新一代全自动视觉激光打标机的研究与开发

  根据功能要求，整个工作平台可分为四个工位，即上料工位、检测工位、打标工位、下 料工位。从上料、检测、打标到下料四个工序完成工件的整个检测与标记任务。其工作流程 如图 4 所示。

  随着技术和市场之间的竞争日趋激烈，质量正成为产品最大的竞争力[1]。产品检验测试与标记是产 品生产中质量保证的关键环节。随着生产的持续不断的发展和工艺要求的逐步的提升，研发自动化程 度高，快速，高效，高精度的产品检验测试与标记设备成为必然的发展趋势。

  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，构建产品检验测试与标记系统，是用于集成电路基板检测和激光标记的专业设备。该 设备的上料、检测、打标、下料四个工位同时运转于工作平台，有机协调，能够高精度、高 速度完成产品检验测试与标记任务，加上完善的感应触发装置及保护报警功能，能轻松实现无人作 业，真正的完成自动化操作，是集光、机、电、计算机、机器视觉、自动控制等技术为一体的 检测设备[2]。

  程序操作流程如图 6 所示。登录系统后，程序处于循环等待状态，即等待用户的操作。 用户通过主界面上的按钮可进入其它操作界面进行一定的操作。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。

  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与仪器与测 控系统硬件资源有机整合，从而把计算机强大的计算解决能力和仪器硬件的测量、控制能力 结合在一起[3]。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、图解采 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（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、 外部信号的监控等等。

  运动控制卡采用步进机电有限公司生产的 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，原点和限位信号的检测等等）。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 16 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[4]。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。通用 I/O 接线 所示。

  摘 要：在第一代半自动视觉激光打标机的基础上成功研发新一代全自动视觉激光打标机。 该设备以 LabVIEW 为软件开发平台, 以 PC 机为控制主体，整合计算机硬件资源与激光器、 工业相机、机械手等测试与控制（以下简称测控）硬件资源，采用软硬件标准化、一体化、 模块化设计，构建产品检验测试与标记系统，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、适合使用的范围广等性能优势。 关键词：视觉检测；测控系统；自动化；LabVIEW；软件平台 中图分类号：TP23

  LabVIEW 软件采用数据流模型，实现了自动的多线程，从而能充分的利用处理尤其是多 处理器的解决能力[7]。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[2]。 如图 5 所示，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，能轻松实现打开、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。

  在本设备的研发过程中，东莞市奥普特自动化科技有限公司提供了良好的研发环境和充 裕的研发条件，卢盛林工程师给予了精心的指导，徐培工程师，宋斌工程师承担了大量试验 工作，在此谨致谢意。

  [1] 戴鹏飞，王胜开，王格芳等．测试工程与 LabVIEW 应用．北京：电子工业出版社，2006． [2] 周博文，王耀南，鲁娟．智能视觉检验测试平台的控制管理系统研究与开发．仪表技术与传感器，2007(8) ：72-75． [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):56-60． [4] 步进机电有限公司．MPC07SP 运动控制卡操作手册．四川：成都步进机电有限公司,2006． [5] 中国大恒(集团)有限公司 北京图像视觉技术分公司．DH—M 系列（USB2.0 接口）数字摄像机使用说 明书．北京：中国大恒(集团)有限公司 北京图像视觉技术分公司，2007． [6] 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):39-40． [7] 陈锡辉，张银鸿．LabVIEW8.20 程序设计从入门到精通．北京：清华大学出版社，2007． [8] Rafael C. Gonzalez， Richard E. Woods．数字图像处理．第二版．北京：电子工业出版社，2003． [9] 章毓晋．图像处理和分析．北京：清华大学出版社，1999． [10] 美国国家仪器（NI）公司 2007 年产品资料． [11] 冯国彦，石林锁，岳增平．基于 LabVIEW 的一种新型过程操控方法及实现．电子测量与仪器学报， 2007(4) ：77-81． [12] 刘涛．基于 LabVIEW 的热分析仪器软硬件设计及功能介绍．现代科学仪器，2007，21(4) ：49-51． [13] 刘荣荣，容汇．基于 LabVIEW 的气体流量计自动检定系统．仪表技术与传感器，2007(8) ：41-43．

  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，能实现各种各样的形式的操作界面[6]。

  系统采用中国大恒（集团）有限公司 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[5]。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，接着进行图像的处理和分析。

  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里产品检验测试及标记的各项 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，四个工位同时工作，生产速 度是传统同类机械加工设施的数倍至十数倍。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：针对不一样的行业的不一样的客户，该机可通过更换夹具及机械手的方法来实现用户对不同 工件的加工要求，几乎个个行业都可使用。同时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到正常的使用中，运作状况良好，具有较高的实用价值。

  本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 统起到三个层面的作用，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，提供友好的人机对线 个方面的内容： 一是程序运行时的显示模式；二是程序对操作的相应方式[3,6]。

  机器视觉检测对照明系统有较高的要求。本系统采用东莞市奥普特自动化科技有限公司 生产的数字光源控制器 DP1024 及一对同轴条形光源。该数字光源控制器具有四输出通道， 输出 DC0V—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。

  激光器采用华工激光 HGLaserMark2.0.8，并使来自以太网实现与 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。

  该系统结构设计的基本要求紧凑，以节省场地。同时采用一体化设计，可以大幅度降低由于机台 间相对移动而对精度造成的影响。在夹具及机械手的设计上采用模块化设计，可快速更换夹 具，以达到检测不一样的尺寸的产品或不一样的产品的要求，提高系统的扩展性及适用性。

  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 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。工作平台如图 1 所示。该工作平台主要由以下几个主要部分所组成： 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。机架大多数都用在固 定激光器、旋转工作台、上下料机械手等。机架保证每个部分的相对位置，以及整台机器的 刚性。旋转台可 360 度旋转，使工件夹具切换到不同的工位。夹具用于装架工件，以完成各 个工序，夹具可作 180 度旋转，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。