新一代全自動(dòng)視覺(jué)激光打標(biāo)機(jī)的研究與開發(fā)

新一代全自動(dòng)視覺(jué)激光打標(biāo)機(jī)的研究與開發(fā) 摘要：全自動(dòng)視覺(jué)激光打標(biāo)機(jī)以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái),以PC機(jī)為控制主體，整合計(jì)算機(jī)硬件資源與激光器、工業(yè)相機(jī)、機(jī)械手等測(cè)控硬件資源，采用軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化、一體化、模塊化設(shè)計(jì)，構(gòu)建產(chǎn)品檢測(cè)與標(biāo)記系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上料、檢測(cè)、打標(biāo)、下料等工序的一體化、流程化操作。且具備完善的保護(hù)報(bào)警功能及一定的錯(cuò)誤自處理功能，具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、適用范圍廣等性能優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：視覺(jué)檢測(cè)測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化LabVIEW軟件平臺(tái) Abstract：The automatic OPTMV-Laser Markinghas been developed successfully based on half-automaticOPTMV-Laser Marking.Personal computer（PC）is the central part of control units.Making used of softwareof LabVIEW,the system of products inspection and marking is constructed by compounding resources of computerhardware and instruments of test&control,such as laser-marking,industrial camera,manipulator and so on.Both ofhardware and software of this equipment are designed normally,wholly and blocky.This equipment can accordinglyand orderly completes the operations of loading,inspection,marking and unloading.It also has the functions ofalarming and tracking the errors itself to some extent.Thus,it has many advantages such as wide application,greatautomation and efficiency. Key words：Vision inspection Test and control system Automatic LabVIEW Platform of software 1引言隨著技術(shù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，質(zhì)量正成為產(chǎn)品最大的競(jìng)爭(zhēng)力。產(chǎn)品檢測(cè)與標(biāo)記是產(chǎn)品論文生產(chǎn)中質(zhì)量保證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展和工藝要求的不斷提高，研發(fā)自動(dòng)化程度高、快速、高效及高精度的產(chǎn)品檢測(cè)與標(biāo)記設(shè)備成為必然趨勢(shì)。新一代全自動(dòng)視覺(jué)激光打標(biāo)機(jī)基于機(jī)器視覺(jué)的智能視覺(jué)檢測(cè)原理，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建產(chǎn)品檢測(cè)與標(biāo)記系統(tǒng)，是用于集成電路基板檢測(cè)和激光標(biāo)記的專業(yè)設(shè)備。該設(shè)備的上料、檢測(cè)、打標(biāo)、下料4個(gè)工位同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)于工作平臺(tái)，有機(jī)協(xié)調(diào)，能夠高精度、高速度完成產(chǎn)品檢測(cè)與標(biāo)記任務(wù)，加上完善的感應(yīng)觸發(fā)裝置及保護(hù)報(bào)警功能，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，是集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)控制等技術(shù)為一體的檢測(cè)設(shè)備。2機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1性能要求該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求緊湊，同時(shí)采用一體化設(shè)計(jì)，可以大大降低由于機(jī)臺(tái)間相對(duì)移動(dòng)而對(duì)精度造成的影響。