一種液晶模組缺陷檢測設備的PLC控制實現*

李海霞，張 衡

（1. 蘭州石化職業技術學院電子電氣工程學院， 蘭州 730060；2. 航天科工智能機器人有限責任公司， 北京 100070）

0 引言

在手機等電子產品的圖像顯示中，液晶顯示屏起到了重要作用。其中，液晶模組是液晶顯示屏的重要組成元件之一，但由于生產技術等原因可能導致液晶模組產生缺陷，影響電子產品的使用性能。目前實際市場中，液晶模組缺陷檢測多采用人工檢測方法，該方法檢測效率較低、受檢測人員的主觀影響因素較大。隨著國內手機行業迅猛發展，國內市場對高清手機屏的自動檢測設備需求量大，且需求緊迫。自動光學檢測技術（Automatic Optic Inspection, AOI），是一種高性能的自動表面缺陷檢測方法[1-3]，可提高人工檢測效率和檢測精度。在AOI技術中，PLC技術控制功能的應用，使得液晶模組缺陷檢測方法更加完善、高效[4]。PLC可實現多軸運動的協調控制，在缺陷自動檢測設備的控制中已有一定應用[5-8]。根據手機生產廠家的生產檢測需求，本文設計了一種液晶模組表面缺陷檢測設備的PLC 運動控制方案。采用全自動化檢測方式，實現自動出入料、自動對接、自動點燈和視覺自動檢測，自動化程度高，增加上下料模塊后能夠直接對接流水線操作。該設備主要由視覺檢測系統、視覺定位系統、運動控制部分、信號發生單元和執行機構等組成。將PLC 與上位機結合，構建液晶模組視覺定位和圖形采集功能。采用PLC作為整個運動控制方案的核心，主要通過對設備傳感器采集到的圖像等數據進行運算處理和控制，實現對設備旋轉平臺的電機速度、位移的控制，并結合工控機上位軟件實現液晶模組圖像顯示和設備工藝控制流程控制，以達到設備管理、監控和圖像分析處理等目的。該設備可以擴展推廣應用于平板電腦、車載顯示屏、顯示器等各種平板顯示器的檢測，具有廣泛的應用領域和廣闊的應用前景。

1 液晶模組自動光學檢測設備

液晶模組缺陷檢測設備具備液晶模組各類型缺陷檢測功能，且能夠兼容高解析度的液晶模組，檢測效率更高。目前檢測可根據液晶模組的尺寸、點亮方式、檢測需求，更換治具，進行簡單地調節設置，即可適應各種檢測需求。該設備主要由PLC 控制器、視覺定位和檢測處理模塊、執行機構和工控機等組成。設備送料采用PLC 運動控制機構實現，電氣自動對接用視覺定位系統實現，圖像采集用高分辨率CCD 拍照實現[9]。檢測處理軟件對采集到的圖像進行檢測和分析，判斷液晶屏是否存在缺陷及缺陷類型，并將檢測結果顯示在人機界面。液晶模組自動光學檢測設備的內部結構如圖1所示。視覺檢測硬件主要由高分辨率相機、鏡頭、光源、光源控制器等組成；執行機構主要包括由DD馬達驅動的四工位旋轉平臺，定位機構的X、Y軸高精度電缸和Z軸對接氣缸組成；PLC 控制器、光源控制器和信號發生單元安裝在機柜下方的控制柜內，圖中未畫出。視覺檢測硬件主要完成模組屏的圖像采集并保證采集的圖像質量；視覺定位硬件主要完成待測模組FPC 板與信號發生單元的電氣自動對接；PLC 控制器主要負責執行機構的運動控制和上位機軟件的通訊；信號發生單元主要在上位機軟件的控制下，完成模組屏的點亮和顯示圖像通道的變換；治具工裝主要完成對模組屏和FPC 軟板的粗定位；執行機構主要負責執行模組的送入送出、信號發生單元和模組屏FPC軟板連接器的自動電氣連接。

圖1 系統內部結構

2 液晶模組缺陷檢測PLC控制方案設計

2.1 PLC硬件設計

液晶模組缺陷檢測設備整機設計為機柜式，設備的尺寸適合單人站立操作。可根據廠家實際需求，增加上下料模塊即可直接與流水線對接。根據系統檢測工藝要求，PLC 除了控制X、Y軸滑臺，伺服電機和電磁閥等執行機構，同時實現與上位機的通訊。PLC與上位機的數據通訊采用RS232串口通訊，與上位機的I/O 通訊通過高低位信號轉換板卡和PCI1230板卡實現。所采用PLC型號為三菱FX3G-40 MT，控制規模為24～128 點(CC-Link 構 成 遠 程IO 時256 點)[10-12]。 伺 服 電 機MSMD和電機驅動器MBDH配套使用，控制X、Y軸滑臺，實現運動對準和電氣對接，誤差小于0.03 mm。圖2 所示為PLC與檢測、執行機構、上位機的電氣連接圖。在控制回路電氣接線圖中，控制X、Y軸滑臺的伺服電機與驅動器通過電纜連接；PLC 通過Y2、Y3、Y6和Y7輸出脈沖數和極性信號給驅動器，實現伺服電機的目標位置控制；伺服電機采用位置控制模式，以脈沖編碼器方式從OA+、OA-、OB+、OB-、OZ+和OZ-口，輸出本伺服電動機目前的速度和位置，經由信號轉換后給PLC輸入口X0、X1和X2。

