黃亞珂， 陳珂， 王洲明， 朱文琦

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065）

0 引言

由于視覺檢測(cè)可以快速獲得大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此視覺檢測(cè)越來(lái)越多地被用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域［1］。某企業(yè)為檢測(cè)一種印有特殊圖案的板材，且檢測(cè)板材圖案的復(fù)雜性和檢測(cè)要求極高，上位視覺檢測(cè)采用具有高速響應(yīng)要求的線陣CCD工業(yè)相機(jī)，檢測(cè)間隔為0.01 mm，檢測(cè)速度為3～6 m/min，檢測(cè)板材幅面較廣，基于此提出了雙驅(qū)軸移動(dòng)拍照和高速觸發(fā)信號(hào)處理的視覺檢測(cè)控制系統(tǒng)，并保持高度開放性以便與上位檢測(cè)軟件的交互。

1 檢測(cè)過(guò)程分析

由于上位視覺檢測(cè)采用高像素高精度的線陣CCD相機(jī)，檢測(cè)的板材尺寸較大，圖案分布幅度較為廣闊，而且檢測(cè)板材型號(hào)可變，即檢測(cè)區(qū)域須可調(diào)整，故上位視覺檢測(cè)采用4臺(tái)相機(jī)并行分布，勻速移動(dòng)對(duì)檢測(cè)板材進(jìn)行勻速掃描檢測(cè)，4臺(tái)相機(jī)安裝于龍門立軸支撐的橫梁之上，相機(jī)的安裝精度由安裝架及其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成，而且上位檢測(cè)軟件及其特制的校準(zhǔn)尺可以整定修正4臺(tái)相機(jī)的同步性，而修正過(guò)后拍照過(guò)程的移動(dòng)同步性將由雙驅(qū)軸伺服系統(tǒng)來(lái)完成，系統(tǒng)的關(guān)鍵在于雙軸坐標(biāo)系的建立與同步過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

圖1 檢測(cè)流程框圖

由于拍照速度在3～6 m/min之間可調(diào)，拍照間隔為0.01 mm，可計(jì)算出拍照觸發(fā)信號(hào)頻率為5～10 kHz，為了保證0.01 mm的拍照間隔精度，伺服全閉環(huán)反饋的外置直線光柵的分辨率為0.5 μm，周期為2 μm，在拍照速度范圍內(nèi)光柵的采樣頻率可達(dá)到25～50kHz，而常規(guī)的PLC周期一般在ms級(jí)別［2］，顯然不能滿足響應(yīng)需求，故須研究設(shè)計(jì)高頻響應(yīng)的信號(hào)處理方案。

由于線陣相機(jī)檢測(cè)須檢測(cè)平面平整，而實(shí)際檢測(cè)板材形變不規(guī)則，故在檢測(cè)平臺(tái)須有負(fù)壓吸附功能存在，而在安裝檢測(cè)板材及更換檢測(cè)板材時(shí)須解除板材負(fù)壓效果并且產(chǎn)生正壓氣浮，在常規(guī)使用時(shí)須有清潔吹氣的環(huán)節(jié)存在，正壓和負(fù)壓共存于設(shè)備之上，故須設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)捷耐用的氣動(dòng)系統(tǒng)。

針對(duì)檢測(cè)過(guò)程綜合分析，檢測(cè)流程如圖1所示，在此控制流程的基礎(chǔ)之上，對(duì)檢測(cè)過(guò)程的總體控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并探討了雙驅(qū)同步技術(shù)與超采樣控制技術(shù)。

