一、引言

　　在上下料、裝配、SMT 的設(shè)備應(yīng)用中，材料大小、形狀等參差不齊，取料、貼裝、放料等重復(fù)性高、精度高的工藝場(chǎng)合，加裝工業(yè)相機(jī)，帶上機(jī)器視覺(jué)，能使其重復(fù)定位精度更高。進(jìn)而將視覺(jué)飛拍技術(shù)引入到此類(lèi)系統(tǒng)后，既能確保精度，又能縮短單個(gè)產(chǎn)品周期，提高產(chǎn)能，做到更優(yōu)控制。

　　手機(jī)常見(jiàn)貼裝輔料

　　本文通過(guò) ZMC416BE 運(yùn)動(dòng)控制器在手機(jī)輔料貼裝上的應(yīng)用，來(lái)更深入了解機(jī)器視覺(jué)飛拍的使用。

　　二、ZMC416BE 產(chǎn)品介紹

　　ZMC416BE 是正運(yùn)動(dòng)技術(shù)推出的高性能多軸 EtherCAT 總線(xiàn) + 脈沖運(yùn)動(dòng)控制器，支持 EtherCAT 總線(xiàn)軸和脈沖軸同時(shí)使用和混合插補(bǔ)，同時(shí)板載 16 路脈沖輸出 ,3 路編碼器輸入，通用數(shù)字量輸入輸出 24+8，2 路 AD 和 2 路 DA，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、電子凸輪、直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)軌跡加工等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制功能，也支持精準(zhǔn)輸出、位置同步輸出 PSO，非常匹配應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)飛拍的場(chǎng)合。

　　ZMC416BE 運(yùn)動(dòng)控制器既可以脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，也可以 PC上位機(jī)調(diào)用 API 函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。ZDevelop 低門(mén)檻的IDE 開(kāi)發(fā)環(huán)境，集開(kāi)發(fā)、調(diào)試、診斷于一體，完善的工藝包， 滿(mǎn)足了現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中集成化、模塊化、智能化的需求。另外， ZMC416BE 的通用性，也可以用 PC 軟件，比如 C#、C++、LabVIEW、VB、.NET、Python、Qt 等第三方軟件調(diào)用同一套API 函數(shù)庫(kù)來(lái)開(kāi)發(fā)。

　　ZMC416BE 產(chǎn)品圖

　　ZMC416BE 運(yùn)動(dòng)控制器的功能包括：

　　? 板載 24 點(diǎn)通用輸入，8 點(diǎn)通用輸出，2 路 0-10V 模擬量輸入和 2 路 0-10V 模擬量輸出;

　　? 板載 16 路脈沖輸出軸接口和 3 路高速編碼器接口;

　　? 支持 16 軸 EtherCAT 總線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，EtherCAT+ 脈沖軸共 16 個(gè)，可混合使用;

　　? 支持電子凸輪、直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)軌跡加工等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制;

　　ZMC416BE 視覺(jué)飛拍系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　? 可支持 Delta、SCARA、協(xié)作機(jī)器人、雙旋轉(zhuǎn)等 30+ 機(jī)械手模型算法;

　　? 支持精準(zhǔn)輸出、位置同步輸出 PSO，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)飛拍功能;

　　? 支持軸擴(kuò)展和 IO 擴(kuò)展，最多可擴(kuò)展至 4096 輸入和輸出。

　　三、ZMC416BE 運(yùn)動(dòng)控制器飛拍應(yīng)用系統(tǒng)概述

　　1. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

　　主要由 ZMC416BE 運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)、絲桿(或者驅(qū)動(dòng)器、直線(xiàn)電機(jī)和光柵尺)等組成。通過(guò) ZMC416BE運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)脈沖或者 EtherCAT 總線(xiàn)方式發(fā)送命令控制驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制;通過(guò)編碼器或者光柵尺的反饋位置 MPOS， 進(jìn)行精準(zhǔn)輸出或者位置比較輸出 IO 信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)相機(jī)的飛行拍照。

　　2. 視覺(jué)系統(tǒng)

　　主要由相機(jī)、鏡頭、光源、光源控制盒、視覺(jué)處理系統(tǒng)等組成。根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度的快慢不同，對(duì)相機(jī)的拍照響應(yīng)時(shí)間、曝光時(shí)間以及鏡頭光圈、像素和光源等都有一定的要求。

　　定拍 V-T 圖

　　四、ZMC416BE 在貼裝行業(yè)的飛拍應(yīng)用

　　1. 硬件配置

　　2. 貼裝飛拍原理

　　在工件的拾取過(guò)程中，因機(jī)械臂的夾具或者吸盤(pán)在抓取瞬間，使工件發(fā)生位置偏移，產(chǎn)生的位置誤差會(huì)影響工件的放置精度。為了確保貼裝的精度，需要在工件搬運(yùn)過(guò)程中，預(yù)先通過(guò)工業(yè)相機(jī)拍攝工件位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)位置糾偏?？墒桥臄z需要時(shí)間，往往造成設(shè)備不需要的停頓動(dòng)作，每次貼裝都停頓 1-2s， 1000 次貼裝就要停頓半小時(shí)，對(duì)產(chǎn)能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

　　飛拍 V-T 圖

　　使用飛拍技術(shù)，當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到拍照點(diǎn)區(qū)域，由運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部觸發(fā)相機(jī)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)停頓拍照，微秒級(jí)的拍攝速度， 數(shù)毫秒間輸出視覺(jué)運(yùn)算結(jié)果，再利用相機(jī)回傳的位置數(shù)據(jù)，對(duì)角度和位置進(jìn)行修正補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)位置的糾偏。既保證效率，又確保了精度，在 2m/s 的速度下，最終的貼裝精度，依然能夠確保在 10um 以?xún)?nèi)。

