ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ ＲＥＳＥＡＲＣＨ 应用研究 新一代全自动视觉激光打标机的研究与开发 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＯＰＴＭＶ－Ｌａｓｅｒ Ｍａｒｋｉｎｇ ＩＩ 杨伟志 黄佐华 徐培２ １华南师范大学物理与电信工程学院（广州５１０６３１） ２东莞市奥普特自动化科技有限公司（广东东莞５２３８４６） 摘要：全自动视觉激光打标机￣ＸＬａｂＶＩＥＷ软件开发平台，￣２＇ＰＣ机为控制主体，整合计算机硬件资源与激 光器、工业相机、机械手等测控硬件资源，采用软硬件标准化、一体化、模块化设计，构建产品检 测与标记系统，实现上料、检测、打标、下料等工序的一体化、流程化操作。且具备完善的保护报 警功能及一定的错误自处理功能，具有自动化程度高、生产效率高、适用范围广等性能优势。 关键词：视觉检测测控系统自动化ＬａｂＶＩＥＷ软件平台 Ａｂｓｔｒａｃｔ．Ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＯＰＴＭＶ－Ｌａｓｅｒ Ｍａｒｋｉｎｇ １Ｉ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈａｌｆ－ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＯＰＴＭＶ－Ｌａｓｅｒ Ｍａｒｋｉｎｇ Ｉ．Ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ（ＰＣ）ｉｓ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｐａｒｔ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔｓ．Ｍａｋｉｎｇ ｕｓｅｄ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＬａｂＶＩＥＷ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｒｋｉｎｇ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒｓ ｏｆ ｔｅｓｔ＆ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｕｃｈ ａｓ ｌａｓｅｒ—ｍａｒｋｉｎｇ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃａｍｅｒａ，ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｂｏｔｈ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｎｏｒｍａｌｌｙ，ｗｈｏｌｌｙ ａｎｄ ｂｌｏｃｋｙ．Ｔｈｉｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃａｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ ａｎｄ ｏｒｄｅｒｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ，ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ，ｍａｒｋｉｎｇ ａｎｄ ｕｎｌｏａｄｉｎｇ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｌａｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒｓ ｉｔｓｅｌｆ ｔｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｔ．Ｔｈｕｓ，ｉｔ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｇｒｅａｔ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｖｉｓｉｏｎ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｓｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＬａｂＶＩＥＷ Ｐｌａｔｆｏ１ＴＩ１ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ １引言 随着技术和市场竞争日趋激烈，质量正成为产品 最大的竞争力。产品检测与标记是产品生产中质量保 ４个工位同时运转于工作平台，有机协调，能够高精度、 高速度完成产品检测与标记任务，加上完善的感应触 发装置及保护报警功能，可以实现无人作业，真正实 现自动化操作，是集光、机、电、计算机、机器视觉、自 证的关键环节。随着生产的不断发展和工艺要求的不 断提高，研发自动化程度高、快速、高效及高精度的产 动控制等技术为一体的检测设备。 品检测与标记设备成为必然趋势。 新一代全自动视觉激光打标机基于机器视觉的智 能视觉检测原理，以ＬａｂＶＩＥＷ为软件开发平台，构建 ２机械系统设计 ２．１性能要求 该系统结构设计要求紧凑，同时采用一体化设计， 产品检测与标记系统，是用于集成电路基板检测和激 可以大大降低由于机台间相对移动而对精度造成的影 光标记的专业设备。该设备的上料、检测、打标、下料 响。在夹具及机械手的设计上采用模块化设计，可快 ＷＷＷ．ｃｎｉｍ．ｃａ ７７ 中闭｛霰嚣｛羲表２００８年第１０期 应用研究 速更换夹具，以达到检测不同尺寸的产品或不同类型 的产品的要求，提高系统的扩展性及适用性。 ２Ｉ２机械系统结构 激光器 ＡＰ ＬＩＣＡＴＩＯＮ ＲＥＳＥＡＲＣ 状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等。 ｌ 皇 厂上］ ．壁皇 １ 全自动视觉激光打标机由两大部件构成，即控制 平台及工作平台。控制平台主体为ＰＣ机，包括双ＣＰＵ ｌ】ｃｌ插槽 — 热 １蜂鸣器 １报警灯 ●。－●●－＿●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿一 高性能主机（含各种所需插卡及接口）、１７英寸液晶显 示器、控制鼠标、控制键盘及光源控制器等。工作平台 １电磁阀 如图１所示。该工作平台主要由以下部分组成：机架、 旋转台、夹具、装料区、上下料机械手、激光器、摄像 机及光源等。机架用于固定激光器、旋转工作台、上下 料机械手等。机架保证各个部分的相对位置，以及整 台机器的刚性。旋转台可３６０。旋转，使工件夹具切换 到不同的工位。夹具用于装夹工件，以完成各个工序， 夹具可作１８０。旋转，以便于正反面打标。上料区完成 工件的自动／手动补料。上下料机械手负责上下料工作。 激光器负责激光标刻工作，固定于机架上。摄像机及 光源构成视觉检测系统，完成工件图像的采集工作。 统驱动轴 视觉系统 检测工位 上料机械手 上料工位 上料区 图１全自动视觉激光打标机工作平台 ３测控系统研究 ３．１测控系统 全自动视觉激光打标机测控系统结构如图２所 示。该系统将计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件 资源有机整合，从而把计算机强大的计算处理能力和 仪器硬件的测量、控制能力结合在一起。测控系统以 不同的方式实现各工作单元的通信与控制。运动控制 卡、图像采集卡等上位控制单元与ＰＣ机构成主从式控 制结构。ＰＣ机负责人机交互界面的管理和测控系统的 实时监控等方面的工作，如键盘和鼠标的管理、系统 ７８ ｗｗｗ．ｃｎｉｍ ｃｎ 图像 采集卡 主 高压气Ｉ ＣＣＤ摄像机 电机１ ｌ ｆ ｆ真空压 旋转台 ＬＪ 电机２ ２测控系统结构图 运动控制卡采用ＭＰＣ０７ＳＰ运动控制卡。