1、自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications基于机器视觉与PLC的三轴转台闭环控制方法李 谨,侯宗宗,乔俊杰,秦 可(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000)摘要:针对点胶工序中需要消除点胶机工作原点与PCB板定位误差的问题，对视觉系统、三轴转台的结构设计与控制系统设计进行研究分析，提出一种通过机器视觉获得电路板相对于工作台原点的位移和转角偏差，利用PLC对三轴工作台进行运动控制补偿偏差，并通过视觉实时监控位移和转角实现
2、位置闭环控制的方法。编写上位机软件与PLC控制程序，设计搭建一种补偿电路板定位误差的三轴转台及控制电路。对系统机电联调测试，测试结果表明该方案可有效的解决工件定位误差的问题。关键词:机器视觉；PLC；三轴转台；闭环控制中图分类号：TP273文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)06-0005-05Closed-loop Control of Three-axle TableBased on Image Recognition and PLC ControlLI Jin,HOU Zong-zong,QIAO Jun-jie,QIN Ke(China Shipbuilding In
3、dustry Corporation 725TH Research Institute,Luoyang 471000 China)Abstract:Aiming at the problem of the PCB has a relative deviation from the origin point of dispenser in the process of dispensing SMDcomponents on PCB,it is need to align the working origin of the dispenser and the positioning point o
4、f the PCB before dispensing.The control program,structure design and control method of three-axis turntable are studied.A method is proposed to obtain thedeviations of the PCB relative to the origin of the turntable through image recognition,and then use PLC to control the motion ofthe turntable to
5、compensate the deviations.Closed-loop control is realized through real-time monitoring.A method is introduced ofcommunication between host computer and PLC,the host computer software and PLC programs are wrote,the structure and con-trol circuit of three-axis turntable are designed.The test results s
6、how that by using image recognition technology to control the mo-tion of the three-axis turntable in a closed loop,the workpiece on the turntable can be accurately corrected and positioned.Keywords:image recognition;PLC;three-axle turntable;closed-loop control收稿日期:2022-01-28DOI:10.20033/j.1003-7241.
7、（2023）06-0005-05.1引言为提高PCB电路板的防水防尘防腐蚀性能，并在较大的温度和湿度范围内消除因冲击和震动对电气元件所产生的应力，通常需要通过点胶设备对印刷电路板上的元件进行底部填充、点胶、表面贴装、贴合密封、芯片包封等处理1。在批量化生产过程中，PCB板材相对点胶设备的定位精度直接影响到点胶工序的质量。半自动点胶设备需要借助人工或工装对待点胶的PCB板进行定位，生产效率低，设备适用性差，难以满足对小规模多品种PCB板材进行点胶的生产要求。因此，对点胶设备进行简单改造升级，使其能够自动对PCB进行定位，对于提高设备的生产效率和柔性化具有积极意义。随着计算机和机械自动化技术的不断
8、发展，基于机器视觉的检测技术被广泛应用到工业生产的各个领域2。本文对PCB板材的图像识别，上位机与PLC的数据交互及运行控制进行研究，提出了一种基于图像识别与PLC控制的三轴转台定位的闭环控制方法。2点胶设备三轴转台的硬件设计图1数控点胶设备硬件结构为适应高精度柔性化生产的需要，点胶设备配置了视觉检测系统、三轴转台以及配套的电气控制系统。点5控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications胶设备的机械结构如图1所示，待点胶的PCB板放置在转台上，