　　3. 系統(tǒng)動(dòng)作流程

　　(1)料盤(pán)視覺(jué)定位

　　相機(jī)對(duì)待抓取料盤(pán)或者振動(dòng)盤(pán)里的物料進(jìn)行拍照粗定位， 計(jì)算出抓取位置和規(guī)劃抓取路徑;

　　(2)機(jī)構(gòu)上料抓取

　　根據(jù)計(jì)算出的位置，XYZ 模組或者 SCARA 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到正確的位置，下降夾具或者吸嘴進(jìn)行抓取物料;

　　(3)下相機(jī)視覺(jué)飛拍

　　抓取到的物料運(yùn)動(dòng)到下相機(jī)拍照點(diǎn)區(qū)域，由運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部精準(zhǔn)輸出或者硬件位置比較輸出觸發(fā)相機(jī)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)停頓拍照精定位;

　　(4)定位和糾偏

　　對(duì)拍照的物料圖片進(jìn)行視覺(jué)分析處理，得出中心點(diǎn)位置和偏轉(zhuǎn)角度，再進(jìn)行位置糾偏和修正;

　　(5)貼裝放料

　　在運(yùn)動(dòng)到貼裝位置的過(guò)程中進(jìn)行角度和位置補(bǔ)償糾偏，然后到達(dá)正確的目標(biāo)位置進(jìn)行放料貼裝;

　　(6)返回上料位

　　貼裝完成后，返回上料位置，準(zhǔn)備下一次的抓取，往復(fù)循環(huán)。

　　五、ZMC416BE 飛拍運(yùn)動(dòng)的主要功能和特點(diǎn)

　　1. 核心功能特點(diǎn)

　　軸運(yùn)動(dòng)時(shí)觸發(fā) IO 拍照的實(shí)時(shí)性和圖像獲取、處理速度是整個(gè)飛拍過(guò)程中精度的保證。ZMC416BE 運(yùn)動(dòng)控制器基于FPGA 的硬件比較輸出，從驅(qū)動(dòng)器到達(dá)拍照位置，到相機(jī)完成觸發(fā)，整個(gè)精度可以控制在：脈沖輸出方式的最小誤差1 個(gè)脈沖， 總線(xiàn)控制方式的最小誤差 1us 以?xún)?nèi)。

　　當(dāng)電機(jī)帶編碼器或者光柵尺反饋時(shí)，硬件比較輸出功能自動(dòng)使用反饋位置 MPOS 來(lái)進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)不帶反饋時(shí)，此功能自動(dòng)使用發(fā)送位置 DPOS 的比較觸發(fā);根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)器差異性效果，也可以使用 MOVEOP_DELAY 參數(shù)來(lái)調(diào)整 IO 輸出的準(zhǔn)確時(shí)刻。多種實(shí)現(xiàn)和調(diào)整方式，極大地確保了運(yùn)動(dòng)控制器在高速高精場(chǎng)合視覺(jué)飛拍時(shí)的精度。

　　2. 運(yùn)動(dòng)控制功能相關(guān)指令

　　(1)飛拍相關(guān)指令

　　硬件精準(zhǔn)位置輸出 MOVE_OP 觸發(fā)拍照 , 實(shí)現(xiàn)飛拍功能， 誤差 1 個(gè)脈沖;

　　緩沖提前 / 延時(shí)開(kāi)關(guān)輸出 MOVEOP_DELAY 可調(diào)整微秒級(jí)別的輸出操作時(shí)間;

　　硬件位置比較輸出 HW_PSWITCH/ HW_PSWITCH2 可實(shí)現(xiàn)單次或者多次連續(xù)精確觸發(fā)相機(jī)拍照;

　　運(yùn)動(dòng)到新位置 MOVEMODIFY2 強(qiáng)制停止原來(lái)的運(yùn)動(dòng) , 接著按原來(lái)的速度與加速度定位到新目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置修正補(bǔ)償。

　　(2)SCARA 機(jī)械手正逆解模式正解模式

　　BASE(Viraxis_x, Viraxis_y, [Viraxis_v] [,Viraxis_z]) CONNREFRAME(1,tablenum,Axis_a,Axis_b[,Axis_c][,Axis_d]) WAIT LOADED

　　建立成功后，虛擬軸 MTYPE 將顯示為 34，IDLE 顯示為 0。此時(shí)只能操作關(guān)節(jié)軸在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)，虛擬軸會(huì)自動(dòng)計(jì)算末端工作點(diǎn)位于直角坐標(biāo)系中的位置。

　　逆解模式BASE(Axis_a,Axis_b[,Axis_c][,Axis_d])

　　CONNFRAME(1,tablenum, Viraxis_x, Viraxis_y, [Viraxis_v]

　　[,Viraxis_z])

　　WAIT LOADED

　　建立成功后，關(guān)節(jié)軸 MTYPE 將顯示為 33，IDLE 顯示為 0。此時(shí)只能操作虛擬軸在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)軸會(huì)自動(dòng)計(jì)算在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中如何聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。

　　六、ZMC416BE 在貼裝行業(yè)飛拍應(yīng)用的方案亮點(diǎn)

　　? 來(lái)料在機(jī)器視覺(jué)定位糾偏過(guò)程中，機(jī)構(gòu)不用停下來(lái)，相比靜態(tài)拍照，減少機(jī)臺(tái) CT，提高效率;

　　? 進(jìn)一步提升精 度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)貼裝定位精度可達(dá)±0.05mm;

　　? EtherCAT 軸和脈沖軸可同時(shí)在一臺(tái) ZMC416BE 運(yùn)動(dòng)控制器上使用，滿(mǎn)足客戶(hù)多樣性的需求，降低成本。