視覺貼裝機作為一種新型的智能化標(biāo)簽和輔料貼合機器，融合先進的機器視覺技術(shù)和貼裝運動工藝，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的效率和精度提升。本文通過介紹PCIE464運動控制卡在視覺貼裝行業(yè)的應(yīng)用，來更深入地了解超高速PCIe EtherCAT運動控制卡的性能特點。

　　文/深圳市正運動技術(shù)有限公司

　　1 市場應(yīng)用背景

　　隨著科技的進步和工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始采用先進的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備來提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。其中，視覺貼裝機作為一種新型的智能化標(biāo)簽和輔料貼合機器，融合先進的機器視覺技術(shù)和貼裝運動工藝，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的效率和精度提升，目前已經(jīng)在3C電子、PCB、食品包裝、醫(yī)藥、化妝品、汽車零部件、倉儲物流等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　貼裝材料包含了二維碼、條形碼、防偽碼、商標(biāo)、合格證、生產(chǎn)日期等標(biāo)簽，也包含了防水軟墊、導(dǎo)電泡棉、導(dǎo)熱硅膠、銅箔片、帶膠導(dǎo)電布、高溫膠紙等輔料。

圖1 常見貼裝的商標(biāo)和輔料

　　本文通過介紹PCIE464運動控制卡在視覺貼裝行業(yè)的應(yīng)用，來更深入地了解超高速PCIe EtherCAT運動控制卡的性能特點。

　　2 PCIE464運動控制卡在高速視覺貼裝上的應(yīng)用對比傳統(tǒng)方案

　　(1)傳統(tǒng)貼裝方案的局限

　?、賯鹘y(tǒng)不帶視覺的自動貼裝設(shè)備

　　不帶視覺的自動貼裝設(shè)備往往采用PLC+觸摸屏方案，主要針對一些速度和精度要求不太高、一致性要求一般的場合。在生產(chǎn)和調(diào)試過程中，需要更多的人工干預(yù)或其他配件的協(xié)助調(diào)整，導(dǎo)致貼裝效率較低，比如規(guī)則的食品包裝、低端電子產(chǎn)品等的標(biāo)簽和輔料貼裝。

　　②視覺貼裝設(shè)備

　　一般的視覺貼裝設(shè)備采用的多是飛達(dá)機構(gòu)+機器視覺+PLC控制方案。因為增加了視覺功能，可以針對一些材料大小、形狀等參差不齊，取料、貼裝、放料等重復(fù)性高、精度高的工藝場合進行貼裝。

　　在物料的拾取過程中，因機械臂的夾具或者吸盤在抓取瞬間，使物料發(fā)生位置偏移，產(chǎn)生的位置誤差會影響產(chǎn)品的貼裝精度。為了確保精度，需要在工件移動過程中，預(yù)先通過工業(yè)相機拍攝抓取或吸取的物料位置，來實現(xiàn)位置糾偏。但是拍攝需要時間，往往造成設(shè)備運動軸不必要的停頓動作，每次貼裝都停頓1-2s，1000次貼裝都要停頓半小時，因此會對產(chǎn)能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

圖2 視覺定拍，效率不高

　　(2)正運動技術(shù)解決方案

　　隨著工業(yè)生產(chǎn)對貼裝設(shè)備在產(chǎn)能、貼裝精度、貼裝良率等方面的要求不斷提高，正運動技術(shù)采用了超高速PCIe EtherCAT運動控制卡PCIE464的方案，利用硬件位置比較輸出PSO功能，在工業(yè)相機拍照位置，實現(xiàn)視覺飛拍功能。

　　①單相機視覺飛拍

　　使用飛拍技術(shù)，當(dāng)機械臂運動到拍照點區(qū)域，由PCIE464運動控制卡高速輸出口觸發(fā)相機，進行動態(tài)無停頓拍照，微秒級的觸發(fā)時間，數(shù)毫秒間輸出視覺運算結(jié)果，再利用相機回傳的位置數(shù)據(jù)，對角度和位置進行修正補償，實現(xiàn)位置的糾偏，既可以保證效率，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(nèi)，產(chǎn)能提升10%以上。

