霍淑珍

（天津市職業(yè)大學(xué)，天津 300402）

0 引言

觸摸屏越來越多的應(yīng)用于汽車多媒體產(chǎn)品中，給人們帶來更多娛樂享受的同時(shí)，還可以提供更多的信息。觸摸技術(shù)在汽車娛樂系統(tǒng)中的比重越來越大。觸摸屏生產(chǎn)過程中需要將觸摸屏貼到顯示屏上，由于工藝的原因不可避免的出現(xiàn)平移和錯(cuò)位等問題，生產(chǎn)過程中需要對觸摸屏進(jìn)行校準(zhǔn)，但是該過程通常比較浪費(fèi)人力，而且校準(zhǔn)精度受人為因素影響，不適合大規(guī)模批量化精益生產(chǎn)。如何能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的觸摸屏產(chǎn)品對生產(chǎn)企業(yè)來說至關(guān)重要。本文介紹了一種基于PLC，智能相機(jī)和機(jī)械手的觸摸屏校準(zhǔn)及檢測系統(tǒng)，能夠提高生產(chǎn)效率減少生產(chǎn)成本。

1 校準(zhǔn)檢驗(yàn)原理

觸摸屏的校準(zhǔn)過程就是推導(dǎo)觸摸屏點(diǎn)坐標(biāo)和顯示屏點(diǎn)坐標(biāo)之間對應(yīng)關(guān)系的過程，設(shè)顯示屏坐標(biāo)為（U，V）的點(diǎn)在觸摸屏上的坐標(biāo)為（x,y），則兩點(diǎn)之間用數(shù)學(xué)方程式表示為：

U=Ax+By+C

V=Dx+Ey+F

校準(zhǔn)的過程就是求解該方程組系數(shù)A，B，C，D，E，F(xiàn)的過程，根據(jù)方程組系數(shù)矩陣可知需要三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)可以求出該系數(shù)矩陣。為了得到更精確的校準(zhǔn)精度，通常將屏幕分成四個(gè)部分進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣得到四組方程組系數(shù)矩陣。當(dāng)觸摸屏的某點(diǎn)被點(diǎn)擊時(shí)根據(jù)相應(yīng)區(qū)域的方程式進(jìn)行計(jì)算。對于整個(gè)屏幕需要知道五個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)可以求出四個(gè)方程組的系數(shù)，從而得到校準(zhǔn)方程。

實(shí)際系統(tǒng)中，嵌入式程序依次在顯示屏上顯示出五個(gè)固定坐標(biāo)的點(diǎn)，該五個(gè)點(diǎn)位于屏幕的四個(gè)角與中心位置，所以已知坐標(biāo)（Ui,Vi）值。檢測系統(tǒng)按照次序依次使用觸摸筆點(diǎn)擊顯示屏十字叉焦點(diǎn)，嵌入式程序同樣依次記錄對應(yīng)觸摸屏坐標(biāo)值（xi，yi），然后按公式計(jì)算方程組系數(shù)完成校準(zhǔn)。五點(diǎn)坐標(biāo)圖如圖1 所示。

圖1 屏幕校準(zhǔn)5 點(diǎn)圖Fig.1 Five points on display screen

校準(zhǔn)完成后，還需要檢驗(yàn)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，做法是嵌入式軟件在顯示屏上平均分布九個(gè)小按鈕，檢測系統(tǒng)點(diǎn)擊每個(gè)按鈕，查看觸摸屏按鈕的點(diǎn)擊位置坐標(biāo)通過換算方程式換算后是否在誤差允許范圍內(nèi)。完成校準(zhǔn)后，系統(tǒng)還需要對觸摸屏進(jìn)行彩條顯示檢測和背光檢測，嵌入式系統(tǒng)的視頻輸入端連接到視頻信號(hào)發(fā)生器輸出端，嵌入式系統(tǒng)將視頻信號(hào)顯示到顯示屏上，通過智能相機(jī)分析彩條顯示質(zhì)量。對于背光檢測同樣通過相機(jī)進(jìn)行明暗分析。