在夾具及機(jī)械手的設(shè)計(jì)上采用模塊化設(shè)計(jì)，可快速更換夾具，以達(dá)到檢測(cè)不同尺寸的產(chǎn)品或不同類型的產(chǎn)品的要求，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性及適用性。2.2機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全自動(dòng)視覺(jué)激光打標(biāo)機(jī)由兩大部件構(gòu)成，即控制平臺(tái)及工作平臺(tái)。控制平臺(tái)主體為PC機(jī)，包括雙CPU高性能主機(jī)（含各種所需插卡及接口）、17英寸液晶顯示器、控制鼠標(biāo)、控制鍵盤及光源控制器等。工作平臺(tái)如圖1所示。該工作平臺(tái)主要由以下部分組成：機(jī)架、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、夾具、裝料區(qū)、上下料機(jī)械手、激光器、攝像機(jī)及光源等。機(jī)架用于固定激光器、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、上下料機(jī)械手等。機(jī)架保證各個(gè)部分的相對(duì)位置，以及整臺(tái)機(jī)器的剛性。旋轉(zhuǎn)臺(tái)可360旋轉(zhuǎn)，使工件夾具切換到不同的工位。夾具用于裝夾工件，以完成各個(gè)工序，夾具可作180旋轉(zhuǎn)，以便于正反面打標(biāo)。上料區(qū)完成工件的自動(dòng)/手動(dòng)補(bǔ)料。上下料機(jī)械手負(fù)責(zé)上下料工作。激光器負(fù)責(zé)激光標(biāo)刻工作，固定于機(jī)架上。攝像機(jī)及光源構(gòu)成視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，完成工件圖像的采集工作。激光器3測(cè)控系統(tǒng)研究3.1測(cè)控系統(tǒng)全自動(dòng)視覺(jué)激光打標(biāo)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器與測(cè)控系統(tǒng)硬件資源有機(jī)整合，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起。測(cè)控系統(tǒng)以不同的方式實(shí)現(xiàn)各工作單元的通信與控制。運(yùn)動(dòng)控制卡、圖像采集卡等上位控制單元與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作，如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號(hào)的監(jiān)控等。激光器以太網(wǎng)原點(diǎn)開關(guān)感應(yīng)開關(guān)限位開關(guān)外部按鈕電纜驅(qū)動(dòng)器1驅(qū)動(dòng)器2電機(jī)1旋轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)2條形LEDCCD攝像機(jī)數(shù)字光源控制器圖像采集卡OUTPUT圖2測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖運(yùn)動(dòng)控制卡采用MPC07SP運(yùn)動(dòng)控制卡。該卡是基于PCI總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服機(jī)的上位控制單元，通過(guò)交流伺服驅(qū)動(dòng)器完成步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)（包括脈沖和方向的輸出、自動(dòng)升降帶的處理及原點(diǎn)和限位信號(hào)的檢測(cè)等）。同時(shí)，通過(guò)該卡的專用輸入、外接原點(diǎn)、限位等開關(guān)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、保護(hù)等功能。該卡提供通用I/O接口，包括16點(diǎn)DC24光電耦合通用數(shù)字輸入，24點(diǎn)最大500mA集電極開路通用數(shù)字輸出，用于各開關(guān)量的控制和狀態(tài)的讀取。其中，上下料工序的運(yùn)動(dòng)控制正是基于該卡的通用I/功能而實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng)。上位控制單元輸出控制信號(hào)，通過(guò)通用輸出端口控制電磁閥的狀態(tài)，進(jìn)而控制高壓氣的通斷和切換。系統(tǒng)采用DH-M系列USB接口數(shù)字?jǐn)z像機(jī)DHH V1302U M。該數(shù)字?jǐn)z像機(jī)應(yīng)用接口庫(kù)提供應(yīng)用程序接口函數(shù)。通過(guò)該接口庫(kù)進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的二次開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的控制、采集圖像到內(nèi)存、錯(cuò)誤處理等功能。PC機(jī)通過(guò)USB2.0標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)參數(shù)的設(shè)置及圖像采集的控制，并使用圖像采集卡接收從攝像機(jī)傳送的圖像信號(hào)，然后進(jìn)行圖像的處理和分析。