基于機器視覺的顯示屏模組精密對位組裝系統(tǒng)研究與應用

周克東

（蘇州鑫信騰科技有限公司，蘇州 215200）

由于電子產(chǎn)品的實際生產(chǎn)制程對人工依賴程度高，無法有效管控品質(zhì)良率，導致作業(yè)效率無法滿足生產(chǎn)需求。手機的顯示屏與中框的組裝，最初由純手工組裝，目前采用輔助工裝夾具來完成組裝。消費者對手機等電子產(chǎn)品的性能和外觀等方面的追求不斷提升，推動了工業(yè)生產(chǎn)對品質(zhì)追求的提升，再加上各品牌電子產(chǎn)品工藝和來料之間的差異，通過作業(yè)員搭配工裝夾具的方式已無法滿足品質(zhì)要求。輔助工裝夾具完成組裝不僅不易保障顯示屏組裝質(zhì)量，還經(jīng)常出現(xiàn)因顯示屏貼裝偏斜、上下左右間隙不均以及氣密性能不合格而批量返工的情況。

隨著工業(yè)電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機技術的誕生，機器視覺技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用日益增多[1]。為降低作業(yè)員的作業(yè)強度，減少作業(yè)過程對人員的依賴，提高生產(chǎn)良率和生產(chǎn)效率，可通過機器視覺技術、數(shù)字圖像技術及自動化控制技術開發(fā)精密對位組裝系統(tǒng)和自動化設備，以滿足工業(yè)生產(chǎn)需求[2-3]。

本文設計了一個精密對位組裝系統(tǒng)，開發(fā)了可面向設計制造的顯示屏對位組裝設備。設備由方通鋼框架與直線模組相結合的多軸運動平臺和以PC+運動控制卡為核心的控制系統(tǒng)組成。機器視覺采用成熟的Vision Pro視覺處理庫，對圖像進行濾波、二值化、邊緣檢測以及輪廓檢測等處理[4-5]，以識別顯示屏與中框的相對位置，從而有效提高顯示屏的組裝效率與質(zhì)量。

1 基于機器視覺的精密對位方法研究

像素當量表示圖像中一個像素點代表的實際物理尺寸。為完成像素當量的計算，顯示屏與中框精密對位時需要經(jīng)過8點運動計算。xy像素當量值將圖像坐標轉換為物理坐標[6]，假設標定時xy軸運動步長為a，圖1則為對應圖像上的交點位置。5點標定時，假設xy軸運動到第1個點為原點P0（0，0），運動到第2個點為P1（a，a），運動到第3個點為P2（-a，-a），運動到第4個點為P3（a，-a），運動到第5個點為P4（-a，a），由此可得各點與點間x與y的距離為2a。

圖1 5點物理坐標xy標定

當x軸與y軸運動時，對應圖像的交點位置也會發(fā)生變化，如圖2所示，由此可得出

圖2 3點圖像坐標角度標定

求出像素當量后，每次拍照得到物體交點坐標即可將圖像坐標轉換為物理坐標，有

5點標定完成后，3點標定時假設x軸與y軸運動到第5個點為原點P0（0，0），r軸順時針旋轉θ1得到第6個點I6（x6，y6），r軸逆時針旋轉θ2得到第7個點I7（x7，，y7）。當r軸運動時，對應圖像的交點位置也會發(fā)生變化。由圖2可知圖像坐標（x0，，y0）、（x6，y6）和（x7，y7），可得

由三角函數(shù)定律，可得

由此可得

此邏輯也可用于r軸的旋轉精度測試。如圖3所示，假設中框的4個交點位置分別為H1（X1，Y1）、H2（X2，Y2）、H3（X3，Y3） 以 及H4（X4，Y4）， 直 線為A1、A2。假設計算前顯示屏的4個交點位置分別為P1（x1，y1）、P2（x2，y2）、P3（x3，y3）以及P4（x4，y4），直線為B1、B2。

圖3 顯示屏與中框對位邏輯

x與y方向的偏差量和旋轉角度分別為

最終發(fā)送給上位機的貼合位置坐標為

2 精密對位組裝系統(tǒng)設計

2.1 需求分析

顯示屏模組精密對位組裝系統(tǒng)，可應用于4～13寸顯示屏模組與中框的精密對位組裝工藝，可提高人工生產(chǎn)效率和組裝良率。以市場上常見的6寸手機的顯示屏模組和手機中框為研究對象，某品牌手機的中框和顯示屏模組如圖4所示。

圖4 手機中框與顯示屏

顯示屏模組簡稱顯示屏，屬于成品模組，通常由玻璃蓋板、觸摸屏以及液晶顯示屏等3大部件組成。

2.2 方案設計

在手機工廠生產(chǎn)線中，手機顯示屏模組與手機中框的裝配貼合由作業(yè)員借助簡易的工裝治具完成顯示屏與中框的居中對位組裝，但存在治具的機械定位精度固定的弊端，如果產(chǎn)品之間的來料尺寸存在偏差，就會導致產(chǎn)品貼合的一致性達不到品質(zhì)要求。本文設計的精密對位組裝系統(tǒng)能夠很好地解決這一問題，無論手機或者顯示屏模組來料尺寸是否存在差異，都能確保顯示屏與中框居中貼合，提高作業(yè)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。整體結構方案設計如圖5所示。

圖5 組裝系統(tǒng)設計結構

設計的系統(tǒng)主要由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（電氣系統(tǒng)、視覺軟件系統(tǒng)）組成，兩者需要協(xié)同聯(lián)動工作。

