LED生产设备molding机控制平台设计

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1、LED生产设备molding机控制平台设计范基正;陈安;胡跃明【摘要】 LED production equipment requires higher precision motion control and better maneuverability. A design of image acquisition and motion control platform is introduced. Including the structure of the hardware platform and software design. Qt C+ library and motion co

2、ntrol card, embedded camera are made used of the 2D drawing and DXF file loading rebuild the LED Model displayed. Model rotation and translation programmed into a motion control track achieves LED packaging equipment for the control of platform construction.%针对 LED 生产设备的运 动控制精度高、可操作性高的要求，设计了一套图像采集和运

3、动控制平台.重点介绍 了平台的硬件结构设计和软件框架设计.系统以Qt类库和运动控制卡、嵌入武工业 相机为软硬件基础，通过2D绘图、DXF文件解析、图像采集构建了模具显示平台, 采用模具图像平移旋转编程,转换为运动控制轨迹，实现了对LED封装设备的控制平 台构建.【期刊名称】科学技术与工程 【年(卷)，期】2011(011)034 【总页数】5页(P8605-8609) 【关键词】发光二极管(Light Emithing Diade,LED);生产设备;嵌入武工业相机;Qt 类库;运动控制 【作者】范基正;陈安;胡跃明【作者单位】华南理工大学精密电子制造装备教育部工程研究中心，广州510640;

4、 华南理工大学精密电子制造装备教育部工程研究中心广州510640;华南理工大学 精密电子制造装备教育部工程研究中心，广州510640 【正文语种】中文【中图分类】TP273.5受益于国家节能减排战略的实施，LED产品得到了大力推广和广泛应用。处于LED产业链下游的LED封装技术也在快速发展和进步，国产化封装设备不断涌现 1。随着计算机和嵌入式技术的发展，企业及相关操作人员对工业现场设备实 时监控和高精度运动控制成为可能。LED封装生产设备注胶molding机负责LED生产的关键工序封装点胶，胶体的注 入过程的控制精度，直接影响到LED灯的发光质量。LED封装设备中的molding机的控制过程可

5、以抽象为2轴精密运动控制，而运动 路径与LED模具的设计文件DXF关系紧密，本文提出了一种直接读取LED模型 的位置信息用于运动控制路径规划的方法。在LED封装过程中，车间要处于全密 封高洁净环境下，对于固有的机械误差，无法人为矫正，本文提出一种通过绘制 LED 2D模型图，与嵌入式相机实时拍摄图进行比照，并重定基准坐标的软件系统， 实现了设计图纸与生产实物的精确配准，提高了 LED生产设备的控制精度。本文针对以上需求，设计了一套智能信息化软硬件平台。实现了设计图纸与生产现 场的信息化管理和操作。系统创新点在于重定基准坐标的功能，在有设备机械误差 的情况下通过工业相机采集图像的功能，与上位机模

6、型图进行比照，保证加工精度。 对LED生产设备进行实时监控取得了良好的应用效果，具有高加工精度的优越性。 这套控制平台以软件技术的研究和开发作为主体，主要硬件采用市场流行的工控机 和两轴运动控制卡。这种解决方案灵活性好，功能稳定，可以共享计算机上的所有 资源。图1系统网络体系结构1系统整体结构如图1所示，系统整体结构由本地工控机终端图形界面，422工业总线传输，嵌 入式图像采集平台，运动控制系统组成。本文侧重于工控机控制平台的软硬件实现。 其他模块不螯述。2系统硬件方案系统的核心部分是工控机，本文采用研华科技的IPC610L型工控机作为系统平 台，运动控制卡通过PCI接口安装于机箱内，可以驱动

7、电机伺服完成2轴运动控 制动作，通过422总线与嵌入式相机图像采集系统进行数据交换。嵌入式工业相机图像采集系统采用了 ADI公司的Blackfin系列ADSPBF531 2 作为图像采集的主处理器。Blackfin系列处理器是基于ADI与Intel联合开发的微 信号结构(MSA)，它有一个与普通控制器相似的32 bit类RISC指令集和16 bit 双乘法累加器(MAC),具有强大的信号处理性能。BF531处理器可稳定工作的频 率达到600 MHz，能为提供高达1200MMAC的运算能力。图像采集系统采用了 Micron公司生产的1/3英寸面阵CMOS传感器MT9V022。该传感器的有效分 辨

