基于圖像識(shí)別的面板邊緣檢測(cè)分揀裝置的設(shè)計(jì)*

周 晶,李俊陶,鄧楊逍

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

0 引言

微電子用玻璃面板加工過程中需要將來料的大板玻璃切割分?jǐn)喑尚“?，然后將合格品按照順序精?zhǔn)放置在包括有工件容置腔的料盤中，然后將料盤整齊的碼放，以便統(tǒng)一搬運(yùn)和儲(chǔ)藏，不合格品單獨(dú)存放便于后續(xù)處理。然而玻璃材質(zhì)較脆，在切割過程中容易產(chǎn)生崩邊等現(xiàn)象，使切割難度加大，因此檢測(cè)單片面板的邊緣質(zhì)量尤為重要，以往采用人工檢測(cè)切割斷裂后的單片面板的邊緣質(zhì)量，會(huì)導(dǎo)致效率低下，人力成本高的問題[1]。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，機(jī)器視覺技術(shù)得以應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，如缺陷檢測(cè)、視覺定位等。而在玻璃類材料的生產(chǎn)應(yīng)用也有很多，例如，LENG Q等[2]提出獨(dú)立成分分析法擬合背景圖像，從待測(cè)圖像中將擬合背景圖像減去，得到殘差圖像，判斷是否存在物料缺陷。簡(jiǎn)川霞等[3]采用基于互信息的配準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)模板圖像和待測(cè)圖像的像素對(duì)齊，用于檢測(cè)手機(jī)玻璃屏表面缺陷視覺檢測(cè)。姚紅兵等[4]提出一種基于機(jī)器視覺的樹脂鏡片疵病檢測(cè)系統(tǒng)算法，針對(duì)樹脂鏡片疵病的自動(dòng)檢測(cè)，構(gòu)建了一套圖像采集系統(tǒng)并提出了相應(yīng)的疵病檢測(cè)算法?？偨Y(jié)目前研究成果，多是從圖像處理算法優(yōu)化角度出發(fā)研究玻璃表面質(zhì)量檢測(cè)問題。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)切割后的單片面板的邊緣質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)一種基于圖像識(shí)別的面板邊緣檢測(cè)分揀裝置，用于對(duì)微電子用玻璃面板進(jìn)行自動(dòng)上料、切割分?jǐn)?、揀片檢測(cè)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

面板切割斷裂生產(chǎn)線主要是用于對(duì)微電子用玻璃面板進(jìn)行自動(dòng)上料、切割分?jǐn)?、揀片檢測(cè)。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，將來料大板玻璃分割成小板，并對(duì)小片進(jìn)行檢測(cè)有無Dummy條，用于區(qū)別樣品和實(shí)際產(chǎn)品，以及來料不良進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、分選，與下游設(shè)備對(duì)接[5]。

設(shè)備主要分為4部分：視覺系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，如圖1 所示。采用圖像識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行初對(duì)位和自動(dòng)對(duì)位，氣路系統(tǒng)采用真空吸附固定，平臺(tái)真空分區(qū)可根據(jù)不同批次產(chǎn)品的形狀大小而定，利用氣路系統(tǒng)的真空和正壓部分完成自動(dòng)上料、切割、翻轉(zhuǎn)、斷裂、拾取、翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)等流程?？刂葡到y(tǒng)包括硬件和軟件部分，可以同時(shí)對(duì)來料大板進(jìn)行正反面自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)，取出檢測(cè)出錯(cuò)產(chǎn)品[6]。文中主要論述單片拾取處理部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

圖1 面板切割斷裂生產(chǎn)線整體方案

2 單片拾取處理部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

檢測(cè)下料機(jī)構(gòu)由兩條單片拾取處理機(jī)構(gòu)A線和B線組成，雙線程同時(shí)對(duì)前道工序輸出的單片面板進(jìn)行拾取檢測(cè)，提高了工作效率，如圖2所示。A線和B線都采用兩臺(tái)4軸機(jī)器人同時(shí)進(jìn)行交替作業(yè)方式，不再需要人工來分揀，節(jié)省了人力成本[7]。

圖2 檢測(cè)下料機(jī)構(gòu)布置圖

以A線為例，主要由單片拾取以及廢邊打碎收集機(jī)構(gòu)、機(jī)器人一與Dummy條處理部件、機(jī)器人二組成，如圖3所示。

圖3 單片拾取處理機(jī)構(gòu)(A線)

2.1 單片拾取以及廢邊打碎收集機(jī)構(gòu)

