整的高速高精度手機自動貼屏解決方案。

1 系統硬件平臺設計

本手機貼屏機選用CCD 圖像傳感器（以下簡稱為“CCD貼屏機”），CCD貼屏機整體結構如圖1所示，主要由顯示器、伺服驅動系統、機器視覺系統、精密對位系統等組成。顯示器主要用于設備運行狀態監控及操作過程內容顯示；伺服驅動系統包括工控機、伺服驅動器、執行元件等，借助Labview軟件實現對運動平臺的控制，通過調用固高控制板提供的DLL 函數庫，實現對伺服運動裝置和機械傳動機構的運動控制以及對壓力傳感器、霍爾傳感器等輸入輸出元件的信號采集和實時控制；機器視覺系統包括工業相機、光源及視覺處理軟件，借助視覺算法軟件NI vision development module 和相機驅動軟件NI-IMAQ for USB Cameras，完成圖像采集、圖像預處理，快速提取圖像邊緣信息并準確快速計算XY軸向偏差和R向角度偏差；精密對位系統包括XY向直線電機及R向DD 馬達，根據計算出的XY 軸向偏差和R 向角度偏差完成XYR向的對位調整。

圖1 CCD貼屏機整體結構

該設備操作簡單快捷。首先將手機放入到載具中，載具夾緊氣缸夾緊定位，載具上的吸盤吸附手機，同時為相機拍照定位提供光源；然后Z軸伺服模組下移接觸屏幕吸附屏幕，相機自動調節位置，保證焦距對準手機待貼合屏幕位置；接著采用兩個CCD 工業相機分別采集手機和手機屏幕圖像，經過圖像預處理和目標識別定位后，計算出對位平臺XY向水平移動距離以及旋轉平臺R向旋轉距離，最后由伺服驅動控制系統和精密傳動控制系統完成自動定位和自動貼屏操作。

（1）Z1/Z2 軸伺服驅動模塊。Z 軸伺服驅動模塊如圖2 所示，主要包括伺服電機、編碼器、滾珠絲杠螺母副、支撐板等。Z1軸伺服驅動模塊用于控制機架組件的Z 向移動，在機架組件左下角和右上角各安裝有一個工業相機，當需要攝像時，由該模塊驅動相機移動至拍照點取像。Z2軸伺服驅動模塊用于控制吸盤組件的Z 向移動，定位精度達到0.008mm。

（2）機架組件。機架組件如圖2 所示，整體為幾字型結構，包括X軸調整軌道和Y軸調整梁，通過L 型轉接組件將邊線CCD 檢測組件連接在其上滑動，可靈活調整檢測組件相對于載具的位置；檢測組件用于檢測手機和屏幕邊線，實現圖像自動采集和識別，主要包含兩個工業相機和相機光源，屬于機器視覺系統的核心部件，其將物體的光信號轉換為電信號輸入到計算機進行相關處理，而相機鏡頭的質量直接關系到整個視覺系統測量精度，其將物體的信息映射到傳感器上。現今，比較主流的圖像傳感器有CCD（電荷耦合元件）和CMOS（金屬氧化物半導體元件）圖像傳感器兩種，CCD 傳感器采用PN 結隔離層來隔離噪聲，故噪聲少、像元尺寸小以及光的靈敏度高，本設備選用CCD圖像傳感器，相機精度為0.008mm。

（3）吸盤組件。吸盤組件如圖2 所示，負責吸取和下壓手機屏幕，其上下運動由Z2軸伺服驅動機構控制。在吸盤組件上安裝有兩個壓力傳感器，其中一個用于檢測吸起屏幕時的吸力大小，以防止因壓力不足不能可靠地吸起屏幕；另一個用于檢測下壓貼屏時壓力，以防止因壓力過大壓壞屏幕或因壓力過小屏幕貼合不實。

（4）載具和仿形托盤組件。載具組件如圖3所示，安裝在對位和旋轉平臺上方，用于承載固定手機，當手機型號變化時，只需要改變載具就能滿足其他產品的加工要求。仿形托板組件，通過支撐立柱和環形支撐板支撐至靠近載具水平高度的位置，數量為兩組，對稱地設置在載具的兩側，每一組包括一個滑動氣缸和固定在滑動氣缸上的仿形托板，從而在載具的兩側托起手機屏幕，之后吸盤組件在Z2軸的驅動下吸附托盤上的手機屏幕，為屏幕攝像做好準備。

（5）對位及旋轉平臺。對位及旋轉平臺如圖3所示，是貼屏設備中的關鍵部件，負責依據機器視覺系統位姿偏差計算結果自動調整手機在水平面內X 向和Y 向位置以及空間R 向圓周位置，調整精度直接影響貼屏精度。本設備XYR 模組中R向采用DD 馬達控制，相對于普通傳統機構，DD馬達采用直接驅動的安裝方式，由于省去了減速機、聯軸器、齒輪等中間環節，間隙誤差和機械磨損誤差被減為最少，并且它的伺服剛性也可以隨時修正誤差，定位精度較傳統的伺服控制定位模組提高一個數量級，達到0.002mm。

圖3 操作平臺局部結構

2 自動識別定位流程設計

自動識別定位操作主要完成相機取像、相機標定、相機抓邊信息處理、對位坐標計算、計算結果發送等工作，自動識別定位流程如圖4所示。

圖4 貼屏自動識別定位流程

3 機器視覺系統對位計算程序設計

程序編制中采用取像工具（CogAcqFifoTool1）獲取圖像，通過調節曝光、亮度、及對比度參數來調整圖片效果，曝光值越大，圖片越亮；采用空間定位工具（FixtureTool）輸出定位空間，圖形訓練工具（PMAlignTool）查找產品共同特征，以完成圖形特征的快速查找；采用找線工具（Find-LineTool）尋找產品邊緣，在尋邊過程中，通過調整找線工具的卡尺數量，搜索長度，投影長度，搜索方向，對比度閾值，過濾一半像素等參數確保找到線的準確性；采用標定工具（CogCalibNPointToNPointTool）分別對2 個相機進行九點標定，以確定相機與伺服之間的坐標關系以及相機之間的距離，標定結束后將結果導入模板，。部分對位程序計算如圖5所示。

圖5 貼屏識別定位部分程序

4 結語

從設備測試的結果看，該設備定位精度≤±0.005mm，重復定位精度≤±0.005mm，貼屏速度≥300 片/小時，屏幕貼合平整度≤±0.005mm，貼屏精度和效率大幅提升，基本滿足了工業應用領域對高速高精度貼屏設備需求。同時，該設備機器視覺系統能夠快速進行模板識別，簡單直觀的操作界面，可快速設定調整機器操作程序，針對不同形狀尺寸的電子產品只需換載具，即可應用于其他型號電子產品的貼屏工序，設備柔性化和通用化程度大幅提升。