近幾年，由于中國產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，包括亞州周邊地區在內的產(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)格競爭較激烈的商品在中國國內生產(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(zhù)生產(chǎn)的開(kāi)展，對中國國內的生產(chǎn)設備的精度要求越來(lái)越高，需要增加伺服控制精度的需要也越來(lái)越多了。

    為達到上述高精度裝置的要求，在這里，就使用視覺(jué)傳感器實(shí)現高精度定位控制的案例之一進(jìn)行說(shuō)明。

    在這個(gè)控制里面使用的機器，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(shí)現了整個(gè)系統的控制。

    一、控制整體的說(shuō)明

    控制的概略構成大致可參考圖1，在這里把整體的控制內容進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

圖1 控制系統框架

    此處為ＦＰＤ玻璃基板的位置補正案例。作為這個(gè)控制的應用，也可以應用于ＦＰＤ玻璃基板的粘合，電氣制品的基板位置補正，電子部件加工時(shí)的位置補正等場(chǎng)合。

    一般，由X軸、Y軸、θ軸的驅動(dòng)軸構成機械工作臺，另有判別其工作臺上負載的視覺(jué)傳感器，進(jìn)行兩者之間的數據演算，再和驅動(dòng)上述機械工作臺的伺服控制構成整個(gè)系統。

    1.對要加工的負載，為了使視覺(jué)傳感器可以進(jìn)行判別，需要印刷上標記。如要達到更好的精度，則需要2個(gè)以上的標記；

    2.負載放置在機械工作臺上進(jìn)行加工；

    3.視覺(jué)傳感器對上述負載上印刷的標記進(jìn)行判別，與之前設定好的(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(jué)傳感器計算出的誤差，由ＰＬＣ換算成機械的移動(dòng)量，定下補正誤差的位置并實(shí)行。

    二、視覺(jué)傳感器

    在這個(gè)控制系統里面，對提高精度較重要的一點(diǎn)就是視覺(jué)傳感器的位置判別。如果視覺(jué)傳感器無(wú)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(wú)法達到了。

    歐姆龍的視覺(jué)傳感器，如圖2所示。

圖2 視覺(jué)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(shí)現以下的功能：

    (1) 高精度Search

    判別出和所記憶的標記數據最相似的部分，進(jìn)行高精度的位置數據計算。在負載上印刷標記時(shí)，每次都印刷出同樣的標記是比較困難的，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)際負載上所印刷的標簽和登錄的標簽不同，也可以精度較好地進(jìn)行判別。

    (2) ECM(Edge code model)Search

    把所記憶的標簽邊緣(非整個(gè)標簽，只有四周一圈)作為典型進(jìn)行登錄，從實(shí)際接受到的畫(huà)像數據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)生想判別的標簽之間也重疊起來(lái)的情況，在此功能中，因是以標簽邊緣數據形式進(jìn)行典型化登錄的，即使發(fā)生了標簽的重疊化，仍可以判別出四周一圈是何形狀，從而達到高精度的判斷。

    三、校準

    視覺(jué)傳感器中所識別的位置信息，會(huì )作為視覺(jué)傳感器內部的畫(huà)素數據進(jìn)行判別。但是，此畫(huà)素數據和實(shí)際的工作臺的移動(dòng)距離關(guān)系如果沒(méi)有明確，就無(wú)法實(shí)現負載的位置補正。

    所謂校準，就是把視覺(jué)傳感器所識別到的位置和實(shí)際工作臺的位置精度的關(guān)系明確化，并記住。筆者把這個(gè)校準功能放在視覺(jué)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。

    在登錄負載的基準位置時(shí)，會(huì )實(shí)施如圖3所示的動(dòng)作，最終完成校準。實(shí)際移動(dòng)負載時(shí)，可以通過(guò)演算當時(shí)的視覺(jué)傳感器位置信息，達到對下列誤差的補正。
 

圖3 校準過(guò)程

    攝像機安裝誤差:當攝像機的安裝不是完全的垂直時(shí)，可以補正其誤差；

    機械工作臺移動(dòng)誤差:補正由于加工精度而導致的移動(dòng)量的誤差；

    機械工作臺搭建誤差:補正機械工作臺驅動(dòng)軸搭建時(shí)的誤差。

    四、移動(dòng)補正計算

    最后，需要用視覺(jué)傳感器所判別出的位置補正量對工作臺進(jìn)行移動(dòng)。需要注意的是，工作臺的機構會(huì )根據現場(chǎng)案例而不同。

    這次所介紹的是針對于如圖4所示的三軸系統的工作臺構成，它是直線(xiàn)驅動(dòng)系和旋轉驅動(dòng)系相組合的機構，將其座標變換以ＰＬＣ和伺服控制來(lái)完成。

圖4  XYθ三軸工作臺

    近幾年，FPD行業(yè)的玻璃尺寸有變大的趨勢，并增加了UVW工作臺這樣的構成，如圖5所示。UVW工作臺是將工作臺的各支點(diǎn)以直線(xiàn)驅動(dòng)系來(lái)控制的機構，具有最大運動(dòng)行程較小、旋轉角度精度較高的特征。  負載的標記間的長(cháng)度變大后，由角度誤差而引起的偏移量也會(huì )變大，對抑制此種誤差是有效果的。而且，此種工作臺的驅動(dòng)軸是在1個(gè)平面上，與以前的XYθ驅動(dòng)軸層狀重疊相比較的話(huà)，是較輕薄的機構，具有重量變輕巧的特征。

圖5 UVW軸工作臺

    五、最終實(shí)現的高精度定位控制

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

    這個(gè)案例的構成所需的設備如下：

    視覺(jué)傳感器:F210-C10；

    使用的攝相機: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；

    伺服驅動(dòng)器:R7D-APA3L(Smart Step)。