視覺定位激光打標裝置的設計*

黃志富，黃俊彬，陳朝大，顏士朋，梁 莉，李晉東

（廣東科技學院機電工程學院，廣東 東莞 523083）

0 引言

激光打標技術是一門綜合了機電數控、光電子和計算機等技術為一體的機電一體化加工技術。其作為激光技術和計算機技術的結晶，是激光加工領域應用最為廣泛的技術之一[1]。視覺定位激光打標技術就是以激光打標為基礎發展而來的，激光器首先是選用光纖來傳送激光，然后通過振鏡對激光進行反射來打標。本文研究設計一款基于視覺定位激光打標裝置，研究設計的主要目標將視覺檢測定位技術應用于傳統的激光加工技術中，兩者相結合能實現自動定位打標，產品任意擺放、無需工裝夾具，且全自動視覺定位激光打標機可實現檢測、定位打標一體化應用[2]。這與傳統的激光打標機比起來，不僅大大地節省了人力成本和工作時間，而且對技術工人的要求也有所降低，極高地提高了生產效率。

本文將主要通過設計反射鏡來對激光進行反射，從而達到改變激光光路的同時，也可以讓工業相機對打標物品進行拍攝定位。由于激光打標裝置光路要與視覺系統相結合，因此將設計一款45°的鏡片反射結構來令其結合，實現裝置結構的配合。同時研究了對視覺系統的矯正標定方法，該系統首先對工業攝像機進行標定獲得攝像機鏡頭的內外參數及畸變系數，然后由雙目攝像機采集工件圖像，通過相應的圖像處理算法獲得工件位置的坐標，實現打標機對工件的定位。最后，通過針對不同產品進行實際打標測試，驗證該方案的可行性和整體的視覺定位打標精度[3]。

1 視覺定位系統的工作原理

視覺自動定位系統的工作原理主要是通過設備裝置所帶的工業相機將采集到實物圖像傳送到視覺圖像處理系統中，圖像處理定位軟件將計算出實物的偏移距離以及角度，然后將相關的偏移量信息反饋給到外部的平臺控制器，平臺控制器通過精密計算，驅動運動執行機構完成位置的糾偏功能[4-5]。定位偏移可以人工設置，如果超出偏移設定范圍，系統軟件將無法運行。機器視覺定位系統的主要流程如圖1所示。

圖1 視覺定位系統流程

2 視覺定位激光打標裝置硬件設計

2.1 激光打標裝置總體結構設計

一個完整的機械視覺系統一般由視覺系統、圖像采集單元、圖像處理單元、執行機構及人機界面等模塊組成。其中，視覺系統主要有光源、鏡頭、工業相機等，而圖像采集單元、圖像處理單元都是通過計算機來完成。執行機構是打標機，人機界面主要是通過電腦顯示屏來體現[6-8]。傳統的激光打標機需要將打標產品用工裝夾具定位，本課題研究一款視覺定位激光打標裝置，該裝置利用CCD視覺定位系統功能實現自動定位打標，產品任意擺放、無需工裝夾具。

激光視覺定位打標的總體結構設計參考現有的激光打標機，結合自身的改進方案，設計了一款可反射激光的視覺定位激光打標裝置，圖2所示為打標機主要設計部件結構示意圖。本次設計的打標裝置有兩大部分組成，首先是激光打標機部分，主要是由光纖激光器、振鏡、反射鏡和計算機等組成；其次是視覺定位系統部分，主要由工業相機和鏡頭、光源等組成[9-10]。本設計的視覺定位激光打標裝置主要由兩個部分系統組成。第一部分是激光打標機，主要功能是對被加工零件進行激光打標；第二部分利用視覺定位系統實現激光自動打標。待加工零件任意擺放在加工區域內，通過視覺定位系統的相機拍照取圖傳送到計算機進行視覺識別定位，得到待標記的準確位置。最后，通過激光打標機的精確打標，實現激光自動打標。

圖2 打標裝置的結構

2.2 激光光路與視覺系統配合設計

激光光路與視覺系統的配合設計通過一個可調整鏡片的45°角，將激光反射到傳送帶上，而相機則位于傳送帶正上方，可以拍攝到被打標物的狀況，從而將信號傳給計算機進行識別和計算，最終進行打標，圖3所示為激光光路與視覺系統的配合設計結構。通過對視覺系統打標軟件和設計方法的集成封裝，在裝置的部分專業設計上可減少設計操作步驟和數據處理時間，降低了人為出錯的可能性，大大提高了設計效率[11]。

圖3 激光光路與視覺系統的配合設計

2.3 視覺定位打標裝置硬件選型

激光打標機硬件部分中的光纖激光器，按激光器分類打標機主要分為光纖激光打標機、YAG激光打標機、CO2激光打標機等。而本次設計選用的是光纖激光器，因為它用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器和其他打標器相比，電光轉化率較高，效率更高，更適合做工業生產的打標機[6]。

振鏡決定了激光打標機工作時，它能打標的范圍，它決定了激光打標機的效率和能加工的復雜難度。激光打標卡主要用于將使用者在電腦上設計的文字圖案等轉換成數字信號，然后傳到振鏡里面，本設計選用了金橙子打標卡，該品牌打標卡功能完整，能滿足普通的打標功能。紅光指示器的選用原則為光斑的調整范圍，紅光指示器用于指示光路，工業上使用的光纖激光器發射出來的光線是看不見的，而紅光指示器的650 nm的光是看得見的，通過合束鏡將650 nm的光與1064 nm的光重合，所以紅光指示器發出的光線的路徑即為激光的路徑。工控電腦可以使用普通電腦，對于光纖打標機來說，因為其使用的打標卡是USB打標卡，所以還可以使用筆記本電腦。