2 系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure

本系統(tǒng)選用了Epson LS3 型機(jī)械手，該機(jī)械手額定載荷1kg，工作半徑400mm，第一關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度6000mm/s。重復(fù)精度0.01mm。本系統(tǒng)的負(fù)荷主要包括智能相機(jī)的鏡頭和機(jī)械手指，該型機(jī)械人滿足載荷、速度和精度要求,機(jī)械手為系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)單元，負(fù)責(zé)帶動(dòng)智能相機(jī)鏡頭運(yùn)動(dòng)及機(jī)械手指點(diǎn)擊觸摸屏的動(dòng)作。對于圖像的檢測采用了COGNEX 生產(chǎn)的In-Sight5605 型彩色智能相機(jī)，相機(jī)分辨率為2448×2050，幀速度為16fps,該相機(jī)分辨率高，能夠分辨較難發(fā)現(xiàn)的缺陷，較高的測量精度。產(chǎn)品的測試控制軟件安裝在工業(yè)PC 上，與產(chǎn)品的通訊采用NI 高速CAN 卡，通訊速率采用500kb/s，測試控制軟件主要實(shí)現(xiàn)待測產(chǎn)品的測試需求，協(xié)調(diào)同步PLC、機(jī)械手、智能相機(jī)完成檢測工作。記錄測試數(shù)據(jù)結(jié)果及相機(jī)所拍攝的圖像，與CAM 系統(tǒng)協(xié)調(diào)生產(chǎn)流程控制。PLC 及觸摸屏控制產(chǎn)品的進(jìn)出，系統(tǒng)的安全保護(hù)，各種輸入輸出信號(hào)的處理等工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。PLC 與機(jī)械手之間采用I/O 端口通訊。PC、智能相機(jī)和機(jī)械手之間采用網(wǎng)絡(luò)Socket 方式進(jìn)行通訊。PC 與PLC 采用以太網(wǎng)通訊。產(chǎn)品供電電源采用N6700, 該電源提供多種編程接口，本系統(tǒng)中PC 采用USB 口控制。

3 軟件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由五部分組成：嵌入式軟件、測試控制軟件、PLC 軟件、智能相機(jī)控制軟件、機(jī)械手軟件。測試控制軟件通過CAN 總線與嵌入式軟件通訊，完成對待測單元的控制，包括待校準(zhǔn)點(diǎn)的顯示，校準(zhǔn)完成后各個(gè)視頻通路的控制及彩條顯示，校準(zhǔn)質(zhì)量檢測等。測試控制軟件與PLC 之間通過網(wǎng)絡(luò)通訊，PLC 通知測試軟件有產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入系統(tǒng)等待測試，測試控制軟件完成測試后通知PLC 產(chǎn)品已經(jīng)測試完畢，將產(chǎn)品移出系統(tǒng)，并點(diǎn)亮相應(yīng)指示燈。測試控制軟件和智能相機(jī)控制軟件它們安裝在同一臺(tái)主機(jī)上，通過Socket 通訊，測試軟件通知智能相機(jī)產(chǎn)品的校準(zhǔn)十字叉已經(jīng)出現(xiàn)可以去拍照獲取十字叉位置信息并傳遞給機(jī)械手或者彩條已經(jīng)出現(xiàn)開始進(jìn)行視頻信號(hào)檢測。機(jī)械手與智能相機(jī)之間的通訊同樣采用網(wǎng)絡(luò)方式，傳遞給機(jī)械手十字叉的位置信息控制機(jī)械手走動(dòng)的距離，保準(zhǔn)產(chǎn)品的校準(zhǔn)精度。

嵌入式校準(zhǔn)軟件作為整個(gè)Linux 系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用程序，當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入工位上電以后，產(chǎn)品處于應(yīng)用模式，測試軟件發(fā)送CAN 命令產(chǎn)品啟動(dòng)校準(zhǔn)程序，進(jìn)入校準(zhǔn)模式后，產(chǎn)品顯示屏首先顯示中間位置十字叉，等待機(jī)械手臂的觸摸手指點(diǎn)擊該十字叉，被點(diǎn)擊后該十字叉消失，系統(tǒng)記錄觸摸屏的位置信息并顯示下一十字叉。重復(fù)該動(dòng)作5 次后，系統(tǒng)計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣并且存儲(chǔ)在指定位置。Linux 觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)該轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算出校準(zhǔn)后的屏幕點(diǎn)擊位置并為系統(tǒng)所利用，校準(zhǔn)程序流程如圖3 所示。對于彩條顯示，明暗度調(diào)節(jié)，驗(yàn)證按鈕顯示同樣通過命令方式進(jìn)入，并通過智能相機(jī)拍照檢測。

測試控制軟件作為上位機(jī)軟件采用NI公司的Lab Windows集成開發(fā)環(huán)境編寫，該環(huán)境集成了多種儀器設(shè)備的驅(qū)動(dòng)庫，可以方便的實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備的控制，與Lab View 相比具有執(zhí)行速度快的優(yōu)點(diǎn)。程序啟動(dòng)后首先初始化儀器設(shè)備，檢查各個(gè)子系統(tǒng)之間的鏈接情況，一切正常后啟動(dòng)線程，控制軟件采用雙線程機(jī)制，通過函數(shù)CreateThread 啟動(dòng)線程

