智能視覺數控切割系統*

劉夏麗 黃智琦 鄧耀華

智能視覺數控切割系統*

劉夏麗1,2黃智琦2鄧耀華2

（1.佛山世科智能技術有限公司，廣東 佛山 528200 2.廣東工業大學，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，設計將視覺系統與運動控制系統集成的智能視覺數控切割系統。通過視覺定位設置加工材料的工件零點和加工軌跡的偏轉角。該系統已應用于實際生產中，能夠實現快速、準確識別標識點，進行切割加工，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制刀模進行加工[2-3]；小批量裁切傳統方式采用紅外十字光定位，將材料放在數控切割機臺面指定位置進行切割加工，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。隨著機器視覺技術的發展，可在原有數控切割機上加裝視覺定位系統[4-5]，將印刷材料上的2~4個定位標識點作為定位基準，通過識別標識點確定加工位置，實現精準定位；但需在原有切割機觸摸屏控制的基礎上增加一臺計算機安裝視覺定位軟件，發送指令給數控切割機嵌入式控制器，成本大幅增加。

針對上述問題，本文提出視覺系統與運動控制系統結合的智能視覺數控切割系統，將機器控制與視覺定位集成在一個軟件，通過識別多種標識點來確定加工位置和加工偏轉角，實現有印刷圖案材料的自動定位切割。

1 系統總體架構

智能視覺數控切割系統將視覺系統與運動控制集于一體，包括圖像處理模塊、運動控制模塊、I/O接口模塊和人機接口模塊，如圖1所示。

圖1 智能視覺數控切割系統結構圖

圖像處理模塊通過工業相機獲取定位標識點圖像并進行處理；將定位標識點作為相對點判斷切割路徑的相對位置關系，傳輸到主控制器。運動控制模塊根據主控制器發出的指令，調整，，，，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、限位開關、光柵傳感器和急停開關等）和輸出裝置（振動刀、風機、筆、銑刀及激光燈等）。人機接口模塊通過鍵盤、鼠標輸送定位標識點數量、對比度、亮度、曝光時間等視覺參數及數控系統控制命令和參數，并且顯示系統狀態、參數及結果信息。

2 系統硬件組成

圖2 智能視覺數控切割系統的硬件組成

在原有的數控切割機振動刀側邊加裝視覺相關設備，包括CCD、鏡頭、光源，視覺設備安裝圖如圖3所示。視覺設備跟隨機頭一起運動。切割機由主控制器在Linux系統下進行控制，實現6軸聯動，切割加工誤差小于0.1 mm。

圖3 視覺設備安裝圖

3 系統軟件設計

智能視覺數控切割系統軟件在Linux操作系統下運行，整體軟件架構如圖4所示，主要包括圖像采集、視覺定位計算和運動控制3部分。圖像采集部分主要包括圖像采集與參數設置、Linux的V4L2視頻采集接口模塊和圖像采集卡驅動模塊。運動控制部分主要包括運動控制應用層、任務規劃層、運動控制層、驅動層和硬件抽象層等模塊。視覺定位計算部分根據工業相機采集的圖像和運動控制部分反饋的當前位置，計算出機頭位置調整量，達到精確定位的目的。

圖4 智能視覺數控切割系統軟件架構圖

數控切割系統啟動并回零后，便可以根據加載的文件進行切割加工。系統將PLT文件轉化為NC代碼后，按照NC代碼來執行指定動作。每一個NC文件的初始位置，都給出定位標識點的數量和坐標，格式如下：

%

(markNum = 2) （定位標識點數量為2）

(markPos1 = [548.975, 226.500]) （第1個定位標識點坐標為[548.975, 226.500]）

(markPos2 = [271.000, 3.000]) （第2個定位標識點坐標為[271.000, 3.000]）

(rightDown = [551.975, 0.0]) （右下角加工點坐標為[551.975, 0.0]）

M201

M5

T2 M6

G92.1

……

傳統數控加工中不存在視覺方面的操作，故NC文件中沒有相關視覺的NC代碼指令。本文通過M201自定義指令，在CCD運行時，先執行Linux系統中視覺定位相關的M201同名可執行程序，等該程序運行退出后，再執行NC文件的指令。

M201.ngc 文件如下：

O sub

M66P4L0 （等待視覺處理結束）

O83 IF [ #5399 EQ 0 ] （如果對位ok）

M123P0Q1 （打開氣缸，材料吸附在臺面上）

G4P3 （等待調整運動到位）

O83 ENDIF

O endsub

在NC代碼中使用O代碼進行條件判斷，O sub和O endsub 表示該程序的開始和結束。M66表示讀取運動控制模塊的模擬量或數字量的HAL輸入管腳。程序運行后，一旦發現有視覺處理命令，便調用相應的視覺處理程序，命令執行完成后，在HAL中某個特定管腳輸出執行結果，而管腳與數控系統運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控系統第5399號參數中。如此，實現視覺定位，繼續執行下面的切割加工NC程序。

軟件人機交互界面的作用是反映切割機的狀態（運行狀態、各軸坐標、I/O口狀態、圖像識別定位結果等）、顯示CCD圖像和接收用戶操作（手動控制、參數調整等）。本文采用QT來設計圖形界面，系統主界面如圖5所示。

圖5 智能視覺數控切割系統主界面

4 系統測試

為驗證智能視覺數控切割系統的可靠性，進行現場樣機測試，實現印刷材料的視覺定位切割加工。測試實驗采用的材料為圖6所示的印刷卡紙，印刷有2個口罩盒圖案。根據加工需要，在印刷圖案中選取2個標識點作為視覺定位標識點。切割加工刀路PLT文件顯示如圖7所示。實驗設備型號為WIT-2516S，配備智能視覺數控切割系統，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處于手動模式下點擊右側CCD示教按鈕，彈出CCD定位界面；2）在識別選項卡中進行Mark點模板選取識別，下方拍攝識別界面顯示有2個綠色十字（Mark點），雙擊綠色十字，CCD將運動到該位置，點擊識別按鈕即完成Mark點識別；3） 2個Mark點都識別完成后，點擊完成示教，即可將定位方案存檔，點擊自動定位進行驗證，狀態欄實時顯示識別結果；4）點擊自動按鈕，回到主界面，再點擊運行，即可實現自動定位切割。CCD示教界面如圖8所示；切割加工結果如圖9所示，切割誤差小于0.1 mm。

圖8 CCD示教界面

圖9 切割加工結果

5 結論

智能視覺數控切割系統已在實際生產中批量應用。在實際加工過程中，Mark點正確識別率達到98%，相對于示教位置，/方向偏移可達到±25 mm，旋轉角度±10o，而實際加工誤差小于0.1 mm，滿足印刷材料的切割加工要求。同時可實現陣列加工，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切割加工的問題。在材料放置有小范圍偏移和旋轉的情況下，不需要人工干預，仍然可以沿著預定軌跡切割，提高切割效率和精度。

[1] 沈國榮.2017印后加工工藝和設備發展新趨勢(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.數字模切技術攜手傳統模切——讓技術成就藝術[J].今日印刷,2018(3):37-40.

[4] 杜勇,吳軍,覃紹先,等.基于機器視覺的便攜式激光切割系統設計[J].制造技術與機床,2019(4):73-76,81.

[5] 於文欣,陳廣鋒,靳向威.基于機器視覺的方塊毯縱向自動切割系統設計[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：機器視覺與數控系統。

鄧耀華，男，1978年生，教授，主要研究方向：數字控制、機器視覺。