手機(jī)液晶屏缺陷檢測(cè)流水線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)手機(jī)液晶屏的缺陷檢測(cè)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(cè)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(cè)流水線的開發(fā)，能有效實(shí)現(xiàn)檢測(cè)流程的自動(dòng)化，對(duì)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(jìng)爭(zhēng)力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)以上手機(jī)液晶屏缺陷檢測(cè)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC、DSP、ARM三種控制器的手機(jī)液晶屏缺陷檢測(cè)流水線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可靠性高、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。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(jì)等方面對(duì)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(cè)位、FPC（柔性電路板）定位、液晶屏通電、運(yùn)行測(cè)試程序、液晶屏空間姿態(tài)調(diào)整、圖像采集、圖像處理與識(shí)別、分揀等工序，通過旋轉(zhuǎn)基座切換工位，依次循環(huán)檢測(cè)。通過基于PLC、DSP、ARM的控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊中各工序之間的協(xié)調(diào)與配合，從而實(shí)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(cè)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(shí)際檢測(cè)過程中，為提高檢測(cè)效率，將以上工序分成5個(gè)工位完成，每個(gè)工位包含1個(gè)液晶屏檢測(cè)平臺(tái)。工位1完成搬運(yùn)液晶屏、固定至檢測(cè)位2個(gè)工序；工位2完成FPC定位、液晶屏通電、運(yùn)行測(cè)試程序3個(gè)工序；工位3完成空間姿態(tài)調(diào)整和圖像采集2個(gè)工序；工位4完成圖像處理與識(shí)別工序；工位5完成分揀工序。實(shí)際檢測(cè)中5個(gè)工位同時(shí)執(zhí)行各工位的工序，完成多個(gè)液晶屏的差節(jié)拍檢測(cè)，極大地提高了檢測(cè)效率。各工位間通過旋轉(zhuǎn)底座每隔固定時(shí)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(dòng)化檢測(cè)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(diǎn)，合理分配各工序及工位的時(shí)間，提高穩(wěn)定性和檢測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)視檢測(cè)流程，出現(xiàn)故障具有報(bào)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(jiǎn)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(jì)

手機(jī)液晶屏缺陷檢測(cè)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(shí)別系統(tǒng)組成，整體分監(jiān)控室和控制現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(chǎng)控制采用威綸通TK6070IP彩色觸摸屏。觸摸屏界面主要設(shè)計(jì)了手動(dòng)操作和自動(dòng)操作界面。其中，自動(dòng)操作界面可以通過自動(dòng)工作參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)不同手機(jī)型號(hào)的液晶屏自動(dòng)化檢測(cè)；手動(dòng)操作界面可以實(shí)現(xiàn)流水線的單工位、單工序的運(yùn)行。另外現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏還設(shè)置了故障報(bào)警和急停等功能。

3.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)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(dòng)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(tái)三菱FX3U-32MR型PLC、工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手及驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)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(cè)液晶屏并對(duì)已測(cè)液晶屏按合格與否進(jìn)行分揀；控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)底座，對(duì)檢測(cè)工位進(jìn)行切換；還可以對(duì)故障進(jìn)行報(bào)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(tái)TMS320F288335型DSP，分別控制5個(gè)液晶屏檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)應(yīng)流水線的5個(gè)工位，每個(gè)檢測(cè)平臺(tái)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(tái)[3]，分別完成對(duì)待檢液晶屏的固定至檢測(cè)位、FPC定位、液晶屏通電、運(yùn)行測(cè)試程序、空間姿態(tài)調(diào)整等功能。

DSP控制系統(tǒng)的5臺(tái)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(hào)實(shí)現(xiàn)兩者的邏輯順序配合[4]；通過SPI總線與ARM圖像識(shí)別系統(tǒng)通信，實(shí)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(shí)別系統(tǒng)

ARM圖像識(shí)別系統(tǒng)包括一臺(tái)S5PV210型ARM控制器、一臺(tái)大恒MER-500-7UM工業(yè)相機(jī)、分揀機(jī)械手及其驅(qū)動(dòng)，主要功能是對(duì)液晶屏檢測(cè)平臺(tái)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(shí)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(shí)別結(jié)果將已測(cè)液晶屏搬運(yùn)到對(duì)應(yīng)的傳送帶上。S5PV210型號(hào)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(chǎng)低成本、實(shí)時(shí)圖像處理的要求。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)中輸入輸出、檢測(cè)反饋元件和執(zhí)行元件種類和數(shù)量較多，是一個(gè)較為復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)。因此軟件設(shè)計(jì)思路是先對(duì)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(gè)部分單獨(dú)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)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(duì)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(diǎn)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(shí)別系統(tǒng)需要控制工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)被測(cè)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(shí)別算法程序?qū)D像進(jìn)行識(shí)別[6]，并控制分揀機(jī)械手，為保證流水線檢測(cè)效率，需要優(yōu)化ARM圖像識(shí)別系統(tǒng)的圖像識(shí)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(gè)工位的工序完成后都需要向PLC發(fā)送信號(hào)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(hào)，且ARM圖像識(shí)別系統(tǒng)拍照完成后向DSP反饋一個(gè)二次姿態(tài)調(diào)整信號(hào)。上述設(shè)計(jì)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(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩部分。其中，手動(dòng)運(yùn)行方式可通過對(duì)上位機(jī)上簡(jiǎn)單設(shè)置實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的單獨(dú)手動(dòng)控制操作；自動(dòng)運(yùn)行方式采用順序控制方法，能對(duì)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(yàn)室實(shí)物調(diào)試圖。在試驗(yàn)室經(jīng)過調(diào)試之后，旋轉(zhuǎn)底座、液晶屏檢測(cè)平臺(tái)和ARM圖像識(shí)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(chǎng)與傳送帶、機(jī)械手等設(shè)備組成流水線，經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了液晶屏在流水線上的自動(dòng)化缺陷檢測(cè)。

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

位于旋轉(zhuǎn)底座上的4個(gè)工位是保證流水線穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，因此對(duì)4個(gè)工位進(jìn)行運(yùn)行故障率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表可知，每個(gè)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(yàn)室實(shí)物調(diào)試圖Fig.4 Physical debugging diagram

表1 測(cè)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(cè)流水線控制系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了手機(jī)液晶屏檢測(cè)的自動(dòng)化，提高了液晶屏檢測(cè)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(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步提高國產(chǎn)手機(jī)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同時(shí)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(chǎng)的低成本、實(shí)時(shí)性的要

[1]董軍，柴寶玉，田學(xué)彬.液晶顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，17（3）：102-104.

[2]劉杰，王慧.組態(tài)王與單片機(jī)多機(jī)串口通信的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（7）：7-8.

[3]鄭艷文，王彤宇，林琳，等.基于DSP的二軸轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2013，30（2）：210-213.

[4]溫照方，馮建呈.基于MODBUS協(xié)議的DSP與PLC通信實(shí)現(xiàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008（9）：27-29.

[5]張巖，馬旭東，張?jiān)品?ARM與DSP的SPI通信設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008（9）：56-57.

[6]陳瑤.基于Linux的液晶屏檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].湖北：華中師范大學(xué)，2014.

[7]李道霖.電氣控制與PLC原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006．

[8]姚睿，付大豐，儲(chǔ)劍波.DSP控制原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2014.