視覺定位激光打標(biāo)裝置的設(shè)計(jì)*

黃志富，黃俊彬，陳朝大，顏士朋，梁 莉，李晉東

（廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523083）

0 引言

激光打標(biāo)技術(shù)是一門綜合了機(jī)電數(shù)控、光電子和計(jì)算機(jī)等技術(shù)為一體的機(jī)電一體化加工技術(shù)。其作為激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)晶，是激光加工領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一[1]。視覺定位激光打標(biāo)技術(shù)就是以激光打標(biāo)為基礎(chǔ)發(fā)展而來的，激光器首先是選用光纖來傳送激光，然后通過振鏡對(duì)激光進(jìn)行反射來打標(biāo)。本文研究設(shè)計(jì)一款基于視覺定位激光打標(biāo)裝置，研究設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)將視覺檢測(cè)定位技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的激光加工技術(shù)中，兩者相結(jié)合能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位打標(biāo)，產(chǎn)品任意擺放、無需工裝夾具，且全自動(dòng)視覺定位激光打標(biāo)機(jī)可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、定位打標(biāo)一體化應(yīng)用[2]。這與傳統(tǒng)的激光打標(biāo)機(jī)比起來，不僅大大地節(jié)省了人力成本和工作時(shí)間，而且對(duì)技術(shù)工人的要求也有所降低，極高地提高了生產(chǎn)效率。

本文將主要通過設(shè)計(jì)反射鏡來對(duì)激光進(jìn)行反射，從而達(dá)到改變激光光路的同時(shí)，也可以讓工業(yè)相機(jī)對(duì)打標(biāo)物品進(jìn)行拍攝定位。由于激光打標(biāo)裝置光路要與視覺系統(tǒng)相結(jié)合，因此將設(shè)計(jì)一款45°的鏡片反射結(jié)構(gòu)來令其結(jié)合，實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)的配合。同時(shí)研究了對(duì)視覺系統(tǒng)的矯正標(biāo)定方法，該系統(tǒng)首先對(duì)工業(yè)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定獲得攝像機(jī)鏡頭的內(nèi)外參數(shù)及畸變系數(shù)，然后由雙目攝像機(jī)采集工件圖像，通過相應(yīng)的圖像處理算法獲得工件位置的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)打標(biāo)機(jī)對(duì)工件的定位。最后，通過針對(duì)不同產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際打標(biāo)測(cè)試，驗(yàn)證該方案的可行性和整體的視覺定位打標(biāo)精度[3]。

1 視覺定位系統(tǒng)的工作原理

視覺自動(dòng)定位系統(tǒng)的工作原理主要是通過設(shè)備裝置所帶的工業(yè)相機(jī)將采集到實(shí)物圖像傳送到視覺圖像處理系統(tǒng)中，圖像處理定位軟件將計(jì)算出實(shí)物的偏移距離以及角度，然后將相關(guān)的偏移量信息反饋給到外部的平臺(tái)控制器，平臺(tái)控制器通過精密計(jì)算，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成位置的糾偏功能[4-5]。定位偏移可以人工設(shè)置，如果超出偏移設(shè)定范圍，系統(tǒng)軟件將無法運(yùn)行。機(jī)器視覺定位系統(tǒng)的主要流程如圖1所示。

圖1 視覺定位系統(tǒng)流程

2 視覺定位激光打標(biāo)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 激光打標(biāo)裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的機(jī)械視覺系統(tǒng)一般由視覺系統(tǒng)、圖像采集單元、圖像處理單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及人機(jī)界面等模塊組成。其中，視覺系統(tǒng)主要有光源、鏡頭、工業(yè)相機(jī)等，而圖像采集單元、圖像處理單元都是通過計(jì)算機(jī)來完成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是打標(biāo)機(jī)，人機(jī)界面主要是通過電腦顯示屏來體現(xiàn)[6-8]。傳統(tǒng)的激光打標(biāo)機(jī)需要將打標(biāo)產(chǎn)品用工裝夾具定位，本課題研究一款視覺定位激光打標(biāo)裝置，該裝置利用CCD視覺定位系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位打標(biāo)，產(chǎn)品任意擺放、無需工裝夾具。

