1.2 項目指標
| 序號 | 項目要求 | 指標 |
| 1 | 恒溫箱溫度調(diào)節(jié)范圍 | -40℃~70℃ |
| 2 | 恒溫箱尺寸規(guī)格 | 76*76*76 cm 102*67*86 cm 102*100*97 cm |
| 3 | 恒溫箱溫度控制精度 | ±0.5℃ |
| 4 | 機械手運動精度 | 0.2 mm |
| 5 | 機械手運動范圍 | 80*80*80 cm |
| 6 | 圖像處理設(shè)備拍攝速度 | 50～10萬幀/秒 |
| 7 | 圖像信號質(zhì)量檢測 | 響應(yīng)圖形失真、飽和度等圖像信號質(zhì)量檢測要 求 |
2項目實施方案
2.1 總體方案
本項目針對顯示器性能的自動測試問題，開發(fā)基于機器視覺的顯示屏自動化測試系統(tǒng)，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。分別從機器臂開發(fā)和控制模塊、機器視覺模塊、系統(tǒng)集成開發(fā)三個方面展開，研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
（1）結(jié)合硬件平臺和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，完成直角坐標運動機械手的總體方案設(shè)計；通過多自由度運動控制技術(shù)，搭建伺服控制系統(tǒng)，完成軟件調(diào)試和人機操作界面設(shè)計，實現(xiàn)直角坐標運動機械手的創(chuàng)成設(shè)計和調(diào)試。
（2）采用圖像采集和處理技術(shù)，通過相機標定、圖像增強、去噪、和邊緣提取等處理，基于OpenCV和QT應(yīng)用程序開發(fā)框架，獲取并傳輸顯示器運行狀態(tài)信息，開發(fā)基于機器視覺的顯示器運行狀態(tài)監(jiān)測模塊。
（3）采用功能模塊設(shè)計及集成技術(shù)，完成直角坐標機械手運動控制系統(tǒng)和圖像處理設(shè)備的通訊和功能匹配設(shè)計，實現(xiàn)基于機器視覺的顯示器運行狀態(tài)的自動化測試。
圖1 基于機器視覺的顯示屏自動化測試系統(tǒng)
2.2具體實施方案
本項目開展基于機器視覺的顯示屏自動化測試關(guān)鍵技術(shù)的研究，顯示屏放置于恒溫箱之后，通過專用夾具固定，當機械手代替人手進行顯示屏的操作后，需要采用機器視覺進行顯示屏運行狀況的監(jiān)測和信息的閉環(huán)反饋，并且建立顯示屏的故障信息數(shù)據(jù)庫。具體實施方案將從機器臂開發(fā)和控制模塊、機器視覺模塊、系統(tǒng)集成開發(fā)三個方面展開。
2.2.1機器視覺檢測模塊開發(fā)
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是通過機器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號;圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。
（1）顯示器運行狀況圖像信號采集
對顯示屏的運行狀況進行機器視覺檢測，采用CCD檢測，測量原理框圖如圖3所示。利用透鏡將顯示屏圖像端面成像到CCD上（如圖2所示）。CCD及其驅(qū)動電路將采集的信號依次輸出，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理，通過圖像處理和識別，將圖像端面成像然后反饋給計算機控制系統(tǒng)，為顯示屏的運行狀況分析提供依據(jù)。
圖3 機器視覺檢測原理圖
圖4 視覺傳感測量系統(tǒng)示意圖
（2）顯示器運行狀況圖像處理
用CCD得到后的圖像需要進行圖像處理和識別，以便得到準確清晰的顯示屏運行狀況圖像。首先通過CCD及其驅(qū)動電路將各點的圖像型號轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過程序處理，對圖像進行增強、灰度化處理、噪聲去除、閾值分割、圖像邊緣提取等處理，從而提高檢測準確性和精度，最后將采集到的圖像進行分類統(tǒng)計，建立顯示屏的故障檢測數(shù)據(jù)庫。相機標定和圖像二值化處理如圖5和圖6所示。
圖5 相機標定
圖6 圖像二值化處理
2.2.2直角坐標運動機械手控制模塊開發(fā)