圖2 PLC電氣連接

2.2 PLC軟件檢測流程

PLC 控制軟件主要實現模組的工位轉移、模組FPC 連接器的自動對接、PLC 與上位機軟件的實時通信等；上位機UI界面主要實現顯示圖像信息、檢測結果以及用戶交互。設備軟件包括上位機軟件和PLC 控制軟件兩個部分。上位機軟件又包括檢測處理軟件、視覺定位處理軟件和人機界面。其中，視覺定位處理軟件主要處理得到待測模組FPC 板上料位置的坐標偏差，輔助PLC 完成電氣的自動對接，是設備自動化程度的重要體現。檢測設備采用了四工位旋轉平臺，上、下料工位，視覺定位工位和檢測工位。首先，PLC 控制旋轉平臺將待測模組旋轉至定位工位，定位相機對待測模組拍照，得到模組FPC 板（Flexible Printed Circuit，柔性印制電路板）[13-14]金手指的上料誤差坐標值，然后將待測模組旋轉至檢測工位，PLC 根據坐標偏差完成自動電氣對接，點亮待測液晶模組，進行缺陷檢測，最后再根據SEMI標準和行業企業標準，判斷缺陷類型[15]。

設備檢測采用四工位平臺，上、下料工位，視覺定位工位和缺陷檢測工位。設備的主要工作流程為：首先人工或自動（流水線操作）上料，將待檢測的液晶模組放入治具內，然后點擊開始測試按鈕（或發送開始測試指令）；PLC 控制器控制旋轉平臺，將待測的液晶模組從上、下料工位送入視覺定位工位，定位相機拍照后，確定定位待測液晶模組的電氣連接件位置偏差，并將偏差數據傳輸給PLC；PLC 控制器控制旋轉平臺，將待測液晶模組從視覺定位工位送入缺陷檢測工位，根據坐標偏差值控制Z軸對接氣缸，實現模組FPC 連接器與信號發生單元的電氣對接；檢測處理軟件控制信號發生單元，輸出使待測模組顯示不同的畫面通道，并啟動檢測相機進行拍照，將采集到的圖像進行處理分析，得到需要的檢測信息；檢測處理軟件通過信號發生單元，變換多個待測液晶模組的顯示圖像通道，對應每個通道啟動相機采集圖像，并對采集的圖像進行缺陷檢測和處理；待液晶屏缺陷檢測完成后，關閉信號發生單元，對待測模組進行再次檢測，對模組屏表面異物進行標記，降低誤檢率；PLC 控制器控制旋轉平臺，將檢測完畢的待測模組送入下料工位，進行下一組缺陷檢測，設備的檢測流程如圖3 所示。

圖3 設備的檢測流程

2.3 PLC 運動控制參數

PLC 通過步進電機來驅動旋轉平臺，用編碼器實現旋轉角度反饋，確保每次旋轉平臺每次的旋轉角度為90°，精度可達到0.1°。PLC 控制X、Y軸滑臺，根據待測液晶模組的電氣連接件位置偏差，使帶著對接測試頭的Z軸氣缸下行，實現與FPC板自動電氣對接。所選X、Y軸滑臺的參數為：移動量為30 mm，分辨率為2 μm/1 μm。單軸精度為：單軸定位為5 μm，重復定位為±5 μm。待檢測完畢后，Z軸氣缸上行，完成對接測試頭與FPC板的電氣脫離。

3 模組自動光學檢測實驗

PLC 完成液晶模組屏幕缺陷檢測的運動控制部分后，進行缺陷檢測效果的驗證。利用高分辨率相機拍攝點亮的不同顏色（白、黑、綠、紅、藍、灰色）的多幅圖像（實物為黑、白、紅、綠、藍、棋盤格、灰、LED 灰塵）等畫面顯示。實驗驗證內容如表1所示。

表1 操作系統任務劃分

表1 液晶模組屏幕缺陷檢測

確定液晶模組是否存在缺陷。圖4～5 所示分別為綠色和紅色畫面下檢測出來的像素缺陷特征。

圖4 綠色畫面圖像處理的缺陷檢測

圖5 紅色畫面圖像處理的缺陷檢測

設備完成設計的需求，通過實驗驗證，缺陷識別準確率大于或等于95%，誤檢率小于或等于5%，漏檢率小于或等于0.2%，能滿足檢測要求，可實現點缺陷、線缺陷，斜線mu?ra、斑點mura等各種mura，劃痕、漏光等缺陷檢測。

4 結束語

本文進行了液晶模組檢測設備PLC 控制設計，具備LCD模組缺陷檢測的功能，檢測精度和檢測率均達到技術指標要求。根據電氣控制方案，完成對各部分電氣硬件控制設計、軟件程序設計，采用三菱PLC（FX3G-40 MT）作為控制器，上位機能夠對液晶模組缺陷檢測設備中各個傳感器進行實時監控，達到液晶模組表面缺陷檢測設備的工藝要求，降低生產成本和退貨率，簡化生產線流程，能夠滿足總體技術要求，運行穩定，操作方便，能夠實現液晶模組缺陷檢測，實時顯示測試結果。