超高速PCIe EtherCAT運動控制卡在高速視覺貼裝設備上的應用
文:深圳市正運動技術有限公司2024年第四期
視覺貼裝機作為一種新型的智能化標簽和輔料貼合機器,融合先進的機器視覺技術和貼裝運動工藝,給工業生產帶來了極大的效率和精度提升。本文通過介紹PCIE464運動控制卡在視覺貼裝行業的應用,來更深入地了解超高速PCIe EtherCAT運動控制卡的性能特點。
文/深圳市正運動技術有限公司
1 市場應用背景
隨著科技的進步和工業自動化的不斷發展,越來越多的企業開始采用先進的生產技術和設備來提高生產效率和產品質量。其中,視覺貼裝機作為一種新型的智能化標簽和輔料貼合機器,融合先進的機器視覺技術和貼裝運動工藝,給工業生產帶來了極大的效率和精度提升,目前已經在3C電子、PCB、食品包裝、醫藥、化妝品、汽車零部件、倉儲物流等領域得到了廣泛的應用。
貼裝材料包含了二維碼、條形碼、防偽碼、商標、合格證、生產日期等標簽,也包含了防水軟墊、導電泡棉、導熱硅膠、銅箔片、帶膠導電布、高溫膠紙等輔料。
圖1 常見貼裝的商標和輔料
本文通過介紹PCIE464運動控制卡在視覺貼裝行業的應用,來更深入地了解超高速PCIe EtherCAT運動控制卡的性能特點。
2 PCIE464運動控制卡在高速視覺貼裝上的應用對比傳統方案
(1)傳統貼裝方案的局限
①傳統不帶視覺的自動貼裝設備
不帶視覺的自動貼裝設備往往采用PLC+觸摸屏方案,主要針對一些速度和精度要求不太高、一致性要求一般的場合。在生產和調試過程中,需要更多的人工干預或其他配件的協助調整,導致貼裝效率較低,比如規則的食品包裝、低端電子產品等的標簽和輔料貼裝。
②視覺貼裝設備
一般的視覺貼裝設備采用的多是飛達機構+機器視覺+PLC控制方案。因為增加了視覺功能,可以針對一些材料大小、形狀等參差不齊,取料、貼裝、放料等重復性高、精度高的工藝場合進行貼裝。
在物料的拾取過程中,因機械臂的夾具或者吸盤在抓取瞬間,使物料發生位置偏移,產生的位置誤差會影響產品的貼裝精度。為了確保精度,需要在工件移動過程中,預先通過工業相機拍攝抓取或吸取的物料位置,來實現位置糾偏。但是拍攝需要時間,往往造成設備運動軸不必要的停頓動作,每次貼裝都停頓1-2s,1000次貼裝都要停頓半小時,因此會對產能產生嚴重的影響。
圖2 視覺定拍,效率不高
(2)正運動技術解決方案
隨著工業生產對貼裝設備在產能、貼裝精度、貼裝良率等方面的要求不斷提高,正運動技術采用了超高速PCIe EtherCAT運動控制卡PCIE464的方案,利用硬件位置比較輸出PSO功能,在工業相機拍照位置,實現視覺飛拍功能。
①單相機視覺飛拍
使用飛拍技術,當機械臂運動到拍照點區域,由PCIE464運動控制卡高速輸出口觸發相機,進行動態無停頓拍照,微秒級的觸發時間,數毫秒間輸出視覺運算結果,再利用相機回傳的位置數據,對角度和位置進行修正補償,實現位置的糾偏,既可以保證效率,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以內,產能提升10%以上。
圖3 視覺飛拍,效率高
②多相機獨立視覺飛拍
針對多工位(或者雙XYZ)的視覺貼裝應用場合,多個工位是相互獨立控制的,需要多個高速輸出口來實現工業相機的視覺飛拍,對運動控制卡的高速輸出口有了更高的要求。
因為獨立工位,所以視覺飛拍功能也需要獨立控制,在一個比較周期內,要實現多個點或者多個位置的飛拍功能,就需要運動控制卡的硬件位置比較輸出高速口具備獨立控制的性能,才能在同一周期內,不漏拍不漏點。PCIE464運動控制自帶8路獨立的高速輸出口,完美契合多工位、多點、多位置同時飛拍的應用,實現了高速視覺貼裝的功能,并大幅提高了生產效率和產能。
