1.2 項(xiàng)目指標(biāo)
| 序號 | 項(xiàng)目要求 | 指標(biāo) |
| 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(jī)械手運(yùn)動精度 | 0.2 mm |
| 5 | 機(jī)械手運(yùn)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(xiàng)目實(shí)施方案
2.1 總體方案
本項(xiàng)目針對顯示器性能的自動測試問題，開發(fā)基于機(jī)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(jī)器臂開發(fā)和控制模塊、機(jī)器視覺模塊、系統(tǒng)集成開發(fā)三個(gè)方面展開，研究的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
（1）結(jié)合硬件平臺和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成直角坐標(biāo)運(yùn)動機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)；通過多自由度運(yùn)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(jī)操作界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)直角坐標(biāo)運(yùn)動機(jī)械手的創(chuàng)成設(shè)計(jì)和調(diào)試。
（2）采用圖像采集和處理技術(shù)，通過相機(jī)標(biāo)定、圖像增強(qiáng)、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(yùn)行狀態(tài)信息，開發(fā)基于機(jī)器視覺的顯示器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模塊。
（3）采用功能模塊設(shè)計(jì)及集成技術(shù)，完成直角坐標(biāo)機(jī)械手運(yùn)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(jì)，實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的顯示器運(yùn)行狀態(tài)的自動化測試。
圖1 基于機(jī)器視覺的顯示屏自動化測試系統(tǒng)
2.2具體實(shí)施方案
本項(xiàng)目開展基于機(jī)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(dāng)機(jī)械手代替人手進(jìn)行顯示屏的操作后，需要采用機(jī)器視覺進(jìn)行顯示屏運(yùn)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(shí)施方案將從機(jī)器臂開發(fā)和控制模塊、機(jī)器視覺模塊、系統(tǒng)集成開發(fā)三個(gè)方面展開。
2.2.1機(jī)器視覺檢測模塊開發(fā)
機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是通過機(jī)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(biāo)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(biāo)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(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)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(yùn)行狀況圖像信號采集
對顯示屏的運(yùn)行狀況進(jìn)行機(jī)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(jì)算機(jī)處理，通過圖像處理和識別，將圖像端面成像然后反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為顯示屏的運(yùn)行狀況分析提供依據(jù)。
圖3 機(jī)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(yùn)行狀況圖像處理
用CCD得到后的圖像需要進(jìn)行圖像處理和識別，以便得到準(zhǔn)確清晰的顯示屏運(yùn)行狀況圖像。首先通過CCD及其驅(qū)動電路將各點(diǎn)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(jìn)行增強(qiáng)、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(zhǔn)確性和精度，最后將采集到的圖像進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，建立顯示屏的故障檢測數(shù)據(jù)庫。相機(jī)標(biāo)定和圖像二值化處理如圖5和圖6所示。
圖5 相機(jī)標(biāo)定
圖6 圖像二值化處理
2.2.2直角坐標(biāo)運(yùn)動機(jī)械手控制模塊開發(fā)
采用機(jī)械手代替人手進(jìn)行顯示屏的自動化測試，需要同時(shí)進(jìn)行直角坐標(biāo)運(yùn)動的機(jī)械手運(yùn)動控制和視覺伺服系統(tǒng)控制，操作人員通過人機(jī)交互界面將操作指令發(fā)送給控制系統(tǒng)，運(yùn)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(biāo)運(yùn)動的機(jī)械手完成運(yùn)動并進(jìn)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(jìn)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(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，保證運(yùn)動精度和顯示屏測試效率。
圖7 直角坐標(biāo)運(yùn)動的機(jī)械手運(yùn)動控制方案
將所設(shè)計(jì)的直角坐標(biāo)運(yùn)動的機(jī)械手與傳統(tǒng)多軸聯(lián)動機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動控制方案的對比分析，控制方案如圖7所示。直角坐標(biāo)運(yùn)動的機(jī)械手控制模塊主要用于控制機(jī)械手代替人手進(jìn)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(yùn)動系統(tǒng)控制
控制機(jī)械手進(jìn)行三自由度運(yùn)動并代替人手進(jìn)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(jī)械手進(jìn)行空間三自由度方向上的運(yùn)動，并代替人手完成顯示屏的觸摸、點(diǎn)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(jī)械手運(yùn)動位置、力矩進(jìn)行檢測。對檢測系統(tǒng)的控制包括三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)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(yùn)動的速度，距離等運(yùn)動參數(shù)。
（3）數(shù)據(jù)交換
檢測系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)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(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動控制。
（4）人機(jī)交互
通過人機(jī)交互界面進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動控制，編寫自動化運(yùn)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)顯示機(jī)械手多自由度的運(yùn)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(jī)控制的人機(jī)交互界面如圖8所示。
圖8 電機(jī)控制人機(jī)交互界面
2.2.3自動化測試系統(tǒng)集成開發(fā)
基于機(jī)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(jì)有效運(yùn)行的運(yùn)動執(zhí)行本體，實(shí)現(xiàn)顯示屏運(yùn)行狀況檢測、機(jī)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(yùn)行。整個(gè)自動化測試系統(tǒng)由三大模塊：機(jī)器視覺模塊，機(jī)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(jī)器視覺的顯示屏自動化測試系統(tǒng)集成方案
整個(gè)自動化測試系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線進(jìn)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(jī)內(nèi)構(gòu)件一個(gè)具有 NC功能的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，通過PLC的邏輯運(yùn)算，并利用PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置的硬件，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算（TwinCAT PLC）功能、運(yùn)動控制（TwinCAT NC）功能、浮點(diǎn)運(yùn)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(yùn)算和 IO 接口處理輸出給驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，同時(shí)電機(jī)的狀態(tài)通過NC及時(shí)地反饋給PLC程序。在整個(gè)CNC系統(tǒng)中，各個(gè)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(dú)立工作。各個(gè)軟件模塊之間的信息交換通過運(yùn)動控制器ADS而完成，整個(gè)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
