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基于PLC與單片機的VCR自動錄入系統開發

添加時間:2021/06/19 來源:未知 作者:樂楓
本文首先分析了 VCR 手動錄入系統的技術方案和技術參數,在此基礎上確定了 VCR 自動錄入系統的功能和性能指標。然后利用模塊化設計的思想,將系統的總需求拆分成了軟件部分和硬件部分。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  隨著半導體制造技術的發展,出現了用于可穿戴電子設備的有機自發光二極管 (Organic Light Emitting Diode,OLED) 顯示面板。生產過程中每片顯示面板會被噴上唯一的產品識別,在出售時這些識別碼會被生產商記錄下來,以便解決潛在的客戶投訴。目前國內的顯示面板的識別碼大多是人工錄入的。人工錄入雖然很簡單靈活,但是顯示面板的廢品率較高且操作員會給生產線帶來不可控的風險。為了解決這個問題,本文提出了一種基于單片機與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的視覺讀碼(Visual Code Read,VCR)自動錄入系統。該系統可以一次性錄入放在給定托盤中的多個顯示面板,相比人工系統逐個錄入的效率大大提高。自動錄入系統還可以消除從托盤中取放顯示面板時可能存在的磕碰,進而降低了產品廢品率。該系統具有可視化的人機交互(Human Machine Interface,HMI)界面,操作者可以很方便用它修改錄入系統的工藝參數。實驗測試表明該系統具有良好的安全性、穩定性和準確性。

  本文首先分析了 VCR 手動錄入系統的技術方案和技術參數,在此基礎上確定了 VCR 自動錄入系統的功能和性能指標。然后利用模塊化設計的思想,將系統的總需求拆分成了軟件部分和硬件部分。硬件部分主要包含工作臺、供電電路和控制電路。軟件部分就是運行在單片機和 PLC 的程序。在確定了軟件部分和硬件部分的結構和方案后,完成了硬件元件的設計和軟件程序的開發。最終完成了樣機的制作與實驗測試。

  關鍵詞:顯示面板;VCR 錄入系統;單片機;PLC

ABSTRACT

  With the development of semiconductor manufacturing technology, organic light emitting diode (OLED) display panels for wearable electronic devices have emerged. Each display panel is marked with a unique production identification number, and the identification number is recorded by the manufacturer for the convenience of handling potential complaints from the customers. The identification number of domestic display panels are mainly record by manually. Manual recording is a simple and flexible way, but the reject rate of the display panel is high and the operator brings uncontrollable production risks to the production line. Aiming to solve this problem, an automatic visual code read (VCR) record system is developed based on a singlechip microcomputer and a programmable logic controller (PLC)。 The proposed system  can record the identification numbers of multiple display panels that lies in a certain tray at one time. Compared with the one by one method in the manual record, the proposed system shows higher efficiency. The developed system also eliminates possible bumps when picking and placing the display panel from the tray, thereby reducing the product rejection rate. The developed system has a visual Human Machine Interface (HMI) interface with which the operator can easily modify the process parameters of the recording process. Experiments show that the system has good safety, stability and accuracy.

  At the first, the technical scheme and technical parameters of the manual VCR record system are studied in this thesis. The functions and performance indicators of the target automatic VCR record system are concretized. Secondly, the total demands of the automatic system are split into the hardware parts and the software parts, inspired by the idea of modular design. The hardware part mainly includes the workbench, the power supply circuit and the control circuit. The software part is exactly the programsthat run on the one-chip computer and PLC. The detail design of the hardware components and the development of the software program are performed, after drawing the structure and scheme of the software part and the hardware part. Finally, a prototype is fabricated and tested with experiments.

  KEYWORDS: Display panel; VCR record system; Single-chip microcomputer; PLC

單片機

目 錄

  第一章 緒論

  1.1 選題背景和意義

  電路集成度對于實現小尺寸功能電路至關重要,而薄膜晶體管(Thin Film Transistor,TFT)現在發展成為集成電路主流技術。TFT 主要通過光刻方式將微小電路刻蝕到玻璃基板上,形成顯示面板的驅動電路。

  隨著光刻技術的不斷進步,TFT 的最小尺寸已經達到微納級別,這使顯示面板的分辨力不斷提高。近年來有機電致發光材料也不斷優化更新,顯示面板所需三原色中紅色、綠色、藍色發光材料的發光效率可以達到 40cd /A、88cd/A 和 5cd/A.有機發光材料技術和薄膜晶體管技術促使顯示行業迎來有機發光二級管(Organic Light Emitting Diode,OLED)顯示時代[1].