激光視覺定位打標(biāo)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考現(xiàn)有的激光打標(biāo)機(jī)，結(jié)合自身的改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)了一款可反射激光的視覺定位激光打標(biāo)裝置，圖2所示為打標(biāo)機(jī)主要設(shè)計(jì)部件結(jié)構(gòu)示意圖。本次設(shè)計(jì)的打標(biāo)裝置有兩大部分組成，首先是激光打標(biāo)機(jī)部分，主要是由光纖激光器、振鏡、反射鏡和計(jì)算機(jī)等組成；其次是視覺定位系統(tǒng)部分，主要由工業(yè)相機(jī)和鏡頭、光源等組成[9-10]。本設(shè)計(jì)的視覺定位激光打標(biāo)裝置主要由兩個(gè)部分系統(tǒng)組成。第一部分是激光打標(biāo)機(jī)，主要功能是對(duì)被加工零件進(jìn)行激光打標(biāo)；第二部分利用視覺定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光自動(dòng)打標(biāo)。待加工零件任意擺放在加工區(qū)域內(nèi)，通過視覺定位系統(tǒng)的相機(jī)拍照取圖傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行視覺識(shí)別定位，得到待標(biāo)記的準(zhǔn)確位置。最后，通過激光打標(biāo)機(jī)的精確打標(biāo)，實(shí)現(xiàn)激光自動(dòng)打標(biāo)。

圖2 打標(biāo)裝置的結(jié)構(gòu)

2.2 激光光路與視覺系統(tǒng)配合設(shè)計(jì)

激光光路與視覺系統(tǒng)的配合設(shè)計(jì)通過一個(gè)可調(diào)整鏡片的45°角，將激光反射到傳送帶上，而相機(jī)則位于傳送帶正上方，可以拍攝到被打標(biāo)物的狀況，從而將信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別和計(jì)算，最終進(jìn)行打標(biāo)，圖3所示為激光光路與視覺系統(tǒng)的配合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。通過對(duì)視覺系統(tǒng)打標(biāo)軟件和設(shè)計(jì)方法的集成封裝，在裝置的部分專業(yè)設(shè)計(jì)上可減少設(shè)計(jì)操作步驟和數(shù)據(jù)處理時(shí)間，降低了人為出錯(cuò)的可能性，大大提高了設(shè)計(jì)效率[11]。

圖3 激光光路與視覺系統(tǒng)的配合設(shè)計(jì)

2.3 視覺定位打標(biāo)裝置硬件選型

激光打標(biāo)機(jī)硬件部分中的光纖激光器，按激光器分類打標(biāo)機(jī)主要分為光纖激光打標(biāo)機(jī)、YAG激光打標(biāo)機(jī)、CO2激光打標(biāo)機(jī)等。而本次設(shè)計(jì)選用的是光纖激光器，因?yàn)樗脫较⊥猎夭ＡЧ饫w作為增益介質(zhì)的激光器和其他打標(biāo)器相比，電光轉(zhuǎn)化率較高，效率更高，更適合做工業(yè)生產(chǎn)的打標(biāo)機(jī)[6]。

振鏡決定了激光打標(biāo)機(jī)工作時(shí)，它能打標(biāo)的范圍，它決定了激光打標(biāo)機(jī)的效率和能加工的復(fù)雜難度。激光打標(biāo)卡主要用于將使用者在電腦上設(shè)計(jì)的文字圖案等轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后傳到振鏡里面，本設(shè)計(jì)選用了金橙子打標(biāo)卡，該品牌打標(biāo)卡功能完整，能滿足普通的打標(biāo)功能。紅光指示器的選用原則為光斑的調(diào)整范圍，紅光指示器用于指示光路，工業(yè)上使用的光纖激光器發(fā)射出來的光線是看不見的，而紅光指示器的650 nm的光是看得見的，通過合束鏡將650 nm的光與1064 nm的光重合，所以紅光指示器發(fā)出的光線的路徑即為激光的路徑。工控電腦可以使用普通電腦，對(duì)于光纖打標(biāo)機(jī)來說，因?yàn)槠涫褂玫拇驑?biāo)卡是USB打標(biāo)卡，所以還可以使用筆記本電腦。

