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　　UVW視覺對位平臺主要應用在高速、高精需求的智能裝備上，比如曝光機、邦定機、絲網印刷機、WAFER 對位、PCB 鉆孔機、PCB板裁切、貼合機(LCD/FPC)、視覺模切機、鋰電池疊片等場合。本篇文章主要介紹了正運動技術開發的FRAME 33-UVW視覺對位平臺(PRP結構-XYY或XXY)解決方案。

　　文/深圳市正運動技術有限公司

　　1 UVW視覺對位平臺介紹

　　UVW對位平臺，又被稱為XXY對位平臺，屬于三軸并聯運動機構，通過三個線性移動軸，實現以平面上任意一點為中心進行旋轉運動以及沿任意方向平移，搭配CCD視覺使用，實現平面上X-Y與θ角度的精密微調，可實現高精度的對位功能，精度可達±0.001mm。目前UVW視覺對位平臺主要應用在高速、高精需求的智能裝備上，比如曝光機、邦定機、絲網印刷機、WAFER 對位、PCB 鉆孔機、PCB板裁切、貼合機(LCD/FPC)、視覺模切機、鋰電池疊片等場合。

　　圖1 UVW對位平臺

　　視覺UVW對位平臺

　　UVW視覺對位平臺的優勢如下：

　　l 控制精度高于傳統的XYθ平臺，重復定位精度可達±1um;

　　l 體積小且穩，整體空間更加精巧，相較于XYθ平臺，提高了承載能力，使用普通步進馬達驅動也可達到較高精度;

　　l UVW視覺平臺是絕對的坐標系作為參考系，作為獨立體的存在，更方便與其他運動軸進行融合，提高自動化設備的開發效率。

　　傳統的視覺UVW方案由工控機+視覺軟件+運動控制卡組成，配件多，接線復雜，視覺和運動需要相互數據交互，排查問題麻煩，并且硬件成本也比較高。

　　VPLC711視覺UVW方案：VPLC711機器視覺運動控制一體機，直接替代工控機+視覺軟件+運動控制卡方案，體積小，接線方便，內部數據交互，性價比更高。

　　2 VPLC711視覺運動控制一體機產品介紹

　　圖2 VPLC711視覺運動控制一體機

　　(1)硬件特性

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

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

　　l 板載20DI,其中4個高速色標鎖存，2組高速單端編碼器;

　　l 支持DVI-D, HDMI顯示，支持多網口不同IP設置;

　　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)運動控制功能

　　l 點位運動、電子凸輪、直線插補、圓弧插補、連續軌跡加工等功能;

　　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、高速點膠、激光加工等應用;

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

　　(3)機器視覺功能

　　3 VPLC711視覺UVW對位平臺解決方案

　　正運動技術的UVW平臺運動控制算法有三種常見模型：FRAME33、FRAME34、FRAME37分別對應兩種機械結構(PRP、PPR)跟兩個坐標系方向(XYY、XXY)，可以實現單軸直線運動、兩軸線性插補、兩軸圓弧插補、空間圓弧等復雜運動。

　　本篇文章主要介紹FRAME 33-UVW視覺對位平臺(PRP結構-XYY或XXY)的解決方案。

　　VPLC711機器視覺運動控制一體機性能如下：

　　l EtherNET接口：千兆網口，通過交換機最多可接8個相機;

　　l EtherCAT接口：接EtherCAT總線驅動器，控制UVW驅動電機;

　　l 16DI：接原點、限位等傳感器，以及開關信號等;

　　l 16D0：接輸出開關信號，也可接單端脈沖輸出(500KHz);

　　l HDMI接口：接顯示屏;

　　l USB接口：接鼠標鍵盤等。

　　圖3 VPLC711視覺UVW對位平臺解決方案

　　VPLC711機器視覺運動控制一體機集成視覺和運動于一體，替代傳統的PC工控機+視覺軟件+運動控制方案，硬件接線更方便，成本更低。搭載正運動技術運動控制實時內核MotionRT7，核內交互，指令調用速度快至us級，提升加工和檢測效率。

