UVW视觉对位平台主要应用在高速、高精需求的智能装备上，比如曝光机、邦定机、丝网印刷机、WAFER 对位、PCB 钻孔机、PCB板裁切、贴合机(LCD/FPC)、视觉模切机、锂电池叠片等场合。本篇文章主要介绍了正运动技术开发的FRAME 33-UVW视觉对位平台(PRP结构-XYY或XXY)解决方案。

　　文/深圳市正运动技术有限公司

　　1 UVW视觉对位平台介绍

　　UVW对位平台，又被称为XXY对位平台，属于三轴并联运动机构，通过三个线性移动轴，实现以平面上任意一点为中心进行旋转运动以及沿任意方向平移，搭配CCD视觉使用，实现平面上X-Y与θ角度的精密微调，可实现高精度的对位功能，精度可达±0.001mm。目前UVW视觉对位平台主要应用在高速、高精需求的智能装备上，比如曝光机、邦定机、丝网印刷机、WAFER 对位、PCB 钻孔机、PCB板裁切、贴合机(LCD/FPC)、视觉模切机、锂电池叠片等场合。

　　图1 UVW对位平台

　　视觉UVW对位平台

　　UVW视觉对位平台的优势如下：

　　l 控制精度高于传统的XYθ平台，重复定位精度可达±1um;

　　l 体积小且稳，整体空间更加精巧，相较于XYθ平台，提高了承载能力，使用普通步进马达驱动也可达到较高精度;

　　l UVW视觉平台是绝对的坐标系作为参考系，作为独立体的存在，更方便与其他运动轴进行融合，提高自动化设备的开发效率。

　　传统的视觉UVW方案由工控机+视觉软件+运动控制卡组成，配件多，接线复杂，视觉和运动需要相互数据交互，排查问题麻烦，并且硬件成本也比较高。

　　VPLC711视觉UVW方案：VPLC711机器视觉运动控制一体机，直接替代工控机+视觉软件+运动控制卡方案，体积小，接线方便，内部数据交互，性价比更高。

　　2 VPLC711视觉运动控制一体机产品介绍

　　图2 VPLC711视觉运动控制一体机

　　(1)硬件特性

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

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

　　l 板载20DI,其中4个高速色标锁存，2组高速单端编码器;

　　l 支持DVI-D, HDMI显示，支持多网口不同IP设置;

　　l 板载20D0， 其中4组高速PWM，支持1D/2D/3D的高速位置同步输出。

　　(2)运动控制功能

　　l 点位运动、电子凸轮、直线插补、圆弧插补、连续轨迹加工等功能;

　　l 板载高速PSO输出，支持1D/2D/3D的高速位置同步输出，可支持视觉飞拍、高速点胶、激光加工等应用;

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

　　(3)机器视觉功能

　　3 VPLC711视觉UVW对位平台解决方案

　　正运动技术的UVW平台运动控制算法有三种常见模型：FRAME33、FRAME34、FRAME37分别对应两种机械结构(PRP、PPR)跟两个坐标系方向(XYY、XXY)，可以实现单轴直线运动、两轴线性插补、两轴圆弧插补、空间圆弧等复杂运动。

　　本篇文章主要介绍FRAME 33-UVW视觉对位平台(PRP结构-XYY或XXY)的解决方案。

　　VPLC711机器视觉运动控制一体机性能如下：

　　l EtherNET接口：千兆网口，通过交换机最多可接8个相机;

　　l EtherCAT接口：接EtherCAT总线驱动器，控制UVW驱动电机;

　　l 16DI：接原点、限位等传感器，以及开关信号等;

　　l 16D0：接输出开关信号，也可接单端脉冲输出(500KHz);

　　l HDMI接口：接显示屏;

　　l USB接口：接鼠标键盘等。

　　图3 VPLC711视觉UVW对位平台解决方案

　　VPLC711机器视觉运动控制一体机集成视觉和运动于一体，替代传统的PC工控机+视觉软件+运动控制方案，硬件接线更方便，成本更低。搭载正运动技术运动控制实时内核MotionRT7，核内交互，指令调用速度快至us级，提升加工和检测效率。