8、率为752x480,动态范围高达110 dB，并具有全局快门和全帧读出模式，能 最大限度减少物体移动拍摄产生的模糊和变形现象。采集系统对LED生产工作台 进行图像采集，并进行压缩处理，向上位机传回1 024x768分辨率的JPG格式图 片。图2嵌入式相机平台结构框图运动控制系统采用ADT850卡运动控制卡，是众为兴公司生产的基于PCI总线的 高性能四轴伺月服/步进控制卡。脉冲输出方式可用单脉冲(脉冲+方向)或双脉冲(脉 冲+脉冲)方式，最大脉冲频率4MHz，频率误差小于0.1%。位置管理采用两个加 /减计数器，一个用于内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置计数器，一个用于接收外 部的输入，多种控制方式

9、，如定量运动，连续运动，回零运动，多轴插补，圆弧插 补，连续插补等。速度控制可用定速和直线/S曲线加减速，可做非对称直线加减 速。每轴有8个输入信号，所有数字输入信号均有积分型的滤波器，可选8种滤 波时间常数。适用于PC工控机平台下的通用型运动控制场合。3系统终端软件设计3.1系统软件构成3,4系统软件部分由DXF解析模块，422总线协议模块，背景图像图像定标和坐标变 换程序组成，LED模型位置调整操作，运动控制驱动接口程序如图3所示。图3系统软件体系结构为方便操作人员现场调整，Qt人机界面进程负责各从422总线接收工作台图片并 显示、LED模型重绘及文件操作等，并可通过鼠标设置模型的平移和旋

10、转量。采 用图形化的界面设计，界面友好，并根据操作人员的要求设计，符合操作人员的操 作习惯。图4为LED molding机运动控制系统的LED模型调整设定页面。图4人机交互界面该系统应用程序采用了多线程、面向对象的设计方法，结构清晰明了。如图4所 示，主要有串口通讯线程、运动控制卡命令发送线程、数据存储线程、Qt界面进 程组成。各任务之间是并行关系，且相互之间独立工作。进程之间应用管道及信号 量通讯，线程之间采用互斥锁协调工作，有效避免多个线程对同一个内存区的同时 访问。3.2 DXF文件解析AutoCAD 的 DXF(Drawing Interchange Format 或者 Drawing

11、 Exchange Format )绘图交换文件是Autodesk公司开发的用于AutoCAD与其它软件之间进 行CAD数据交换的CAD数据文件格式。DXF是一种开放的矢量数据格式，可以 分为两类:ASCI I格式和二进制格式;ASCI I具有可读性好，但占用空间较大;二进制 格式占有空间小、读取速度快。由于AutoCAD现在是最广泛使用的CAD系统， DXF也被成为事实上的标准。绝大多数CAD系统都能读入或输出DXF文件。DXF文件是由很多的代码”和值”组成的“数据对”构造而成4。本文采用面向对象的概念进行编程，读出DXF中的各个部分，用类的方式保存。其中对于包含图形中的图形对象（图元）的E

12、NTITIES段，使用了 Qt提供的链表类， 来存储数量动态变化直线、点、圆、圆弧等实体信息。面向对象的存储方式，有效 利用了计算机的内存，方便绘图程序和坐标变换程序读取和使用实体数据。在读取 的同时，调用QT的2D绘图函数库，绘制的对象为QT提供的图像类QImage3，在一幅图像中绘制好LED的模型后，方便后续的操作。3.3工作台图像采集显示由于工业生产中，对设备的稳定性、抗干扰性能的要求较高，上位机与嵌入式工业 图像采集系统通过422总线相连接，图像采集系统通过二进制代码的形式向上位 机发送JPG格式的图片数据。考虑到LED模型的多样性和图像采集过程中可能含 有的噪声，本文设计了一种重定坐

13、标原点和重定标的方法。图像采集后显示在QT界面一块800x600的区域，在此区域中，可以通过拖拽的 方式，显示一个透明的矩形框，设置为工作区，矩形框的左下角点定为图像原点， 并输入矩形框长边长，计算出像素与实际工作台世界坐标系的缩放比例K。缩放比 例K还用于LED模型的重绘过程中，由于DXF文件中的实体信息，是基于世界坐 标系，所以要进行比例转换。LED模型图片的大小和相对于原点的位置通过DXF 文件中TABLE Section的VPORT参数确定，VPORT包括了 DXF视图的中心点 和高度，乘以缩放比例获得像素大小和像素坐标。LED模型与背景图片以同一像 素比例在屏幕上显示，方便操作人员直

