一種液晶模組缺陷檢測設(shè)備的PLC控制實(shí)現(xiàn)*

李海霞，張 衡

（1. 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院， 蘭州 730060；2. 航天科工智能機(jī)器人有限責(zé)任公司， 北京 100070）

0 引言

在手機(jī)等電子產(chǎn)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(chǎn)技術(shù)等原因可能導(dǎo)致液晶模組產(chǎn)生缺陷，影響電子產(chǎn)品的使用性能。目前實(shí)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(nèi)手機(jī)行業(yè)迅猛發(fā)展，國內(nèi)市場對高清手機(jī)屏的自動檢測設(shè)備需求量大，且需求緊迫。自動光學(xué)檢測技術(shù)（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(shù)中，PLC技術(shù)控制功能的應(yīng)用，使得液晶模組缺陷檢測方法更加完善、高效[4]。PLC可實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動的協(xié)調(diào)控制，在缺陷自動檢測設(shè)備的控制中已有一定應(yīng)用[5-8]。根據(jù)手機(jī)生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)檢測需求，本文設(shè)計(jì)了一種液晶模組表面缺陷檢測設(shè)備的PLC 運(yùn)動控制方案。采用全自動化檢測方式，實(shí)現(xiàn)自動出入料、自動對接、自動點(diǎn)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(shè)備主要由視覺檢測系統(tǒng)、視覺定位系統(tǒng)、運(yùn)動控制部分、信號發(fā)生單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。將PLC 與上位機(jī)結(jié)合，構(gòu)建液晶模組視覺定位和圖形采集功能。采用PLC作為整個(gè)運(yùn)動控制方案的核心，主要通過對設(shè)備傳感器采集到的圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理和控制，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備旋轉(zhuǎn)平臺的電機(jī)速度、位移的控制，并結(jié)合工控機(jī)上位軟件實(shí)現(xiàn)液晶模組圖像顯示和設(shè)備工藝控制流程控制，以達(dá)到設(shè)備管理、監(jiān)控和圖像分析處理等目的。該設(shè)備可以擴(kuò)展推廣應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景。

1 液晶模組自動光學(xué)檢測設(shè)備

液晶模組缺陷檢測設(shè)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(jù)液晶模組的尺寸、點(diǎn)亮方式、檢測需求，更換治具，進(jìn)行簡單地調(diào)節(jié)設(shè)置，即可適應(yīng)各種檢測需求。該設(shè)備主要由PLC 控制器、視覺定位和檢測處理模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和工控機(jī)等組成。設(shè)備送料采用PLC 運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，電氣自動對接用視覺定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，圖像采集用高分辨率CCD 拍照實(shí)現(xiàn)[9]。檢測處理軟件對采集到的圖像進(jìn)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(jié)果顯示在人機(jī)界面。液晶模組自動光學(xué)檢測設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。視覺檢測硬件主要由高分辨率相機(jī)、鏡頭、光源、光源控制器等組成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括由DD馬達(dá)驅(qū)動的四工位旋轉(zhuǎn)平臺，定位機(jī)構(gòu)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(fā)生單元安裝在機(jī)柜下方的控制柜內(nèi)，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(zhì)量；視覺定位硬件主要完成待測模組FPC 板與信號發(fā)生單元的電氣自動對接；PLC 控制器主要負(fù)責(zé)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動控制和上位機(jī)軟件的通訊；信號發(fā)生單元主要在上位機(jī)軟件的控制下，完成模組屏的點(diǎn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)執(zhí)行模組的送入送出、信號發(fā)生單元和模組屏FPC軟板連接器的自動電氣連接。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 液晶模組缺陷檢測PLC控制方案設(shè)計(jì)