機械結構采用模塊化設計，主要以滿足組裝精度為前提，以面向可制造加工為準則，設計采用雙工位布局，緊湊設計，最大化提高設備產(chǎn)能。長X1軸、短X2軸的機械結構部分采用成品高精密直線模組搭配焊接龍門支座的方式設計，長行程的雙Y軸組件直接固定在鋼制水平支撐板上，X2上固聯(lián)Z軸以滿足Z方向的運動需求，R軸由伺服電機搭配精密級行星齒輪減速機提供相應的旋轉動力，仿形硅膠吸盤用于吸附顯示屏。柔性電路板（Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC）是固聯(lián)在Z軸上的夾持機構，可用于FPC的整形與定位，同時可以輔助FPC精確穿引中框的過孔，如圖5所示。CCD視覺系統(tǒng)有5套，其中視覺系統(tǒng)1由4套CCD相機構成，用于顯示屏4個圓弧角和中框4個圓弧角的特征抓取，固聯(lián)于X2軸。視覺系統(tǒng)2由1套CCD相機構成，用于拍攝FPC末端的連接器（Board To Board，BTB）位置，固聯(lián)于水平支撐板。

控制系統(tǒng)以個人計算機（Personal Computer，PC）為上位機，搭配運動控制卡對各運動軸、真空發(fā)生器以及氣缸等電氣元件進行聯(lián)動控制。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測標準

在工廠實際生產(chǎn)過程中，自動化設備完成產(chǎn)品組裝后會保壓靜置2 h，靜置完成后，作業(yè)員會將固化后的產(chǎn)品組件（此時顯示屏與中框之間的熱熔膠已固化，合成為組件）送至品檢部門，使用精密量測儀器測量組裝的四周間隙，如圖6所示。產(chǎn)品的上下2條短邊各檢測2個點，左右2條長邊各檢測4個點，共需要檢測12個點位的間隙，即得出6組間隙差值。判定為良品且允收的標準為相對的兩個點間隙差值不大于0.1 mm。

圖6 品質(zhì)量測點位圖

CCD系統(tǒng)2的4組相機依次采集顯示屏和中框的外形特征，通過視覺算法處理進行視覺與運動對位貼合，動作完成后收集12個點的測量數(shù)據(jù)，即

±0.05 mm代表顯示屏相對于中框貼合位置的局中度，反映的是顯示屏幾何中心十字線與中框幾何中心十字線在水平方向和豎直方向的偏離度，是衡量產(chǎn)品貼合良率的一個重要指標。偏離度越小，表明產(chǎn)品貼合的局中度越好。四周間隙的均勻性和美觀性，會直接影響產(chǎn)品的氣密性。

3.2 系統(tǒng)能力評價標準

過程能力指數(shù)表示過程能力滿足技術標準（如規(guī)格、公差）的程度，也稱工序能力指數(shù)，是工序固有的能力[7]。過程能力指數(shù)的值越大，表明產(chǎn)品的離散程度相對于技術標準的公差范圍越小，過程能力越高；過程能力指數(shù)的值越小，表明產(chǎn)品的離散程度相對公差范圍越大，過程能力越低。因此，可從過程能力指數(shù)的數(shù)值大小來判斷能力的高低。從經(jīng)濟和質(zhì)量兩方面來看，過程能力指數(shù)的值并非越大越好，而是應在一個適當?shù)娜≈捣秶鷥?nèi)。過程能力指數(shù)的評價標準如表 1所示[8]。

表1 過程能力指數(shù)評價表

過程能力指數(shù)Cpk的計算公式可表示為

式中：Ca為制程準確度；Cp為制程精密度。

Ca和Cp的計算公式分別為

式中：T為規(guī)格公差；USL為規(guī)格上限；LSL為規(guī)格下限；C為規(guī)格中心；n為樣本數(shù)，n≥20；δ為數(shù)據(jù)標準差。

隨機抽取現(xiàn)場品質(zhì)測量的32組數(shù)據(jù)，即n=32、USL=0.1、LSL=-0.1，基于Minitab軟件輔助計算出抽檢數(shù)據(jù)的過程能力指數(shù)Cpk的結果如圖8所示

從圖8可知，對隨機抽取的32組產(chǎn)品進行過程能力指數(shù)分析，過程能力指數(shù)的數(shù)值分別為1.71、1.43、1.36、2.19、2.24以及1.66。對照表1可知，長邊第2組點位和第3組點位的過程能力指數(shù)數(shù)值大于2，表明對位組裝后的產(chǎn)品長邊中間部位的左右兩側間隙均勻，也表明該批次產(chǎn)品來料公差規(guī)格一致性較好，沒有明顯的梯形產(chǎn)品或者邊緣內(nèi)凹外凸的產(chǎn)品。所有點位的過程能力指數(shù)數(shù)值大于等于1.33，表明此系統(tǒng)制程能力非常穩(wěn)定。數(shù)據(jù)表明，該自動化設備每日白夜班累計生產(chǎn)總量不低于4 500片，生產(chǎn)良率不低于99.9%，一次直通率不低于99.5%，符合生產(chǎn)過程工藝與品質(zhì)要求。

4 結語

為解決手機等消費電子產(chǎn)品在實際生產(chǎn)過程人工作業(yè)效率低和良率與品質(zhì)不穩(wěn)定的問題，研究設計一個顯示屏模組精密對位組裝系統(tǒng)。將CCD機器視覺與精密運動控制技術相結合，開發(fā)對應的自動化組裝設備，并應用于實際生產(chǎn)，分析實際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結合行業(yè)的評價標準和客戶的技術規(guī)格要求，隨機抽取生產(chǎn)數(shù)據(jù)計算過程能力指數(shù)數(shù)值均不低于1.33，表明該精密對位組裝系統(tǒng)設計合理，自動化組裝設備開發(fā)成功，研究成果為解決手機等電子產(chǎn)品精密對位組裝提供了完整的解決方案。

圖7 32組產(chǎn)品點位間隙差過程能力指數(shù)