圖3 產(chǎn)品軟件校準(zhǔn)流程圖Fig.3 Product calibration program chart

CreateThread（NULL，0，（LPTHREAD_START_ROUTINE）NewFixture，（LPVOID）&fixtureStatus，&FixtureThreadId[fixture]）；

每一線程對應(yīng)一個(gè)待測產(chǎn)品。通過LoadPanel 函數(shù)將各自的顯示窗口加載到主界面中。線程啟動(dòng)后不斷地查詢PLC 是否有待測產(chǎn)品。待測產(chǎn)品到位后，測試軟件開始工作，首先，通過函數(shù)agN67xx_setOutputState 將產(chǎn)品電源供電，并且通過函數(shù)agN67xx_measureCurr 讀取工作電流是否正常，然后通過ncWrite 函數(shù)發(fā)送CAN 消息使得產(chǎn)品進(jìn)入校準(zhǔn)模式，通知機(jī)械手進(jìn)行校準(zhǔn)動(dòng)作，校準(zhǔn)完畢后，驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果。隨后發(fā)送CAN 消息使得產(chǎn)品進(jìn)入彩條檢測模式，并通知相機(jī)檢測程序進(jìn)行彩條檢測。檢測完畢后通知PLC 將產(chǎn)品退出。程序流程如圖4 所示。

相機(jī)程序使用VB語言編寫，Cognex 公司提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的圖形分析軟件Cognex.VisionPro,使用該軟件可以方便的實(shí)現(xiàn)對Cognex 相機(jī)的控制，圖形的分析。相機(jī)程序的工作主要有兩部分組成，十字光標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的獲取和彩條圖像質(zhì)量分析。通過GigE Vision Configuration Tool 對相機(jī)進(jìn)行IP地址配置，使得相機(jī)程序能夠連接到機(jī)械手。在VB 編輯環(huán)境中，在Cognex.VisionPro 找到需要用到的DLL 模塊將其加載進(jìn)來。Cognex.VisionPro 中提供了豐富的圖形質(zhì)量分析工具。本系統(tǒng)中用到了ColorMatch 類和CogTGCheck 類。ColorMatch 類提供了圖形質(zhì)量的分析結(jié)果，設(shè)定一定的限值后，該類給出測試結(jié)果。CogTGCheck 類能夠在圖像中查找特定的圖形，本系統(tǒng)中查找十字叉并且給出坐標(biāo)信息，通過SendData()函數(shù)發(fā)送到Robot 程序。該程序通過網(wǎng)絡(luò)接受測試控制軟件發(fā)送的命令字進(jìn)行不同功能部分之間的切換。例如，接到‘11’命令字后進(jìn)行十字光標(biāo)位置獲取，接到‘21’后檢測彩條質(zhì)量。

圖4 系統(tǒng)控制流程圖Fig.4 System control flow chart

機(jī)械手程序通過EPSON RC+軟件進(jìn)行編寫，通過該軟件和簡單的程序編寫就可以實(shí)現(xiàn)對Robot 的控制。PLC 與機(jī)械手之間根據(jù)I/O 硬件進(jìn)行連接，Robot 通過讀取I/O 的輸入值判斷PLC 需要的動(dòng)作，并且通過Output 給PLC 反饋執(zhí)行結(jié)果。機(jī)械手通過網(wǎng)絡(luò)端口接收相機(jī)發(fā)送的十字光標(biāo)坐標(biāo)信息，并且換算成為相對于機(jī)械手原點(diǎn)的位置坐標(biāo)通過Jump命令跳轉(zhuǎn)到該位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手指點(diǎn)擊十字光標(biāo)的動(dòng)作。

PLC 為整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作控制的核心，檢測是否有產(chǎn)品放入，通過電缸將產(chǎn)品送入機(jī)械手的操作區(qū)域，通過氣缸將產(chǎn)品鎖緊。產(chǎn)品測試完成后送出，并且通過LED燈指示測試結(jié)果。檢查安全光幕是否被觸發(fā)，停止動(dòng)作等。PLC 通過網(wǎng)絡(luò)與測試控制軟件發(fā)送和接收FINs 命令，根據(jù)不同的命令內(nèi)容實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作。

4 結(jié)論

系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中工作穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對觸摸屏的正確校準(zhǔn)，減少了人為因素對于校準(zhǔn)效果的影響，對于產(chǎn)品的質(zhì)量控制統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，減少人工不同視覺感官帶來的不同。在生產(chǎn)成本上，能夠減少人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了人力成本。

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