　　該方案硬件配置如表1所示。

　　4 VPLC711視覺UVW對位平臺運動和視覺的實現

　　(1)運動控制的實現

　　原理：通過安裝于同一平面的三個驅動軸的運動，實現定位要求(如圖4，均以平臺回零后的初始位置為基準)。

　　圖4 VPLC711視覺UVW對位平臺運動控制原理

　　①電機方向及角度范圍

　　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 實際電機軸方向無要求，根據實際情況填寫結構參數即可。

　　②軸順序與指令規定軸號填寫次序

　　指令規定軸號填寫次序如下：

　　③TABLE寄存器依次存入機械手結構參數。

　　建立機械手連接時，需要將機械結構參數按照如下次序依次填寫到TABLE數組中。FRAME33模型機械結構參數說明如下：

　　圖5 FRAME33模型機械結構

　　從TableNum編號開始依次機械手結構參數U軸的距離參數，V軸的距離參數，W軸的距離參數，虛擬旋轉軸一圈脈沖數，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所需機械參數(圖6)。

　　圖6 機械手結構參數

　　④設置關節軸參數及虛擬軸參數

　　各軸的軸類型和脈沖當量(units)要設置正確，設置為電機走1mm需要的脈沖數。虛擬軸的units跟實際發送脈沖數無關，用于設置運動精度，虛擬軸的脈沖當量一般設置為1000，表示精度為小數點后3位。

　　圖7 軸參數設置

　　軸參數設置

　　⑤確定機械手零點位置

　　FRAME33需要保證VW軸是水平的。平臺上任意一點可作為零點，保證結構參數正確即可。

　　⑥建立機械手正逆解

　　正解建立：以FRAME33模型為例。先將機械手結構參數從某個Table起始編號依次存儲到Table數組中，然后選擇對應模型的軸列表，使用CONNREFRAME指令建立正解模式。

　　若機械手正解建立成功，虛擬軸MTYPE(當前運動類型)將顯示為34，此時只能操作關節軸在關節坐標系中調整機械手姿態，手動運動可通過RTSys軟件菜單欄的【工具】-【手動運動】，待【手動運動】界面彈出之后選擇關節軸軸編號(本文關節軸以軸0(U軸)，軸1(V軸)，軸2(W軸))然后根據實際需求選擇點動或者寸動。虛擬軸會自動計算末端工作點位于直角坐標系中的位置。

　　圖8 正解模式

　　逆解建立：以Frame33模型為例。先將機械手結構參數從某個Table起始編號依次存儲到Table數組中，然后選擇對應模型的軸列表，使用CONNFRAME指令建立正解模式。若機械手逆解建立成功，關節軸MTYPE(當前運動類型)將顯示為33，【手動運動】界面操作虛擬軸方法同上。此時加工工藝指令只能操作虛擬軸，事先編輯好運動的軌跡在直角坐標系中運動(本文虛擬軸以軸3，軸4，軸5為例)，關節軸會自動計算在關節坐標系中如何聯合運動。

　　圖9 逆解模式

　　(2)視覺系統的實現

　　主要由相機、鏡頭、光源、光源控制器、視覺處理系統等組成。

　　用面陣相機：可以是2個相機，也可以是4個相機(根據應用場景的實際需求來)。

　　本視覺系統解決方案只需要相機簡單配置和快速標定，即可以實現UVW視覺對位功能，簡化視覺操作步奏，降低現場的應覺應用難度。

　　①相機配置

　　在相機配置界面選擇相機相應的品牌，掃描到相機后可以獲取到相機基礎，也可以設置相機的基礎參數。

　　圖10 相機品牌和基礎設置

　　②快速標定

　　快速標定替代常規的創建模板、匹配測試、單相機標定、多相機標定等步奏，只需要在所有相機中選擇Mark點創建目標區域即可一步完成標定，極大降低視覺操作難度。

　　圖11 快速標定

　　(3)方案測試驗證結果

　　VPLC711機器視覺運動控制一體機基于i5處理器，雙相機視覺定位時間60ms，精度2個像素，配合MotionRT7運動控制實時內核，從數據交互、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視覺對位的需求。

　　5 基于VPLC711的UVW視覺對位解決方案的優勢

　　(1)集成機器視覺、UVW控制和運動控制于一體，硬件接線更方便，成本更低;

　　(2)運動控制實時內核，核內交互，指令調用速度快至us級，提升加工效率;

　　(3)內置UVW平臺算法，客戶使用更方便，提升工程師開發效率;

　　(4)內置視覺算法，精度高，雙相機定位精度2個像素以內;

　　(5)統一的API函數接口，適用各種PC上位機語言開發。