視覺定位系統部分中的工業相機的選擇上，本文選用了海康威視品牌的MV-CA060-11GM型號相機，分辨率為3072×2048，靶面尺寸1/1.8。此分辨率足夠完成本裝置實現視覺定位激光打標的任務，靶面尺寸也能夠滿足工作區域的打標任務。本設計開發的視覺系統對拍攝圖片質量要求較高，選擇了環形的LED白色光源，該光源對產品的打光效果明顯，可清晰獲取產品特征效果。

3 視覺定位激光打標軟件設計

給激光打標機增加一個視覺定位系統，就能不用人工校正和夾緊，也能對打標的物體進行精確打標。視覺定位激光打標機能實現自動定位打標，產品任意擺放、無需工裝夾具，且全自動視覺定位激光打標機可實現檢測、定位打標一體化應用。這與傳統的激光打標機比起來，不僅大大節省了人力成本和工作時間，而且對技術工人的要求也有所降低，極高地提高了生產效率。

視覺定位激光打標系統的主要功能首先包括視覺系統拍照獲取工件的圖像，并能顯示到軟件界面上；其次還需要對激光坐標系和圖像視覺系統坐標系進行關聯，實現圖像坐標系轉換成激光打標系統的實際坐標系；最后視覺系統需要對拍照獲取的圖像進行識別定位，將定位到的產品實際位置傳送到激光打標系統，實現了視覺定位激光打標功能。本設計的視覺定位軟件結合激光打標系統，完成了視覺定位激光打標的功能。根據視覺定位激光打標軟件系統的設計，將該軟件系統的結構設計、開發模塊和功能需求進行結合，對系統軟件進行了整體的模塊化設計。本軟件系統主要分為坐標轉換模塊、圖像采集模塊、圖像識別定位模塊、激光打標模塊。其中系統的坐標轉換模塊將圖像坐標轉換成實際的激光打打標系的坐標，實現坐標轉換；圖像采集模塊主要將產品的當前位置進行拍照，獲取產品的圖像信息；圖像識別模塊主要根據識別定位算法獲取產品的中心位置，識別定位算法主要包括有輪廓提取識別定位算法、模板匹配識別定位算法等識別定位算法；激光打標模塊則是根據定位信息，對圖形進行變換后對產品進行激光打標，實現了視覺定位激光打標。系統軟件的設計框架如圖4所示。

圖4 軟件的設計框架

4 測試驗證與結果分析

4.1 視覺定位激光打標工藝實現

隨著科技的發展，激光打標技術也在不斷地更新，市面上大部分20W/30W的光纖激光打標機，一般的激光打標機，在打標加工的時候，所加工零件須處于一個固定的位置，并且加工過程中不能晃動，加工的圖案才能加工到產品指定位置上，這些是對普通激光打標機加工工藝的常識。現在新技術不斷涌現，視覺定位激光打標機，可實現產品只要在激光打標掃描振鏡的加工范圍內，即可實現準確打標；即每次的位置即使不一樣，也可以正常進行工作任務。本技術運用了視覺定位原理，先對產品進行模板制定，保存為標準模板，在加工時對產品進行拍照，由計算機對比及位置定位，調整后即可對產品進行加工。所加工的產品外形可以是圓形、方形、非規則形狀都可以識別；這種工藝特別適合小產品，可免除定位料盤、固定夾具的加工，大大節省了激光打標加工周期。解決微型產品的不好擺放跟效率慢的問題，光纖激光打標機光電轉換效率高，采用風冷方式冷卻，整機體積小巧，輸出光束質量好，免維護。方便操作者對工件實時檢測，大幅面工作臺可任意固定和調節。

4.2 視覺定位激光打標的測試

視覺定位激光打標裝置的打標主要誤差由視覺定位系統的誤差和激光打標系統的精度誤差綜合疊加決定。激光打標系統的精度誤差又取決于激光光路系統的硬件安裝和打標系統的振鏡矯正等。本文主要通過對比傳統的激光機械定位打標精度，主要驗證本次設計的視覺定位激光打標裝置整體打標精度。通過測試一款陶瓷產品多個數量的打標結果，在陶瓷表面打標兩個相距30 mm的圓環，測試方法為在打標視野范圍內不同位置進行打標測試。主要測試就是陶瓷標刻的兩個圓環的中心點距離。測試結果的數據統計如表1所示。從結果數據中可知，在打標視野不同范圍內，在打標視野中間位置的視覺打標精度最高，兩側的視覺打標精度較低，但是在允許的誤差范圍內。根據分析主要原因是視覺系統中，相機拍攝的四周會產生一定的畸變影響，而中間部分未產生畸變，因此中間部分精度較高。通過整合分析，本次驗證的整體打標精度相比傳統的激光打標精度，打標精度高，大大提高產品的定位精度和加工效率。

表1 視覺定位激光打標誤差測試統計表mm

5 結束語

本文開頭闡述了視覺定位激光打標裝置，更加直觀地認識視覺定位激光打標技術的便利性以及可靠性。本文設計了一款基于視覺定位的激光打標裝置，該裝置占地空間小，且結合了傳統激光打標技術和先進的機器視覺識別定位技術，讓打標精度和效率得到較大提高。該設計主要關鍵技術是使用視覺模塊的學習能力和識別能力，讓激光打標實現全自動打標，減少了很多人工定位夾緊的步驟，其次是關于一個打標機和機器視覺系統結合的結構，選用的方案是設計一個45°的激光反射鏡，將工業相機置于激光頭正上方，使其工作區域與拍攝區域重合。另外在激光打標的工作區域與操作臺，還設計了隔板，高能能量的光束對眼睛傷害很大，在保證便利性的同時本裝置也考慮了其安全性。