目前常見的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

基于機(jī)器視覺的精密對位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成了精密機(jī)械技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)/圖像處理技術(shù)/智能控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)。精密機(jī)械工作平臺(tái)是精密機(jī)械技術(shù)的重要組成部分，也是精密對位系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng)，它對組裝對位設(shè)備完成精確的器件對位起著至關(guān)重要的作用。目前常見的對位運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如下圖所示：

1、 XYθ工作平臺(tái)

如上圖所示，XYθ工作平臺(tái)是最為常用的工作平臺(tái)，θ是獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)軸,可以旋轉(zhuǎn)大角度，缺點(diǎn)是平臺(tái)的疊加性造成了誤差的疊加放大，精度不易保證。隨著平板顯示技術(shù)迅猛發(fā)展，平板展示產(chǎn)品對其加工設(shè)備精度的要求也不斷提高，XYθ平臺(tái)逐步被精密對位應(yīng)用場合所淘汰。

2、 Xθ+Y工作平臺(tái)

所謂Xθ+Y工作平臺(tái)就是工件能夠沿X和θ方向運(yùn)動(dòng)，Y軸能獨(dú)立于X和θ軸自由運(yùn)動(dòng)，一般應(yīng)用在玻璃切割，線陣CCD掃描的場合，所以不適合應(yīng)用于精密對位系統(tǒng)中。

3、 XXY（UVW）工作平臺(tái)

日本常用名稱為”UVW”，而臺(tái)灣一般稱呼為“XXY”，XXY就是兩個(gè)X方向的軸向，搭配一個(gè)Y方向軸向，剩余一軸采用自由軸。它的出現(xiàn)用來取代某型傳統(tǒng)的XYθ的應(yīng)用。不同于傳統(tǒng)疊加型的XYθ的結(jié)構(gòu)，整體高度有效降低，增加了機(jī)臺(tái)空間的利用率。

UVW工作平臺(tái)是一種新型的用于精密對位系統(tǒng)中的工作平臺(tái)，憑借著結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活、控制較方便、定位精度高等總舵優(yōu)點(diǎn)，在平板顯示行業(yè)眾多加工設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

4、 XXYY工作平臺(tái)

因制程不斷提升，為了能讓超大尺寸的XXY平臺(tái)也能精準(zhǔn)對位，由上圖可知，XXYY是把XXY中的自由軸也加上馬達(dá)，使之稱為可主動(dòng)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸的軸向，故稱作XXYY。

超大平臺(tái)的未來趨勢-XXYY簡介

為何要提升至XXYY？當(dāng)平臺(tái)臺(tái)面達(dá)到1500mm時(shí)候，還是使用XXY來做對位的話，會(huì)產(chǎn)生什么問題呢？

條件1：當(dāng)X1和X2激磁不動(dòng)作

條件2：浮立軸預(yù)壓正常，無異常情形

條件3：馬達(dá)皆正常動(dòng)作

情形：

X1和X2不動(dòng)作進(jìn)行計(jì)策，此時(shí)進(jìn)行Y方向移動(dòng)，因大臺(tái)面的原因，單Y1推動(dòng)的力量和機(jī)構(gòu)間存在的微小間隙，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)臺(tái)面的移動(dòng)不正確，產(chǎn)生誤角度出現(xiàn)，出現(xiàn)定位失準(zhǔn)現(xiàn)象。

條件1：當(dāng)X1和X2激磁不動(dòng)作

條件2：馬達(dá)皆正常動(dòng)作

情形：

X1和X2不動(dòng)作進(jìn)行計(jì)策，此時(shí)進(jìn)行Y方向移動(dòng)1mm，因大臺(tái)面的原因，Y1和Y2共同進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，讓整個(gè)臺(tái)面正確移動(dòng)，不產(chǎn)生誤角度，定位準(zhǔn)確。

XXYY解決Y方向失準(zhǔn)問題，也有本身存在的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

a.相對于三軸，XXYY四軸皆受馬達(dá)激磁，排除外力或不定因素造成自由軸移位，可實(shí)現(xiàn) 平臺(tái)最好的穩(wěn)定狀態(tài)。

b.排除Y方向失準(zhǔn)問題，進(jìn)行準(zhǔn)確的移位。

缺點(diǎn)：

a.軟件支援少，目前仍以三軸為主流。

b.進(jìn)行Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)是不會(huì)產(chǎn)生角度的，Y1和Y2皆是單純的Y方向，在同時(shí)動(dòng)作時(shí)， 動(dòng)作距離如果不精準(zhǔn)，再加上模組本身的螺桿和導(dǎo)軌有些間隙問題，在累積兩軸的動(dòng)作 誤差后，有可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)上的順壞。