2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)視覺檢測(cè)過(guò)程的分析與工況需要，并結(jié)合電氣控制系統(tǒng)開發(fā)的一般流程，設(shè)計(jì)了視覺檢測(cè)控制系統(tǒng)框圖，如圖2所示，主要構(gòu)架是：中央控制器采用德國(guó)BECKHOFF（倍福）CP62系列工業(yè)面板型PC，既可作為實(shí)現(xiàn)控制功能的處理器，也同時(shí)被用作人機(jī)界面，同時(shí)與上位檢測(cè)軟件的通訊也將通過(guò)該控制器的以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)，設(shè)備本身也設(shè)計(jì)實(shí)體操縱按鈕，上位軟件通過(guò)以太網(wǎng)通訊也可實(shí)現(xiàn)操作與警示信息顯示；中央控制器配以EtherCAT高速工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)和實(shí)時(shí)控制TwinCAT自動(dòng)化軟件，實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)龍門軸同步運(yùn)動(dòng)的功能，驅(qū)動(dòng)器采用AX5000系列雙通道配置，搭配倍福AM8000系列伺服（OCT技術(shù)即單電纜技術(shù)）；龍門軸閉環(huán)實(shí)現(xiàn)依靠雷尼紹高精度直線光柵（分辨率0.5 μm）；使用EeherCAT工業(yè)以太網(wǎng)通訊后，大大提高了PC機(jī)與驅(qū)動(dòng)器、I/O模塊之間的響應(yīng)速度，縮短了控制周期，所以不會(huì)影響到反饋信號(hào)的處理；為實(shí)現(xiàn)拍照需求高頻響應(yīng)，采用了倍福XFC模塊，即龍門軸移動(dòng)過(guò)程中，主動(dòng)軸光柵尺反饋信號(hào)接到光柵反饋模塊進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)將光柵的A.A-、B.B-兩路差分經(jīng)高速光耦轉(zhuǎn)換接到XFC超采樣輸入模塊（1μs響應(yīng)時(shí)間）進(jìn)行分布時(shí)鐘—精確同步控制，當(dāng)拍照間隔距離滿足拍照要求，經(jīng)總線進(jìn)入控制器處理，然后發(fā)出拍照信號(hào)經(jīng)XFC超采樣輸出模塊（1μs響應(yīng)時(shí)間）發(fā)出拍照信號(hào)，該拍照信號(hào)會(huì)經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為拍照需要的5V差分信號(hào)。氣路采用SMC真空發(fā)生組件，能夠通過(guò)電磁閥邏輯控制的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)正壓與負(fù)壓的切換。編程語(yǔ)言采用結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言，即ST語(yǔ)言，ST語(yǔ)言擁有高級(jí)語(yǔ)言的開放性和結(jié)構(gòu)化特性，使得控制程序更加簡(jiǎn)單有效，便于與上位機(jī)鏈接。

圖2 控制系統(tǒng)構(gòu)架框圖

3 雙驅(qū)同步功能設(shè)計(jì)

目前雙驅(qū)同步實(shí)現(xiàn)的方法主要有兩種方式，第一種是主從方式，第二種為交叉耦合方式［3］。而第二種主要針對(duì)機(jī)械剛性不好、對(duì)稱性不高的龍門系統(tǒng)，而此次工況下，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，部件選擇精度等級(jí)高，絲杠選用德國(guó)億孚，等級(jí)為C3；直線導(dǎo)軌選用日本THK，等級(jí)為H級(jí)；軸承選用日本NSK，等級(jí)為P3；機(jī)械安裝基準(zhǔn)面為大理石00級(jí)，安裝基礎(chǔ)精度較高；龍門立柱及橫梁也采用大理石材，對(duì)稱性和穩(wěn)定性好，故采用主從控制方式，此種方式主要難點(diǎn)為雙驅(qū)雙原點(diǎn)回復(fù)及耦合同步過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，其基礎(chǔ)首先是對(duì)單伺服軸的控制，能夠形成閉環(huán)控制，控制框圖如圖3。

