應(yīng)用視覺傳感器的高精度定位控制
１．前言
近幾年，由于中國(guó)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，包括亞州周邊地區(qū)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)配置正在逐步發(fā)生變化。特別是產(chǎn)品單價(jià)較低的商品，及價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)較激烈的商品在中國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的比例越來(lái)越高了。從行業(yè)來(lái)說(shuō)，主要有電子部件，用于電氣產(chǎn)品的基板或是FPD(Flat panel display)的生產(chǎn)等。隨著生產(chǎn)的開展，對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備的精度要求越來(lái)越高，需要增加伺服控制精度的需要也越來(lái)越多了。為達(dá)到上述高精度裝置的要求，在這里，就使用視覺傳感器實(shí)現(xiàn)高精度定位控制的案例之一進(jìn)行一下說(shuō)明。在這個(gè)控制里面使用的機(jī)器，從傳感器，PLC(Programmable Logic controller)，直到伺服控制，都為歐姆龍的商品。用一家公司的產(chǎn)品，就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的控制。
２．控制整體的說(shuō)明
控制的概略構(gòu)成大致可參考下圖，在這里我把整體的控制內(nèi)容進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的說(shuō)明。此為ＦＰＤ玻璃基板的位置補(bǔ)正案例。作為這個(gè)控制的應(yīng)用，也可以應(yīng)用于ＦＰＤ玻璃基板的粘合，電氣制品的基板位置補(bǔ)正，電子部件加工時(shí)的位置補(bǔ)正等場(chǎng)合。一般，由X軸，Y軸，θ軸的驅(qū)動(dòng)軸構(gòu)成機(jī)械工作臺(tái)，另有判別其工作臺(tái)上負(fù)載的視覺傳感器，進(jìn)行兩者之間的數(shù)據(jù)演算，再和驅(qū)動(dòng)上述機(jī)械工作臺(tái)的伺服控制構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。
①對(duì)要加工的負(fù)載，為了使視覺傳感器可以進(jìn)行判別，需要印刷上標(biāo)記。如要達(dá)到更好的精度，則需要2個(gè)以上的標(biāo)記。
②負(fù)載放置在機(jī)械工作臺(tái)上進(jìn)行加工。
②視覺傳感器對(duì)上述負(fù)載上印刷的標(biāo)記進(jìn)行判別，與之前設(shè)定好的（記憶住的）位置進(jìn)行比較后，對(duì)誤差進(jìn)行高精度的計(jì)算。
③視覺傳感器計(jì)算出的誤差，由ＰＬＣ換算成機(jī)械的移動(dòng)量，定下補(bǔ)正誤差的位置并實(shí)行。
在這個(gè)控制里面，對(duì)提高精度較重要的一點(diǎn)就是視覺傳感器的位置判別。如果視覺傳感器無(wú)法精度較好的判別出位置，此控制里所講到的提高精度也就無(wú)法達(dá)到了。我們的視覺傳感器，從經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上，對(duì)提高判別精度可實(shí)現(xiàn)以下的功能。
●高精度Search
判別出和所記憶的標(biāo)記數(shù)據(jù)最相似的部分，進(jìn)行高精度的位置數(shù)據(jù)計(jì)算。
在負(fù)載上印刷標(biāo)記時(shí)，每次都印刷出同樣的標(biāo)記是比較困難的。會(huì)發(fā)生印刷的缺陷或是印刷不良等情況。但是，如果使用了此功能，
即使實(shí)際負(fù)載上所印刷的標(biāo)簽和登錄的標(biāo)簽不同，也可以精度較好地進(jìn)行判別。
●ＥＣＭ(Edge code model)Search
把所記憶的標(biāo)簽邊緣（非整個(gè)標(biāo)簽，只有四周一圈）作為典型進(jìn)行登錄，從實(shí)際接受到的畫像數(shù)據(jù)中找出最相似的部分進(jìn)行判定。在玻璃互相重疊的情況下，會(huì)發(fā)生想判別的標(biāo)簽之間也重疊起來(lái)的例子。在此功能中，因是以標(biāo)簽邊緣數(shù)據(jù)形式進(jìn)行典型化登錄的，即使發(fā)生了標(biāo)簽的重疊化，仍可以判別出四周一圈是何形狀，從而達(dá)到高精度的判斷。
視覺傳感器中所識(shí)別的位置信息，會(huì)作為視覺傳感器內(nèi)部的畫素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行判別。但是，此畫素?cái)?shù)據(jù)和實(shí)際的工作臺(tái)的移動(dòng)距離關(guān)系，如果沒有明確，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)載的位置補(bǔ)正。
所謂校準(zhǔn)，就是把視覺傳感器所識(shí)別到的位置和實(shí)際工作臺(tái)的位置精度的關(guān)系明確化，并記住。
我們把這個(gè)校準(zhǔn)功能放在視覺傳感器，ＰＬＣ，伺服控制的程序上，以自動(dòng)控制的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
