UVW視覺對(duì)位平臺(tái)主要應(yīng)用在高速、高精需求的智能裝備上，比如曝光機(jī)、邦定機(jī)、絲網(wǎng)印刷機(jī)、WAFER 對(duì)位、PCB 鉆孔機(jī)、PCB板裁切、貼合機(jī)(LCD/FPC)、視覺模切機(jī)、鋰電池疊片等場(chǎng)合。本篇文章主要介紹了正運(yùn)動(dòng)技術(shù)開發(fā)的FRAME 33-UVW視覺對(duì)位平臺(tái)(PRP結(jié)構(gòu)-XYY或XXY)解決方案。

　　文/深圳市正運(yùn)動(dòng)技術(shù)有限公司

　　1 UVW視覺對(duì)位平臺(tái)介紹

　　UVW對(duì)位平臺(tái)，又被稱為XXY對(duì)位平臺(tái)，屬于三軸并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)三個(gè)線性移動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)以平面上任意一點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及沿任意方向平移，搭配CCD視覺使用，實(shí)現(xiàn)平面上X-Y與θ角度的精密微調(diào)，可實(shí)現(xiàn)高精度的對(duì)位功能，精度可達(dá)±0.001mm。目前UVW視覺對(duì)位平臺(tái)主要應(yīng)用在高速、高精需求的智能裝備上，比如曝光機(jī)、邦定機(jī)、絲網(wǎng)印刷機(jī)、WAFER 對(duì)位、PCB 鉆孔機(jī)、PCB板裁切、貼合機(jī)(LCD/FPC)、視覺模切機(jī)、鋰電池疊片等場(chǎng)合。

　　圖1 UVW對(duì)位平臺(tái)

　　視覺UVW對(duì)位平臺(tái)

　　UVW視覺對(duì)位平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)如下：

　　l 控制精度高于傳統(tǒng)的XYθ平臺(tái)，重復(fù)定位精度可達(dá)±1um;

　　l 體積小且穩(wěn)，整體空間更加精巧，相較于XYθ平臺(tái)，提高了承載能力，使用普通步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)也可達(dá)到較高精度;

　　l UVW視覺平臺(tái)是絕對(duì)的坐標(biāo)系作為參考系，作為獨(dú)立體的存在，更方便與其他運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行融合，提高自動(dòng)化設(shè)備的開發(fā)效率。

　　傳統(tǒng)的視覺UVW方案由工控機(jī)+視覺軟件+運(yùn)動(dòng)控制卡組成，配件多，接線復(fù)雜，視覺和運(yùn)動(dòng)需要相互數(shù)據(jù)交互，排查問題麻煩，并且硬件成本也比較高。

　　VPLC711視覺UVW方案：VPLC711機(jī)器視覺運(yùn)動(dòng)控制一體機(jī)，直接替代工控機(jī)+視覺軟件+運(yùn)動(dòng)控制卡方案，體積小，接線方便，內(nèi)部數(shù)據(jù)交互，性價(jià)比更高。

　　2 VPLC711視覺運(yùn)動(dòng)控制一體機(jī)產(chǎn)品介紹

　　圖2 VPLC711視覺運(yùn)動(dòng)控制一體機(jī)

　　(1)硬件特性

　　l 采用x86高性 能CPU, EtherCAT同步周期可達(dá)250us;

　　l 板載RS232, RS485, EtherNet*5, EtherCAT， USB3.0*4硬件接口;

　　l 板載20DI,其中4個(gè)高速色標(biāo)鎖存，2組高速單端編碼器;

　　l 支持DVI-D, HDMI顯示，支持多網(wǎng)口不同IP設(shè)置;

　　l 板載20D0， 其中4組高速PWM，支持1D/2D/3D的高速位置同步輸出。

　　(2)運(yùn)動(dòng)控制功能

　　l 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、電子凸輪、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)軌跡加工等功能;

　　l 板載高速PSO輸出，支持1D/2D/3D的高速位置同步輸出，可支持視覺飛拍、高速點(diǎn)膠、激光加工等應(yīng)用;

　　l 可支持UVW、SCARA、Delta、RTCP等30+種機(jī)械手模型算法。

　　(3)機(jī)器視覺功能

　　3 VPLC711視覺UVW對(duì)位平臺(tái)解決方案

　　正運(yùn)動(dòng)技術(shù)的UVW平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制算法有三種常見模型：FRAME33、FRAME34、FRAME37分別對(duì)應(yīng)兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)(PRP、PPR)跟兩個(gè)坐標(biāo)系方向(XYY、XXY)，可以實(shí)現(xiàn)單軸直線運(yùn)動(dòng)、兩軸線性插補(bǔ)、兩軸圓弧插補(bǔ)、空間圓弧等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。

