基于双驱同步与超采样的视觉检测控制系统设计

黄亚珂， 陈珂， 王洲明， 朱文琦

（四川大学制造科学与工程学院，成都610065）

0 引言

由于视觉检测可以快速获得大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此视觉检测越来越多地被用于工况监视、成品检验和质量控制等领域［1］。某企业为检测一种印有特殊图案的板材，且检测板材图案的复杂性和检测要求极高，上位视觉检测采用具有高速响应要求的线阵CCD工业相机，检测间隔为0.01 mm，检测速度为3～6 m/min，检测板材幅面较广，基于此提出了双驱轴移动拍照和高速触发信号处理的视觉检测控制系统，并保持高度开放性以便与上位检测软件的交互。

1 检测过程分析

由于上位视觉检测采用高像素高精度的线阵CCD相机，检测的板材尺寸较大，图案分布幅度较为广阔，而且检测板材型号可变，即检测区域须可调整，故上位视觉检测采用4台相机并行分布，匀速移动对检测板材进行匀速扫描检测，4台相机安装于龙门立轴支撑的横梁之上，相机的安装精度由安装架及其调节机构完成，而且上位检测软件及其特制的校准尺可以整定修正4台相机的同步性，而修正过后拍照过程的移动同步性将由双驱轴伺服系统来完成，系统的关键在于双轴坐标系的建立与同步过程的实现。

图1 检测流程框图

由于拍照速度在3～6 m/min之间可调，拍照间隔为0.01 mm，可计算出拍照触发信号频率为5～10 kHz，为了保证0.01 mm的拍照间隔精度，伺服全闭环反馈的外置直线光栅的分辨率为0.5 μm，周期为2 μm，在拍照速度范围内光栅的采样频率可达到25～50kHz，而常规的PLC周期一般在ms级别［2］，显然不能满足响应需求，故须研究设计高频响应的信号处理方案。

由于线阵相机检测须检测平面平整，而实际检测板材形变不规则，故在检测平台须有负压吸附功能存在，而在安装检测板材及更换检测板材时须解除板材负压效果并且产生正压气浮，在常规使用时须有清洁吹气的环节存在，正压和负压共存于设备之上，故须设计出简捷耐用的气动系统。

针对检测过程综合分析，检测流程如图1所示，在此控制流程的基础之上，对检测过程的总体控制系统进行了设计，并探讨了双驱同步技术与超采样控制技术。

2 控制系统整体设计

根据视觉检测过程的分析与工况需要，并结合电气控制系统开发的一般流程，设计了视觉检测控制系统框图，如图2所示，主要构架是：中央控制器采用德国BECKHOFF（倍福）CP62系列工业面板型PC，既可作为实现控制功能的处理器，也同时被用作人机界面，同时与上位检测软件的通讯也将通过该控制器的以太网口实现，设备本身也设计实体操纵按钮，上位软件通过以太网通讯也可实现操作与警示信息显示；中央控制器配以EtherCAT高速工业以太网通讯技术和实时控制TwinCAT自动化软件，实现双驱龙门轴同步运动的功能，驱动器采用AX5000系列双通道配置，搭配倍福AM8000系列伺服（OCT技术即单电缆技术）；龙门轴闭环实现依靠雷尼绍高精度直线光栅（分辨率0.5 μm）；使用EeherCAT工业以太网通讯后，大大提高了PC机与驱动器、I/O模块之间的响应速度，缩短了控制周期，所以不会影响到反馈信号的处理；为实现拍照需求高频响应，采用了倍福XFC模块，即龙门轴移动过程中，主动轴光栅尺反馈信号接到光栅反馈模块进入驱动器，同时将光栅的A.A-、B.B-两路差分经高速光耦转换接到XFC超采样输入模块（1μs响应时间）进行分布时钟—精确同步控制，当拍照间隔距离满足拍照要求，经总线进入控制器处理，然后发出拍照信号经XFC超采样输出模块（1μs响应时间）发出拍照信号，该拍照信号会经电路转换为拍照需要的5V差分信号。气路采用SMC真空发生组件，能够通过电磁阀逻辑控制的调节实现正压与负压的切换。编程语言采用结构化文本语言，即ST语言，ST语言拥有高级语言的开放性和结构化特性，使得控制程序更加简单有效，便于与上位机链接。

图2 控制系统构架框图

3 双驱同步功能设计

目前双驱同步实现的方法主要有两种方式，第一种是主从方式，第二种为交叉耦合方式［3］。而第二种主要针对机械刚性不好、对称性不高的龙门系统，而此次工况下，机械结构设计合理，部件选择精度等级高，丝杠选用德国亿孚，等级为C3；直线导轨选用日本THK，等级为H级；轴承选用日本NSK，等级为P3；机械安装基准面为大理石00级，安装基础精度较高；龙门立柱及横梁也采用大理石材，对称性和稳定性好，故采用主从控制方式，此种方式主要难点为双驱双原点回复及耦合同步过程的实现，其基础首先是对单伺服轴的控制，能够形成闭环控制，控制框图如图3。

