一种用于激光划片设备的机器视觉自动定位系统的制作方法

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种用于激光划片设备的机器视觉自动定位系统。

背景技术：

目前，工业生产中，激光切割划片设备作为精密切割专用设备受到广泛应用；激光高速开关光的控制、以及在划片过程中激光能量的监控和补偿，在高精度半导体行业中显得尤其重要；目前行业中所用的运动控制系统，单一、响应慢，没有综合激光能量实时监控，且运动控制器的执行效率非常低；该控制方式使得运动平台到位和激光的触发开关响应延时较长，最终造成了划片过程中产生内缩现象。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于激光划片设备的机器视觉自动定位系统，本发明包括运动控制系统、机器视觉系统、激光功率闭环控制系统的设计，本发明在加工过程中只需要通过下位机硬件完成自动定位切割，提高加工精度。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于激光划片设备的机器视觉自动定位系统。

本发明是通过以下技术方案予以实现的。

一种用于激光划片设备的机器视觉自动定位系统，包括运动控制系统、机器视觉系统、激光功率闭环控制系统；所述机器视觉系统获取工件的位置坐标值，所述运动控制系统根据所述机器视觉系统提供的工件的坐标值控制激光划片设备的激光器运动，在激光器运动过程中，所述激光功率闭环控制系统实时控制激光器的激光功率的输出；所述运动控制系统包括用于控制激光划片设备顺序上电的逻辑控制及器件开关控制的逻辑控制器、运动执行系统以及定位激光开关光控制系统，所述逻辑控制器将激光划片设备上电后，所述定位激光开关光控制系统用于控制激光划片设备上激光器的信号输入端；所述机器视觉系统主要由led光源、聚焦镜、ccd摄像机、图像采集卡、光学系统和计算机组成；所述led光源包括led同轴光源及led背光源；所述激光功率闭环控制系统主要由运动控制器、波片电机、波片电机驱动器、激光功率采集模块、计算机组成，所述激光功率采集模块对激光划片设备在划片过程中激光能量进行实时监控，并通过控制波片电机实时调节激光输出的能量；在本发明中，所述逻辑控制器为逻辑控制板卡，逻辑控制板卡可对其外形进行机械加工，可变性更高。

本发明只需要通过下位机硬件完成自动定位切割，提高了加工精度，同时激光功率闭环控制系统在切割过程中为激光加工功率做实时补偿，从而保证加工过程中的稳定性。

更进一步的，所述逻辑控制器配合激光划片设备的开关按钮、关机按钮、紧急停止按钮、钥匙开关、复位按钮完成开关动作，并控制压力传感器、安全闸门电磁阀、真空电磁阀、集尘电磁阀、继电器线圈、蜂鸣器、三色指示灯完成相应的动作。

所述运动执行系统主要由x/y/z轴及旋转轴电机、x/y/z轴及旋转轴驱动器、运动控制器、计算机组成，所述运动控制器通过连接线与x/y轴的旋转驱动器连接，z轴旋转轴驱动器与z轴旋转轴电机为一体，同时安装在z轴工作平台上；所述运动控制器主要为x/y/z轴及旋转驱动器提供模拟信号和脉冲信号并控制x/y/z轴及旋转轴电机运动，所述计算机用于人机交流并控制所述运动执行系统。

所述定位激光开关光控制系统主要用于激光划片设备的输入信号进行控制，主要采用光栅尺信号采集样板卡完成，所述光栅尺信号采集样板卡包括差分信号转单端信号模块、计数和mcu模块、数据存储模块、串口通信模块；所述光栅尺信号采集样板卡使用的光栅尺信号为正交信号，所述串口通信模块将正交信号传送给所述差分信号转单端信号模块，所述差分信号转单端信号模块将正交信号转为单端信号，所述数据存储模块用于存储激光划片设备在划片过程中激光开关光的坐标位置，激光划片设备运动使得坐标位置替换，所述mcu模块提取相应的坐标位置并完成所计数模块的控制；所述逻辑控制器实现了设备的启动工作，所述x/y/z轴及旋转轴电机、光栅尺信号采集板卡及x/y/z轴及旋转轴驱动器组成一全闭环控制，并通过调节所述运动控制器的参数实现激光划片设备平台的控制。

更进一步的，所述逻辑控制器的主芯片为具有单16位高精度a/d转换器，包括晶振电路、复位电路及调试电路，所述逻辑控制器主要用于开机按钮、关机按钮。

更进一步的，所述led同轴光源和背光源的光线照射到待检测的加工件上反射光线经过聚焦镜折射后在ccd摄像机的光电传感器上形成了图像，该图像通过所述光学系统转换为电信号，电信号经过所述图像采集卡进行模数转换工作之后保存到所述计算机，所述计算机运行相应的图像处理软件根据亮度、像素分布和颜色对物件的形状、尺寸以及颜色进行判别。