在登錄負(fù)載的基準(zhǔn)位置時(shí)，會(huì)實(shí)施如下所示的動(dòng)作，最終完成校準(zhǔn)。
實(shí)際移動(dòng)負(fù)載時(shí)，可以通過(guò)演算當(dāng)時(shí)的視覺傳感器位置信息，達(dá)到對(duì)下列誤差的補(bǔ)正。
● 攝像機(jī)安裝誤差:當(dāng)攝像機(jī)的安裝不是完全的垂直時(shí)，可以補(bǔ)正其誤差。
● 機(jī)械工作臺(tái)移動(dòng)誤差：補(bǔ)正由于加工精度而導(dǎo)致的移動(dòng)量的誤差。
● 機(jī)械工作臺(tái)搭建誤差：補(bǔ)正機(jī)械工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)軸搭建時(shí)的誤差。
最后，需要用視覺傳感器所判別出的位置補(bǔ)正量對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)。
需要注意的是，工作臺(tái)的機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)案例而不同。
這次所介紹的是針對(duì)于如下圖的３系統(tǒng)的工作臺(tái)構(gòu)成，將其座標(biāo)變換以ＰＬＣ和伺服控制來(lái)完成。
近幾年，ＦＰＤ行業(yè)的玻璃尺寸有變大的趨勢(shì)，并增加了ＵＶＷ工作臺(tái)這樣的構(gòu)成。
ＵＶＷ工作臺(tái)，具有最大運(yùn)動(dòng)行程較小，旋轉(zhuǎn)角度精度較高的特征。
負(fù)載的大小(標(biāo)記間的長(zhǎng)度)變大后，由角度誤差而引起的偏移量也會(huì)變大，對(duì)抑制此種誤差是有效果的。
而且，此種工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)軸是在1個(gè)平面上，與以前的ＸＹθ驅(qū)動(dòng)軸層狀重疊相比較的話，是較輕薄的機(jī)構(gòu)，具有重量變輕巧的特征。
６．最終實(shí)現(xiàn)精度
在實(shí)際的案例中，用此種視覺傳感器進(jìn)行高精度定位控制，并實(shí)現(xiàn)了定位精度１０μｍ以下的要求。
這個(gè)案例的構(gòu)成機(jī)器如下所示。
● 視覺傳感器：F210-C10
● 使用的攝相機(jī)：F160-SLC20(視野角20mm)
● PLC：CJ1H-CPU66H
● 串行通信單元：CJ1W-SCU21-V1
● 定位控制單元：CJ1W-NC433
● 伺服驅(qū)動(dòng)器：R7D-APA3L(Smart Step)
近幾年，由于中國(guó)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，包括亞州周邊地區(qū)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)配置正在逐步發(fā)生變化。特別是產(chǎn)品單價(jià)較低的商品，及價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)較激烈的商品在中國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的比例越來(lái)越高了。從行業(yè)來(lái)說(shuō)，主要有電子部件，用于電氣產(chǎn)品的基板或是FPD(Flat panel display)的生產(chǎn)等。隨著生產(chǎn)的開展，對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備的精度要求越來(lái)越高，需要增加伺服控制精度的需要也越來(lái)越多了。為達(dá)到上述高精度裝置的要求，在這里，就使用視覺傳感器實(shí)現(xiàn)高精度定位控制的案例之一進(jìn)行一下說(shuō)明。在這個(gè)控制里面使用的機(jī)器，從傳感器，PLC(Programmable Logic controller)，直到伺服控制，都為歐姆龍的商品。用一家公司的產(chǎn)品，就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的控制。
２．控制整體的說(shuō)明
控制的概略構(gòu)成大致可參考下圖，在這里我把整體的控制內(nèi)容進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的說(shuō)明。此為ＦＰＤ玻璃基板的位置補(bǔ)正案例。作為這個(gè)控制的應(yīng)用，也可以應(yīng)用于ＦＰＤ玻璃基板的粘合，電氣制品的基板位置補(bǔ)正，電子部件加工時(shí)的位置補(bǔ)正等場(chǎng)合。一般，由X軸，Y軸，θ軸的驅(qū)動(dòng)軸構(gòu)成機(jī)械工作臺(tái)，另有判別其工作臺(tái)上負(fù)載的視覺傳感器，進(jìn)行兩者之間的數(shù)據(jù)演算，再和驅(qū)動(dòng)上述機(jī)械工作臺(tái)的伺服控制構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。
①對(duì)要加工的負(fù)載，為了使視覺傳感器可以進(jìn)行判別，需要印刷上標(biāo)記。如要達(dá)到更好的精度，則需要2個(gè)以上的標(biāo)記。
②負(fù)載放置在機(jī)械工作臺(tái)上進(jìn)行加工。