c.成本比三軸來得高。

d.增加Y2軸，也增加軟件的運(yùn)算難度，在進(jìn)行角度運(yùn)算時(shí)，連Y2軸也必需考慮進(jìn)去。

運(yùn)算角度時(shí)，四軸運(yùn)算的難度提升

UVW【XXY介紹】平臺(tái)組成

3個(gè)伺服電機(jī)控制U軸、V軸、W軸３軸， 能夠在任意位置定位的平臺(tái)。

※中央平臺(tái)被一個(gè)倒T型的支架固定。

 UVW(XXY)平臺(tái)的特色

? 薄-不同于傳統(tǒng)XYθ的結(jié)構(gòu)少了DD馬達(dá)的厚度與成本，整體高度有效降低，進(jìn)而減輕本身重量，增加機(jī)臺(tái)空間的利用率。

? 準(zhǔn)-平臺(tái)經(jīng)由精密研磨加工，每個(gè)機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)皆經(jīng)過嚴(yán)密測試及結(jié)構(gòu)上的調(diào)校。搭配影像對位軟件，整體精度可與客戶討論選擇最適合的條件。

? 穩(wěn)-在每個(gè)環(huán)節(jié)，包括組成平臺(tái)的機(jī)件、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、線軌螺桿等等，皆是經(jīng)過長時(shí)間累績經(jīng)驗(yàn)，反復(fù)修正，用最佳加工方法和高穩(wěn)定度的零組件，達(dá)到平臺(tái)最穩(wěn)定的狀態(tài)。

動(dòng)作簡介

對位平臺(tái)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)分析

要實(shí)現(xiàn)微米級的定位要求有許多不同的方式，采用直線電機(jī)和氣浮導(dǎo)軌可以消除摩擦影像，行程長，但是成本很高，體積大，適用場合受到限制；采用壓電元件驅(qū)動(dòng)，以柔性鉸鏈為彈性導(dǎo)軌克服了機(jī)械摩擦等因素，可以獲得納米級的定位精度，但壓電元件的變形有限，一般運(yùn)動(dòng)范圍在十幾微米。傳統(tǒng)的采用伺服電機(jī)和精密絲杠傳動(dòng)的方案，盡管存在機(jī)械間隙、摩擦力以及爬行現(xiàn)象，但是這些缺陷在一定程度上能予以克服，同時(shí)絲杠螺母機(jī)構(gòu)可以做到微米級以下精度，經(jīng)濟(jì)成本不高。

平臺(tái)數(shù)學(xué)模型

如果是UVW平臺(tái)，設(shè)U軸到平臺(tái)中心Ot的距離為UR，伺服電機(jī)可以的分辨率為10000個(gè)脈沖一圈，絲杠的導(dǎo)程Pitch為5mm，那這樣U軸的最小位移量Umin可以達(dá)到0.5um;將設(shè)當(dāng)UR=100mm時(shí)平臺(tái)可以旋轉(zhuǎn)的細(xì)分角度可以達(dá)到arctan(0.0005/100)。具體計(jì)算如下：

Umin = 5mm/10000Pulse =0.0005mm/Pulse

tan(θmin)=0.0005/100 θmin =arctan(0.0005/100)≈0.0003度

而如果使用XYθ類型的平臺(tái)機(jī)構(gòu)，則旋轉(zhuǎn)的細(xì)分角度θmin就是電機(jī)自身能旋轉(zhuǎn)的最小角度，當(dāng)伺服電機(jī)的分辨率為10000pulse/Rev時(shí)，它的細(xì)分角度最小為(2π/10000) = 0.036度。從理論上分析，UVW平臺(tái)的角度細(xì)分精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于XYθ類型的平臺(tái)機(jī)構(gòu)。

通過以上分析對平臺(tái)機(jī)構(gòu)的分析和計(jì)算，UVW平臺(tái)在許多方面要優(yōu)于其他的平臺(tái)。

XYθ平臺(tái)一般類型為直驅(qū)型和直線驅(qū)動(dòng)型

(1)直驅(qū)型

直驅(qū)型由于采用馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，所以旋轉(zhuǎn)角度和馬達(dá)的分辨率有關(guān)：

假如：

我們采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分辨率為：10000P/R即電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈需要10000個(gè)脈沖，而傳動(dòng)比為90:1，即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90圈，平臺(tái)才轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，即旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈需要90*10000 = 900000個(gè)脈沖，那么對于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)來說，每個(gè)脈沖移動(dòng)的角度為2π/900000.

