鏡檢設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬軼博，王鵬程

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

TO激光器件具有體積小、效率高及壽命長的特點(diǎn)[1,2]，主要應(yīng)用于光通信、信息存儲與處理、軍事應(yīng)用、醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及科學(xué)研究等領(lǐng)域。目前國內(nèi)外的TO激光器在完成點(diǎn)膠工序后主要是通過人工鏡檢來判斷點(diǎn)膠效果[3,4]，但人工鏡檢存在效率低以及一致性差的問題，從而影響激光器的成品率。全自動(dòng)鏡檢設(shè)備的出現(xiàn)，替代了傳統(tǒng)人工鏡檢，提高了激光器的成品率。為兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、操作的便捷性以及設(shè)計(jì)成本的可控性，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用安川的運(yùn)動(dòng)控制板卡MP3200作為運(yùn)動(dòng)控制核心，并通過C#高級編程語言設(shè)計(jì)HMI人機(jī)交互界面，從而完成上位機(jī)加下位機(jī)的整套控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)及工藝要求

全自動(dòng)鏡檢分選設(shè)備主要是對TO激光器中PD芯片及陶瓷墊塊在點(diǎn)膠工序完成后的效果進(jìn)行檢測[5]，設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括以下幾部分：

1) 上料機(jī)構(gòu)。

2) CCD視覺檢測機(jī)構(gòu)。

3) 廢料挑揀機(jī)構(gòu)。

4) 廢料收納機(jī)構(gòu)。

5) 下料機(jī)構(gòu)。

上料機(jī)構(gòu)需兼容10*20與9*18兩種規(guī)格料盤，且單次上料盤數(shù)不能低于5盤，若自動(dòng)運(yùn)行時(shí)上料區(qū)域檢測到無料盤，系統(tǒng)需報(bào)警；CCD視覺檢測機(jī)構(gòu)需滿足X/Y方向的同時(shí)移動(dòng)功能；因點(diǎn)膠完后的芯片及墊塊還未固化，采用負(fù)壓吸附的方式對廢料進(jìn)行吸附，可能會(huì)對芯片的點(diǎn)膠效果造成二次偏差，因此廢料挑揀機(jī)構(gòu)的吸嘴采用電磁鐵進(jìn)行吸附；廢料收納機(jī)構(gòu)及下料機(jī)構(gòu)需兼容10*20與9*18兩種規(guī)格料盤。

該設(shè)備的主要工藝難點(diǎn)全部集中在CCD視覺檢測項(xiàng)部分，檢測項(xiàng)主要包括以下部分：

1) PD和墊塊的漏貼、多貼。

2) PD和墊塊的錯(cuò)貼。

3) PD和墊塊的貼裝方向。

4) PD和墊塊的表面臟污。

5) PD和墊塊的浮高。

6) PD和墊塊的破損。

7) PD與TO管座的同心度。

8) PD和墊塊各邊的溢膠量以及溢膠面積和。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

全自動(dòng)鏡檢分選機(jī)的控制系統(tǒng)分為三層：第一層為人機(jī)交互層；第二層為設(shè)備控制層；第三層為元器件層。三層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三層結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)

人機(jī)交互層也稱為HMI層，該層可將設(shè)備的所有信息展示給操作人員，也可通過操作人員對設(shè)備的所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，傳統(tǒng)的HMI采用觸摸屏來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，但考慮到全自動(dòng)鏡檢分選機(jī)的工藝相對柔性，使用傳統(tǒng)的觸摸屏將無法完成所有的工藝要求，因此本系統(tǒng)采用C#高級編程語言對HMI界面進(jìn)行開發(fā)，通過高級編程語言的靈活性實(shí)現(xiàn)設(shè)備工藝的柔性化操作。設(shè)備控制層包括兩部分：一部分是可編程邏輯控制器，另一部分是視覺控制器。可編程邏輯控制器部分包括安川的MP3200運(yùn)動(dòng)控制板卡、MTP2310輸入輸出模塊、MTP2910脈沖輸出模塊以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊，所有模塊之間采用安川公司的MECHATROLINK-III專用總線連接，該總線具有傳輸速率快、實(shí)時(shí)性好及可大量擴(kuò)展子模塊的優(yōu)點(diǎn)，通過本層可將元器件層的信號傳送給HMI層，也可將HMI層的控制信號通過本層發(fā)送給設(shè)備上的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該部分起到承上啟下作用；視覺控制器采用松下的PV200獨(dú)立控制器，該視覺控制器的好處在于圖像處理軟件位于外部的控制器中，不會(huì)內(nèi)嵌于工控機(jī)，從而保證在進(jìn)行圖像處理時(shí)不會(huì)占用工控機(jī)的系統(tǒng)資源，進(jìn)而可保證上位軟件的穩(wěn)定性。元器件層主要包括各種光電傳感器、電磁閥、數(shù)顯表、氣缸、相機(jī)、鏡頭、步進(jìn)電機(jī)以及伺服電機(jī)等，通過各種元器件實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