視覺定位系統(tǒng)部分中的工業(yè)相機(jī)的選擇上，本文選用了海康威視品牌的MV-CA060-11GM型號(hào)相機(jī)，分辨率為3072×2048，靶面尺寸1/1.8。此分辨率足夠完成本裝置實(shí)現(xiàn)視覺定位激光打標(biāo)的任務(wù)，靶面尺寸也能夠滿足工作區(qū)域的打標(biāo)任務(wù)。本設(shè)計(jì)開發(fā)的視覺系統(tǒng)對(duì)拍攝圖片質(zhì)量要求較高，選擇了環(huán)形的LED白色光源，該光源對(duì)產(chǎn)品的打光效果明顯，可清晰獲取產(chǎn)品特征效果。

3 視覺定位激光打標(biāo)軟件設(shè)計(jì)

給激光打標(biāo)機(jī)增加一個(gè)視覺定位系統(tǒng)，就能不用人工校正和夾緊，也能對(duì)打標(biāo)的物體進(jìn)行精確打標(biāo)。視覺定位激光打標(biāo)機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位打標(biāo)，產(chǎn)品任意擺放、無需工裝夾具，且全自動(dòng)視覺定位激光打標(biāo)機(jī)可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、定位打標(biāo)一體化應(yīng)用。這與傳統(tǒng)的激光打標(biāo)機(jī)比起來，不僅大大節(jié)省了人力成本和工作時(shí)間，而且對(duì)技術(shù)工人的要求也有所降低，極高地提高了生產(chǎn)效率。

視覺定位激光打標(biāo)系統(tǒng)的主要功能首先包括視覺系統(tǒng)拍照獲取工件的圖像，并能顯示到軟件界面上；其次還需要對(duì)激光坐標(biāo)系和圖像視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成激光打標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)際坐標(biāo)系；最后視覺系統(tǒng)需要對(duì)拍照獲取的圖像進(jìn)行識(shí)別定位，將定位到的產(chǎn)品實(shí)際位置傳送到激光打標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了視覺定位激光打標(biāo)功能。本設(shè)計(jì)的視覺定位軟件結(jié)合激光打標(biāo)系統(tǒng)，完成了視覺定位激光打標(biāo)的功能。根據(jù)視覺定位激光打標(biāo)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將該軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開發(fā)模塊和功能需求進(jìn)行結(jié)合，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了整體的模塊化設(shè)計(jì)。本軟件系統(tǒng)主要分為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、圖像采集模塊、圖像識(shí)別定位模塊、激光打標(biāo)模塊。其中系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的激光打打標(biāo)系的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；圖像采集模塊主要將產(chǎn)品的當(dāng)前位置進(jìn)行拍照，獲取產(chǎn)品的圖像信息；圖像識(shí)別模塊主要根據(jù)識(shí)別定位算法獲取產(chǎn)品的中心位置，識(shí)別定位算法主要包括有輪廓提取識(shí)別定位算法、模板匹配識(shí)別定位算法等識(shí)別定位算法；激光打標(biāo)模塊則是根據(jù)定位信息，對(duì)圖形進(jìn)行變換后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行激光打標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了視覺定位激光打標(biāo)。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4 軟件的設(shè)計(jì)框架

4 測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.1 視覺定位激光打標(biāo)工藝實(shí)現(xiàn)