更进一步的，所述光源控制器主要用于接收pc主机的信号，并驱动led光源实现不同的照明亮度及照明方式；其硬件电路包括电源模块、mcu模块、led驱动模块、人机交换模块。

更进一步的，所述激光功率闭环控制系统的功率调节方式为：外围器件的调节及上位机软件界面上的调节；所述外围器件调节是指通过调节装载有可调光衰减器的电动马达的旋转角度来调节激光的功率；所述上位机软件界面上的调节是指在上位机软件内部设定所需要的激光功率，激光器内部自动调节至所设定的功率值。

更进一步的，所述波片电机为一种电动旋转马达，用于装载所述可调光衰减器；所述波片电机驱动器将所述运动控制器给出的脉冲和方向信号转化为电流信号控制电机运动。

更进一步的，所述激光功率采集模块包括两级放大电路、电源模块；所述电源模块包括供电模块及基准电压源模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明中的逻辑控制板卡相对于plc更节约成本；体积比plc更小，结构设计使用更灵活，可根据机械要求对其外形进行改造设计；可变性及灵活性更高，使得i/o口得到最充分的利用；

2、本发明采用了光栅尺信号位置采集，电机运动到位会进行位置校正，到达位置精度更加准确，采用步进-伺服算法，使得电机控制精度较高，既解决了伺服到位后处于整定状态下电机产生的抖动现象，又解决了步进电机运动过程中出现的丢脉冲现象、精度差的缺点；

3、本发明的z轴采用五相步进电机和驱动器，可进行大惯性负载的驱动，无增益调整，不会发生微振情形，解析度高、惯性负载更大且高响应。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的运动控制系统框图。

图3为输入输出口扩展框图。

图4为控制电路图。

图5为机器视觉系统框图。

图6为激光功率闭环控制框图。

图7为激光功率测量工作原理图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

如图1所示，一种用于激光划片设备的机器视觉自动定位系统，包括运动控制系统、机器视觉系统、激光功率闭环控制系统；所述机器视觉系统获取工件的位置坐标值，所述运动控制系统根据所述机器视觉系统提供的工件的坐标值控制激光划片设备的激光器运动，在激光器运动过程中，所述激光功率闭环控制系统实时控制激光器的激光功率的输出；所述运动控制系统包括用于控制激光划片设备顺序上电的逻辑控制及器件开关控制的逻辑控制器、运动执行系统以及定位激光开关光控制系统；所述机器视觉系统主要由led光源、聚焦镜、ccd摄像机、图像采集卡、光学系统和计算机组成；所述led光源包括led同轴光源及led背光源；所述激光功率闭环控制系统主要由运动控制器、波片电机、波片电机驱动器、激光功率采集模块、计算机组成。

本发明只需要通过下位机硬件完成自动定位切割，提高了加工精度，同时激光功率闭环控制系统在切割过程中为激光加工功率做实时补偿，从而保证加工过程中的稳定性。

如图2所示，所述逻辑控制器配合激光划片设备的开关按钮、关机按钮、紧急停止按钮、钥匙开关、复位按钮完成开关动作，并且也控制其它的器件如压力传感器、安全闸门电磁阀、真空电磁阀、集尘电磁阀、继电器线圈、蜂鸣器、三色指示灯等完成相应的动作；所述运动执行系统主要由x/y/z轴及旋转轴电机、x/y/z轴及旋转轴驱动器、反馈机构、运动控制器、计算机组成；所述运动控制器通过连接线与x/y轴的旋转驱动器连接，z轴旋转轴驱动器与z轴旋转轴电机为一体，同时安装在z轴工作平台上；所述运动控制器主要为x/y/z轴及旋转驱动器提供模拟信号和脉冲信号并控制x/y/z轴及旋转轴电机运动，所述计算机用于人机交流并控制所述运动执行系统；所述定位激光开关光控制系统主要用于激光划片设备的输入信号进行控制，主要采用光栅尺信号采集样板卡完成，所述光栅尺信号采集样板卡包括差分信号转单端信号模块、计数和mcu模块、数据存储模块、串口通信模块；所述光栅尺信号采集样板卡使用的光栅尺信号为正交信号，所述串口通信模块将正交信号传送给所述差分信号转单端信号模块，所述差分信号转单端信号模块将正交信号转为单端信号，所述数据存储模块用于存储激光划片设备在划片过程中激光开关光的坐标位置，激光划片设备运动使得坐标位置替换，所述mcu模块提取相应的坐标位置并完成所计数模块的控制；所述逻辑控制器实现了设备的启动工作，所述x/y/z轴及旋转轴电机、光栅尺信号采集板卡及x/y/z轴及旋转轴驱动器组成一全闭环控制，并通过调节所述运动控制器的参数实现激光划片设备平台的控制。