2.1 PLC硬件設(shè)計(jì)

液晶模組缺陷檢測設(shè)備整機(jī)設(shè)計(jì)為機(jī)柜式，設(shè)備的尺寸適合單人站立操作?？筛鶕?jù)廠家實(shí)際需求，增加上下料模塊即可直接與流水線對接。根據(jù)系統(tǒng)檢測工藝要求，PLC 除了控制X、Y軸滑臺，伺服電機(jī)和電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。PLC與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊采用RS232串口通訊，與上位機(jī)的I/O 通訊通過高低位信號轉(zhuǎn)換板卡和PCI1230板卡實(shí)現(xiàn)。所采用PLC型號為三菱FX3G-40 MT，控制規(guī)模為24～128 點(diǎn)(CC-Link 構(gòu) 成 遠(yuǎn) 程IO 時(shí)256 點(diǎn))[10-12]。 伺 服 電 機(jī)MSMD和電機(jī)驅(qū)動器MBDH配套使用，控制X、Y軸滑臺，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動對準(zhǔn)和電氣對接，誤差小于0.03 mm。圖2 所示為PLC與檢測、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、上位機(jī)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(jī)與驅(qū)動器通過電纜連接；PLC 通過Y2、Y3、Y6和Y7輸出脈沖數(shù)和極性信號給驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的目標(biāo)位置控制；伺服電機(jī)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(jī)目前的速度和位置，經(jīng)由信號轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)模組的工位轉(zhuǎn)移、模組FPC 連接器的自動對接、PLC 與上位機(jī)軟件的實(shí)時(shí)通信等；上位機(jī)UI界面主要實(shí)現(xiàn)顯示圖像信息、檢測結(jié)果以及用戶交互。設(shè)備軟件包括上位機(jī)軟件和PLC 控制軟件兩個(gè)部分。上位機(jī)軟件又包括檢測處理軟件、視覺定位處理軟件和人機(jī)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(biāo)偏差，輔助PLC 完成電氣的自動對接，是設(shè)備自動化程度的重要體現(xiàn)。檢測設(shè)備采用了四工位旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺將待測模組旋轉(zhuǎn)至定位工位，定位相機(jī)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(biāo)值，然后將待測模組旋轉(zhuǎn)至檢測工位，PLC 根據(jù)坐標(biāo)偏差完成自動電氣對接，點(diǎn)亮待測液晶模組，進(jìn)行缺陷檢測，最后再根據(jù)SEMI標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，判斷缺陷類型[15]。

設(shè)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(shè)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(nèi)，然后點(diǎn)擊開始測試按鈕（或發(fā)送開始測試指令）；PLC 控制器控制旋轉(zhuǎn)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(jī)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(shù)據(jù)傳輸給PLC；PLC 控制器控制旋轉(zhuǎn)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(jù)坐標(biāo)偏差值控制Z軸對接氣缸，實(shí)現(xiàn)模組FPC 連接器與信號發(fā)生單元的電氣對接；檢測處理軟件控制信號發(fā)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(jī)進(jìn)行拍照，將采集到的圖像進(jìn)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(fā)生單元，變換多個(gè)待測液晶模組的顯示圖像通道，對應(yīng)每個(gè)通道啟動相機(jī)采集圖像，并對采集的圖像進(jìn)行缺陷檢測和處理；待液晶屏缺陷檢測完成后，關(guān)閉信號發(fā)生單元，對待測模組進(jìn)行再次檢測，對模組屏表面異物進(jìn)行標(biāo)記，降低誤檢率；PLC 控制器控制旋轉(zhuǎn)平臺，將檢測完畢的待測模組送入下料工位，進(jìn)行下一組缺陷檢測，設(shè)備的檢測流程如圖3 所示。

圖3 設(shè)備的檢測流程

2.3 PLC 運(yùn)動控制參數(shù)

PLC 通過步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺，用編碼器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度反饋，確保每次旋轉(zhuǎn)平臺每次的旋轉(zhuǎn)角度為90°，精度可達(dá)到0.1°。PLC 控制X、Y軸滑臺，根據(jù)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(shí)現(xiàn)與FPC板自動電氣對接。所選X、Y軸滑臺的參數(shù)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(fù)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(xué)檢測實(shí)驗(yàn)

PLC 完成液晶模組屏幕缺陷檢測的運(yùn)動控制部分后，進(jìn)行缺陷檢測效果的驗(yàn)證。利用高分辨率相機(jī)拍攝點(diǎn)亮的不同顏色（白、黑、綠、紅、藍(lán)、灰色）的多幅圖像（實(shí)物為黑、白、紅、綠、藍(lán)、棋盤格、灰、LED 灰塵）等畫面顯示。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容如表1所示。

表1 操作系統(tǒng)任務(wù)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(shè)備完成設(shè)計(jì)的需求，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，缺陷識別準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)缺陷、線缺陷，斜線mu?ra、斑點(diǎn)mura等各種mura，劃痕、漏光等缺陷檢測。

4 結(jié)束語

本文進(jìn)行了液晶模組檢測設(shè)備PLC 控制設(shè)計(jì)，具備LCD模組缺陷檢測的功能，檢測精度和檢測率均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。根據(jù)電氣控制方案，完成對各部分電氣硬件控制設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)，采用三菱PLC（FX3G-40 MT）作為控制器，上位機(jī)能夠?qū)σ壕＝M缺陷檢測設(shè)備中各個(gè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到液晶模組表面缺陷檢測設(shè)備的工藝要求，降低生產(chǎn)成本和退貨率，簡化生產(chǎn)線流程，能夠滿足總體技術(shù)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)液晶模組缺陷檢測，實(shí)時(shí)顯示測試結(jié)果。