视觉定位激光打标装置的设计*

黄志富，黄俊彬，陈朝大，颜士朋，梁 莉，李晋东

（广东科技学院机电工程学院，广东 东莞 523083）

0 引言

激光打标技术是一门综合了机电数控、光电子和计算机等技术为一体的机电一体化加工技术。其作为激光技术和计算机技术的结晶，是激光加工领域应用最为广泛的技术之一[1]。视觉定位激光打标技术就是以激光打标为基础发展而来的，激光器首先是选用光纤来传送激光，然后通过振镜对激光进行反射来打标。本文研究设计一款基于视觉定位激光打标装置，研究设计的主要目标将视觉检测定位技术应用于传统的激光加工技术中，两者相结合能实现自动定位打标，产品任意摆放、无需工装夹具，且全自动视觉定位激光打标机可实现检测、定位打标一体化应用[2]。这与传统的激光打标机比起来，不仅大大地节省了人力成本和工作时间，而且对技术工人的要求也有所降低，极高地提高了生产效率。

本文将主要通过设计反射镜来对激光进行反射，从而达到改变激光光路的同时，也可以让工业相机对打标物品进行拍摄定位。由于激光打标装置光路要与视觉系统相结合，因此将设计一款45°的镜片反射结构来令其结合，实现装置结构的配合。同时研究了对视觉系统的矫正标定方法，该系统首先对工业摄像机进行标定获得摄像机镜头的内外参数及畸变系数，然后由双目摄像机采集工件图像，通过相应的图像处理算法获得工件位置的坐标，实现打标机对工件的定位。最后，通过针对不同产品进行实际打标测试，验证该方案的可行性和整体的视觉定位打标精度[3]。

1 视觉定位系统的工作原理

视觉自动定位系统的工作原理主要是通过设备装置所带的工业相机将采集到实物图像传送到视觉图像处理系统中，图像处理定位软件将计算出实物的偏移距离以及角度，然后将相关的偏移量信息反馈给到外部的平台控制器，平台控制器通过精密计算，驱动运动执行机构完成位置的纠偏功能[4-5]。定位偏移可以人工设置，如果超出偏移设定范围，系统软件将无法运行。机器视觉定位系统的主要流程如图1所示。

图1 视觉定位系统流程

2 视觉定位激光打标装置硬件设计

2.1 激光打标装置总体结构设计

一个完整的机械视觉系统一般由视觉系统、图像采集单元、图像处理单元、执行机构及人机界面等模块组成。其中，视觉系统主要有光源、镜头、工业相机等，而图像采集单元、图像处理单元都是通过计算机来完成。执行机构是打标机，人机界面主要是通过电脑显示屏来体现[6-8]。传统的激光打标机需要将打标产品用工装夹具定位，本课题研究一款视觉定位激光打标装置，该装置利用CCD视觉定位系统功能实现自动定位打标，产品任意摆放、无需工装夹具。

激光视觉定位打标的总体结构设计参考现有的激光打标机，结合自身的改进方案，设计了一款可反射激光的视觉定位激光打标装置，图2所示为打标机主要设计部件结构示意图。本次设计的打标装置有两大部分组成，首先是激光打标机部分，主要是由光纤激光器、振镜、反射镜和计算机等组成；其次是视觉定位系统部分，主要由工业相机和镜头、光源等组成[9-10]。本设计的视觉定位激光打标装置主要由两个部分系统组成。第一部分是激光打标机，主要功能是对被加工零件进行激光打标；第二部分利用视觉定位系统实现激光自动打标。待加工零件任意摆放在加工区域内，通过视觉定位系统的相机拍照取图传送到计算机进行视觉识别定位，得到待标记的准确位置。最后，通过激光打标机的精确打标，实现激光自动打标。

图2 打标装置的结构

2.2 激光光路与视觉系统配合设计

激光光路与视觉系统的配合设计通过一个可调整镜片的45°角，将激光反射到传送带上，而相机则位于传送带正上方，可以拍摄到被打标物的状况，从而将信号传给计算机进行识别和计算，最终进行打标，图3所示为激光光路与视觉系统的配合设计结构。通过对视觉系统打标软件和设计方法的集成封装，在装置的部分专业设计上可减少设计操作步骤和数据处理时间，降低了人为出错的可能性，大大提高了设计效率[11]。

图3 激光光路与视觉系统的配合设计

2.3 视觉定位打标装置硬件选型

激光打标机硬件部分中的光纤激光器，按激光器分类打标机主要分为光纤激光打标机、YAG激光打标机、CO2激光打标机等。而本次设计选用的是光纤激光器，因为它用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器和其他打标器相比，电光转化率较高，效率更高，更适合做工业生产的打标机[6]。

振镜决定了激光打标机工作时，它能打标的范围，它决定了激光打标机的效率和能加工的复杂难度。激光打标卡主要用于将使用者在电脑上设计的文字图案等转换成数字信号，然后传到振镜里面，本设计选用了金橙子打标卡，该品牌打标卡功能完整，能满足普通的打标功能。红光指示器的选用原则为光斑的调整范围，红光指示器用于指示光路，工业上使用的光纤激光器发射出来的光线是看不见的，而红光指示器的650 nm的光是看得见的，通过合束镜将650 nm的光与1064 nm的光重合，所以红光指示器发出的光线的路径即为激光的路径。工控电脑可以使用普通电脑，对于光纤打标机来说，因为其使用的打标卡是USB打标卡，所以还可以使用笔记本电脑。