该卡是 基于ＰＣＩ总线的步进电机或数字式伺服机的上位控制 单元，通过交流伺服驱动器完成步进电机运动控制的 所有细节（包括脉冲和方向的输出、自动升降带的处 理及原点和限位信号的检测等）。同时，通过该卡的专 用输入、外接原点、限位等开关信号，以实现回原点、 保护等功能。该卡提供通用Ｉ／Ｏ接口，包括ｌ６点ＤＣ２４Ｖ 光电耦合通用数字输入，２４点最大５００ｍＡ集电极开路 通用数字输出，用于各开关量的控制和状态的读取。 其中，上下料工序的运动控制正是基于该卡的通用Ｉ／Ｏ 功能而实现的。机械手采用气压驱动。上位控制单元 输出控制信号，通过通用输出端口控制电磁阀的状态， 进而控制高压气的通断和切换。 系统采用ＤＨ－Ｍ系列ｕｓＢ接口数字摄像机ＤＨ． ＨＶ１３０２ＵＭ。该数字摄像机应用接口库提供应用程 序接口函数。通过该接口库进行数字摄像机的二次开 发，可实现数字摄像机的控制、采集图像到内存、错误 处理等功能。ＰＣ机通过ＵＳＢ２．０标准接口，实现对摄 像机参数的设置及图像采集的控制，并使用图像采集 卡接收从摄像机传送的图像信号，然后进行图像的处 理和分析。 机器视觉检测对照明系统有较高的要求。本系统 采用数字光源控制器ＤＰ１０２４及一对同轴条形光源。该 数字光源控制器具有４输出通道，输出ＤＣ０￣２４Ｖ可调 电源。ＰＣ机通过ＲＳ２３２串口实现与数字光源控制器的 通信，可控制条形光源的亮灭及亮度调节。 ２ｏｏ８￣］ｏ中阅候髯馕表 ＡＰＰＵＣＡＴｌＯＮ ＲＥＳＥＡＲＣＨ 激光器采用ＨＧＬａｓｅｒＭａｒｋ２．０．８，并使用以太网 实现与Ｐｃ机的通信。按照通信协议，激光器启动后 Ｓｅｒｖｅｒ端处于监听状态，ＰＣ机不断将一定格式的标 刻数据文件通过以太网传送给激光器，并发送标刻命 令。激光器Ｓｅｒｖｅｒ端解析出其中的数据，在收到命令 后开始标刻，并返回标刻状态给ＰＣ机。 ３．２工作流程 根据功能要求，整个工作平台可分为４个工位，即 上料工位、检测工位、打标工位、下料工位，完成工件 的整个检测与标记任务。其工作流程如图３所示。 图３工作流程图 ４软件操作系统的开发 软件操作系统是基于ＬａｂＶＩＥＷ的图形化程序设 计平台开发的测试与控制软件。该系统起到３个层面的 作用，即底层驱动、应用层驱动和人机界面。底层驱动 主要用来对硬件的操作，如对运动控制卡、图像采集 卡的驱动；应用层完成数据的采集储存、转换和分析， 实现仪器的各种功能；人机界面层面向用户，提供友 好的人机对话环境，包括：程序运行时的显示模式及 程序对操作的相应方式。 ４．１程序模块 ＬａｂＶＩＥＷ软件采用数据流模型，实现了自动的多 线程，从而能充分利用处理尤其是多处理器的处理能 力。操作系统根据ＬａｂＶＩＥＷ的多线程机制，建立测控 系统软件的多线程模型，将系统中的管理和控制功能 划分为若干模块，分别置于独立线程中，以消息排队 和消息循环推动系统的运行。 操作系统主要包含以下功能模块：用户管理模 块、程式管理模块、编程模块、硬件管理模块、运行模 块、统计分析模块。各模块分别实现不同功能。用户管 中阈豫 候表２００８年第１０期 应用研究 理模块实现操作系统的登录和用户的管理（包括建立 用户、密码修改、权限设置等）；程式管理模块将工件 信息按照类型以文件形式存储，可以实现打开、新建、 删除文件等操作，同时可进入编程模块，进行相应工 件的编程。编程模块开放给用户，用户通过该模块对 不同工件进行编程，以实现对不同工件的检测和标记 要求；硬件管理模块用于各硬件模块的管理和调试， 如电机参数（低速、加速度、高速等）的设置，电机的 运转、回原点等操作；运行模块实现整个工作流程的 控制以及对用户操作的响应；统计分析模块用于统计 过程控制，包括各工位工作时间、工作周期、工件信息 等的统计分析。核心处理单元整合各模块功能，实现 整个操作系统的协调运转。 ４．２程序操作流程 程序操作流程图如图４所示。 启动系统 用户登录／管理 设备／接口／ 参数初始化 耋 籍 ＞ ／’ 原器 ＞ 巫 程式选择 ——．＝二＝＝丁一 矗 ＿］ 厂 蒜 程式更改／ 出程序？ 