劉夏麗 黃智琦 鄧耀華

智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)*

劉夏麗1,2黃智琦2鄧耀華2

（1.佛山世科智能技術(shù)有限公司，廣東 佛山 528200 2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

針對小批量印刷類柔性材料的切割采用先印刷再定位切割加工的工序，存在操作繁瑣、加工誤差大的問題，設(shè)計將視覺系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)集成的智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)。通過視覺定位設(shè)置加工材料的工件零點(diǎn)和加工軌跡的偏轉(zhuǎn)角。該系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確識別標(biāo)識點(diǎn)，進(jìn)行切割加工，提高切割加工精度和效率。

印刷材料；視覺定位；數(shù)控切割

0 引言

印刷類柔性材料如包裝紙盒、各種瓦楞紙箱、KT板、PP背膠等，一般采用先印刷圖案后裁切加工的工序[1]。大批量裁切通常利用預(yù)制刀模進(jìn)行加工[2-3]；小批量裁切傳統(tǒng)方式采用紅外十字光定位，將材料放在數(shù)控切割機(jī)臺面指定位置進(jìn)行切割加工，但由于印刷品本身偏差以及每次放置材料的位置偏差，加工誤差較大。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展，可在原有數(shù)控切割機(jī)上加裝視覺定位系統(tǒng)[4-5]，將印刷材料上的2~4個定位標(biāo)識點(diǎn)作為定位基準(zhǔn)，通過識別標(biāo)識點(diǎn)確定加工位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位；但需在原有切割機(jī)觸摸屏控制的基礎(chǔ)上增加一臺計算機(jī)安裝視覺定位軟件，發(fā)送指令給數(shù)控切割機(jī)嵌入式控制器，成本大幅增加。

針對上述問題，本文提出視覺系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)合的智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)，將機(jī)器控制與視覺定位集成在一個軟件，通過識別多種標(biāo)識點(diǎn)來確定加工位置和加工偏轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)有印刷圖案材料的自動定位切割。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)將視覺系統(tǒng)與運(yùn)動控制集于一體，包括圖像處理模塊、運(yùn)動控制模塊、I/O接口模塊和人機(jī)接口模塊，如圖1所示。

圖1 智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖像處理模塊通過工業(yè)相機(jī)獲取定位標(biāo)識點(diǎn)圖像并進(jìn)行處理；將定位標(biāo)識點(diǎn)作為相對點(diǎn)判斷切割路徑的相對位置關(guān)系，傳輸?shù)街骺刂破?。運(yùn)動控制模塊根據(jù)主控制器發(fā)出的指令，調(diào)整，，，，1和1等軸的位置，完成切割。I/O接口模塊連接輸入裝置（接近開關(guān)、限位開關(guān)、光柵傳感器和急停開關(guān)等）和輸出裝置（振動刀、風(fēng)機(jī)、筆、銑刀及激光燈等）。人機(jī)接口模塊通過鍵盤、鼠標(biāo)輸送定位標(biāo)識點(diǎn)數(shù)量、對比度、亮度、曝光時間等視覺參數(shù)及數(shù)控系統(tǒng)控制命令和參數(shù)，并且顯示系統(tǒng)狀態(tài)、參數(shù)及結(jié)果信息。

2 系統(tǒng)硬件組成

圖2 智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)的硬件組成

在原有的數(shù)控切割機(jī)振動刀側(cè)邊加裝視覺相關(guān)設(shè)備，包括CCD、鏡頭、光源，視覺設(shè)備安裝圖如圖3所示。視覺設(shè)備跟隨機(jī)頭一起運(yùn)動。切割機(jī)由主控制器在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)6軸聯(lián)動，切割加工誤差小于0.1 mm。