采用機械手代替人手進行顯示屏的自動化測試，需要同時進行直角坐標運動的機械手運動控制和視覺伺服系統(tǒng)控制，操作人員通過人機交互界面將操作指令發(fā)送給控制系統(tǒng)，運動控制卡采用轉(zhuǎn)矩模式，并將數(shù)字量信息轉(zhuǎn)化為脈沖輸出，控制直角坐標運動的機械手完成運動并進行相應(yīng)操作。編碼器和傳感器檢測系統(tǒng)完成位置和力矩檢測，并進行控制系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)的信號傳輸和數(shù)據(jù)交換，完成控制系統(tǒng)模塊和機械手系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，保證運動精度和顯示屏測試效率。
圖7 直角坐標運動的機械手運動控制方案
將所設(shè)計的直角坐標運動的機械手與傳統(tǒng)多軸聯(lián)動機械手進行運動控制方案的對比分析，控制方案如圖7所示。直角坐標運動的機械手控制模塊主要用于控制機械手代替人手進行顯示屏的測試，檢測系統(tǒng)完成位置和力矩檢測以及不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。
（1）運動系統(tǒng)控制
控制機械手進行三自由度運動并代替人手進行顯示屏的測試。根據(jù)檢測系統(tǒng)檢測到的位置和力矩信息，控制系統(tǒng)控制機械手進行空間三自由度方向上的運動，并代替人手完成顯示屏的觸摸、點擊等動作。
圖8 驅(qū)動系統(tǒng)集成示意圖
（2）檢測系統(tǒng)控制
檢測系統(tǒng)用于對機械手運動位置、力矩進行檢測。對檢測系統(tǒng)的控制包括三自由度直角坐標機械手的運動位置檢測，執(zhí)行器末端接觸顯示屏的力矩大小檢測，以及運動的速度，距離等運動參數(shù)。
（3）數(shù)據(jù)交換
檢測系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)末端的傳感器和編碼器等元器件構(gòu)成，將傳感器測得的模擬量信號傳遞到控制模塊，控制模塊將反饋信號通過一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系，進行機械手的運動控制。
（4）人機交互
通過人機交互界面進行機械手的運動控制，編寫自動化運動系統(tǒng)軟件，操作者選擇對應(yīng)的菜單獲取想要的數(shù)據(jù)或?qū)崿F(xiàn)期望的功能來實現(xiàn)人機交互。該軟件系統(tǒng)可以實現(xiàn)顯示機械手多自由度的運動控制，位置和力矩模式切換，位置、力矩信號閉環(huán)反饋，和顯示屏故障信息的存儲等功能。軟件數(shù)據(jù)開發(fā)基于Windows7操作系統(tǒng)，開發(fā)語言環(huán)境選擇C++，數(shù)據(jù)庫選擇Oracle數(shù)據(jù)庫。電機控制的人機交互界面如圖8所示。
圖8 電機控制人機交互界面
2.2.3自動化測試系統(tǒng)集成開發(fā)
基于機器視覺的顯示屏自動化測試系統(tǒng)發(fā)揮作用需要各功能單元協(xié)調(diào)配合，共同完成顯示屏測試的自動化測試作業(yè)。研究使自動化測試系統(tǒng)各單元功能的集成載體，設(shè)計有效運行的運動執(zhí)行本體，實現(xiàn)顯示屏運行狀況檢測、機械手代替人手操作顯示屏等控制的一體化集成，保證自動化測試工藝流程協(xié)調(diào)高效的運行。整個自動化測試系統(tǒng)由三大模塊：機器視覺模塊，機械臂自動化控制模塊，和檢測模塊的集成構(gòu)成，整體集成方案和模塊間通訊方案如圖9和圖10所示。
圖9 基于機器視覺的顯示屏自動化測試系統(tǒng)集成方案
整個自動化測試系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線進行通訊。通過基于PC平臺和Windows操作系統(tǒng)的控制軟件，在工控機內(nèi)構(gòu)件一個具有 NC功能的實時系統(tǒng)，通過PLC的邏輯運算，并利用PC機標準配置的硬件，實現(xiàn)邏輯運算（TwinCAT PLC）功能、運動控制（TwinCAT NC）功能、浮點運算、和存儲和處理大量數(shù)據(jù)的功能。PLC程序先將信號發(fā)送給NC軸，NC經(jīng)過軌跡規(guī)劃，PID 運算和 IO 接口處理輸出給驅(qū)動器來實現(xiàn)對電機的控制，同時電機的狀態(tài)通過NC及時地反饋給PLC程序。在整個CNC系統(tǒng)中，各個軟件模塊（如PLC程序、NC、Windows 應(yīng)用程序等）的工作模式類似于硬件設(shè)備，它們能夠獨立工作。各個軟件模塊之間的信息交換通過運動控制器ADS而完成，整個控制系統(tǒng)模塊通訊的集成構(gòu)架如圖10所示。
圖10 自動化測試系統(tǒng)模塊通訊方案