本实施例的x/y轴的驱动器均为elmo伺服驱动器，z轴的驱动器与z轴电机一体，共同安装在z轴平台上，与电机一起配合带动z轴做垂直运动；驱动器与运动控制器通过线连接，运动控制器主要给各轴的驱动器提供模拟信号和脉冲信号从而控制各轴电机运动；x/y轴电机带动x/y轴平台做和y方向的运动，z轴电机负责调节聚焦镜的焦平面，可以使聚焦镜做垂直方向上下运动，本实施例还设有e轴，e轴为旋转轴，使平台做旋转运动，可以做0.01度旋转调节；运动控制器控制整个系统的运动操作，是整个运动控制系统的核心；计算机完成人机交流工作，通过编写相应的软件，完成对整个系统的控制。

本实施例中的x/y轴电机采用的是parker公司的直线电机、elmo伺服驱动器、thk公司所提供的导轨、jena的光栅尺；本系统的x/y平台运行参数有：有效加工行程为200mm，最大移动速度为500mm/s，定位精度为土0.008mm，重复精度为0.0012，加速度为20m/s²；由于本系统选用的是直线电机，不需要通过齿轮、滚珠丝杆或皮带传动将电机连接到负载上，不存在运动部件的间隙和弹性，提高整个闭环控制系统动态响应性能；闭环系统中，栅尺的分辨率为0.0001mm，光栅读数头安装在x/y轴平台固定部件上，标尺光栅安装在平台的活动部件上。

本系统中的电气限位就是在光栅尺上面贴上黑色的限位标志，当读数头检测到限位标志时，会给运动控制器一个高低电平的变化信号，然后运动控制器控制电机完成停止操作。

elmo驱动器存在两个反馈接口，feedbacka（主反馈）和feedbackb（辅助反馈）；其中feedbacka接口是一个输入接口，其用来接收光栅尺反馈信号并将该信号传送给驱动器内部信号处理单元，用以作为elmo驱动器工作在速度环模式状态下的反馈信号；一般运动伺服系统一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环、位置环；电流环是指把电流作为反馈信号的控制系统，在伺服控制系统中它主要起到提高系统的机械特性的作用，一般选用电流互感器作为其反馈元件；速度环是把速度信号作为反馈信号的控制系统，速度环在电流环外面，在伺服控制系统中它主要起到控制转速的作用，一般选用模拟测速机或编码器作为其反馈元位置环是把位置信号作为反馈信号的控制系统；位置环在速度环的外面，在伺服控制系统中起着位置控制的作用，其反馈元件为光栅尺、编码器、旋转变压器、感应同步器。

本实施例中z轴采用东方马达arl系列五相步进电机和驱动器，arl系列是由微步驱动器与内含转子位置传感器的高效率步进电动机组成的组合产品；采用闭环控制的arl系列即使在负载急剧变化、急加速时也能够继续运行；在电动机运行中还能监控运行速度与旋转数，并在发生过载等情况时立即进行闭环控制，使电动机以最大转矩继续运行。

z轴平台上下微位移运动距离为0.1um，移动行程为30mm，z轴的负载主要为光学元器件，其运动过程中需要带动聚焦镜沿着z轴方向做升降运动，会根据不同的加工对象调节加工平面的离焦量；本系统的电机运动控制为脉冲方向控制方式，在脉冲控制的中，galil运动控制器的指令脉冲输出信号占空比为50%；运动控制器以开环方式工作，不需要附加编码器信号反馈；在此模式下，z轴的辅助编码器不能用于外部连接；本系统采用编码器作为位置反馈，并且编码器连接到对应轴的主编码器输入口，为开环控制；galil运动控制器能够用滤波器参数ks对输出脉冲频率进行平滑处理。