圖4 多相機獨立視覺飛拍,效率更快
3 超高速PCIe EtherCAT運動控制卡的產品介紹
圖5 PCIE464產品圖
PCIE464產品硬件性能特點如下:
(1)可選6-64軸運動控制,支持EtherCAT總線/脈沖/步進伺服驅動器。
(2)聯動軸數最高可達16軸,運動周期最小為100μs。
(3)標配8進8出,其中4路高速鎖存輸入和8路高速PWM、PSO輸出,更多IO請選配ACC37接線板擴展板。
(4)支持PWM輸出、精準輸出、PSO硬件位置比較輸出、視覺飛拍等。
(5)支持30+機械手模型正逆解模型算法,比如SCARA、Delta、UVW、4軸/5軸 RTCP……。
(6)支持掉電存儲和掉電中斷,提供程序更安全機制。
(7)具有螺距補償控制,在單軸上通過多個補償點進行精確調整,從而實現更高的加工精度。
圖6 PCIE464及其配件架構圖
4 PCIE464運動控制卡在高速視覺貼裝應用上的方案
(1)運動控制功能
主要由PCIE464運動控制卡、伺服驅動和電機、絲桿(或者驅動器、直線電機和光柵尺)、飛達上料機構等組成。通過PCIE464運動控制卡EtherCAT總線方式發送命令控制驅動器實現運動控制;通過編碼器或者光柵尺的反饋位置MPOS,進行精準輸出或者位置比較輸出IO信號,從而實現相機的飛行拍照。
方案應用動作流程如下:
①料盤視覺定位
相機對待抓取料盤或者振動盤里的物料進行拍照粗定位,計算出抓取位置和規劃抓取路徑;若是飛達上料機構,取料位置比較固定,一般不需要視覺定位。
②機構上料抓取
根據計算出的位置,運動軸的吸嘴或者夾爪運動到正確的位置,下降夾具或者吸嘴進行抓取物料。
③下相機視覺飛拍
抓取到的物料運動到下相機拍照點區域,由運動控制器內部精準輸出或者硬件位置比較輸出觸發相機,進行動態無停頓拍照精定位。
④定位和糾偏
對拍照的物料圖片進行視覺分析處理,得出中心點位置和偏轉角度,再進行位置糾偏和修正。
⑤貼裝放料
在運動到貼裝位置的過程中進行角度和位置補償糾偏,然后到達正確的目標位置進行放料貼裝。
⑥返回上料位
貼裝完成后,返回上料位置,準備下一次的抓取,往復循環。
圖7 PCIE464多相機視覺飛拍系統架構圖
(2)視覺系統功能
主要由相機、鏡頭、光源、光源控制盒、視覺處理系統等組成。根據運動速度的快慢不同,對相機的拍照響應時間、曝光時間以及鏡頭光圈、像素和光源等都有一定的要求。
圖8 CE標簽貼裝-飛拍視覺定位
圖9 條形碼貼裝-飛拍視覺定位
(3)硬件選型配置(見表1)
5 PCIE464運動控制卡在視覺貼裝行業的應用優勢
l 適用于支持WindowsXP/7/10/11,Linux等操作系統,適用性更廣;
l 統一開放的API函數接口,讓用戶開發更靈活更高效;
l PCIe接口相較于PCI接口,傳輸效率更快,更適用于高速高精的應用場景;
l 支持上位機+RTBasic腳本語言混合開發,極大提高指令的實時執行效率;
l EtherCAT同步周期可快至125us,提升設備產能;
l 物料在機器視覺定位糾偏過程中,運動軸不用停下來,相比靜態拍照,縮短機臺CT;
l 8路獨立的硬件位置比較輸出,可實現多點多位置的同時視覺飛拍,整體生產效率可提升10%以上;
l 進一步提升精度,現場實測貼裝定位精度可達±0.05mm。
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