机械视觉在液晶切割机上的应用

陈鑫

摘 要：在液晶显示器基板的生产过程中由于效率的因素，一次会在一大张玻璃基板上制作数个显示单元，在前段工序完成后再将其切割开从而得到独立的液晶板。在待切割的玻璃基板上印有十字形切割标记，切割时需要沿十字标记中心切割。为保证切割精度，在切割刀上方架设两个CCD，并将CCD图像显示到屏幕，同时屏幕中心生成十字线标记。经调试后设备出厂时切割线条应正好通过显示屏上两十字标记的中心。为实现高精度自动化生产现在要将这一工作自动完成。首先由CCD识别固定的标记，并通过此标记在CCD视野内的移动自动计算机械坐标变化量与视野内像素坐标变化量的关系，进而由系统计算出把视野内特定标记移动到视野内任意位置所需的位移量。至此，切割标记只要出现在视野内，系统就会自动计算出将该标记调整到正确的待切割位置时各轴所需的移动量，从而实现自动对位。

关键词：液晶自造设备 TFT切割机 机械视觉 视觉对位

中图分类号：TQ171.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0126-02

在液晶显示器基板的生产过程中由于效率的因素，一次会在一大张玻璃基板上制作数个显示单元，在前段工序完成后再将其切割开从而得到独立的液晶板。液晶切割机既是用于分割液晶基板特种设备。常用单片的液晶基板厚度为0.2～0.7 mm，切割精度要求依照显示器外形尺寸及用途不同有较大变化，但一般在0.01～0.1 mm。以上特点决定了液晶切割机的特点是高精度低载荷。

1 切割机的基本结构

在待切割的玻璃基板上印有黑色十字形切割標记，标记实际尺寸在1 mm左右，经放大后显示在屏幕上。切割时沿十字标记中心切割即可。切割精度一般在0.01～0.1 mm。在切割刀上方架设两个CCD，并将CCD图像显示到屏幕，同时屏幕中心生成十字线标记。经调试后，设备出厂时切割线条应正好与显示屏上两十字线的横向线条相重合。通过CCD显示画面（见图1）。

画面中心十字线和切割头切出的刀痕重合，黑色十字标志是切割标记，切痕应通过十字标记中心。

2 机械视觉对位原理

机械视觉对位就是指通过CCD分辨已知标记并自动调整机械运动部件，使标记与目标相重合的过程，它有两项核心技术。一项是机械视觉技术，即将视野中的图像与使用者告知的图像进行比对，并在视野中找到预先告知的标记。这一部分主要是计算机图形学研究的领域，该文中不做过多阐述。另一项是对位技术，指的是通过观察标记在视野中的位置，计算出将标记移动到指定位置时设备各轴所需的移动量。

机械视觉对位的过程可以分为两个步骤：第一步称为校正，即设备的学习过程，在这一过程中设备通过对自身运动的观察从而实现视觉坐标与机械坐标的统一。第二步称为对位，在设备完成第一部的校正工作后，自动计算完成当前对位工作各轴所需的运动量，进而将指定标记移动到目标位置。从这里我们可以看出对位实际上就是对坐标系的统一。

首先我们要做一个证明。平面直角坐标系X1OY1以原点O点为圆心旋转任意固定角度δ（为方便证明我们限定-90°<δ<90°）得到平面直角坐标系X2OY2，一点S在坐标系X1OY1下坐标为（x1，y1）在坐标系X2OY2下坐标为（x2，y2）（见图2）。

求解（x1，y1）（x2，y2）的关系

将S在坐标系X1OY1下坐标（x1，y1）；再坐标系X2OY2下坐标（x2，y2）

转化为对应的极坐标形式

x1=lcosα x2=lcosβ

y1=lsinα y2=lsinβ

因为α=β+δ由三角形公式可知

sinα=sinβcosδ+cosβsinδ

cosα=cosβcosδ-sinβsinδ

将上面6式联立，有

y1= y2cosδ+ x2sinδ

y2= y1cosδ- x1sinδ

x1= x2cosδ- y2sinδ

x2= x1cosδ+ y1sinδ

由于δ是常量由此我们得出结论：当（x1，y1）（x2，y2）中任何一组坐标已知，则可以通过上述形势表达另一组坐标。

下面我们继续论述视觉对位的坐标统一。我们通过设备移动时观察视野中的登陆标记的坐标变化从而将视觉坐标系与机械坐标系统一。依据设备情况建立坐标系（见图2）。

图2中包括3个坐标系分别是：

（1）工作台Y轴和CCD的X轴组成的机械坐标系，称为XOY坐标系，单位mm。

（2）左CCD视野中的水平轴与垂直轴组成的视觉坐标系，称为X′O′Y′坐标系，单位像素。

（3）右CCD视野中的水平轴与垂直轴组成的视觉坐标系，称为X″O″Y″坐标系，单位像素。

在左CCD视野中有一点A，右CCD视野中有一点B，我们记录当前位置并称它为校正原点。在校正过程中设备做了以下3组动作。

（1）工作台沿Y正向移动TY，左CCD视野中A移动到了B，右CCD视野中E移动到了F；设备回校正原点。

（2）工作台沿X正向移动TX，左CCD视野中A移动到了C，右CCD视野中E移动到了G；设备回校正原点。

（3）工作台以O为中心顺时针旋转θ，左CCD视野中A移动到了D，右CCD视野中E移动到了H；设备回校正原点。

由于机械视觉技术的应用，在我们登陆了标记点后可以在任意时刻知道标记点在CCD视野中的位置，也就是说我们知道所有点在X′O′Y′坐标系和X″O″Y″坐标系中的坐标。现在需要我们将这X′O′Y′坐标系和X″O″Y″坐标系统一到XOY坐标系上来。对这一过程这里只给出方法并不详细讨论过程。