所述逻辑控制器的主芯片为具有单16位高精度a/d转换器，包括晶振电路、复位电路及调试电路，所述逻辑控制器主要用于开机按钮、关机按钮。

在本实施例中，所述逻辑控制器的主控芯片为美国aid公司的aduc848模块，具有单16位高精度a/d转换器，扩展主/从模式最多可达16路模拟输入通道的微控制器，该芯片具有在线调试功能，使得调试过程非常方便，该控制板卡主要是对aduc848的16路i/0口进行扩展，将p0.0~p0.7八路输出口扩展为32路输出口，将p1.0~p1.7八路输入口扩展为32路输入口；aduc848的最小系统主要包括：晶振电路、复位电路、psen调试电路，该模块所使用的外部晶振为32.768khz，可通过改变单片机内部pll控制寄存器来实现倍频处理，最高可达12.582912mhz，复位电路采用传统的rc复位电路，该电路中通过手动按复位按钮来完成相应的高电平复位动作。

如图3所示，32路输入口经过32路光电耦合器ps2505进行隔离，然后再经过74ls373锁存器进行数据锁存，aduc848通过对74ls139译码器的地址输入端进行控制选通相应的锁存器，进而完成对输入口状态读取；同理，aduc848的输出口经过74ls373锁存器进行数据锁存，再经过光耦隔离，将8路输出口扩展为32路输出口。

由于所述逻辑控制器会出现电误动作，在单片机aducu48的上电程序加载过程中其输出口有高低电平的变换，aduc848程序加载完成之后其端口的电平会处于稳定状态，使得激光划片设备启动不能正常运行；本实施例中采用的电器以及电磁阀等器件为24v供电，为了激光划片设备能正常运行，添加了相应的控制电路，该电路实现了控制24v供电电源的开断，如图4所示，整个电路是一个开关控制电路，由pnp三极管、光电耦合器和继电器构成，具有一定的隔离作用，并且稳定性强；图中powerctr为aduc848的p3.4口，q1为pnp型三极管9012，u2为toshiba晶体管输出光电耦合器tlp627；p3.4在此电路中作为输出口使用，由pnp三极管的导通条件可知，当该引脚为低电平时pnp型三极管导通，使得光耦输入端发光二极管导通，进而使得输出端电路导通，输出端接控制24v电源的继电器的线圈；当该继电器的线圈通电之后，其相应的常闭触点就会断开，常开触点就会闭合，所以图4中常开触点cr1闭合，24v电源可以给其它线路供电；当p3.4口输出电压为高电平时候，pnp型三极管就会截止，后续电路也不会导通；由此可得，当p3.4为高电平时，电路截止，24v电源不供电；当p3.4为低电平时候，电路导通，24v电源给其它电路供电。

运动控制器是整个控制系统的核心单元模块，控制系统的性能、精度均依赖于运动控制器的快速控制能力，在本实施例中运动控制器采用galil公司的dmc-2183运动控制器，该运动控制器具有高速通信、非易失程序存储器、高速编码器反馈接收、高抗干扰性等强大的功能。

在整个划片过程中，所述光栅信号采集板卡根据数据存储器内的坐标位置，完成对定位点的激光开关控制。

所述差分信号单端信号模块采用的编码器计数芯片为ls7366r，所述ls7366r芯片的正交信号输入口为单端信号，将光栅尺的正交信号通过am26c32差分转单端芯片将差分信号转为单端信号。

所述计数模块采集光栅尺信号，并对光栅尺脉冲数进行计数，本系统选用的计数芯片为ls7366r，其供电电压范围为3v-5.5v，当为5v供电时计数频率为40mhz，3v供电时计数频率为201mhz；该芯片内部有32位计数寄存器、数据寄存器、比较器和输出寄存器、两个8位的模式寄存器、8位的指令寄存器和状态寄存器；可以通过spi总线与单片机等控制芯片进行通讯，可编程传输数据可以配置为8位、16位或者32位；同时具有比较、借位、进位、index信号中断锁存输出功能和1倍、两倍、4倍正交输入信号倍频功能。

所述数据存储模块为at24c256-2.7数据存储器，其工作电压范围为.7v~5.5v，是一个256k位串行cmose2prom，内部含有262144位，可通过i2c总线接口进行操作；所述数据存储模块主要是用于存储切割过程中激光开关光的坐标位置，在本系统初始化过程中，上位机通过串口通信将所有的切割坐标传给单片机使其存储到at24c256中，当平台开始运动以后，在坐标替换过程中，单片机会提取相应的坐标位置完成计数芯片的控制，然后进行坐标比对，从而完成激光开关光的控制，大大缩短通讯时间。

如图5所示，所述led同轴光源和背光源的光线照射到待检测的加工件上反射光线经过聚焦镜折射后在ccd摄像机的光电传感器上形成了图像，该图像通过所述光学系统转换为电信号，电信号经过所述图像采集卡进行模数转换工作之后保存到所述计算机，所述计算机运行相应的图像处理软件根据亮度、像素分布和颜色对物件的形状、尺寸以及颜色进行判别。

