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    近幾年，由于中國產(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)品單價較低的商品，及價格競爭較激烈的商品在中國國內(nèi)生產(chǎn)的比例越來越高了。從行業(yè)來說，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，對中國國內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備的精度要求越來越高，需要增加伺服控制精度的需要也越來越多了。

    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現(xiàn)高精度定位控制的案例之一進(jìn)行說明。

    在這個控制里面使用的機(jī)器，從傳感器、PLC、直到伺服控制，都為歐姆龍的商品。用一家公司的產(chǎn)品，就實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的控制。

    一、控制整體的說明

    控制的概略構(gòu)成大致可參考圖1，在這里把整體的控制內(nèi)容進(jìn)行一下簡單的說明。

圖1 控制系統(tǒng)框架

    此處為ＦＰＤ玻璃基板的位置補(bǔ)正案例。作為這個控制的應(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，電子部件加工時的位置補(bǔ)正等場合。

    一般，由X軸、Y軸、θ軸的驅(qū)動軸構(gòu)成機(jī)械工作臺，另有判別其工作臺上負(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)動上述機(jī)械工作臺的伺服控制構(gòu)成整個系統(tǒng)。

    1.對要加工的負(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個以上的標(biāo)記；

    2.負(fù)載放置在機(jī)械工作臺上進(jìn)行加工；

    3.視覺傳感器對上述負(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，對誤差進(jìn)行高精度的計算；

    4.視覺傳感器計算出的誤差，由ＰＬＣ換算成機(jī)械的移動量，定下補(bǔ)正誤差的位置并實行。

    二、視覺傳感器

    在這個控制系統(tǒng)里面，對提高精度較重要的一點就是視覺傳感器的位置判別。如果視覺傳感器無法精度較好的判別出位置，此控制所講到的提高精度也就無法達(dá)到了。

    歐姆龍的視覺傳感器，如圖2所示。

圖2 視覺傳感器:F160＆F210和F250

    從經(jīng)驗和技術(shù)上，對提高判別精度可實現(xiàn)以下的功能：

    (1) 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)計算。在負(fù)載上印刷標(biāo)記時，每次都印刷出同樣的標(biāo)記是比較困難的，會發(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。

    (2) ECM(Edge code model)Search

    把所記憶的標(biāo)簽邊緣(非整個標(biāo)簽，只有四周一圈)作為典型進(jìn)行登錄，從實際接受到的畫像數(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，會發(fā)生想判別的標(biāo)簽之間也重疊起來的情況，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。

    三、校準(zhǔn)

    視覺傳感器中所識別的位置信息，會作為視覺傳感器內(nèi)部的畫素數(shù)據(jù)進(jìn)行判別。但是，此畫素數(shù)據(jù)和實際的工作臺的移動距離關(guān)系如果沒有明確，就無法實現(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別到的位置和實際工作臺的位置精度的關(guān)系明確化，并記住。筆者把這個校準(zhǔn)功能放在視覺傳感器、ＰＬＣ、伺服控制的程序上，以自動控制的方式進(jìn)行實現(xiàn)。

    在登錄負(fù)載的基準(zhǔn)位置時，會實施如圖3所示的動作，最終完成校準(zhǔn)。實際移動負(fù)載時，可以通過演算當(dāng)時的視覺傳感器位置信息，達(dá)到對下列誤差的補(bǔ)正。
 

圖3 校準(zhǔn)過程

    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，可以補(bǔ)正其誤差；

    機(jī)械工作臺移動誤差:補(bǔ)正由于加工精度而導(dǎo)致的移動量的誤差；

    機(jī)械工作臺搭建誤差:補(bǔ)正機(jī)械工作臺驅(qū)動軸搭建時的誤差。

    四、移動補(bǔ)正計算

    最后，需要用視覺傳感器所判別出的位置補(bǔ)正量對工作臺進(jìn)行移動。需要注意的是，工作臺的機(jī)構(gòu)會根據(jù)現(xiàn)場案例而不同。

    這次所介紹的是針對于如圖4所示的三軸系統(tǒng)的工作臺構(gòu)成，它是直線驅(qū)動系和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系相組合的機(jī)構(gòu)，將其座標(biāo)變換以ＰＬＣ和伺服控制來完成。

圖4  XYθ三軸工作臺

    近幾年，F(xiàn)PD行業(yè)的玻璃尺寸有變大的趨勢，并增加了UVW工作臺這樣的構(gòu)成，如圖5所示。UVW工作臺是將工作臺的各支點以直線驅(qū)動系來控制的機(jī)構(gòu)，具有最大運(yùn)動行程較小、旋轉(zhuǎn)角度精度較高的特征。  負(fù)載的標(biāo)記間的長度變大后，由角度誤差而引起的偏移量也會變大，對抑制此種誤差是有效果的。而且，此種工作臺的驅(qū)動軸是在1個平面上，與以前的XYθ驅(qū)動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。

圖5 UVW軸工作臺

    五、最終實現(xiàn)的高精度定位控制

    在實際的案例中，用此種視覺傳感器進(jìn)行高精度定位控制，并實現(xiàn)了定位精度10μｍ以下的要求。

    這個案例的構(gòu)成所需的設(shè)備如下：

    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)動器:R7D-APA3L(Smart Step)。