如圖4所示，大板玻璃經(jīng)過切割斷裂之后，被移載部件整片搬運(yùn)到傳送皮帶上。皮帶向前走動(dòng)一定距離，使玻璃處于拾取部件的工作區(qū)域之內(nèi)。拾取部件拾取單片玻璃放置于玻璃中轉(zhuǎn)托盤上面，等待機(jī)器人一過來拾取處理。當(dāng)拾取頭拾取定點(diǎn)玻璃時(shí)，為了防止玻璃上升過程中連帶起四周的玻璃，應(yīng)該對(duì)四周玻璃進(jìn)行按壓固定。

圖4 單片拾取以及廢邊打碎收集

如圖5所示，4個(gè)吸附玻璃的吸盤配合8個(gè)壓邊吸盤使用，位置可調(diào)。在拾取過程中，壓邊吸盤先接觸玻璃，然后Z軸方向繼續(xù)下降一定距離，使得吸附吸盤可以吸取玻璃，然后Z方向上升，玻璃被吸起，對(duì)定點(diǎn)玻璃的四周進(jìn)行兩點(diǎn)按壓，防止其被連帶拾起[8]。

當(dāng)傳送皮帶上所有的玻璃被拾取完之后，皮帶向前轉(zhuǎn)動(dòng)，使其上面遺留的玻璃廢邊進(jìn)入廢邊打碎機(jī)構(gòu)。皮帶下方增加蓋板，毛刷清掃皮帶，并在此處預(yù)留真空吸引接口。通過此機(jī)構(gòu)，長(zhǎng)的玻璃廢邊被打碎，然后掉入廢料收集盒。當(dāng)廢料盒裝滿之后，打碎機(jī)構(gòu)的出料口可自動(dòng)封閉，被打碎的廢邊不會(huì)繼續(xù)掉落，直至下一個(gè)廢料收集盒被放置于打碎機(jī)構(gòu)下面之后方可再次打開。因此在更換裝滿的廢料收集盒時(shí)，機(jī)器可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖5 分片拾取頭

2.2 機(jī)器人Ⅰ與Dummy條處理部件

由于靜電等原因，被切割斷裂之后的玻璃端子面會(huì)粘連著Dummy條。如圖6所示，此機(jī)構(gòu)是用于把Dummy條從玻璃上分離以及處理。機(jī)器人拾取玻璃之后，放到Dummy條處理機(jī)構(gòu)的工作區(qū)域，如圖7所示。此時(shí)，玻璃CF面朝下，也就是Dummy條在玻璃端子下方。機(jī)器人Ⅰ移動(dòng)單片玻璃，使玻璃的Dummy條一邊正好落在真空吸附部件上，然后真空開啟，機(jī)器人Ⅰ向上移走玻璃。機(jī)械動(dòng)作上采用角對(duì)位，四邊的真空吸附部件都固定不動(dòng)，機(jī)器人帶動(dòng)玻璃。先處理玻璃的一角，使其兩邊被真空吸附，然后機(jī)器人移動(dòng)玻璃，使玻璃的對(duì)角被處理。由于Dummy條留在真空吸附部件上，然后，清掃氣缸清掃臺(tái)板，把Dummy條吹到下方的廢邊收集盒中。

圖6 機(jī)器人Ⅰ與Dummy條處理部件

圖7 Dummy條處理機(jī)構(gòu)

機(jī)器人Ⅰ從中轉(zhuǎn)托盤上拾取一片玻璃放到下一機(jī)構(gòu)，等處理完后再放到后面翻轉(zhuǎn)部件。

面板經(jīng)Dummy處理之后，被機(jī)器人Ⅰ放到翻轉(zhuǎn)吸臺(tái)上。如圖8所示的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)180°，并把玻璃放置于圖7所示的廢邊檢測(cè)平臺(tái)上，使面板CF面朝上，以便于下一步的處理。

圖8 面板翻轉(zhuǎn)及來料不良檢測(cè)機(jī)構(gòu)

3 圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

硬件系統(tǒng)以PC工控機(jī)為核心，通過運(yùn)動(dòng)控制單元、數(shù)字I/O單元、圖像采集單元等實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全過程控制。

如圖9所示，單片拾取處理機(jī)構(gòu)先由傳送部件將前道工序加工好的大板玻璃傳送到指定位置，再由單片玻璃拾取部件將已切割過的單片面板從大板上分離出來，多余的廢邊打碎后放置在專門的收集機(jī)構(gòu)里。采用拾取頭快換中轉(zhuǎn)臺(tái)可以快速更換機(jī)器人的拾取頭，機(jī)器人Ⅰ、Dummy條處理部件、翻轉(zhuǎn)部件、機(jī)器人Ⅱ、NG品存放機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)的作用是拾取單片玻璃并清除四周廢邊[9-10]。

圖9 圖像識(shí)別系統(tǒng)流程圖

基于圖像識(shí)別的面板邊緣檢測(cè)分揀主要檢測(cè)單片面板的邊緣質(zhì)量，如圖10所示，機(jī)器人Ⅱ末端裝有線陣相機(jī)，實(shí)時(shí)地拍攝高精度的圖像，當(dāng)翻轉(zhuǎn)部件把面板翻過來放在廢料檢測(cè)平臺(tái)上，機(jī)器人開始走動(dòng)，檢測(cè)面板端子面的Dummy條是否脫落，同時(shí)可以檢測(cè)單片面板的邊破和角破。

圖10 下料機(jī)器人

在圖像上作為邊緣檢測(cè)出直線或者圓的形狀時(shí)，把指定檢測(cè)到的邊緣稱為“邊緣檢測(cè)區(qū)域”，并進(jìn)行區(qū)域設(shè)定。在這個(gè)設(shè)定的邊緣檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，以亞像素(0.01像素下單位)檢測(cè)出多個(gè)明暗分界點(diǎn)作為邊緣點(diǎn)。例如，檢測(cè)到直線之后，初期設(shè)定需要檢測(cè)到100個(gè)以上的點(diǎn)。然后對(duì)以這種方法取得的邊緣點(diǎn)組成的集合，也就是邊緣點(diǎn)群，采用最小二次方求得擬合線。面板邊緣設(shè)計(jì)為直線，在實(shí)際測(cè)量工件的邊緣時(shí)還是會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的凹凸，但是使用最小二乘法的最佳擬合后，能將該影響降低到最低，如圖11所示。

圖11 最小二乘法的擬合線

線陣相機(jī)拍攝到的圖像通過圖像采集單元，輸入PC工控機(jī)內(nèi)部，對(duì)目標(biāo)邊緣像素采用最小二乘法擬合比較，建立模板和誤差響應(yīng)函數(shù)對(duì)面板邊緣與擬合結(jié)果，濾波后統(tǒng)計(jì)誤差。選用距離的平方和作為誤差函數(shù)：

(1)

采用誤差函數(shù)計(jì)算，正常的邊緣區(qū)域獲得SSE值會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于邊破區(qū)域。經(jīng)過圖像處理和比對(duì)，判斷Dummy條的位置和單片面板的邊緣質(zhì)量，檢測(cè)出面板邊緣缺陷如圖12所示。如果Dummy條依然遺留或者邊破、角破大于規(guī)定值，機(jī)器人Ⅱ直接拾取并放入NG品存放區(qū)上的托盤。經(jīng)檢測(cè)確定OK的面板，機(jī)器人把它下料到下游設(shè)備生產(chǎn)線上[11]。

圖12 面板邊緣缺陷圖片

在面板檢測(cè)分揀過程中有兩種上料錯(cuò)誤可以根據(jù)圖像識(shí)別自動(dòng)分辨出來，如表1 所示，其一是TFT、CF玻璃放反，其二是玻璃的上、下面放反，兩種錯(cuò)誤都主要依靠MARK標(biāo)識(shí)點(diǎn)不同，由第一臺(tái)切割機(jī)上安裝的CCD來識(shí)別。當(dāng)MARK標(biāo)對(duì)位后，經(jīng)過CCD圖像采集、識(shí)別后，發(fā)現(xiàn)問題就發(fā)出警報(bào)聲，設(shè)備停止切割玻璃。如果是TFT、CF玻璃放反，則將上料錯(cuò)誤的玻璃經(jīng)翻轉(zhuǎn)放至裂片臺(tái)板從裂片窗口取出放到泡沫盒。如果是玻璃的上、下面放反，則將上料錯(cuò)誤的玻璃直接從切割窗口取出放到泡沫盒。

表1 上料錯(cuò)誤自動(dòng)識(shí)別類別

產(chǎn)線輸入的玻璃為規(guī)則矩形的厚度0.2mm～2.2mm的單片雙層粘合玻璃,尺寸最小300mm×300mm，最大730mm×920mm，TFT面朝上，產(chǎn)出玻璃尺寸 3.5寸(81mm×52mm)～15.6寸 (320mm×240mm或355mm×204mm)。用于切割、斷裂、翻轉(zhuǎn)、搬運(yùn)的臺(tái)板外形尺寸760mm×960mm，有效尺寸730mm×920mm，切割、斷裂臺(tái)板旋轉(zhuǎn)角度為320°，驅(qū)動(dòng)方式為直驅(qū)電機(jī)，氣路控制區(qū)域按照客戶要求的具體尺寸來設(shè)計(jì)，可滿足3～4種產(chǎn)品，真空區(qū)域可分別自動(dòng)控制。臺(tái)面平坦度規(guī)格小于等于±50μm。采用PC控制系統(tǒng)，預(yù)留以太網(wǎng)通訊接口，TCP SERVER通訊協(xié)議，MES系統(tǒng)接口，可自動(dòng)讀取生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量、型號(hào)、文件、節(jié)拍；刀輪使用壽命；壓力、壓速等實(shí)時(shí)顯示參數(shù)；設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、故障停止時(shí)間；報(bào)警記錄等信息。