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)對(duì)照明系統(tǒng)有較高的要求。本系統(tǒng)采用數(shù)字光源控制器DP1024及一對(duì)同軸條形光源。該數(shù)字光源控制器具有4輸出通道，輸出DC024V可調(diào)電源。PC機(jī)通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)與數(shù)字光源控制器的通信，可控制條形光源的亮滅及亮度調(diào)節(jié)。APPLICATION RESEARCH應(yīng)用研究激光器采用HGLaserMark2.0.8，并使用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。按照通信協(xié)議，激光器啟動(dòng)后Se r ve r端處于監(jiān)聽狀態(tài)，PC機(jī)不斷將一定格式的標(biāo)刻數(shù)據(jù)文件通過(guò)以太網(wǎng)傳送給激光器，并發(fā)送標(biāo)刻命令。激光器Server端解析出其中的數(shù)據(jù)，在收到命令后開始標(biāo)刻，并返回標(biāo)刻狀態(tài)給PC機(jī)。3.2工作流程根據(jù)功能要求，整個(gè)工作平臺(tái)可分為4個(gè)工位，即上料工位、檢測(cè)工位、打標(biāo)工位、下料工位，完成工件的整個(gè)檢測(cè)與標(biāo)記任務(wù)。其工作流程如圖3所示。上料1）上料機(jī)械手從上料區(qū)取料并放置到夾具2）夾具夾緊工件下料1）翻轉(zhuǎn)夾具2）松開夾具3）機(jī)械手將工件拾取并移放至下料區(qū)檢測(cè)1）視覺(jué)系統(tǒng)按順序依次檢測(cè)工件2）將檢測(cè)結(jié)果傳送至激光器打標(biāo)1）正面打標(biāo)2）翻轉(zhuǎn)，并檢測(cè)翻轉(zhuǎn)到位信號(hào)3）到位后，反面打標(biāo)旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90進(jìn)入下一周期旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90圖3工作流程圖4軟件操作系統(tǒng)的開發(fā)軟件操作系統(tǒng)是基于LabVIEW的圖形化程序設(shè)計(jì)平臺(tái)開發(fā)的測(cè)試與控制軟件。該系統(tǒng)起到3個(gè)層面的作用，即底層驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用層驅(qū)動(dòng)和人機(jī)界面。底層驅(qū)動(dòng)主要用來(lái)對(duì)硬件的操作，如對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡、圖像采集卡的驅(qū)動(dòng)；應(yīng)用層完成數(shù)據(jù)的采集儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換和分析，實(shí)現(xiàn)儀器的各種功能；人機(jī)界面層面向用戶，提供友好的人機(jī)對(duì)話環(huán)境，包括：程序運(yùn)行時(shí)的顯示模式及程序?qū)Σ僮鞯南鄳?yīng)方式。 4.1程序模塊LabVIEW軟件采用數(shù)據(jù)流模型，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的多線程，從而能充分利用處理尤其是多處理器的處理能力。操作系統(tǒng)根據(jù)LabVIEW的多線程機(jī)制，建立測(cè)控系統(tǒng)軟件的多線程模型，將系統(tǒng)中的管理和控制功能劃分為若干模塊，分別置于獨(dú)立線程中，以消息排隊(duì)和消息循環(huán)推動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。操作系統(tǒng)主要包含以下功能模塊：用戶管理模塊、程式管理模塊、編程模塊、硬件管理模塊、運(yùn)行模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊。各模塊分別實(shí)現(xiàn)不同功能。用戶管理模塊實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的登錄和用戶的管理（包括建立用戶、密碼修改、權(quán)限設(shè)置等）；程式管理模塊將工件信息按照類型以文件形式存儲(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)打開、新建、刪除文件等操作，同時(shí)可進(jìn)入編程模塊，進(jìn)行相應(yīng)工件的編程。編程模塊開放給用戶，用戶通過(guò)該模塊對(duì)不同工件進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工件的檢測(cè)和標(biāo)記要求；硬件管理模塊用于各硬件模塊的管理和調(diào)試，如電機(jī)參數(shù)（低速、加速度、高速等）的設(shè)置，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、回原點(diǎn)等操作；運(yùn)行模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作流程的控制以及對(duì)用戶操作的響應(yīng)；統(tǒng)計(jì)分析模塊用于統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制，包括各工位工作時(shí)間、工作周期、工件信息等的統(tǒng)計(jì)分析。