参数调整？ ＼／ Ｙ 关闭系统 图４程序操作流程 操作系统提供友好的人机交互界面（包括用户管 理界面、主界面、程式管理界面、参数设置界面、编程 界面等），操控简单。可控制的对象包括鼠标、键盘及 ｗｗｗ．ｃｎｉｍ．ｃｒｌ ７９ 应用研究 外部按钮等，通过对程序属性和各种控件的属性节点 的设置，能实现各种形式的操作界面。 登录系统后，程序处于循环等待状态，即等待用 ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ ＲＥＳＥＡＲＣＨ （３）精度高：整机调试完成后，各部件的相对位 置将保持不变。测控系统集视觉检测与激光标刻于 一体，检测结果在系统内部传递，避免了人工检测的 户的操作。用户通过主界面上的按钮可进入其它操作 界面进行相应的操作。当进行自动运行操作时，整个工 作平台运转，上料、检测、打标、下料及其它相应程序 同时动作，自动完成产品的检测与标记任务。 人为差错及传统视觉系统检测与不同系统的激光器 信号传输出现的差错。 （４）适用范围广：针对不同行业的不同客户，该 机可通过更换夹具及机械手的方法来满足客户对不同 工件的加工要求。 （５）程序采用模块化和标准化设计开发，有利 于程序的升级及移植。 该设备已交付某公司投入使用，运行状况良好， 具有较高的实用价值。 参考文献 ５主要技术指标 检测误判率：＜０．１‰； 激光标刻精度：＜５０ ｒｎ，＜０．５。； 机械定位精度：＜０．３ｍｍ； 标刻重复性：＞９９．９％； 工作周期：Ｔ』＿料≤３．０ｓ；Ｔ检测≤３．５ｓ；Ｔ打标≤４．０ｓ； Ｔ下料≤３．０ｓ；Ｔ旋转台转动≤２．０ｓ １戴鹏飞，王胜开，王格芳等．测试工程与ＬａｂＶＩＥｗ应 用．电子工业出版社，２００６． Ｔ其它延时≤１．５ｓ；Ｔ总时间≤Ｍａｘ（Ｔｊ料，Ｔ检测，Ｔ打标，ＴＴ刳）＋ ２周博文，王耀南，鲁娟．智能视觉检测平台的控制 Ｔ旋转台转动＋Ｔ其它延时≤８．５ｓ。 系统研究与开发．仪表技术与传感器，２００７，（８）． ３伍治海，吉顺祥，王明方．基于虚拟仪器的测试仪 器应用研究．仪表技术，２００７，（１０）． ４汪敬贤，闫孝妲，李文江．基于虚拟仪器的光纤瓦 斯传感系统．仪表技术与传感器，２００７，（９）． ６结束语 综上所述，新一代全自动视觉激光打标机能有 效完成工业生产中产品检测及标记的各项任务。该设 备具备以下特点： （１）自动化程度高：该设备采用全自动上、下料 机械手作业，仅需人工补料及转运工件，同时具有完 善的保护报警功能和一定的错误自处理功能。 （２）生产效率高：该机自动化程度高，可实现一 人多机操作。该机启动后，４个工位同时工作，生产 速度是传统同类机械加工设备的数倍至１０数倍。 ５陈锡辉，张银鸿．ＬａｂＶＩＥＷ８．２Ｏ程序设计从入门到 精通．清华大学出版社，２００７． ６ Ｒａｆａｅｌ Ｃ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ，Ｒｉｃｈａｒｄ Ｅ．ＷｏｏｄＳ．数字图 像处理．电子工业出版社，２００３． ７章毓晋．图像处理和分析．清华大学出版社，１９９９． 作者简介：杨伟志，硕士，研发工程师，研究方向为光电 技术与系统、机器视觉与自动化控制、数字图像处理。 （上接第６６页） 参考文献 １成大先，王德夫，姬奎生等．机械设计手册．化学工 业出版社，２００２． ６结束语 运用非标准设计，有效地降低了气体涡轮流量计 ２ ＧＢ／Ｔｌ８９４０—２００３／ＩＳ０９５５１：１９９３封闭管道中气体 流量的测量涡轮流量计． ３ ＩＳＯ ９９５１：１９９３封闭管道中气体流量的测量涡轮 流量计． 作者简介：孙晓东，高级工程师，主要从事气体涡轮流量计 的产品开发。 的传动阻力。经ＤＮ１００型气体涡轮表各项性能测试表 明，该方法有效、实用、安全可靠，并在ＤＮ８０型气体涡 轮表的设计中得以推广和应用。这两种口径的气体涡 轮流＿＝量计在２００３年同时通过辽宁省科技厅的成果鉴 定。产品投放市场后，性能稳定，用户反馈信息良好。 ８０、＾ ｖｗ．ｃｎｉｍ．ｃａ ２００８年第１０期中阅豫 ｛｛ｉ表