圖3 視覺設(shè)備安裝圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)軟件在Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行，整體軟件架構(gòu)如圖4所示，主要包括圖像采集、視覺定位計算和運(yùn)動控制3部分。圖像采集部分主要包括圖像采集與參數(shù)設(shè)置、Linux的V4L2視頻采集接口模塊和圖像采集卡驅(qū)動模塊。運(yùn)動控制部分主要包括運(yùn)動控制應(yīng)用層、任務(wù)規(guī)劃層、運(yùn)動控制層、驅(qū)動層和硬件抽象層等模塊。視覺定位計算部分根據(jù)工業(yè)相機(jī)采集的圖像和運(yùn)動控制部分反饋的當(dāng)前位置，計算出機(jī)頭位置調(diào)整量，達(dá)到精確定位的目的。

圖4 智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

數(shù)控切割系統(tǒng)啟動并回零后，便可以根據(jù)加載的文件進(jìn)行切割加工。系統(tǒng)將PLT文件轉(zhuǎn)化為NC代碼后，按照NC代碼來執(zhí)行指定動作。每一個NC文件的初始位置，都給出定位標(biāo)識點(diǎn)的數(shù)量和坐標(biāo)，格式如下：

%

(markNum = 2) （定位標(biāo)識點(diǎn)數(shù)量為2）

(markPos1 = [548.975, 226.500]) （第1個定位標(biāo)識點(diǎn)坐標(biāo)為[548.975, 226.500]）

(markPos2 = [271.000, 3.000]) （第2個定位標(biāo)識點(diǎn)坐標(biāo)為[271.000, 3.000]）

(rightDown = [551.975, 0.0]) （右下角加工點(diǎn)坐標(biāo)為[551.975, 0.0]）

M201

M5

T2 M6

G92.1

……

傳統(tǒng)數(shù)控加工中不存在視覺方面的操作，故NC文件中沒有相關(guān)視覺的NC代碼指令。本文通過M201自定義指令，在CCD運(yùn)行時，先執(zhí)行Linux系統(tǒng)中視覺定位相關(guān)的M201同名可執(zhí)行程序，等該程序運(yùn)行退出后，再執(zhí)行NC文件的指令。

M201.ngc 文件如下：

O sub

M66P4L0 （等待視覺處理結(jié)束）

O83 IF [ #5399 EQ 0 ] （如果對位ok）

M123P0Q1 （打開氣缸，材料吸附在臺面上）

G4P3 （等待調(diào)整運(yùn)動到位）

O83 ENDIF

O endsub

在NC代碼中使用O代碼進(jìn)行條件判斷，O sub和O endsub 表示該程序的開始和結(jié)束。M66表示讀取運(yùn)動控制模塊的模擬量或數(shù)字量的HAL輸入管腳。程序運(yùn)行后，一旦發(fā)現(xiàn)有視覺處理命令，便調(diào)用相應(yīng)的視覺處理程序，命令執(zhí)行完成后，在HAL中某個特定管腳輸出執(zhí)行結(jié)果，而管腳與數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動控制層的不同模擬量輸入口相連，使用M66指令讀取該值，并把管腳的值保存在數(shù)控系統(tǒng)第5399號參數(shù)中。如此，實(shí)現(xiàn)視覺定位，繼續(xù)執(zhí)行下面的切割加工NC程序。

軟件人機(jī)交互界面的作用是反映切割機(jī)的狀態(tài)（運(yùn)行狀態(tài)、各軸坐標(biāo)、I/O口狀態(tài)、圖像識別定位結(jié)果等）、顯示CCD圖像和接收用戶操作（手動控制、參數(shù)調(diào)整等）。本文采用QT來設(shè)計圖形界面，系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5 智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)主界面

4 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行現(xiàn)場樣機(jī)測試，實(shí)現(xiàn)印刷材料的視覺定位切割加工。測試實(shí)驗(yàn)采用的材料為圖6所示的印刷卡紙，印刷有2個口罩盒圖案。根據(jù)加工需要，在印刷圖案中選取2個標(biāo)識點(diǎn)作為視覺定位標(biāo)識點(diǎn)。切割加工刀路PLT文件顯示如圖7所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號為WIT-2516S，配備智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)，安裝有振動刀、壓輪。