图3 轴控制框图

在大多数数控龙门轴控制和主从轴控制过程中，采用绝对式外置光栅或者绝对式编码器等反馈元件，由机械起始装配精度保证双轴原点一致性，在使用过程中采用单边回零或者不回零的方式，此种方式较易实现，却存在隐患，例如：双轴原点同步难以实现，使用及维护过程双驱失去同步性之后丧失回原位功能，对从轴运行状况缺乏主动的控制及检测。而且由于此次选用的高精度增量式直线光栅，使用过程中回原位更是必不可少，在单轴伺服控制基础之上设计出双驱回原位逻辑过程，如图4所示，借助激光干涉仪等高精度检测设备和TwinCAT软件进行测试和补偿后，双驱回原点得以实现，坐标系得到统一，为双驱同步运行奠定了基础。

运行过程的双驱同步采用电子齿轮的方式实现，电子齿轮代替机械齿轮，不仅效率高，磨损更小，实现双轴速比稳定同步运行，同步性能可借助控制参数调整，在使用过程发生零部件磨损时，可通过调整参数重新校核同步性能，借助TwinCAT软件的示波器和伺服调试功能，调整双轴的速度跟随和位置跟随，使其匹配良好，参照运行过程中的扭矩和电流修正参数，并在控制程序中检测两轴坐标和扭矩，做到双驱闭环控制，保证双驱安全稳定运行。

图4 双驱轴回原位框图

4 高速响应实现

传统的PLC控制方法和硬件处理速度还处在ms级，不能适应线阵相机的高频响应特性，即使能够实现，也需要依赖专用的、独立的控制器，而且必须有直接控制的I/O，而这种实现方法有诸多缺点，例如：这些独立的控制器对主控系统而言只包含了极其有限的信息，而且不能用于主控制器的决策，此外参数的重整定也受到限制，而固定的I/O配置使得可扩展性很差，最致命的缺陷在于扫描时间较长。为了实现高度响应拍照要求，需满足响应速度快的要求，准确地采集输入值和准时地输出，为了达到上述要求，采用了基于分布式时钟的Beckhoff XFC模块，由于所有的EtherCAT设备都具有本地时钟，并通过EtherCAT通讯自动连续地与其它所有的时钟保持同步［4］。

利用XFC模块的分布时钟特性，在中央控制器中可以分别建立用于其它时序性要求较常规的主程序MAIN部，任务等级为1，响应视觉检测需求的拍照程序XFC，任务等级为0，XFC程序部分受主程序控制通断而优先级别较高，使其在采集信号和输出信号上高频准确响应，设置XFC任务周期为100 μs，在组态配置里面进行采样信号分频，使其达到1.25 μs的输入和输出采样时间，从硬件上满足响应要求，关键是信号的处理。实施方案为：在XFC控制程序里面建立存储字节，对任务周期内采集的信号进行信号识别和存储，通过MAIN程序控制在拍照开始后XFC模块高频采集直线光栅的A+/A-信号，普通的计数器功能不能准确响应高频计数，在逻辑控制中采用拾取边沿信号的方式来计算拍照间隔，经处理器程序XFC处理运算达到间隔需求后再通过总线把输出值写入到输出模块，输出的电平信号经光耦电平转换使视觉检查系统产生拍照动作，从而获取检测信息，分时多任务的处理方式使得运动控制和其它逻辑控制与视觉检测控制能够高效准确地进行。5 系统联调

本系统主要是针对某印板特殊图案的视觉检测，而围绕此检测方式和过程，首先对龙门立轴的同步移动进行机械校准和电气参数整定，使得装配精度和基准精度得到保证，通过激光干涉仪及水平测试仪等测试设备使得装配过程得到保证，而单轴伺服的上电调试主要针对伺服驱动器的三环控制，使得其响应速度和位置跟随等达到良好融合的程度，当双轴均单独调试达到精度和稳定性要求后，针对双轴回原位进行调试和差值补偿及校准，同步过程进行不同速度和方式的测试，进一步校准和修正控制器的参数，吸附和气浮功能能够使待测工件样品适应不同工作方式下的逻辑校核和稳定性测试，并且主要针对后续拍照平面度要求进行测试和吸附压力调整，而拍照过程主要配合上位拍照软件进行校准，针对其中出现的信号稳定性和防干扰做出了相应的处理措施，对人机操作和警示信息号信号进行了完善和维护，并对各种可能意外出现的状况在程序上制定了相关处理措施，最后与上位视觉检测软件顺利进行了对接，使得上位顺利接管底层电气控制盒信息采集。6结语

根据特殊板材图案视觉检测的需求，开发出了视觉检测设备的电气控制系统，对双驱同步技术和超采样信号采集与处理技术进行了研究，探讨了双驱同步轴的回原位过程及其同步过程的闭环控制，针对拍照的高频响应特性，进行了高频信号采集、处理和输出的程序开发，借助Beckhoff TwinCAT软件进行了程序模块化编制和人机界面编写，运用以太网顺利与上位视觉检测软件链接，完成了某印板检测控制系统系统的设计与开发，并测试运行良好。

［参考文献］

［1］洪少春.计算机视觉检测技术在制造业上的应用及发展［J］.菏泽学院学报，2006（2）：34-35.

［2］裴春兰，何武良，郑晓东.微秒级PLC控制系统研制［J］.工业控制计算机，2007，20（7）：73-74.

［3］刘亚秋，武曲，朱良宽，等.交叉耦合同步控制在双液压伺服系统中的应用研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2010.

［4］德国倍福中国有限公司.中XFC-控制技术新理念［M］.上海：德国倍福中国有限公司，2007.