　　本篇文章主要介紹FRAME 33-UVW視覺對(duì)位平臺(tái)(PRP結(jié)構(gòu)-XYY或XXY)的解決方案。

　　VPLC711機(jī)器視覺運(yùn)動(dòng)控制一體機(jī)性能如下：

　　l EtherNET接口：千兆網(wǎng)口，通過(guò)交換機(jī)最多可接8個(gè)相機(jī);

　　l EtherCAT接口：接EtherCAT總線驅(qū)動(dòng)器，控制UVW驅(qū)動(dòng)電機(jī);

　　l 16DI：接原點(diǎn)、限位等傳感器，以及開關(guān)信號(hào)等;

　　l 16D0：接輸出開關(guān)信號(hào)，也可接單端脈沖輸出(500KHz);

　　l HDMI接口：接顯示屏;

　　l USB接口：接鼠標(biāo)鍵盤等。

　　圖3 VPLC711視覺UVW對(duì)位平臺(tái)解決方案

　　VPLC711機(jī)器視覺運(yùn)動(dòng)控制一體機(jī)集成視覺和運(yùn)動(dòng)于一體，替代傳統(tǒng)的PC工控機(jī)+視覺軟件+運(yùn)動(dòng)控制方案，硬件接線更方便，成本更低。搭載正運(yùn)動(dòng)技術(shù)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)內(nèi)核MotionRT7，核內(nèi)交互，指令調(diào)用速度快至us級(jí)，提升加工和檢測(cè)效率。

　　該方案硬件配置如表1所示。

　　4 VPLC711視覺UVW對(duì)位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和視覺的實(shí)現(xiàn)

　　(1)運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

　　原理：通過(guò)安裝于同一平面的三個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定位要求(如圖4，均以平臺(tái)回零后的初始位置為基準(zhǔn))。

　　圖4 VPLC711視覺UVW對(duì)位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制原理

　?、匐姍C(jī)方向及角度范圍

　　l 虛擬的XY滿足右手法則;

　　l 角度正向與虛擬XY滿足右手法則;

　　l 實(shí)際電機(jī)軸方向無(wú)要求，根據(jù)實(shí)際情況填寫結(jié)構(gòu)參數(shù)即可。

　?、谳S順序與指令規(guī)定軸號(hào)填寫次序

　　指令規(guī)定軸號(hào)填寫次序如下：

　?、跿ABLE寄存器依次存入機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)。

　　建立機(jī)械手連接時(shí)，需要將機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)按照如下次序依次填寫到TABLE數(shù)組中。FRAME33模型機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)說(shuō)明如下：

　　圖5 FRAME33模型機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　從TableNum編號(hào)開始依次機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)U軸的距離參數(shù)，V軸的距離參數(shù)，W軸的距離參數(shù)，虛擬旋轉(zhuǎn)軸一圈脈沖數(shù)，U軸的方向，V軸的方向，W軸的方向到Table中。TABLE(TableNum,lu,lv,lw,angleonecircle,diru,dirv,zdirw)。以下例程從TABLE(100)開始依次填入Frame所需機(jī)械參數(shù)(圖6)。

　　圖6 機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　④設(shè)置關(guān)節(jié)軸參數(shù)及虛擬軸參數(shù)

　　各軸的軸類型和脈沖當(dāng)量(units)要設(shè)置正確，設(shè)置為電機(jī)走1mm需要的脈沖數(shù)。虛擬軸的units跟實(shí)際發(fā)送脈沖數(shù)無(wú)關(guān)，用于設(shè)置運(yùn)動(dòng)精度，虛擬軸的脈沖當(dāng)量一般設(shè)置為1000，表示精度為小數(shù)點(diǎn)后3位。

　　圖7 軸參數(shù)設(shè)置

　　軸參數(shù)設(shè)置

　?、荽_定機(jī)械手零點(diǎn)位置

　　FRAME33需要保證VW軸是水平的。平臺(tái)上任意一點(diǎn)可作為零點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)參數(shù)正確即可。