当被切割物作放在旋转台上时候，当该物件的边缘在自动调焦系统镜头的视野中出现，计算机对包含该边缘的小区域的图像质量用自动调焦评价函数进行判别；如果该区域不在自动调焦系统镜头的景深范围内，调焦控制机构控制z轴电机上下微位移运动，使得被切割物件处于该系统镜头的焦点处，而后计算机对被切割物件的边缘点进行采集，采集完该边缘后，数据送给计算机进行处理、判断是否为正焦位置图像，若是，则采集该图像作为最佳图像并保存，如果不是，计算机继续控制乙轴电机进行微移动，然后对物件的边缘再进行采集，然后处理、判断，如此循环，直至判断采集图像为正焦图像为止，即停止调焦控制机构执行，然后进行存储；整个工程是在计算机的控制和提示下完成。

所述光源控制器主要用于接收pc主机的信号，并驱动led光源实现不同的照明亮度及照明方式；其硬件电路主要由电源模块、mcu模块、led驱动模块、人机交换模块；所述光源控制器的led负载范围为5-24w，控制通道为4路，电流分辨率为5ma，光源控制范围为0-500ma；4路可以同时点亮或4通道的单独开关控制，每一路通道可以独立调节亮度；所述光源控制器的mcu模块采用的是philips公司的lpc2103，是一种微控制器，并带有8kb、16kb或32kb嵌入的高速flash存储器，led的调光模式为pwm调光，即通过mcu给led驱动芯片方波脉冲，通过调节该方波脉冲的占空比，进而调节负载led灯的亮度；电源模块包括1.8v内核电源、3.3v数字电源、3.3v模拟电源、5v电源；其中5v电源包括两个独立的电源，一个做降压处理给mcu供电，一个给led驱动模块供电；led驱动模块是光源控制器的核心部件，使用tps61500芯片，是一种具备集成型3a/40v电源开关的单片开关式稳压器，并具有可编程软启动功能，能够在启动时限制浪涌电流同时还具有逐个脉冲过流限制、过压保护以及热停机等保护功能；人机交换模块，即pc与mcu之间的通讯模块，使用rs-232进行串口通讯，只有在pc与控制器通讯连接上才会执行相应的操作，所述人机交换模块与计算机电连接。

如图6所示，所述激光功率闭环控制系统的功率调节方式为：外围器件的调节及上位机软件界面上的调节；所述外围器件调节是指通过调节装载有可调光衰减器的电动马达的旋转角度来调节激光的功率；所述上位机软件界面上的调节是指在上位机软件内部设定所需要的激光功率，激光器内部自动调节至所设定的功率值；两种方法均使用激光功率采集模块来实现激光功率的测量，可根据实际情况选择方法；当激光功率采集模块采集到的激光功率小于或者大于预设值时，计算机给运动控制器发送相应的指令进而控制波片电机旋转从而带动波片旋转，使得实际的激光功率增大或者减小，从而达到激光功率的实时闭环控制。

所述波片电机为一种电动旋转马达，用于装载所述可调光衰减器；所述波片电机驱动器将所述运动控制器给出的脉冲和方向信号转化为电流信号控制电机运动。

在划片机的激光光路中，将半波片及偏光镜组成的可调光衰减器装载在电动旋转马达上，通过调节该马达的旋转角度来连续地调节激光功率的大小，该旋转马达即上文中提到的波片电机；该波片电机是步进电机，通过运动控制器给驱动器脉冲和方向信号，驱动器将该信号转化为电流信号控制电机运动；该模块采用了光栅尺信号位置采集，电机运动到位会进行位置校正，到达位置精度更加准确，采用步进-伺服算法，使得电机控制精度较高，既解决了伺服到位后处于整定状态下电机产生的抖动现象，又解决了步进电机运动过程中出现的丢脉冲现象、精度差的缺点。

图7所示，所述激光功率采集模块包括两级放大电路、电源模块；所述电源模块包括供电模块及基准电压源模块；整个激光功率测量模块主要由激光功率探头、两级放大电路、a/d采集芯片、lcd液晶显示组成；激光功率探头在吸收激光后，会将光信号转换为微弱电信号，即输出0~5mv的电压小信号，因为0~5mv的电压小信号不能满足a/d采集芯片的要求，需要经过两级电压放大进行放大，将0~5mv的电压小信号放大为0~2.5v的电压信号以便满足采集要求；然后经过单片机aduc848的a/d转换模块进行电压信号的采集，最终通过icd显示，采集时间为每隔10ms采集一次。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。