核心處理單元整合各模塊功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。4.2程序操作流程程序操作流程圖如圖4所示。啟動(dòng)系統(tǒng)用戶登錄/管理設(shè)備/接口/參數(shù)初始化參數(shù)修改/硬件調(diào)試？調(diào)用原有程式？程式選擇單步運(yùn)行自動(dòng)運(yùn)行退出程序？關(guān)閉系統(tǒng)編程建立新程式參數(shù)設(shè)置/硬件調(diào)試程式更改/參數(shù)調(diào)整？YYYNNN切換圖4程序操作流程操作系統(tǒng)提供友好的人機(jī)交互界面（包括用戶管理界面、主界面、程式管理界面、參數(shù)設(shè)置界面、編程界面等），操控簡(jiǎn)單?？煽刂频膶?duì)象包括鼠標(biāo)、鍵盤及應(yīng)用研究APPLICATION RESEARC外部按鈕等，通過(guò)對(duì)程序?qū)傩院透鞣N控件的屬性節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，能實(shí)現(xiàn)各種形式的操作界面。登錄系統(tǒng)后，程序處于循環(huán)等待狀態(tài)，即等待用戶的操作。用戶通過(guò)主界面上的按鈕可進(jìn)入其它操作界面進(jìn)行相應(yīng)的操作。當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行操作時(shí)，整個(gè)工作平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，上料、檢測(cè)、打標(biāo)、下料及其它相應(yīng)程序同時(shí)動(dòng)作，自動(dòng)完成產(chǎn)品的檢測(cè)與標(biāo)記任務(wù)。5主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)誤判率：99.9%；工作周期：T上料G 3.0s；T檢測(cè)G 3.5s；T打標(biāo)G 4.0s；T下料G 3.0s；T旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)G 2.0sT其它延時(shí)G 1.5s；T總時(shí)間G Max(T上料,T檢測(cè),T打標(biāo),T下料)+T旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)+T其它延時(shí)G 8.5s。 6結(jié)束語(yǔ)綜上所述，新一代全自動(dòng)視覺(jué)激光打標(biāo)機(jī)能有效完成工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品檢測(cè)及標(biāo)記的各項(xiàng)任務(wù)。該設(shè)備具備以下特點(diǎn)：（1）自動(dòng)化程度高：該設(shè)備采用全自動(dòng)上、下料機(jī)械手作業(yè)，僅需人工補(bǔ)料及轉(zhuǎn)運(yùn)工件，同時(shí)具有完善的保護(hù)報(bào)警功能和一定的錯(cuò)誤自處理功能。（2）生產(chǎn)效率高：該機(jī)自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作。該機(jī)啟動(dòng)后，4個(gè)工位同時(shí)工作，生產(chǎn)速度是傳統(tǒng)同類機(jī)械加工設(shè)備的數(shù)倍至10數(shù)倍。（3）精度高：整機(jī)調(diào)試完成后，各部件的相對(duì)位置將保持不變。測(cè)控系統(tǒng)集視覺(jué)檢測(cè)與激光標(biāo)刻于一體，檢測(cè)結(jié)果在系統(tǒng)內(nèi)部傳遞，避免了人工檢測(cè)的人為差錯(cuò)及傳統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)與不同系統(tǒng)的激光器信號(hào)傳輸出現(xiàn)的差錯(cuò)。（4）適用范圍廣：針對(duì)不同行業(yè)的不同客戶，該機(jī)可通過(guò)更換夾具及機(jī)械手的方法來(lái)滿足客戶對(duì)不同工件的加工要求。（5）程序采用模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)開發(fā)，有利于程序的升級(jí)及移植。該設(shè)備已交付某公司投入使用，運(yùn)行狀況良好，具有較高的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1戴鵬飛,王勝開,王格芳等.測(cè)試工程與LabVIEW應(yīng)用.電子工業(yè)出版社,20062周博文,王耀南,魯娟.智能視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)的控制系統(tǒng)研究與開發(fā).儀表技術(shù)與傳感器,2007,(8).3伍治海,吉順祥,王明方.基于虛擬儀器的測(cè)試儀器應(yīng)用研究.儀表技術(shù),2007,(10)4汪敬賢,閆孝妲,李文江.基于虛擬儀器的光纖瓦斯傳感系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器,2007,(9)5陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通.清華大學(xué)出版社,20076 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