　?、藿C(jī)械手正逆解

　　正解建立：以FRAME33模型為例。先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)從某個(gè)Table起始編號(hào)依次存儲(chǔ)到Table數(shù)組中，然后選擇對(duì)應(yīng)模型的軸列表，使用CONNREFRAME指令建立正解模式。

　　若機(jī)械手正解建立成功，虛擬軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動(dòng)類型)將顯示為34，此時(shí)只能操作關(guān)節(jié)軸在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)，手動(dòng)運(yùn)動(dòng)可通過(guò)RTSys軟件菜單欄的【工具】-【手動(dòng)運(yùn)動(dòng)】，待【手動(dòng)運(yùn)動(dòng)】界面彈出之后選擇關(guān)節(jié)軸軸編號(hào)(本文關(guān)節(jié)軸以軸0(U軸)，軸1(V軸)，軸2(W軸))然后根據(jù)實(shí)際需求選擇點(diǎn)動(dòng)或者寸動(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。

　　圖8 正解模式

　　逆解建立：以Frame33模型為例。先將機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)從某個(gè)Table起始編號(hào)依次存儲(chǔ)到Table數(shù)組中，然后選擇對(duì)應(yīng)模型的軸列表，使用CONNFRAME指令建立正解模式。若機(jī)械手逆解建立成功，關(guān)節(jié)軸MTYPE(當(dāng)前運(yùn)動(dòng)類型)將顯示為33，【手動(dòng)運(yùn)動(dòng)】界面操作虛擬軸方法同上。此時(shí)加工工藝指令只能操作虛擬軸，事先編輯好運(yùn)動(dòng)的軌跡在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)(本文虛擬軸以軸3，軸4，軸5為例)，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)。

　　圖9 逆解模式

　　(2)視覺系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　主要由相機(jī)、鏡頭、光源、光源控制器、視覺處理系統(tǒng)等組成。

　　用面陣相機(jī)：可以是2個(gè)相機(jī)，也可以是4個(gè)相機(jī)(根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求來(lái))。

　　本視覺系統(tǒng)解決方案只需要相機(jī)簡(jiǎn)單配置和快速標(biāo)定，即可以實(shí)現(xiàn)UVW視覺對(duì)位功能，簡(jiǎn)化視覺操作步奏，降低現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)覺應(yīng)用難度。

　?、傧鄼C(jī)配置

　　在相機(jī)配置界面選擇相機(jī)相應(yīng)的品牌，掃描到相機(jī)后可以獲取到相機(jī)基礎(chǔ)，也可以設(shè)置相機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)。

　　圖10 相機(jī)品牌和基礎(chǔ)設(shè)置

　　②快速標(biāo)定

　　快速標(biāo)定替代常規(guī)的創(chuàng)建模板、匹配測(cè)試、單相機(jī)標(biāo)定、多相機(jī)標(biāo)定等步奏，只需要在所有相機(jī)中選擇Mark點(diǎn)創(chuàng)建目標(biāo)區(qū)域即可一步完成標(biāo)定，極大降低視覺操作難度。

　　圖11 快速標(biāo)定

　　(3)方案測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果

　　VPLC711機(jī)器視覺運(yùn)動(dòng)控制一體機(jī)基于i5處理器，雙相機(jī)視覺定位時(shí)間60ms，精度2個(gè)像素，配合MotionRT7運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)內(nèi)核，從數(shù)據(jù)交互、視覺處理速度和精度等各方面，都能滿足用戶高速、高精的UVW視覺對(duì)位的需求。

　　5 基于VPLC711的UVW視覺對(duì)位解決方案的優(yōu)勢(shì)

　　(1)集成機(jī)器視覺、UVW控制和運(yùn)動(dòng)控制于一體，硬件接線更方便，成本更低;

　　(2)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)內(nèi)核，核內(nèi)交互，指令調(diào)用速度快至us級(jí)，提升加工效率;

　　(3)內(nèi)置UVW平臺(tái)算法，客戶使用更方便，提升工程師開發(fā)效率;

　　(4)內(nèi)置視覺算法，精度高，雙相機(jī)定位精度2個(gè)像素以內(nèi);

　　(5)統(tǒng)一的API函數(shù)接口，適用各種PC上位機(jī)語(yǔ)言開發(fā)。