鏡檢分選設(shè)備的控制系統(tǒng)采用安川公司的MP3200運(yùn)動(dòng)控制板卡作為主控制器，因此下位機(jī)控制程序采用安川專用軟件MPE720進(jìn)行開發(fā)。MP3200具有區(qū)別于傳統(tǒng)可編程邏輯控制器的優(yōu)點(diǎn)，不僅支持傳統(tǒng)的梯形圖編程，還支持用類似于高級語言的運(yùn)動(dòng)語言進(jìn)行邏輯編程，這樣在編程時(shí)就可將復(fù)雜的工藝流程簡單化。

鏡檢分選機(jī)下位控制軟件在編程時(shí)采用梯形圖+運(yùn)動(dòng)語言的編程方式[6]，為確保硬件系統(tǒng)的通信正常，需在MPE720中對硬件網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，在配置時(shí)要注意各模塊的地址，因?yàn)榘泊偩€占用MECHATROLINK-III協(xié)議的前兩個(gè)地址，因此其他模塊的起始地址應(yīng)該從3開始，且各模塊所設(shè)地址不能重復(fù)，否則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤警報(bào)。

在正確設(shè)置各模塊通信地址的前提下，對系統(tǒng)進(jìn)行編程。梯形圖程序中包括高速和低速兩種模式，高速模式的掃描速度較快，低速模式的掃描速度較慢，且只有高速模式下的梯形圖掃描完成之后才會(huì)掃描低速模式下的梯形圖。在高速模式中主要包含以下梯形圖子程序：1)定位子程序，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制；2)停止子程序，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)軸的停止功能；3)系統(tǒng)管理子程序，實(shí)現(xiàn)IO點(diǎn)的實(shí)時(shí)采集與輸出、報(bào)警處理功能以及系統(tǒng)UPH計(jì)算功能；4)系統(tǒng)運(yùn)行子程序，實(shí)現(xiàn)對各運(yùn)動(dòng)子程序的調(diào)用。低速模式主要包含以下梯形圖子程序：1)Servo ON子程序，控制各運(yùn)動(dòng)軸電機(jī)的使能與否；2)JOG子程序，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)軸的點(diǎn)動(dòng)功能；3)STEP子程序，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)軸的定距移動(dòng)；4)報(bào)警清除子程序，實(shí)現(xiàn)對邏輯報(bào)警及系統(tǒng)報(bào)警的清除功能。運(yùn)動(dòng)程序包括主程序和子程序兩部分，子程序主要是實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)軸調(diào)用梯形圖定位子程序的功能，主程序?qū)崿F(xiàn)對工藝流程的編寫，運(yùn)動(dòng)主程序包括以下幾部分：1)上料子程序；2)圖像檢測子程序；3)廢料挑揀子程序；4)下料子程序。

3.2 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)

上位機(jī)組態(tài)軟件采用C#高級編程語言進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)工藝要求，上位組態(tài)主界面主要包括以下幾部分：1)系統(tǒng)管理功能，該功能下包括用戶管理、參數(shù)設(shè)置、相機(jī)標(biāo)定、電機(jī)參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)等界面。用戶管理界面可創(chuàng)建多用戶進(jìn)行登錄，且每個(gè)登錄用戶的權(quán)限可以設(shè)置；參數(shù)設(shè)置界面實(shí)現(xiàn)檢測產(chǎn)品型號的輸入、軸光環(huán)光亮度調(diào)整及相機(jī)檢測項(xiàng)參數(shù)上下限的設(shè)置；相機(jī)標(biāo)定界面可確立視場坐標(biāo)系與機(jī)械坐標(biāo)系間的關(guān)系，從而使圖像定位轉(zhuǎn)換為機(jī)械軸的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)；電機(jī)參數(shù)界面實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)流程中各機(jī)械軸運(yùn)動(dòng)位置點(diǎn)的采集與保存；系統(tǒng)參數(shù)界面實(shí)現(xiàn)對料盤批次號、盤號以及檢測起始點(diǎn)的設(shè)置。2)測試管理功能，該功能下包括電機(jī)管理和數(shù)據(jù)匯總兩個(gè)界面。電機(jī)管理界面實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)所有運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行控制，包括復(fù)位、JOG、STEP、定位及軸報(bào)警清除等功能，該界面可實(shí)時(shí)顯示各運(yùn)動(dòng)軸的位置及運(yùn)動(dòng)軸發(fā)生的報(bào)警類別和名稱；數(shù)據(jù)匯總界面主要是對設(shè)備的輸入輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，輸入輸出包括數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入及模擬量輸出。3)查詢功能，該功能主要是查詢系統(tǒng)的操作記錄、報(bào)警記錄及生產(chǎn)信息，方便操作人員及廠家對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)升級。4)幫助功能，點(diǎn)擊該功能按鈕可打開設(shè)備的使用說明書，便于操作人員更好的控制操作設(shè)備。

4 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目需要，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)鏡檢分選設(shè)備的控制系統(tǒng)方案。重點(diǎn)闡述了該控制系統(tǒng)的電氣構(gòu)成以及上位組態(tài)軟件和下位控制軟件的功能及結(jié)構(gòu)。通過在客戶現(xiàn)場的長時(shí)間使用驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了客戶提出的工藝及操作要求。