  OLED 顯示技術因其具有功耗低、響應快、色域寬、色彩飽和度高等特點受到了終端消費者的青睞,更受到了顯示器生產廠商的重視。

  早在 2014 年國外 Samsung Display 與 LG Display 就已經推出搭載 OLED 顯示器的手機與電視等顯示產品,隨后 OLED 技術迎來了井噴式發展。隨著消費電子領域可穿戴智能設備的飛速發展,柔性 OLED 顯示技術得到了長足發展。目前 Samsung Display 和京東方已經推出了可折疊的柔性 OLED 顯示產品,華星光電、天馬微電子等其它顯示企業雖然尚未推出商用柔性顯示產品,但他們在此領域取得了很多成就[2].

  目前主流的 OLED 技術是有機發光二極體面板(Active Matrix Organic Light Emitting Diode,AMOLED)技術。AMOLED 顯示面板的結構如圖 1-1 所示,包括上層玻璃蓋板、下層玻璃基板、有機像素發光層和像素電路層。像素電路采用光刻的方式將薄膜電路刻蝕到下層玻璃基板上,像素電路厚度約為 700nm.有機像素發光層蒸鍍在像素電路上,發光層薄膜厚度約為1400nm.由于有機像素層和像素電路層很薄且具有良好的透光性,所以 AMOLED 面板可以彎曲且整體透光率較高。AMOLED 面板制作的生產流程包括 Array 工藝、OLED 蒸鍍工藝和檢測工藝。其中 Array 工藝用來制作像素電路面板;OLED 蒸鍍工藝用來將發光材料依次蒸鍍到對應像素的陽極上;檢測工藝則是對面板進行光學、電學和外觀檢測。

  檢測工藝流程如圖1-2 所示,檢測工藝是顯示面板供給下游客戶前的最后一道生產流程,也是確保面板品質滿足技術指標的核心環節。為了掌握每個面板生產過程中的關鍵工藝信息,方便分析下游客戶對產品異常的投訴,檢測工藝還需要將每個顯示面板的生產信息與出貨信息綁定在一起。這種綁定是通過給每個產品賦予一個唯一的產品識別碼(Identification code,ID code)完成的。在檢測工藝開始時,自動噴墨機會給每個面板噴上一個包含產品生產信息的識別碼。經過光學、電學和外觀檢驗不合格的產品會被直接剔除,而合格產品在出廠前還需要錄入它們的識別碼并與出貨信息相綁定。這樣每個識別碼都與顯示面板的實物直接綁定在一起,每當接到客戶的投訴時,只需拿到相應的產品實物,便可以追溯該產品的生產信息并有針對性地分析生產工藝中潛在的隱患。

  如圖 1-3 所示,由于 AMOLED 面板具有很高的透光率,在 AMOLED 面板的底面(底層玻璃基板)上噴涂二維碼后,在頂面(下層玻璃基板)逆著強光觀察時,二維碼印跡清晰可見。利用這一特性結合電荷耦合器件(Charge-coupled device,CCD)鏡頭,便可以錄入印有二維碼的顯示面板的識別碼。

  如圖 1-4 所示,目前生產中產品的二維碼大多是手動錄入的,錄入步驟如下:1)將印有二維碼的產品從托盤內取出;2)將產品放到對位平臺上(放到下圖右側的塑料對位平臺上); 3)視覺讀碼器(Visual Code Read,VCR)讀取二維碼,連同包裝出貨信息寫入數據庫;4)取下產品再放回托盤中。

  在手動錄入二維碼過程中,取放產品和手動對位對產品質量的威脅最大。由于顯示面板的主要材料是玻璃,手工操作時對產品的磕碰會引發裂紋。即便是微小的裂紋在后期裝配時都會導致產品報廢,所以在實際生產中會極力避免小的裂紋或者磕碰。通常要求操作員謹慎操作,但是這也限制了生產線的運行效率。即便是經驗豐富的操作員也無法完全避免磕碰顯示面板,因此產品的破損率居高不下。另外,產品信息錄入工序是在外觀檢測之后執行的。

  因此,產品信息錄入工序導致的外觀異常在后續工序無法檢測出來,這就導致該工序生產風險相對隱蔽,甚至處于不可控狀態。采用產品識別碼自動錄入設備可以有效避免上述生產風險。但是由于面向顯示面板行業的產品識別碼自動錄入設備屬于非標設備,設備采購價格極高。本課題的目的是研制一種低成本產品識別碼自動錄入系統。

  1.2 顯示面板產品識別碼自動錄入系統的研究現狀

  產品識別碼錄入系統是產品信息追溯系統一部分,在生產中該系統被安裝到各設備流入口(上料口),實現生產線信息流與產品流一一對應。目前應用范圍較廣的是基于視覺讀碼器(Visual Code Read,VCR)的產品識別碼錄入系統,因此該系統也被稱作 VCR 錄入系統。