圖3 軸控制框圖

在大多數(shù)數(shù)控龍門軸控制和主從軸控制過(guò)程中，采用絕對(duì)式外置光柵或者絕對(duì)式編碼器等反饋元件，由機(jī)械起始裝配精度保證雙軸原點(diǎn)一致性，在使用過(guò)程中采用單邊回零或者不回零的方式，此種方式較易實(shí)現(xiàn)，卻存在隱患，例如：雙軸原點(diǎn)同步難以實(shí)現(xiàn)，使用及維護(hù)過(guò)程雙驅(qū)失去同步性之后喪失回原位功能，對(duì)從軸運(yùn)行狀況缺乏主動(dòng)的控制及檢測(cè)。而且由于此次選用的高精度增量式直線光柵，使用過(guò)程中回原位更是必不可少，在單軸伺服控制基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)出雙驅(qū)回原位邏輯過(guò)程，如圖4所示，借助激光干涉儀等高精度檢測(cè)設(shè)備和TwinCAT軟件進(jìn)行測(cè)試和補(bǔ)償后，雙驅(qū)回原點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)，坐標(biāo)系得到統(tǒng)一，為雙驅(qū)同步運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

運(yùn)行過(guò)程的雙驅(qū)同步采用電子齒輪的方式實(shí)現(xiàn)，電子齒輪代替機(jī)械齒輪，不僅效率高，磨損更小，實(shí)現(xiàn)雙軸速比穩(wěn)定同步運(yùn)行，同步性能可借助控制參數(shù)調(diào)整，在使用過(guò)程發(fā)生零部件磨損時(shí)，可通過(guò)調(diào)整參數(shù)重新校核同步性能，借助TwinCAT軟件的示波器和伺服調(diào)試功能，調(diào)整雙軸的速度跟隨和位置跟隨，使其匹配良好，參照運(yùn)行過(guò)程中的扭矩和電流修正參數(shù)，并在控制程序中檢測(cè)兩軸坐標(biāo)和扭矩，做到雙驅(qū)閉環(huán)控制，保證雙驅(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 雙驅(qū)軸回原位框圖

4 高速響應(yīng)實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的PLC控制方法和硬件處理速度還處在ms級(jí)，不能適應(yīng)線陣相機(jī)的高頻響應(yīng)特性，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，也需要依賴專用的、獨(dú)立的控制器，而且必須有直接控制的I/O，而這種實(shí)現(xiàn)方法有諸多缺點(diǎn)，例如：這些獨(dú)立的控制器對(duì)主控系統(tǒng)而言只包含了極其有限的信息，而且不能用于主控制器的決策，此外參數(shù)的重整定也受到限制，而固定的I/O配置使得可擴(kuò)展性很差，最致命的缺陷在于掃描時(shí)間較長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)高度響應(yīng)拍照要求，需滿足響應(yīng)速度快的要求，準(zhǔn)確地采集輸入值和準(zhǔn)時(shí)地輸出，為了達(dá)到上述要求，采用了基于分布式時(shí)鐘的Beckhoff XFC模塊，由于所有的EtherCAT設(shè)備都具有本地時(shí)鐘，并通過(guò)EtherCAT通訊自動(dòng)連續(xù)地與其它所有的時(shí)鐘保持同步［4］。