9、通过视觉检测得到定位误差后，控制三轴转台进行纠偏。下面主要对转台的结构和纠偏原理进行简单介绍。当PCB板放置在点胶设备工作台上，机床原点O1与板材原点O2之间存在X方向和Y方向的位移偏差X和Y，机床坐标系和板材坐标系之间存在着角度偏差A，如图2所示。为确保点胶质量，需要对偏差进行修正。本文采用的方案是通过控制三轴转台运动来补偿位移和角度偏差，使工件和机床坐标系对正。纠偏后PCB与工作台的相对位置如图3所示。图2纠偏前PCB相对于设备原点的偏差图3纠偏后PCB相对于设备原点的偏差三轴转台的机械结构如图4所示，其中X轴和Y轴采用滚珠丝杠直线模组，用于补偿位移偏差X和Y，A轴采用电机直接驱动转台来补
10、偿角度偏差A。X轴与Y轴各布置三个光电开关，分别作为两侧极限硬限位和原点限位，轴布置一个光电开关作为原点限位。考虑到负载特性和硬件成本以及图像识别系统可实时检测偏差来保证精度，因此选用57型步进电机作为驱动。图4三轴转台的机械结构三轴转台使用西门子S7-1214 DC/DC/DC型PLC进行逻辑及运动控制。输入端子排接收三轴的限位、原点与急停等输入信号，输出端子向步进电机驱动器发送PTO脉冲串（脉冲+方向）来控制三轴转台的运动3。PLC控制器的接线图如图5所示。图5PLC控制器接线图3上位机与PLC的数据通讯在点胶设备运行时，上位机通过机器视觉程序计算，得到PCB相对于设备原点的偏差X、Y和A
11、后，需要与PLC进行通讯来传递转台的控制参数。同时上位机也要读取PLC中的信息来实时监控转台的运动状态。西门子PLC提供多种数据通讯接口，如Modbus串口通讯、OPC通讯和TCP网口通讯等方式4-5。S7.Net是一个基于C#开发的动态链接库，可用于读写PLC内部数据块中的数据，用户可以在Visual Stu-dio中通过NuGet程序包下载该库文件，并添加引用至项目中，适用于西门子S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200和S7-1500等支持Profinet的PLC或可拓展Profinet卡的PLC。在本应用中，上位机图像识别使用了C#+HAL-CON混合编程的技术方案，而
12、S7.Net也是基于C#语言编写的，因此，通过调用该类库的方式实现上位机图像识别程序和PLC数据读写程序的无缝衔接，相比其他通讯方式相比，具有高效灵活的优点，有效降低编程成本的同时保证系统的高效稳定运行。本项目采用的编程环境及硬件配置见表1，在上位机Winform程序中，设置所选PLC的CPU TYPE、IP地址、Rack和Slot编号等参数（可在博图软件中查看）；在博图软件中编写三轴转台的运动控制程序，将PC与PLC交互所需要的各参数及状态信息，如偏差值X、Y、A以及各轴使能状态、回原点状态等整合到一个全局数据块中，并取消该数据块属性中“优化的块访问”前的勾选，如图6所示，同时注意在博图软件
13、中设置PLC的访问权限为“完全的6自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications访问权限”并勾选“允许从远程伙伴使用PUT/GET通讯访问”，如图7所示，以便上位机能够按绝对地址进行访问。表1项目软件环境和硬件配置项 目上位机操作系统上位机编译环境PLC型号PLC程序编译工具PLC端权限设置配 置Windows 7 64/.NET Framework 4.5.2Visual Studio 2019西门子 S7-1214 DC/DC/DC博图TI
14、APortal V14全局DB块，取消勾选“优化的块访问”勾选“完全访问权限（无任何保护）”勾选“允许从远程伙伴使用PUT/GET通信访问”图6PLC中DB数据块的设置图7PLC的权限设置图8上位机与PLC的连接PLC的权限设置完成后，在PC端启动Winform程序并初始化PLC的IP地址、CPU类型和槽架号等信息，新建 PLC 对象并调用 S 类库中的 PLC.Open()与PLC建立连接，并通过检测ErrorCode和IsConnected来判断上位机与PLC的连接状态。连接状态下，上位机可直接读写PLC中的全局数据库。上位机连接PLC的流程如图8所示6。4上位机对数控转台的闭环控制上位机
15、与PLC建立连接并确认连接成功状态后，向PLC发送三轴使能信号和回原点信号，令工作台三轴回归绝对原位，当检测到三轴回原点状态为真时，通过送料设备向工作台上放置待点胶的PCB板，并通过图像识别程序计算PCB相对点胶设备原点的定位差值X、Y和A，通过数据通讯发写入PLC，用以控制工作台三轴的运动方向和距离。在转台运动过程中，视觉系统实时检测PCB板的偏差X、Y 和A，并通过通讯写入PLC的运动控制参数，直至三轴的偏差满足精度要求，实现PCB原点和点胶设备原点的重合7。纠偏完成后便可开始进行点胶，点胶完成后取走工件，待工作台重新归零位运动后，可放置下一件工件。控制流程如图9所示。图9三轴转台控制流程
16、在三轴工作台的运动控制程序中，上位机写入PLC的数据见表2所示，包括三轴的使能信号、回原点信号、三轴运行速度等运动参数。上位机读取PLC的数据如表3所示，在上位机界面上实时监控各轴的激活状态、回原点状态、限位开关触发7控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications状态等运行信息。同时将采集各轴的错误信息，以便出现故障时快速地进行故障排除。根据控制系统的设计要求以及功能需求，编写原理样机上位机端的软件界面如图10所示，包含图像区、PLC通讯配置模块、三轴转台运动参数设置和PCB板偏差监控等功能。表2上位机写入PLC的数据变量名称AxsEnableXYHomingMovVeloOfXYMovVeloOfAStartSignalXAxisResetYAxisResetAAxisResetDistanceOfXDistanceOfYDistanceOfA变量类型BoolBoolRealRealBoolBoolBoolBoolRealRealRe