  目前韓國 Samsung Display 的 AMOLED 技術在整個顯示面板行業占據領先地位,所以韓國顯示面板的產業鏈最為齊全。韓國 WinforSys 公司提供 VCR 解決方案,但其解決方案只涉及到 VCR 讀取與解碼,不涉及 VCR 自動化系統解決方案。韓國的 YoungwooDSP 公司提供VCR 自動錄入系統的解決方案,但其開發周期長,價格昂貴。另外產品信息中通常包含顯示面板的全流程工藝信息,VCR 系統外包給其它企業存在泄露商業秘密的風險。此外中國和韓國在顯示面板行業的競爭激勵,VCR 系統外包給韓國公司會危及我國在該領域的經濟利益。

  國內一些企業可以提供自動化解決方案,但設計復雜,研發周期長,費用高昂。昆山精訊電子提供自動 VCR 設備解決方案,該方案采用 YMAHA 機械手代替人手搬運產品。相較于人工搬運產品,磕碰明顯減少,但機械手末端的吸盤在取放產品時磕碰風險依然存在。成都俊輝電子提供的解決方案,該方案同樣用機械手代替人手避免搬運時的磕碰。為了避免產品取放時產品受到沖擊力的影響,機械手先將產品放到一種特制機臺上,機臺吸附產品運動到指定位置后讀取產品二維碼。該解決方案只適合于單件流的生產線,不適合批件流的生產線,因為它無法同時操作多個呈矩陣分布的產品陣列。顯示面板生產企業亟待自主研發 VCR自動錄入系統。

  國際上可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)與 Arduino 單片機控制器技術方案已經成熟。韓國的鄭智薰(音譯,原名???)等使用 Arduino 單片機在 Arduino 開發平臺上開發出基于 Arduino 單片機的智能花盆,可以通過遠程控制給綠植澆水[3].印度Rajesh Singh 等工程師提出了許多基于 Arduino 單片機和樹莓派面向物聯網應用場景的案例[4].

  國內也涌現出眾多基于 PLC 與觸摸屏的非標自動化系統設計案例。重慶工業機器人應用服務技術研究中心的張郭等人研制了基于臺達 PLC、觸摸屏和三菱機器人的點膠系統。該系統采用 PLC 程序控制機械手代替人工操作,系統的點膠參數可以通過組態軟件設置[5].青島大學的寧國濤等人研制了一種可以在三維空間內連續加工管線材彎曲設備,該設備使用三菱PLC 控制步進電機完成加工過程,同時在三菱 F94GOT 觸摸屏上實現參數設置與 I/O 口監控[6].華南理工大學的李基有等人使用三菱 PLC 與光電傳感等傳感技術研制了一種基于 PLC 控制的多傳感物料自動分揀系統,該系統采用模塊化設計,PLC 控制程序完成工藝過程,變頻器控制輸送帶運行,各類傳感器實現材質和顏色的檢測、工件姿勢的判別,最后通過機械手將物料轉移到指定位置[7].

  上海交通大學的張媛等開發了嵌入式軟 PLC 系統,該系統以 Cortex-M3 單片機為總控制器,負責 PLC 與其它設備的通信,三菱 PLC 作為系統運行的直接控制器。他們把這套嵌入式軟 PLC 系統應用于移動式保溫餐車和金屬帶鋸床。應用結果表明,嵌入式軟 PLC 系統設計靈活,能夠根據不同的使用需求實現不同的控制方案,硬件實時響應快、可靠性良好[20].

  2019 年在液晶制造領域出現了 PCL 和 Pro-face 觸摸屏聯合應用的案例,上海普洛菲斯國際貿易有限公司提出了 Pro-face HMI 解決方案,用來搭建液晶制造智能監控系統(FMS) [33].

  綜上所述,一方面,當前顯示面板 VCR 手動錄入系統存在損壞面板的風險,限制了面板良品率的提高,面向顯示面板生產的 VCR 自動錄入系統亟待開發。另一方面,基于單片機、PLC 和觸摸顯示器等硬件設備結合現代傳感技術研制的非標自動化系統已經被證明可以切實解決生產工藝問題。因此設計一種 VCR 自動錄入系統對于提高顯示面板行業檢測工藝水平具有重要意義。

  1.3 主要內容及章節安排

  為改變本公司人工錄入產能不足與破損率較高的現狀,本文提出一種低成本的 VCR 自動錄入系統。

  本文一共包括六章,具體內容如下:

  第一章 緒論,首先簡要介紹了論文選題的背景和意義,以及面板顯示行業 VCR 錄入系統研究現狀,最后簡述論文的主要研究內容及章節安排。

  第二章 系統總體設計,確定自動 VCR 設備的功能要求與性能指標,提出系統總體設計方案。系統總體設計從硬件設計方案與軟件設計方案兩個方面展開論述。

  第三章 硬件設計,主要闡述系統各個單元的硬件實現方案。

  第四章 軟件設計,主要闡述實現預定的功能要求與性能指標所需要的程序邏輯。分別從單片機程序邏輯和 PLC 程序邏輯兩個方面進行論述。

  第五章 系統測試及調試,主要論述系統實物研制完成后開展的系統安全性、穩定性、準確性測試。用實驗的方法檢驗系統能否實現預定功能。

  第六章 總結與討論,總結本文取得的成果并展望后續的研究工作。

  第二章 系統總體設計

  2.1 功能要求及性能指標

  2.2 總體設計方案

  2.3 硬件方案

  2.3.1 作業臺方案

  2.3.2 供電設方案

  2.3.3 VCR 信息處理單元方案設計

  2.3.4 運動控制單元方案

  2.4 軟件設計方案

  2.4.1 軟件編程環境選擇

  2.4.2 方案設計

  2.5 本章小結

  第三章 硬件設計

  3.1 作業臺

  3.2 供電電路

  3.3 控制電路

  3.3.1 控制電路總體設計

  3.3.2 單片機電路設計

  3.3.3 PLC 電路設計

  3.3.4 伺服放大電路設計

  3.4 本章小結

  第四章 軟件設計

  4.1 VCR 信息處理單元程序設計

  4.2 PLC 程序設計

  4.2.1 軟元件及寄存器資源分配

  4.2.2 人機交互界面設定

  4.2.3 PLC 主程序設計

  4.2.4 回原程序設計

  4.2.5 二維碼矩陣參數與電機速度設定

  4.2.5 手動作業程序設計

  4.2.6 中斷程序設計

  4.3 本章小結

  第五章 系統測試

  5.1 電參數與安全性能測試

  5.2 系統穩定性與準確性測試

  5.3 本章小結

第六章 總結

  針對顯示面板出貨前手動錄入識別碼時存在的產品磕碰問題和潛在的不可控風險,本課題研制了一套產品識別碼自動錄入系統。該系統以視覺讀碼器(Visual Code Read,VCR)為產品識別碼(二維碼)識別元件,因此也被稱為 VCR 自動錄入系統。為了徹底消除從托盤里取放面板時的磕碰,本文提出了一種新的 VCR 自動錄入方案。該方案將一個 VCR 固定在一個二維移動工作臺的執行末端上,VCR 隨著兩個電機的轉動在平面內移動,這樣無需從托盤中取出產品,便可讀取并記錄盤中產品陣列的二維碼;诖,本文展開了 VCR 自動錄入系統的設計與研制。首先基于模塊化設計思想將系統的功能拆分若干功能模塊,并給出了其實現方案。然后針對每個模塊展開硬件設計和軟件設計,完成了所需硬件的選型、電路的設計和程序的編寫。單片機主要功能判別二維碼是否符合預設規則,對接收到字符串后判斷字符串長度,接收到符合規則的字符串輸出脈沖信號給 PLC.PLC 主要作用是使控制電機運動以及執行安全中斷。PLC 根據輸入信號狀態,驅動 X 軸、Y 軸電機完成 VCR 鏡頭按照預設的運動軌跡完成二維平面的運動。PLC 在電機執行前檢測各安全傳感器狀態,并根據傳感器狀態執行不同的中斷。

  研制的樣機經安裝和調試后投入實際生產測試,該樣機解決了 VCR 手動錄入效率低、破損率高的問題,有效提高了生產線效率與產品良率。未來該系統的性能可以從以下三個方面入手繼續提高。

 。1)產品托盤定位需要手動粘貼定位治具,后續需加入帶刻度的可移動定位治具,這樣可以減小產線更換模型時間,并且提高對位精度。

 。2)系統的底光源面板亮度衰減率直接影響二維碼讀取效果,后續需加入控制單元來調節底光源面板亮度。

 。3)研制樣機可推廣到其他產品線,在其他生產線應用時,運行環境惡化測試必不可少。

  在后續需測試溫度,濕度,粉塵等極限環境下樣機運行情況。

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致謝

  時光匆匆,轉眼之間在職碩士已經讀了三年;回首過往,這些年的學習生涯讓我逐漸成長,學到了很多知識。

  首先,由衷的感謝我的導師戴呼合老師,在學術、科研中,老師治學嚴謹,追求精益求精,做事認真負責的態度值得我們每個人學習。 在論文寫作過程中。老師不厭其煩的教導讓我受益匪淺。

  同時,感謝學校及學院在這三年里對我的栽培,特別感謝電子信息工程學院自動化系所有的老師對我的諄諄教誨,老師們的人格魅力及特有的授課方式讓我銘記于心,而且受益終身。還要感謝學院領導們,一直以來對我的關心和幫助。

  再次,感謝老師們及同事們在我論文完成過程中給予我的支持與幫助。

  最后,衷心的感謝審閱論文的諸位專家學者,謝謝您們的寶貴意見,讓我可以彌補論文中存在的不足.

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