隨著科技的發(fā)展，激光打標(biāo)技術(shù)也在不斷地更新，市面上大部分20W/30W的光纖激光打標(biāo)機(jī)，一般的激光打標(biāo)機(jī)，在打標(biāo)加工的時(shí)候，所加工零件須處于一個(gè)固定的位置，并且加工過程中不能晃動(dòng)，加工的圖案才能加工到產(chǎn)品指定位置上，這些是對(duì)普通激光打標(biāo)機(jī)加工工藝的常識(shí)?，F(xiàn)在新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，視覺定位激光打標(biāo)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品只要在激光打標(biāo)掃描振鏡的加工范圍內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確打標(biāo)；即每次的位置即使不一樣，也可以正常進(jìn)行工作任務(wù)。本技術(shù)運(yùn)用了視覺定位原理，先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模板制定，保存為標(biāo)準(zhǔn)模板，在加工時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行拍照，由計(jì)算機(jī)對(duì)比及位置定位，調(diào)整后即可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工。所加工的產(chǎn)品外形可以是圓形、方形、非規(guī)則形狀都可以識(shí)別；這種工藝特別適合小產(chǎn)品，可免除定位料盤、固定夾具的加工，大大節(jié)省了激光打標(biāo)加工周期。解決微型產(chǎn)品的不好擺放跟效率慢的問題，光纖激光打標(biāo)機(jī)光電轉(zhuǎn)換效率高，采用風(fēng)冷方式冷卻，整機(jī)體積小巧，輸出光束質(zhì)量好，免維護(hù)。方便操作者對(duì)工件實(shí)時(shí)檢測(cè)，大幅面工作臺(tái)可任意固定和調(diào)節(jié)。

4.2 視覺定位激光打標(biāo)的測(cè)試

視覺定位激光打標(biāo)裝置的打標(biāo)主要誤差由視覺定位系統(tǒng)的誤差和激光打標(biāo)系統(tǒng)的精度誤差綜合疊加決定。激光打標(biāo)系統(tǒng)的精度誤差又取決于激光光路系統(tǒng)的硬件安裝和打標(biāo)系統(tǒng)的振鏡矯正等。本文主要通過對(duì)比傳統(tǒng)的激光機(jī)械定位打標(biāo)精度，主要驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的視覺定位激光打標(biāo)裝置整體打標(biāo)精度。通過測(cè)試一款陶瓷產(chǎn)品多個(gè)數(shù)量的打標(biāo)結(jié)果，在陶瓷表面打標(biāo)兩個(gè)相距30 mm的圓環(huán)，測(cè)試方法為在打標(biāo)視野范圍內(nèi)不同位置進(jìn)行打標(biāo)測(cè)試。主要測(cè)試就是陶瓷標(biāo)刻的兩個(gè)圓環(huán)的中心點(diǎn)距離。測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。從結(jié)果數(shù)據(jù)中可知，在打標(biāo)視野不同范圍內(nèi)，在打標(biāo)視野中間位置的視覺打標(biāo)精度最高，兩側(cè)的視覺打標(biāo)精度較低，但是在允許的誤差范圍內(nèi)。根據(jù)分析主要原因是視覺系統(tǒng)中，相機(jī)拍攝的四周會(huì)產(chǎn)生一定的畸變影響，而中間部分未產(chǎn)生畸變，因此中間部分精度較高。通過整合分析，本次驗(yàn)證的整體打標(biāo)精度相比傳統(tǒng)的激光打標(biāo)精度，打標(biāo)精度高，大大提高產(chǎn)品的定位精度和加工效率。

表1 視覺定位激光打標(biāo)誤差測(cè)試統(tǒng)計(jì)表mm

5 結(jié)束語

本文開頭闡述了視覺定位激光打標(biāo)裝置，更加直觀地認(rèn)識(shí)視覺定位激光打標(biāo)技術(shù)的便利性以及可靠性。本文設(shè)計(jì)了一款基于視覺定位的激光打標(biāo)裝置，該裝置占地空間小，且結(jié)合了傳統(tǒng)激光打標(biāo)技術(shù)和先進(jìn)的機(jī)器視覺識(shí)別定位技術(shù)，讓打標(biāo)精度和效率得到較大提高。該設(shè)計(jì)主要關(guān)鍵技術(shù)是使用視覺模塊的學(xué)習(xí)能力和識(shí)別能力，讓激光打標(biāo)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打標(biāo)，減少了很多人工定位夾緊的步驟，其次是關(guān)于一個(gè)打標(biāo)機(jī)和機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)合的結(jié)構(gòu)，選用的方案是設(shè)計(jì)一個(gè)45°的激光反射鏡，將工業(yè)相機(jī)置于激光頭正上方，使其工作區(qū)域與拍攝區(qū)域重合。另外在激光打標(biāo)的工作區(qū)域與操作臺(tái)，還設(shè)計(jì)了隔板，高能能量的光束對(duì)眼睛傷害很大，在保證便利性的同時(shí)本裝置也考慮了其安全性。