一、引言

　　在上下料、裝配、SMT 的設備應用中，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，加裝工業(yè)相機，帶上機器視覺，能使其重復定位精度更高。進而將視覺飛拍技術引入到此類系統后，既能確保精度，又能縮短單個產品周期，提高產能，做到更優(yōu)控制。

　　手機常見貼裝輔料

　　本文通過 ZMC416BE 運動控制器在手機輔料貼裝上的應用，來更深入了解機器視覺飛拍的使用。

　　二、ZMC416BE 產品介紹

　　ZMC416BE 是正運動技術推出的高性能多軸 EtherCAT 總線 + 脈沖運動控制器，支持 EtherCAT 總線軸和脈沖軸同時使用和混合插補，同時板載 16 路脈沖輸出 ,3 路編碼器輸入，通用數字量輸入輸出 24+8，2 路 AD 和 2 路 DA，可實現點位運動、電子凸輪、直線插補、圓弧插補、連續(xù)軌跡加工等復雜的運動控制功能，也支持精準輸出、位置同步輸出 PSO，非常匹配應用于機器視覺飛拍的場合。

　　ZMC416BE 運動控制器既可以脫機獨立運行，也可以 PC上位機調用 API 函數庫來實現運動控制。ZDevelop 低門檻的IDE 開發(fā)環(huán)境，集開發(fā)、調試、診斷于一體，完善的工藝包， 滿足了現代工業(yè)應用中集成化、模塊化、智能化的需求。另外， ZMC416BE 的通用性，也可以用 PC 軟件，比如 C#、C++、LabVIEW、VB、.NET、Python、Qt 等第三方軟件調用同一套API 函數庫來開發(fā)。

　　ZMC416BE 產品圖

　　ZMC416BE 運動控制器的功能包括：

　　? 板載 24 點通用輸入，8 點通用輸出，2 路 0-10V 模擬量輸入和 2 路 0-10V 模擬量輸出;

　　? 板載 16 路脈沖輸出軸接口和 3 路高速編碼器接口;

　　? 支持 16 軸 EtherCAT 總線運動控制，EtherCAT+ 脈沖軸共 16 個，可混合使用;

　　? 支持電子凸輪、直線插補、圓弧插補、連續(xù)軌跡加工等復雜的運動控制;

　　ZMC416BE 視覺飛拍系統架構圖

　　? 可支持 Delta、SCARA、協作機器人、雙旋轉等 30+ 機械手模型算法;

　　? 支持精準輸出、位置同步輸出 PSO，可實現機器視覺飛拍功能;

　　? 支持軸擴展和 IO 擴展，最多可擴展至 4096 輸入和輸出。

　　三、ZMC416BE 運動控制器飛拍應用系統概述

　　1. 運動控制系統

　　主要由 ZMC416BE 運動控制器、伺服驅動和電機、絲桿(或者驅動器、直線電機和光柵尺)等組成。通過 ZMC416BE運動控制器發(fā)脈沖或者 EtherCAT 總線方式發(fā)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。

　　2. 視覺系統

　　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。

　　定拍 V-T 圖

　　四、ZMC416BE 在貼裝行業(yè)的飛拍應用

　　1. 硬件配置

　　2. 貼裝飛拍原理

　　在工件的拾取過程中，因機械臂的夾具或者吸盤在抓取瞬間，使工件發(fā)生位置偏移，產生的位置誤差會影響工件的放置精度。為了確保貼裝的精度，需要在工件搬運過程中，預先通過工業(yè)相機拍攝工件位置，來實現位置糾偏。可是拍攝需要時間，往往造成設備不需要的停頓動作，每次貼裝都停頓 1-2s， 1000 次貼裝就要停頓半小時，對產能產生嚴重的影響。

　　飛拍 V-T 圖

　　使用飛拍技術，當機械臂運動到拍照點區(qū)域，由運動控制器內部觸發(fā)相機，進行動態(tài)無停頓拍照，微秒級的拍攝速度， 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。

　　3. 系統動作流程

　　(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(guī)劃抓取路徑;

　　(2)機構上料抓取

　　根據計算出的位置，XYZ 模組或者 SCARA 機械手運動到正確的位置，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(qū)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(fā)相機，進行動態(tài)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(huán)。

　　五、ZMC416BE 飛拍運動的主要功能和特點

　　1. 核心功能特點

　　軸運動時觸發(fā) IO 拍照的實時性和圖像獲取、處理速度是整個飛拍過程中精度的保證。ZMC416BE 運動控制器基于FPGA 的硬件比較輸出，從驅動器到達拍照位置，到相機完成觸發(fā)，整個精度可以控制在：脈沖輸出方式的最小誤差1 個脈沖， 總線控制方式的最小誤差 1us 以內。

　　當電機帶編碼器或者光柵尺反饋時，硬件比較輸出功能自動使用反饋位置 MPOS 來進行觸發(fā)，當不帶反饋時，此功能自動使用發(fā)送位置 DPOS 的比較觸發(fā);根據不同的驅動器差異性效果，也可以使用 MOVEOP_DELAY 參數來調整 IO 輸出的準確時刻。多種實現和調整方式，極大地確保了運動控制器在高速高精場合視覺飛拍時的精度。

　　2. 運動控制功能相關指令

　　(1)飛拍相關指令

　　硬件精準位置輸出 MOVE_OP 觸發(fā)拍照 , 實現飛拍功能， 誤差 1 個脈沖;

　　緩沖提前 / 延時開關輸出 MOVEOP_DELAY 可調整微秒級別的輸出操作時間;

　　硬件位置比較輸出 HW_PSWITCH/ HW_PSWITCH2 可實現單次或者多次連續(xù)精確觸發(fā)相機拍照;

　　運動到新位置 MOVEMODIFY2 強制停止原來的運動 , 接著按原來的速度與加速度定位到新目標位置，實現目標位置修正補償。

　　(2)SCARA 機械手正逆解模式正解模式

　　BASE(Viraxis_x, Viraxis_y, [Viraxis_v] [,Viraxis_z]) CONNREFRAME(1,tablenum,Axis_a,Axis_b[,Axis_c][,Axis_d]) WAIT LOADED

　　建立成功后，虛擬軸 MTYPE 將顯示為 34，IDLE 顯示為 0。此時只能操作關節(jié)軸在關節(jié)坐標系中運動，虛擬軸會自動計算末端工作點位于直角坐標系中的位置。

　　逆解模式BASE(Axis_a,Axis_b[,Axis_c][,Axis_d])

　　CONNFRAME(1,tablenum, Viraxis_x, Viraxis_y, [Viraxis_v]

　　[,Viraxis_z])

　　WAIT LOADED

　　建立成功后，關節(jié)軸 MTYPE 將顯示為 33，IDLE 顯示為 0。此時只能操作虛擬軸在直角坐標系中運動，關節(jié)軸會自動計算在關節(jié)坐標系中如何聯合運動。

　　六、ZMC416BE 在貼裝行業(yè)飛拍應用的方案亮點

　　? 來料在機器視覺定位糾偏過程中，機構不用停下來，相比靜態(tài)拍照，減少機臺 CT，提高效率;

　　? 進一步提升精 度，現場實測貼裝定位精度可達±0.05mm;

　　? EtherCAT 軸和脈沖軸可同時在一臺 ZMC416BE 運動控制器上使用，滿足客戶多樣性的需求，降低成本。