第一步：统一单位。

X′O′Y′坐标系和X″O″Y″坐标系统的单位是像素，XOY坐标系单位是mm。但CCD中的像素单位和机械坐标中的mm单位存在线性对应关系，所以有：

像素坐标变化量×K=机械坐标变化量

K：转换系数，物理意义为当CCD视野中坐标点移动一个像素时标记点在实际工作台上移动的距离。单位是mm/像素。

由于左右CCD的放大倍率等物理条件不可能完全相等，所以左右CCD的K值不一样。分别设为K′K″。由于CCD单位像素不是正方形，因此我们要将K分为X向的KX和Y向KY。

所以统一单位只需要确定以下4个参数：

KX′ 左CCD在X方向的转换系数

KY′ 左CCD在Y方向的转换系数

KX″ 右CCD在X方向的转换系数

KY″ 右CCD在Y方向的转换系数

通过运动（1）（2）我们可知AB间距为MY ；AC间距为MX；EF间距为MY；EG间距为MX。通过这4各条件方程组求解上面4个参数。

第二步：统一坐标轴方向。

在运动（Ⅰ）（Ⅱ）中我们会发现原本物体沿机械坐标系的Y向移动，可在CCD显示中X相也出现了微小的位移量。这是因为CCD安装时CCD坐标并不一定和机械坐标平行而是存在微小夹角，且数值可通过坐标变化量求得。因此我们要建立一个中间坐标系，以左CCD为例，中间坐标系XlOlYl与X′O′Y′坐标系O′点重合，与XOY坐标系坐标轴方向相同，单位相同。中间坐标系XlOlYl与X′O′Y′坐标系转换时以极轴坐标系为中介。同理建立中间坐标系XrOrYr。

根据前文的论证

y1= y2cosδ+ x2sinδ

y2= y1cosδ- x1sinδ

x1= x2cosδ- y2sinδ

x2= x1cosδ+ y1sinδ

再将第一步的条件带入整理后我们可以得到函数组

yl= M1y′+ M2x′

yr= N1y″+ N2x″

xl= M3x′+ M4y′

xr= N3x″+ N4y″

M1 M2 M3 M4 N1 N2 N3 N4是通过前面方程组解出的常量。通过这一函数组我们可以将CCD中的像素坐标量转化成和视觉坐标原点重合且与机械坐标方向相同、单位一致的中间坐标系的坐标。

第三步：确定O、O′、O″的相对位置关系。

坐标系XrOrYr转换成XOY坐标系只需要将O′点坐标与XrOrYr中坐标相加即可。

坐标系XlOlYl转换成XOY坐标系只需要将O″点坐标与XlOlYl中坐标相加即可。

设O′、O″在XOY坐标系中的坐标为O′（Xlo，Ylo）、O″（Xro，Yro）。

以左CCD为例，通过函数组①我们知道A点D点在XOY坐标系中的坐标为A（Xla+Xlo， Yla+Ylo）、D（Xld+Xlo， Yld+Ylo），其中A（Xla，Yla）、D（Xld，Yld）为A点D点在中间坐标系XlOlYl中的坐标，为已知量，依据运动（Ⅲ）OA=OD；OE=OH；∠DOA=θ； ∠HOE=θ可解Xlo、Ylo。

至此我们得到一函数组

y= M1y′+ M2x′+ Ylo

y= N1y″+ N2x″+ Yro

x= M3x′+ M4y′+ Xlo

x= N3x″+ N4y″+ Xro

从左、右CCD读出的像素坐标带入这一函数组就可得到视野内标记点在统一的机械坐标下的位置坐标。

通过上述工作我们将左、右CCD的视觉坐标统一到了工作台的机械坐标上来。这一转换函数组包括12个待定量，我们通过校正中的3组动作将他们一一求出。校正的唯一目的就是为了得出这一函数组。一旦这一函数组确立校正的工作也就完成了。余下对位的工作就很容易了。我们只需要算出当前标记在XOY坐标系的坐标和目标位置在XOY坐标系的坐标，两者相减就是工作台需要移动的行程。这一过程我们称之为对位。

理论上函数组中所有的12个待定量在正常运转过程中是不会再变的，除非CCD从新拆装或是其它相关机械部件更换。所以设备只需要出厂前作一次校正就可以一直执行对位工作。但是由于实际运行情况比较复杂，建议每次在设备正常维护检修的时候做一次校正，以提高设备的稳定性。

3 结语

机械视觉对位是模仿人手工对位过程而产生的一项技术，在液晶制造业有着广泛的应用。该文概略的阐述了机械视觉对位技术的原理，并阐述了该技术在液晶切割机上的应用。

參考文献

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