14、接观察和调整molding机的运动控制参数。 系统中有多个重要的特征点需要确定在整个加工平面物理世界坐标系中的位置。 LED模型通过鼠标的操作与实际工作区进行对准，提供给操作人员直观的实物和 模型比照。工作区矩形框的左下角在机械臂回零以后的中心位置就是整个加工平面 物理世界坐标系的原点位置。通过将点胶针移动到特定的位置并用固定摄像机对其 进行拍摄和识别，经过换算以后可以得到它们在整个加工平面物理世界坐标系中的 位置。只有经过系统标定模块的工作才能建立一个完整、准确的坐标系统，从而保 证了系统的精度。3.4 LED模型位置调整操作位置调整操作包括平移和旋转操作，必须分开进行。平移操作时，通过调用

15、QT提 供的槽函数 mouse-MoveEvent(QMouseEvent*event)、 mousePressEvent(QMouseEvent*event)、 mouseReleaseEvent(QMouseEvent*event)进行记录鼠标移动的像素点 event-pos()信息，采用了双缓冲绘图技术，在移动鼠标的同时，LED模型图一 起移动，并通过全局变量记录下X方向和Y方向的平移量。旋转操作时，可以进 行顺时针和逆时针的旋转，最小单位为1度，旋转时，通过对QT中2D绘图的基 准坐标系进行旋转，绘制旋转后的QT的图片类Qlmage到工作区，再恢复原来 的坐标系。在进行平移和旋转的时候

16、，通过全局变量sum_MoveValue和 rotateAngle累加记录像素偏移量和旋转量。4运动控制接口函数LED molding机的XY轴运动控制属于定位控制，转换为运动控制卡的输出指定 数量的脉冲数。移动的物理距离通过LED模型位置调整时记录的全局变量一像素 偏移量sum_MoveValue转换而来。转换公式如下：定量驱动的意思是以固定速度或加/减速度输出指定数量的脉冲。需要移动到确定 的位置或进行确定的动作时，使用此功能。加/减速的定量驱动如图5所示，输出 脉冲的剩余数比加速累计的脉冲数少时就开始减速，输出指定的脉冲数后驱动结束。定量驱动函数为 int pmove(int cardn

17、o，int axis，long pulse)，cardno 参数为 卡号，axis参数为轴号dir参数为输出的脉冲数，脉冲数可以通过上述公式算出。 进行加/减速的定量驱动还需要设定下列参数:范围加/减速A/D、初始速度SV、 驱动速度V、输出脉冲数P。系统提供两种运动路径规划方法:一种方法是，在已经重定标和配准的基础上，在 界面上选择点胶路径，用鼠标进行画线操作，两次电点击为一条线段，点击的位置 即为Z轴点胶操作点。第二种方法是，利用autoCAD工具，在LED模具的模型 图里边，用多段线4绘制点胶点的运动路径，多短线在DXF中是一种特殊的 数据段，以点序列的方式进行存储，而这种方式跟运动点的

18、顺序结构是一致的。第 种方法的优点是可以直接观察工作台的实际情况，但是由于屏幕分辨率的原因， 精度不比第二种方法高。图5定量驱动曲线5结束语通过以上工作，完成了基于工控机平台、嵌入式工业相机、运动控制卡和QT图形 界面的软硬件设计和实现。在无人工接触的情况下完成LED封装的注胶功能，实 现采集图像和工件模型的比照标定。在LED封装生产设备在线实时操作中取得了 良好的应用效果。系统经过简单配置各模块就可在其他如板材切割设备、SMT生产设备、布料裁剪 设备、智能生产线、纸张质量检测系统等需要图像处理、两轴运动控制的场合下使 用，具有通用性、扩展性，具有一定的实用价值和广泛的应用前景。参考文献【相关文献】1苏永道.LED封装技术.上海:上海交通大学出版社，20102陈峰基于Blackfin DSP的数字图像处理.北京:电子工业出版社，20093 Blanchette J.C + +GUI Qt4编程.闫锋欣，译.北京:电子工业出版社20094 AutoDesk.DXF reference.2005