若是電機(jī)不加減速機(jī)，直接通過電機(jī)軸和聯(lián)軸器連接旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，那么傳動(dòng)比則為1:1，即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)即轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，如上例所示，則旋轉(zhuǎn)平臺(tái)每個(gè)脈沖移動(dòng)的角度為2π/10000。

(2)直線驅(qū)動(dòng)型

                                                                                                                 直線驅(qū)動(dòng)型旋轉(zhuǎn)平臺(tái)

直線驅(qū)動(dòng)型為采用絲桿帶動(dòng)連桿，使平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)數(shù)學(xué)公式：

角度（θ）=弧長（L）/半徑（R）即可算出這種類型的分辨率

假設(shè)旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)可以的分辨率為10000個(gè)脈沖一圈，絲杠的導(dǎo)程Pitch為5mm，那這樣旋轉(zhuǎn)軸的最小位移量Umin可以達(dá)到0.5um;將旋轉(zhuǎn)半徑R(即上圖中的L):R=100mm時(shí)平臺(tái)可以旋轉(zhuǎn)的細(xì)分角度可以達(dá)到arctan(0.0005/100)。具體計(jì)算如下：

Umin = 5mm/10000Pulse =0.0005mm/Pulse

tan(θmin)=0.0005/100 θmin =arctan(0.0005/100)≈0.0003度

此時(shí)，這個(gè)電機(jī)每一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)0.0003度。

自動(dòng)對位系統(tǒng)概要

對位系統(tǒng)包的基本概念 （1）

對位系統(tǒng)包是指，使用2～4顆相機(jī)針對目標(biāo)物（Mark點(diǎn)）的位置，2～4顆相機(jī)采集Mark點(diǎn)的信息，算出XYθ移動(dòng)量。

具有自動(dòng)調(diào)整功能，相機(jī)安裝時(shí)，不需要很麻煩地吻合X、Y坐標(biāo)以及進(jìn)行相機(jī)->平臺(tái)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜運(yùn)算。若是檢測Mark點(diǎn)變化后，只需執(zhí)行自動(dòng)調(diào)整，就可以簡單恢復(fù)到模板的位置，從而保證對位精度。若是產(chǎn)品變換，導(dǎo)致Mark點(diǎn)變換后，只需要重新對新的Mark點(diǎn)進(jìn)行模板學(xué)習(xí)，即可完成對位操作。使得產(chǎn)品品種變更后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對位也變得十分簡單。

對位系統(tǒng)包的基本概念（2）

自標(biāo)定（Auto Calibration）

如果利用對位控制器，此前使用圖像處理裝置時(shí)不可或缺的校正工序能夠自動(dòng)完成。

（1）自動(dòng)算出各攝像頭的分辨率、視野大小

（2）自動(dòng)算出相機(jī)與平臺(tái)的角度

（3）自動(dòng)測得兩相機(jī)之間的關(guān)系，統(tǒng)一大坐標(biāo)系。

通過移動(dòng)分別X、Y、θ軸，自動(dòng)算出相機(jī)的分辨率、視野大小，以及對平臺(tái)進(jìn)行自標(biāo)定。

對位系統(tǒng)包的基本概念（3）

自動(dòng)對位

根據(jù)之前的自標(biāo)定，算出相對于基準(zhǔn)位置的對象物mark的坐標(biāo)即移動(dòng)Mark的偏移量。然后移動(dòng)X、Y、θ進(jìn)行對位。最終完成對位。若是一次沒有將當(dāng)前mark點(diǎn)移動(dòng)回和基準(zhǔn)位置的mark一樣的位置，那么可以進(jìn)行重復(fù)操作直到完成對位。

 XYθ視覺對位平臺(tái)的系統(tǒng)原理

XYθ視覺對位平臺(tái)的系統(tǒng)原理圖

在本系統(tǒng)中，采用雙CCD進(jìn)行待測物靶標(biāo)的讀取，通過圖像處理系統(tǒng)與基準(zhǔn)靶標(biāo)進(jìn)行比較，運(yùn)用圖形識(shí)別算法計(jì)算平臺(tái)移動(dòng)量，通過工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡控制電機(jī)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，達(dá)到薄膜上的靶標(biāo)與基準(zhǔn)靶標(biāo)的對準(zhǔn)，進(jìn)而完成對位調(diào)整。

視覺對位流程

對位完成前后,CCD抓取mark點(diǎn)坐標(biāo)圖示: