機(jī)械視覺在液晶切割機(jī)上的應(yīng)用

陳鑫

摘 要：在液晶顯示器基板的生產(chǎn)過程中由于效率的因素，一次會(huì)在一大張玻璃基板上制作數(shù)個(gè)顯示單元，在前段工序完成后再將其切割開從而得到獨(dú)立的液晶板。在待切割的玻璃基板上印有十字形切割標(biāo)記，切割時(shí)需要沿十字標(biāo)記中心切割。為保證切割精度，在切割刀上方架設(shè)兩個(gè)CCD，并將CCD圖像顯示到屏幕，同時(shí)屏幕中心生成十字線標(biāo)記。經(jīng)調(diào)試后設(shè)備出廠時(shí)切割線條應(yīng)正好通過顯示屏上兩十字標(biāo)記的中心。為實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化生產(chǎn)現(xiàn)在要將這一工作自動(dòng)完成。首先由CCD識(shí)別固定的標(biāo)記，并通過此標(biāo)記在CCD視野內(nèi)的移動(dòng)自動(dòng)計(jì)算機(jī)械坐標(biāo)變化量與視野內(nèi)像素坐標(biāo)變化量的關(guān)系，進(jìn)而由系統(tǒng)計(jì)算出把視野內(nèi)特定標(biāo)記移動(dòng)到視野內(nèi)任意位置所需的位移量。至此，切割標(biāo)記只要出現(xiàn)在視野內(nèi)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出將該標(biāo)記調(diào)整到正確的待切割位置時(shí)各軸所需的移動(dòng)量，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)位。

關(guān)鍵詞：液晶自造設(shè)備 TFT切割機(jī) 機(jī)械視覺 視覺對(duì)位

中圖分類號(hào)：TQ171.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（c）-0126-02

在液晶顯示器基板的生產(chǎn)過程中由于效率的因素，一次會(huì)在一大張玻璃基板上制作數(shù)個(gè)顯示單元，在前段工序完成后再將其切割開從而得到獨(dú)立的液晶板。液晶切割機(jī)既是用于分割液晶基板特種設(shè)備。常用單片的液晶基板厚度為0.2～0.7 mm，切割精度要求依照顯示器外形尺寸及用途不同有較大變化，但一般在0.01～0.1 mm。以上特點(diǎn)決定了液晶切割機(jī)的特點(diǎn)是高精度低載荷。

1 切割機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

在待切割的玻璃基板上印有黑色十字形切割標(biāo)記，標(biāo)記實(shí)際尺寸在1 mm左右，經(jīng)放大后顯示在屏幕上。切割時(shí)沿十字標(biāo)記中心切割即可。切割精度一般在0.01～0.1 mm。在切割刀上方架設(shè)兩個(gè)CCD，并將CCD圖像顯示到屏幕，同時(shí)屏幕中心生成十字線標(biāo)記。經(jīng)調(diào)試后，設(shè)備出廠時(shí)切割線條應(yīng)正好與顯示屏上兩十字線的橫向線條相重合。通過CCD顯示畫面（見圖1）。

畫面中心十字線和切割頭切出的刀痕重合，黑色十字標(biāo)志是切割標(biāo)記，切痕應(yīng)通過十字標(biāo)記中心。

2 機(jī)械視覺對(duì)位原理

機(jī)械視覺對(duì)位就是指通過CCD分辨已知標(biāo)記并自動(dòng)調(diào)整機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，使標(biāo)記與目標(biāo)相重合的過程，它有兩項(xiàng)核心技術(shù)。一項(xiàng)是機(jī)械視覺技術(shù)，即將視野中的圖像與使用者告知的圖像進(jìn)行比對(duì)，并在視野中找到預(yù)先告知的標(biāo)記。這一部分主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的領(lǐng)域，該文中不做過多闡述。另一項(xiàng)是對(duì)位技術(shù)，指的是通過觀察標(biāo)記在視野中的位置，計(jì)算出將標(biāo)記移動(dòng)到指定位置時(shí)設(shè)備各軸所需的移動(dòng)量。

機(jī)械視覺對(duì)位的過程可以分為兩個(gè)步驟：第一步稱為校正，即設(shè)備的學(xué)習(xí)過程，在這一過程中設(shè)備通過對(duì)自身運(yùn)動(dòng)的觀察從而實(shí)現(xiàn)視覺坐標(biāo)與機(jī)械坐標(biāo)的統(tǒng)一。第二步稱為對(duì)位，在設(shè)備完成第一部的校正工作后，自動(dòng)計(jì)算完成當(dāng)前對(duì)位工作各軸所需的運(yùn)動(dòng)量，進(jìn)而將指定標(biāo)記移動(dòng)到目標(biāo)位置。從這里我們可以看出對(duì)位實(shí)際上就是對(duì)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

首先我們要做一個(gè)證明。平面直角坐標(biāo)系X1OY1以原點(diǎn)O點(diǎn)為圓心旋轉(zhuǎn)任意固定角度δ（為方便證明我們限定-90°<δ<90°）得到平面直角坐標(biāo)系X2OY2，一點(diǎn)S在坐標(biāo)系X1OY1下坐標(biāo)為（x1，y1）在坐標(biāo)系X2OY2下坐標(biāo)為（x2，y2）（見圖2）。

求解（x1，y1）（x2，y2）的關(guān)系

將S在坐標(biāo)系X1OY1下坐標(biāo)（x1，y1）；再坐標(biāo)系X2OY2下坐標(biāo)（x2，y2）

轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)形式

x1=lcosα x2=lcosβ

y1=lsinα y2=lsinβ

因?yàn)棣?β+δ由三角形公式可知

sinα=sinβcosδ+cosβsinδ

cosα=cosβcosδ-sinβsinδ

將上面6式聯(lián)立，有

y1= y2cosδ+ x2sinδ

y2= y1cosδ- x1sinδ

x1= x2cosδ- y2sinδ

x2= x1cosδ+ y1sinδ

由于δ是常量由此我們得出結(jié)論：當(dāng)（x1，y1）（x2，y2）中任何一組坐標(biāo)已知，則可以通過上述形勢(shì)表達(dá)另一組坐標(biāo)。

下面我們繼續(xù)論述視覺對(duì)位的坐標(biāo)統(tǒng)一。我們通過設(shè)備移動(dòng)時(shí)觀察視野中的登陸標(biāo)記的坐標(biāo)變化從而將視覺坐標(biāo)系與機(jī)械坐標(biāo)系統(tǒng)一。依據(jù)設(shè)備情況建立坐標(biāo)系（見圖2）。

圖2中包括3個(gè)坐標(biāo)系分別是：

（1）工作臺(tái)Y軸和CCD的X軸組成的機(jī)械坐標(biāo)系，稱為XOY坐標(biāo)系，單位mm。

（2）左CCD視野中的水平軸與垂直軸組成的視覺坐標(biāo)系，稱為X′O′Y′坐標(biāo)系，單位像素。

（3）右CCD視野中的水平軸與垂直軸組成的視覺坐標(biāo)系，稱為X″O″Y″坐標(biāo)系，單位像素。

在左CCD視野中有一點(diǎn)A，右CCD視野中有一點(diǎn)B，我們記錄當(dāng)前位置并稱它為校正原點(diǎn)。在校正過程中設(shè)備做了以下3組動(dòng)作。

（1）工作臺(tái)沿Y正向移動(dòng)TY，左CCD視野中A移動(dòng)到了B，右CCD視野中E移動(dòng)到了F；設(shè)備回校正原點(diǎn)。

（2）工作臺(tái)沿X正向移動(dòng)TX，左CCD視野中A移動(dòng)到了C，右CCD視野中E移動(dòng)到了G；設(shè)備回校正原點(diǎn)。

（3）工作臺(tái)以O(shè)為中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ，左CCD視野中A移動(dòng)到了D，右CCD視野中E移動(dòng)到了H；設(shè)備回校正原點(diǎn)。

由于機(jī)械視覺技術(shù)的應(yīng)用，在我們登陸了標(biāo)記點(diǎn)后可以在任意時(shí)刻知道標(biāo)記點(diǎn)在CCD視野中的位置，也就是說我們知道所有點(diǎn)在X′O′Y′坐標(biāo)系和X″O″Y″坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。現(xiàn)在需要我們將這X′O′Y′坐標(biāo)系和X″O″Y″坐標(biāo)系統(tǒng)一到XOY坐標(biāo)系上來。對(duì)這一過程這里只給出方法并不詳細(xì)討論過程。

第一步：統(tǒng)一單位。

X′O′Y′坐標(biāo)系和X″O″Y″坐標(biāo)系統(tǒng)的單位是像素，XOY坐標(biāo)系單位是mm。但CCD中的像素單位和機(jī)械坐標(biāo)中的mm單位存在線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以有：

像素坐標(biāo)變化量×K=機(jī)械坐標(biāo)變化量

K：轉(zhuǎn)換系數(shù)，物理意義為當(dāng)CCD視野中坐標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)像素時(shí)標(biāo)記點(diǎn)在實(shí)際工作臺(tái)上移動(dòng)的距離。單位是mm/像素。

由于左右CCD的放大倍率等物理?xiàng)l件不可能完全相等，所以左右CCD的K值不一樣。分別設(shè)為K′K″。由于CCD單位像素不是正方形，因此我們要將K分為X向的KX和Y向KY。

所以統(tǒng)一單位只需要確定以下4個(gè)參數(shù)：

KX′ 左CCD在X方向的轉(zhuǎn)換系數(shù)

KY′ 左CCD在Y方向的轉(zhuǎn)換系數(shù)

KX″ 右CCD在X方向的轉(zhuǎn)換系數(shù)

KY″ 右CCD在Y方向的轉(zhuǎn)換系數(shù)

通過運(yùn)動(dòng)（1）（2）我們可知AB間距為MY ；AC間距為MX；EF間距為MY；EG間距為MX。通過這4各條件方程組求解上面4個(gè)參數(shù)。

第二步：統(tǒng)一坐標(biāo)軸方向。

在運(yùn)動(dòng)（Ⅰ）（Ⅱ）中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)原本物體沿機(jī)械坐標(biāo)系的Y向移動(dòng)，可在CCD顯示中X相也出現(xiàn)了微小的位移量。這是因?yàn)镃CD安裝時(shí)CCD坐標(biāo)并不一定和機(jī)械坐標(biāo)平行而是存在微小夾角，且數(shù)值可通過坐標(biāo)變化量求得。因此我們要建立一個(gè)中間坐標(biāo)系，以左CCD為例，中間坐標(biāo)系XlOlYl與X′O′Y′坐標(biāo)系O′點(diǎn)重合，與XOY坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向相同，單位相同。中間坐標(biāo)系XlOlYl與X′O′Y′坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)以極軸坐標(biāo)系為中介。同理建立中間坐標(biāo)系XrOrYr。

根據(jù)前文的論證

y1= y2cosδ+ x2sinδ

y2= y1cosδ- x1sinδ

x1= x2cosδ- y2sinδ

x2= x1cosδ+ y1sinδ

再將第一步的條件帶入整理后我們可以得到函數(shù)組

yl= M1y′+ M2x′

yr= N1y″+ N2x″

xl= M3x′+ M4y′

xr= N3x″+ N4y″

M1 M2 M3 M4 N1 N2 N3 N4是通過前面方程組解出的常量。通過這一函數(shù)組我們可以將CCD中的像素坐標(biāo)量轉(zhuǎn)化成和視覺坐標(biāo)原點(diǎn)重合且與機(jī)械坐標(biāo)方向相同、單位一致的中間坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

第三步：確定O、O′、O″的相對(duì)位置關(guān)系。

坐標(biāo)系XrOrYr轉(zhuǎn)換成XOY坐標(biāo)系只需要將O′點(diǎn)坐標(biāo)與XrOrYr中坐標(biāo)相加即可。

坐標(biāo)系XlOlYl轉(zhuǎn)換成XOY坐標(biāo)系只需要將O″點(diǎn)坐標(biāo)與XlOlYl中坐標(biāo)相加即可。

設(shè)O′、O″在XOY坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為O′（Xlo，Ylo）、O″（Xro，Yro）。

以左CCD為例，通過函數(shù)組①我們知道A點(diǎn)D點(diǎn)在XOY坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為A（Xla+Xlo， Yla+Ylo）、D（Xld+Xlo， Yld+Ylo），其中A（Xla，Yla）、D（Xld，Yld）為A點(diǎn)D點(diǎn)在中間坐標(biāo)系XlOlYl中的坐標(biāo)，為已知量，依據(jù)運(yùn)動(dòng)（Ⅲ）OA=OD；OE=OH；∠DOA=θ； ∠HOE=θ可解Xlo、Ylo。

至此我們得到一函數(shù)組

y= M1y′+ M2x′+ Ylo

y= N1y″+ N2x″+ Yro

x= M3x′+ M4y′+ Xlo

x= N3x″+ N4y″+ Xro

從左、右CCD讀出的像素坐標(biāo)帶入這一函數(shù)組就可得到視野內(nèi)標(biāo)記點(diǎn)在統(tǒng)一的機(jī)械坐標(biāo)下的位置坐標(biāo)。

通過上述工作我們將左、右CCD的視覺坐標(biāo)統(tǒng)一到了工作臺(tái)的機(jī)械坐標(biāo)上來。這一轉(zhuǎn)換函數(shù)組包括12個(gè)待定量，我們通過校正中的3組動(dòng)作將他們一一求出。校正的唯一目的就是為了得出這一函數(shù)組。一旦這一函數(shù)組確立校正的工作也就完成了。余下對(duì)位的工作就很容易了。我們只需要算出當(dāng)前標(biāo)記在XOY坐標(biāo)系的坐標(biāo)和目標(biāo)位置在XOY坐標(biāo)系的坐標(biāo)，兩者相減就是工作臺(tái)需要移動(dòng)的行程。這一過程我們稱之為對(duì)位。

理論上函數(shù)組中所有的12個(gè)待定量在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中是不會(huì)再變的，除非CCD從新拆裝或是其它相關(guān)機(jī)械部件更換。所以設(shè)備只需要出廠前作一次校正就可以一直執(zhí)行對(duì)位工作。但是由于實(shí)際運(yùn)行情況比較復(fù)雜，建議每次在設(shè)備正常維護(hù)檢修的時(shí)候做一次校正，以提高設(shè)備的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

機(jī)械視覺對(duì)位是模仿人手工對(duì)位過程而產(chǎn)生的一項(xiàng)技術(shù)，在液晶制造業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。該文概略的闡述了機(jī)械視覺對(duì)位技術(shù)的原理，并闡述了該技術(shù)在液晶切割機(jī)上的應(yīng)用。

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