视觉定位系统部分中的工业相机的选择上，本文选用了海康威视品牌的MV-CA060-11GM型号相机，分辨率为3072×2048，靶面尺寸1/1.8。此分辨率足够完成本装置实现视觉定位激光打标的任务，靶面尺寸也能够满足工作区域的打标任务。本设计开发的视觉系统对拍摄图片质量要求较高，选择了环形的LED白色光源，该光源对产品的打光效果明显，可清晰获取产品特征效果。

3 视觉定位激光打标软件设计

给激光打标机增加一个视觉定位系统，就能不用人工校正和夹紧，也能对打标的物体进行精确打标。视觉定位激光打标机能实现自动定位打标，产品任意摆放、无需工装夹具，且全自动视觉定位激光打标机可实现检测、定位打标一体化应用。这与传统的激光打标机比起来，不仅大大节省了人力成本和工作时间，而且对技术工人的要求也有所降低，极高地提高了生产效率。

视觉定位激光打标系统的主要功能首先包括视觉系统拍照获取工件的图像，并能显示到软件界面上；其次还需要对激光坐标系和图像视觉系统坐标系进行关联，实现图像坐标系转换成激光打标系统的实际坐标系；最后视觉系统需要对拍照获取的图像进行识别定位，将定位到的产品实际位置传送到激光打标系统，实现了视觉定位激光打标功能。本设计的视觉定位软件结合激光打标系统，完成了视觉定位激光打标的功能。根据视觉定位激光打标软件系统的设计，将该软件系统的结构设计、开发模块和功能需求进行结合，对系统软件进行了整体的模块化设计。本软件系统主要分为坐标转换模块、图像采集模块、图像识别定位模块、激光打标模块。其中系统的坐标转换模块将图像坐标转换成实际的激光打打标系的坐标，实现坐标转换；图像采集模块主要将产品的当前位置进行拍照，获取产品的图像信息；图像识别模块主要根据识别定位算法获取产品的中心位置，识别定位算法主要包括有轮廓提取识别定位算法、模板匹配识别定位算法等识别定位算法；激光打标模块则是根据定位信息，对图形进行变换后对产品进行激光打标，实现了视觉定位激光打标。系统软件的设计框架如图4所示。

图4 软件的设计框架

4 测试验证与结果分析

4.1 视觉定位激光打标工艺实现

随着科技的发展，激光打标技术也在不断地更新，市面上大部分20W/30W的光纤激光打标机，一般的激光打标机，在打标加工的时候，所加工零件须处于一个固定的位置，并且加工过程中不能晃动，加工的图案才能加工到产品指定位置上，这些是对普通激光打标机加工工艺的常识。现在新技术不断涌现，视觉定位激光打标机，可实现产品只要在激光打标扫描振镜的加工范围内，即可实现准确打标；即每次的位置即使不一样，也可以正常进行工作任务。本技术运用了视觉定位原理，先对产品进行模板制定，保存为标准模板，在加工时对产品进行拍照，由计算机对比及位置定位，调整后即可对产品进行加工。所加工的产品外形可以是圆形、方形、非规则形状都可以识别；这种工艺特别适合小产品，可免除定位料盘、固定夹具的加工，大大节省了激光打标加工周期。解决微型产品的不好摆放跟效率慢的问题，光纤激光打标机光电转换效率高，采用风冷方式冷却，整机体积小巧，输出光束质量好，免维护。方便操作者对工件实时检测，大幅面工作台可任意固定和调节。

4.2 视觉定位激光打标的测试

视觉定位激光打标装置的打标主要误差由视觉定位系统的误差和激光打标系统的精度误差综合叠加决定。激光打标系统的精度误差又取决于激光光路系统的硬件安装和打标系统的振镜矫正等。本文主要通过对比传统的激光机械定位打标精度，主要验证本次设计的视觉定位激光打标装置整体打标精度。通过测试一款陶瓷产品多个数量的打标结果，在陶瓷表面打标两个相距30 mm的圆环，测试方法为在打标视野范围内不同位置进行打标测试。主要测试就是陶瓷标刻的两个圆环的中心点距离。测试结果的数据统计如表1所示。从结果数据中可知，在打标视野不同范围内，在打标视野中间位置的视觉打标精度最高，两侧的视觉打标精度较低，但是在允许的误差范围内。根据分析主要原因是视觉系统中，相机拍摄的四周会产生一定的畸变影响，而中间部分未产生畸变，因此中间部分精度较高。通过整合分析，本次验证的整体打标精度相比传统的激光打标精度，打标精度高，大大提高产品的定位精度和加工效率。

表1 视觉定位激光打标误差测试统计表mm

5 结束语

本文开头阐述了视觉定位激光打标装置，更加直观地认识视觉定位激光打标技术的便利性以及可靠性。本文设计了一款基于视觉定位的激光打标装置，该装置占地空间小，且结合了传统激光打标技术和先进的机器视觉识别定位技术，让打标精度和效率得到较大提高。该设计主要关键技术是使用视觉模块的学习能力和识别能力，让激光打标实现全自动打标，减少了很多人工定位夹紧的步骤，其次是关于一个打标机和机器视觉系统结合的结构，选用的方案是设计一个45°的激光反射镜，将工业相机置于激光头正上方，使其工作区域与拍摄区域重合。另外在激光打标的工作区域与操作台，还设计了隔板，高能能量的光束对眼睛伤害很大，在保证便利性的同时本装置也考虑了其安全性。