②視覺傳感器對(duì)上述負(fù)載上印刷的標(biāo)記進(jìn)行判別，與之前設(shè)定好的（記憶住的）位置進(jìn)行比較后，對(duì)誤差進(jìn)行高精度的計(jì)算。
③視覺傳感器計(jì)算出的誤差，由ＰＬＣ換算成機(jī)械的移動(dòng)量，定下補(bǔ)正誤差的位置并實(shí)行。
在這個(gè)控制里面，對(duì)提高精度較重要的一點(diǎn)就是視覺傳感器的位置判別。如果視覺傳感器無(wú)法精度較好的判別出位置，此控制里所講到的提高精度也就無(wú)法達(dá)到了。我們的視覺傳感器，從經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上，對(duì)提高判別精度可實(shí)現(xiàn)以下的功能。
●高精度Search
判別出和所記憶的標(biāo)記數(shù)據(jù)最相似的部分，進(jìn)行高精度的位置數(shù)據(jù)計(jì)算。
在負(fù)載上印刷標(biāo)記時(shí)，每次都印刷出同樣的標(biāo)記是比較困難的。會(huì)發(fā)生印刷的缺陷或是印刷不良等情況。但是，如果使用了此功能，
即使實(shí)際負(fù)載上所印刷的標(biāo)簽和登錄的標(biāo)簽不同，也可以精度較好地進(jìn)行判別。
●ＥＣＭ(Edge code model)Search
把所記憶的標(biāo)簽邊緣（非整個(gè)標(biāo)簽，只有四周一圈）作為典型進(jìn)行登錄，從實(shí)際接受到的畫像數(shù)據(jù)中找出最相似的部分進(jìn)行判定。在玻璃互相重疊的情況下，會(huì)發(fā)生想判別的標(biāo)簽之間也重疊起來(lái)的例子。在此功能中，因是以標(biāo)簽邊緣數(shù)據(jù)形式進(jìn)行典型化登錄的，即使發(fā)生了標(biāo)簽的重疊化，仍可以判別出四周一圈是何形狀，從而達(dá)到高精度的判斷。
視覺傳感器中所識(shí)別的位置信息，會(huì)作為視覺傳感器內(nèi)部的畫素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行判別。但是，此畫素?cái)?shù)據(jù)和實(shí)際的工作臺(tái)的移動(dòng)距離關(guān)系，如果沒有明確，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)載的位置補(bǔ)正。
所謂校準(zhǔn)，就是把視覺傳感器所識(shí)別到的位置和實(shí)際工作臺(tái)的位置精度的關(guān)系明確化，并記住。
我們把這個(gè)校準(zhǔn)功能放在視覺傳感器，ＰＬＣ，伺服控制的程序上，以自動(dòng)控制的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
在登錄負(fù)載的基準(zhǔn)位置時(shí)，會(huì)實(shí)施如下所示的動(dòng)作，最終完成校準(zhǔn)。
實(shí)際移動(dòng)負(fù)載時(shí)，可以通過(guò)演算當(dāng)時(shí)的視覺傳感器位置信息，達(dá)到對(duì)下列誤差的補(bǔ)正。
● 攝像機(jī)安裝誤差:當(dāng)攝像機(jī)的安裝不是完全的垂直時(shí)，可以補(bǔ)正其誤差。
● 機(jī)械工作臺(tái)移動(dòng)誤差：補(bǔ)正由于加工精度而導(dǎo)致的移動(dòng)量的誤差。
● 機(jī)械工作臺(tái)搭建誤差：補(bǔ)正機(jī)械工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)軸搭建時(shí)的誤差。
最后，需要用視覺傳感器所判別出的位置補(bǔ)正量對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)。
需要注意的是，工作臺(tái)的機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)案例而不同。
這次所介紹的是針對(duì)于如下圖的３系統(tǒng)的工作臺(tái)構(gòu)成，將其座標(biāo)變換以ＰＬＣ和伺服控制來(lái)完成。
近幾年，ＦＰＤ行業(yè)的玻璃尺寸有變大的趨勢(shì)，并增加了ＵＶＷ工作臺(tái)這樣的構(gòu)成。
ＵＶＷ工作臺(tái)，具有最大運(yùn)動(dòng)行程較小，旋轉(zhuǎn)角度精度較高的特征。
負(fù)載的大小(標(biāo)記間的長(zhǎng)度)變大后，由角度誤差而引起的偏移量也會(huì)變大，對(duì)抑制此種誤差是有效果的。
而且，此種工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)軸是在1個(gè)平面上，與以前的ＸＹθ驅(qū)動(dòng)軸層狀重疊相比較的話，是較輕薄的機(jī)構(gòu)，具有重量變輕巧的特征。
６．最終實(shí)現(xiàn)精度
在實(shí)際的案例中，用此種視覺傳感器進(jìn)行高精度定位控制，并實(shí)現(xiàn)了定位精度１０μｍ以下的要求。
這個(gè)案例的構(gòu)成機(jī)器如下所示。
● 視覺傳感器：F210-C10
● 使用的攝相機(jī)：F160-SLC20(視野角20mm)
● PLC：CJ1H-CPU66H
● 串行通信單元：CJ1W-SCU21-V1
● 定位控制單元：CJ1W-NC433
● 伺服驅(qū)動(dòng)器：R7D-APA3L(Smart Step)
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