圖6 測試用印刷材料

圖7 切割加工刀路PLT文件顯示圖

加工前，需先進(jìn)行CCD示教。CCD示教會生成定位方案，生成一個mark.ini 文件及pattern.bmp文件存儲視覺處理信息。CCD示教步驟如下：1）在主界面CNC處于手動模式下點(diǎn)擊右側(cè)CCD示教按鈕，彈出CCD定位界面；2）在識別選項(xiàng)卡中進(jìn)行Mark點(diǎn)模板選取識別，下方拍攝識別界面顯示有2個綠色十字（Mark點(diǎn)），雙擊綠色十字，CCD將運(yùn)動到該位置，點(diǎn)擊識別按鈕即完成Mark點(diǎn)識別；3） 2個Mark點(diǎn)都識別完成后，點(diǎn)擊完成示教，即可將定位方案存檔，點(diǎn)擊自動定位進(jìn)行驗(yàn)證，狀態(tài)欄實(shí)時顯示識別結(jié)果；4）點(diǎn)擊自動按鈕，回到主界面，再點(diǎn)擊運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)自動定位切割。CCD示教界面如圖8所示；切割加工結(jié)果如圖9所示，切割誤差小于0.1 mm。

圖8 CCD示教界面

圖9 切割加工結(jié)果

5 結(jié)論

智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)已在實(shí)際生產(chǎn)中批量應(yīng)用。在實(shí)際加工過程中，Mark點(diǎn)正確識別率達(dá)到98%，相對于示教位置，/方向偏移可達(dá)到±25 mm，旋轉(zhuǎn)角度±10o，而實(shí)際加工誤差小于0.1 mm，滿足印刷材料的切割加工要求。同時可實(shí)現(xiàn)陣列加工，輸入偏移值，可同步處理多個待切割材料，解決了印刷材料小批量精準(zhǔn)切割加工的問題。在材料放置有小范圍偏移和旋轉(zhuǎn)的情況下，不需要人工干預(yù)，仍然可以沿著預(yù)定軌跡切割，提高切割效率和精度。

[1] 沈國榮.2017印后加工工藝和設(shè)備發(fā)展新趨勢(下)[J].印刷雜志,2017(8):67-68.

[2] 佚名.包裝紙箱模切壓線的處理方法[J].上海包裝,2018(8): 25-27.

[3] 于帆帆.數(shù)字模切技術(shù)攜手傳統(tǒng)模切——讓技術(shù)成就藝術(shù)[J].今日印刷,2018(3):37-40.

[4] 杜勇,吳軍,覃紹先,等.基于機(jī)器視覺的便攜式激光切割系統(tǒng)設(shè)計[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2019(4):73-76,81.

[5] 於文欣,陳廣鋒,靳向威.基于機(jī)器視覺的方塊毯縱向自動切割系統(tǒng)設(shè)計[J].上海紡織科技,2017,45(7):57-59.

Intelligent Visual NC Cutting System

Liu Xiali1,2Huang Zhiqi2Deng Yaohua2

(1.Foshan ShiKe Intelligent Technology Co., Ltd. Foshan 528200, China 2.Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In order to solve the problems of tedious operation and large machining error in the cutting process of small batch printing flexible materials, an intelligent vision NC cutting system integrating vision system and motion control system is designed. The zero point of the workpiece and the deflection angle of the machining track are set by visual positioning. The system has been applied in practical production, which can quickly and accurately identify the identification points, carry out cutting processing, and improve the cutting accuracy and efficiency.

printing materials; visual positioning; NC cutting

TG659

A

1674-2605(2020)04-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.006

劉夏麗，女，1992年生，碩士研究生。主要研究方向：測量控制與儀器儀表。E-mail: xailil@fswitc.com

黃智琦，男，1994年生，碩士研究生。主要研究方向：機(jī)器視覺與數(shù)控系統(tǒng)。

鄧耀華，男，1978年生，教授，主要研究方向：數(shù)字控制、機(jī)器視覺。