　　该方案硬件配置如表1所示。

　　4 VPLC711视觉UVW对位平台运动和视觉的实现

　　(1)运动控制的实现

　　原理：通过安装于同一平面的三个驱动轴的运动，实现定位要求(如图4，均以平台回零后的初始位置为基准)。

　　图4 VPLC711视觉UVW对位平台运动控制原理

　　①电机方向及角度范围

　　l 虚拟的XY满足右手法则;

　　l 角度正向与虚拟XY满足右手法则;

　　l 实际电机轴方向无要求，根据实际情况填写结构参数即可。

　　②轴顺序与指令规定轴号填写次序

　　指令规定轴号填写次序如下：

　　③TABLE寄存器依次存入机械手结构参数。

　　建立机械手连接时，需要将机械结构参数按照如下次序依次填写到TABLE数组中。FRAME33模型机械结构参数说明如下：

　　图5 FRAME33模型机械结构

　　从TableNum编号开始依次机械手结构参数U轴的距离参数，V轴的距离参数，W轴的距离参数，虚拟旋转轴一圈脉冲数，U轴的方向，V轴的方向，W轴的方向到Table中。TABLE(TableNum,lu,lv,lw,angleonecircle,diru,dirv,zdirw)。以下例程从TABLE(100)开始依次填入Frame所需机械参数(图6)。

　　图6 机械手结构参数

　　④设置关节轴参数及虚拟轴参数

　　各轴的轴类型和脉冲当量(units)要设置正确，设置为电机走1mm需要的脉冲数。虚拟轴的units跟实际发送脉冲数无关，用于设置运动精度，虚拟轴的脉冲当量一般设置为1000，表示精度为小数点后3位。

　　图7 轴参数设置

　　轴参数设置

　　⑤确定机械手零点位置

　　FRAME33需要保证VW轴是水平的。平台上任意一点可作为零点，保证结构参数正确即可。

　　⑥建立机械手正逆解

　　正解建立：以FRAME33模型为例。先将机械手结构参数从某个Table起始编号依次存储到Table数组中，然后选择对应模型的轴列表，使用CONNREFRAME指令建立正解模式。

　　若机械手正解建立成功，虚拟轴MTYPE(当前运动类型)将显示为34，此时只能操作关节轴在关节坐标系中调整机械手姿态，手动运动可通过RTSys软件菜单栏的【工具】-【手动运动】，待【手动运动】界面弹出之后选择关节轴轴编号(本文关节轴以轴0(U轴)，轴1(V轴)，轴2(W轴))然后根据实际需求选择点动或者寸动。虚拟轴会自动计算末端工作点位于直角坐标系中的位置。

　　图8 正解模式

　　逆解建立：以Frame33模型为例。先将机械手结构参数从某个Table起始编号依次存储到Table数组中，然后选择对应模型的轴列表，使用CONNFRAME指令建立正解模式。若机械手逆解建立成功，关节轴MTYPE(当前运动类型)将显示为33，【手动运动】界面操作虚拟轴方法同上。此时加工工艺指令只能操作虚拟轴，事先编辑好运动的轨迹在直角坐标系中运动(本文虚拟轴以轴3，轴4，轴5为例)，关节轴会自动计算在关节坐标系中如何联合运动。

　　图9 逆解模式

　　(2)视觉系统的实现

　　主要由相机、镜头、光源、光源控制器、视觉处理系统等组成。

　　用面阵相机：可以是2个相机，也可以是4个相机(根据应用场景的实际需求来)。

　　本视觉系统解决方案只需要相机简单配置和快速标定，即可以实现UVW视觉对位功能，简化视觉操作步奏，降低现场的应觉应用难度。

　　①相机配置

　　在相机配置界面选择相机相应的品牌，扫描到相机后可以获取到相机基础，也可以设置相机的基础参数。

　　图10 相机品牌和基础设置

　　②快速标定

　　快速标定替代常规的创建模板、匹配测试、单相机标定、多相机标定等步奏，只需要在所有相机中选择Mark点创建目标区域即可一步完成标定，极大降低视觉操作难度。

　　图11 快速标定

　　(3)方案测试验证结果

　　VPLC711机器视觉运动控制一体机基于i5处理器，双相机视觉定位时间60ms，精度2个像素，配合MotionRT7运动控制实时内核，从数据交互、视觉处理速度和精度等各方面，都能满足用户高速、高精的UVW视觉对位的需求。

　　5 基于VPLC711的UVW视觉对位解决方案的优势

　　(1)集成机器视觉、UVW控制和运动控制于一体，硬件接线更方便，成本更低;

　　(2)运动控制实时内核，核内交互，指令调用速度快至us级，提升加工效率;

　　(3)内置UVW平台算法，客户使用更方便，提升工程师开发效率;

　　(4)内置视觉算法，精度高，双相机定位精度2个像素以内;

　　(5)统一的API函数接口，适用各种PC上位机语言开发。