利用XFC模塊的分布時(shí)鐘特性，在中央控制器中可以分別建立用于其它時(shí)序性要求較常規(guī)的主程序MAIN部，任務(wù)等級(jí)為1，響應(yīng)視覺檢測(cè)需求的拍照程序XFC，任務(wù)等級(jí)為0，XFC程序部分受主程序控制通斷而優(yōu)先級(jí)別較高，使其在采集信號(hào)和輸出信號(hào)上高頻準(zhǔn)確響應(yīng)，設(shè)置XFC任務(wù)周期為100 μs，在組態(tài)配置里面進(jìn)行采樣信號(hào)分頻，使其達(dá)到1.25 μs的輸入和輸出采樣時(shí)間，從硬件上滿足響應(yīng)要求，關(guān)鍵是信號(hào)的處理。實(shí)施方案為：在XFC控制程序里面建立存儲(chǔ)字節(jié)，對(duì)任務(wù)周期內(nèi)采集的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)識(shí)別和存儲(chǔ)，通過(guò)MAIN程序控制在拍照開始后XFC模塊高頻采集直線光柵的A+/A-信號(hào)，普通的計(jì)數(shù)器功能不能準(zhǔn)確響應(yīng)高頻計(jì)數(shù)，在邏輯控制中采用拾取邊沿信號(hào)的方式來(lái)計(jì)算拍照間隔，經(jīng)處理器程序XFC處理運(yùn)算達(dá)到間隔需求后再通過(guò)總線把輸出值寫入到輸出模塊，輸出的電平信號(hào)經(jīng)光耦電平轉(zhuǎn)換使視覺檢查系統(tǒng)產(chǎn)生拍照動(dòng)作，從而獲取檢測(cè)信息，分時(shí)多任務(wù)的處理方式使得運(yùn)動(dòng)控制和其它邏輯控制與視覺檢測(cè)控制能夠高效準(zhǔn)確地進(jìn)行。5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

本系統(tǒng)主要是針對(duì)某印板特殊圖案的視覺檢測(cè)，而圍繞此檢測(cè)方式和過(guò)程，首先對(duì)龍門立軸的同步移動(dòng)進(jìn)行機(jī)械校準(zhǔn)和電氣參數(shù)整定，使得裝配精度和基準(zhǔn)精度得到保證，通過(guò)激光干涉儀及水平測(cè)試儀等測(cè)試設(shè)備使得裝配過(guò)程得到保證，而單軸伺服的上電調(diào)試主要針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的三環(huán)控制，使得其響應(yīng)速度和位置跟隨等達(dá)到良好融合的程度，當(dāng)雙軸均單獨(dú)調(diào)試達(dá)到精度和穩(wěn)定性要求后，針對(duì)雙軸回原位進(jìn)行調(diào)試和差值補(bǔ)償及校準(zhǔn)，同步過(guò)程進(jìn)行不同速度和方式的測(cè)試，進(jìn)一步校準(zhǔn)和修正控制器的參數(shù)，吸附和氣浮功能能夠使待測(cè)工件樣品適應(yīng)不同工作方式下的邏輯校核和穩(wěn)定性測(cè)試，并且主要針對(duì)后續(xù)拍照平面度要求進(jìn)行測(cè)試和吸附壓力調(diào)整，而拍照過(guò)程主要配合上位拍照軟件進(jìn)行校準(zhǔn)，針對(duì)其中出現(xiàn)的信號(hào)穩(wěn)定性和防干擾做出了相應(yīng)的處理措施，對(duì)人機(jī)操作和警示信息號(hào)信號(hào)進(jìn)行了完善和維護(hù)，并對(duì)各種可能意外出現(xiàn)的狀況在程序上制定了相關(guān)處理措施，最后與上位視覺檢測(cè)軟件順利進(jìn)行了對(duì)接，使得上位順利接管底層電氣控制盒信息采集。6結(jié)語(yǔ)

根據(jù)特殊板材圖案視覺檢測(cè)的需求，開發(fā)出了視覺檢測(cè)設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)，對(duì)雙驅(qū)同步技術(shù)和超采樣信號(hào)采集與處理技術(shù)進(jìn)行了研究，探討了雙驅(qū)同步軸的回原位過(guò)程及其同步過(guò)程的閉環(huán)控制，針對(duì)拍照的高頻響應(yīng)特性，進(jìn)行了高頻信號(hào)采集、處理和輸出的程序開發(fā)，借助Beckhoff TwinCAT軟件進(jìn)行了程序模塊化編制和人機(jī)界面編寫，運(yùn)用以太網(wǎng)順利與上位視覺檢測(cè)軟件鏈接，完成了某印板檢測(cè)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并測(cè)試運(yùn)行良好。

［參考文獻(xiàn)］

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