馬軼博，王鵬程

(中國電子科技集團公司第二研究所，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[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激光器在完成點膠工序后主要是通過人工鏡檢來判斷點膠效果[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)運行的穩(wěn)定性、操作的便捷性以及設(shè)計成本的可控性，本系統(tǒng)在設(shè)計時采用安川的運動控制板卡MP3200作為運動控制核心，并通過C#高級編程語言設(shè)計HMI人機交互界面，從而完成上位機加下位機的整套控制系統(tǒng)方案設(shè)計。

1 系統(tǒng)及工藝要求

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

1) 上料機構(gòu)。

2) CCD視覺檢測機構(gòu)。

3) 廢料挑揀機構(gòu)。

4) 廢料收納機構(gòu)。

5) 下料機構(gòu)。

上料機構(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，若自動運行時上料區(qū)域檢測到無料盤，系統(tǒng)需報警；CCD視覺檢測機構(gòu)需滿足X/Y方向的同時移動功能；因點膠完后的芯片及墊塊還未固化，采用負壓吸附的方式對廢料進行吸附，可能會對芯片的點膠效果造成二次偏差，因此廢料挑揀機構(gòu)的吸嘴采用電磁鐵進行吸附；廢料收納機構(gòu)及下料機構(gòu)需兼容10*20與9*18兩種規(guī)格料盤。

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

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

全自動鏡檢分選機的控制系統(tǒng)分為三層：第一層為人機交互層；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)行機構(gòu)進行控制，傳統(tǒng)的HMI采用觸摸屏來實現(xiàn)人機交互，但考慮到全自動鏡檢分選機的工藝相對柔性，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界面進行開發(fā)，通過高級編程語言的靈活性實現(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?？删幊踢壿嬁刂破鞑糠职ò泊ǖ腗P3200運動控制板卡、MTP2310輸入輸出模塊、MTP2910脈沖輸出模塊以及伺服電機驅(qū)動器模塊，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、實時性好及可大量擴展子模塊的優(yōu)點，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，不會內(nèi)嵌于工控機，從而保證在進行圖像處理時不會占用工控機的系統(tǒng)資源，進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、鏡頭、步進電機以及伺服電機等，通過各種元器件實現(xiàn)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機控制程序設(shè)計

鏡檢分選設(shè)備的控制系統(tǒng)采用安川公司的MP3200運動控制板卡作為主控制器，因此下位機控制程序采用安川專用軟件MPE720進行開發(fā)。MP3200具有區(qū)別于傳統(tǒng)可編程邏輯控制器的優(yōu)點，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動語言進行邏輯編程，這樣在編程時就可將復(fù)雜的工藝流程簡單化。

鏡檢分選機下位控制軟件在編程時采用梯形圖+運動語言的編程方式[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)進行配置，在配置時要注意各模塊的地址，因為安川總線占用MECHATROLINK-III協(xié)議的前兩個地址，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)會發(fā)出錯誤警報。

在正確設(shè)置各模塊通信地址的前提下，對系統(tǒng)進行編程。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，實現(xiàn)對各個運動軸的點到點運動控制；2)停止子程序，實現(xiàn)各運動軸的停止功能；3)系統(tǒng)管理子程序，實現(xiàn)IO點的實時采集與輸出、報警處理功能以及系統(tǒng)UPH計算功能；4)系統(tǒng)運行子程序，實現(xiàn)對各運動子程序的調(diào)用。低速模式主要包含以下梯形圖子程序：1)Servo ON子程序，控制各運動軸電機的使能與否；2)JOG子程序，實現(xiàn)各運動軸的點動功能；3)STEP子程序，實現(xiàn)各運動軸的定距移動；4)報警清除子程序，實現(xiàn)對邏輯報警及系統(tǒng)報警的清除功能。運動程序包括主程序和子程序兩部分，子程序主要是實現(xiàn)各運動軸調(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，運動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 上位機組態(tài)設(shè)計

上位機組態(tài)軟件采用C#高級編程語言進行開發(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、相機標定、電機參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)等界面。用戶管理界面可創(chuàng)建多用戶進行登錄，且每個登錄用戶的權(quán)限可以設(shè)置；參數(shù)設(shè)置界面實現(xiàn)檢測產(chǎn)品型號的輸入、軸光環(huán)光亮度調(diào)整及相機檢測項參數(shù)上下限的設(shè)置；相機標定界面可確立視場坐標系與機械坐標系間的關(guān)系，從而使圖像定位轉(zhuǎn)換為機械軸的準確運動；電機參數(shù)界面實現(xiàn)對運動流程中各機械軸運動位置點的采集與保存；系統(tǒng)參數(shù)界面實現(xiàn)對料盤批次號、盤號以及檢測起始點的設(shè)置。2)測試管理功能，該功能下包括電機管理和數(shù)據(jù)匯總兩個界面。電機管理界面實現(xiàn)對系統(tǒng)所有運動軸進行控制，包括復(fù)位、JOG、STEP、定位及軸報警清除等功能，該界面可實時顯示各運動軸的位置及運動軸發(fā)生的報警類別和名稱；數(shù)據(jù)匯總界面主要是對設(shè)備的輸入輸出進行實時采集，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、報警記錄及生產(chǎn)信息，方便操作人員及廠家對設(shè)備進行維護升級。4)幫助功能，點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)實際生產(chǎn)項目需要，設(shè)計了全自動鏡檢分選設(shè)備的控制系統(tǒng)方案。重點闡述了該控制系統(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)場的長時間使用驗證，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了客戶提出的工藝及操作要求。