4 設(shè)備配置

采用傳送帶放置玻璃，用安川電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶，1個(gè)分揀頭，分揀頭拾取玻璃方式為真空吸附，用愛普生機(jī)器人驅(qū)動(dòng)分揀運(yùn)動(dòng)，傳送速度50mm/s～300mm/s，單片檢測(cè)及傳送(廢邊檢測(cè)、來料不良檢測(cè))傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)為 4軸機(jī)器人，傳送速度50mm/s～300mm/s，采用視覺及激光傳感器檢測(cè)，用真空吸盤抓取玻璃?？刂葡到y(tǒng)研華工控機(jī) WINDOWS操作界面，動(dòng)力配置電源三相AC 200V，Max 60kW，氣源0.5MPa～0.7MPa，外徑φ10氣管，流量500L/min，真空氣源-50kPa～-80kPa，外徑φ10氣管，流量80L/min，溫濕度要求環(huán)境溫度：22℃±3℃(干燥)，相對(duì)濕度：53%～68%，靜電消除效率3s內(nèi)(1000V→100V)，以除靜電廠家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)調(diào)整，靜電消除器有報(bào)警功能，并能與廠房的防靜電系統(tǒng)對(duì)接。

切割、斷裂的主體框架是由焊接機(jī)架組成，噴塑黑色，外罩是由鋁型材框架組成，裝有透明防靜電有機(jī)玻璃板或者鋁型材與有機(jī)玻璃組成的門，外罩的鈑金件噴塑。

設(shè)備整體噪音80dB以下。設(shè)備特點(diǎn)：

(1)生產(chǎn)線上料采用非接觸式方法進(jìn)行初對(duì)位；

(2)切割機(jī)橫梁、底座采用大理石材質(zhì),長(zhǎng)期使用不變形，保證切割機(jī)的精度性能穩(wěn)定；

(3)切割機(jī)刀輪升降、刀深控制、加壓均由伺服電機(jī)控制完成，控制精度高。

(4)斷裂部件的裂片刀是硫化處理后的一體刀，結(jié)構(gòu)牢固，使用壽命長(zhǎng)。

(5)斷裂部件裂片加壓采用“伺服電機(jī)+氣缸”方式，壓力平穩(wěn)可控。

(6)對(duì)上料大板玻璃TFT、CF面放反；上方、下方放反兩種情況，生產(chǎn)線具有自動(dòng)識(shí)別的防呆功能。

(7)上料大板玻璃中含有的不良單粒，下料部件可自動(dòng)識(shí)別并分揀到NG緩存區(qū)。

(8)生產(chǎn)線中所有臺(tái)板分區(qū)(切割、斷裂、移載、翻轉(zhuǎn))均可自動(dòng)化控制，不同規(guī)格產(chǎn)品切換快速方便。

5 小結(jié)

面板切割下料分揀檢測(cè)部分采用機(jī)器人，運(yùn)行速度快，精度高、穩(wěn)定性高。單片面板的Dummy條使用真空吸附處理后，再使用激光傳感器檢測(cè)，大大提高分揀的可靠性。生產(chǎn)線配有真空泵系統(tǒng)，廠房供氣不穩(wěn)定時(shí)，防止臺(tái)板上的玻璃掉下。玻璃切割后，從裂片臺(tái)板搬運(yùn)到下料皮帶的臺(tái)板，采用兩塊微孔陶瓷臺(tái)板，該臺(tái)板表面均是微小的空隙，對(duì)玻璃表面吸附力更加均勻可控，即使是細(xì)小的Dummy條、玻璃頭都可以正常吸附搬運(yùn)。與當(dāng)前人工檢測(cè)分揀方式相比，該基于圖像識(shí)別的面板邊緣檢測(cè)分揀裝置不僅能提高生產(chǎn)效率，還能保證玻璃切割操作人員的安全。設(shè)備投入生產(chǎn)以來，運(yùn)行良好，良品率大于等于99.85%，分片除廢材成功率大于97%。