圖3 視覺飛拍，效率高

　　②多相機獨立視覺飛拍

　　針對多工位(或者雙XYZ)的視覺貼裝應(yīng)用場合，多個工位是相互獨立控制的，需要多個高速輸出口來實現(xiàn)工業(yè)相機的視覺飛拍，對運動控制卡的高速輸出口有了更高的要求。

　　因為獨立工位，所以視覺飛拍功能也需要獨立控制，在一個比較周期內(nèi)，要實現(xiàn)多個點或者多個位置的飛拍功能，就需要運動控制卡的硬件位置比較輸出高速口具備獨立控制的性能，才能在同一周期內(nèi)，不漏拍不漏點。PCIE464運動控制自帶8路獨立的高速輸出口，完美契合多工位、多點、多位置同時飛拍的應(yīng)用，實現(xiàn)了高速視覺貼裝的功能，并大幅提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。

圖4 多相機獨立視覺飛拍，效率更快

　　3 超高速PCIe EtherCAT運動控制卡的產(chǎn)品介紹

圖5 PCIE464產(chǎn)品圖

　　PCIE464產(chǎn)品硬件性能特點如下：

　　(1)可選6-64軸運動控制，支持EtherCAT總線/脈沖/步進伺服驅(qū)動器。

　　(2)聯(lián)動軸數(shù)最高可達(dá)16軸，運動周期最小為100μs。

　　(3)標(biāo)配8進8出，其中4路高速鎖存輸入和8路高速PWM、PSO輸出，更多IO請選配ACC37接線板擴展板。

　　(4)支持PWM輸出、精準(zhǔn)輸出、PSO硬件位置比較輸出、視覺飛拍等。

　　(5)支持30+機械手模型正逆解模型算法，比如SCARA、Delta、UVW、4軸/5軸 RTCP……。

　　(6)支持掉電存儲和掉電中斷，提供程序更安全機制。

　　(7)具有螺距補償控制，在單軸上通過多個補償點進行精確調(diào)整，從而實現(xiàn)更高的加工精度。

圖6 PCIE464及其配件架構(gòu)圖

　　4 PCIE464運動控制卡在高速視覺貼裝應(yīng)用上的方案

　　(1)運動控制功能

　　主要由PCIE464運動控制卡、伺服驅(qū)動和電機、絲桿(或者驅(qū)動器、直線電機和光柵尺)、飛達(dá)上料機構(gòu)等組成。通過PCIE464運動控制卡EtherCAT總線方式發(fā)送命令控制驅(qū)動器實現(xiàn)運動控制;通過編碼器或者光柵尺的反饋位置MPOS，進行精準(zhǔn)輸出或者位置比較輸出IO信號，從而實現(xiàn)相機的飛行拍照。

　　方案應(yīng)用動作流程如下：

　?、倭媳P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;若是飛達(dá)上料機構(gòu)，取料位置比較固定，一般不需要視覺定位。

　　②機構(gòu)上料抓取

　　根據(jù)計算出的位置，運動軸的吸嘴或者夾爪運動到正確的位置，下降夾具或者吸嘴進行抓取物料。

　?、巯孪鄼C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(nèi)部精準(zhǔn)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。

　?、芏ㄎ缓图m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(zhuǎn)角度，再進行位置糾偏和修正。

　?、葙N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(dá)正確的目標(biāo)位置進行放料貼裝。

　?、薹祷厣狭衔?/p>

　　貼裝完成后，返回上料位置，準(zhǔn)備下一次的抓取，往復(fù)循環(huán)。

圖7 PCIE464多相機視覺飛拍系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　(2)視覺系統(tǒng)功能

　　主要由相機、鏡頭、光源、光源控制盒、視覺處理系統(tǒng)等組成。根據(jù)運動速度的快慢不同，對相機的拍照響應(yīng)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。

圖8 CE標(biāo)簽貼裝-飛拍視覺定位

圖9 條形碼貼裝-飛拍視覺定位

　　(3)硬件選型配置(見表1)

　　5 PCIE464運動控制卡在視覺貼裝行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢

　　l 適用于支持WindowsXP/7/10/11，Linux等操作系統(tǒng)，適用性更廣;

　　l 統(tǒng)一開放的API函數(shù)接口，讓用戶開發(fā)更靈活更高效;

　　l PCIe接口相較于PCI接口，傳輸效率更快，更適用于高速高精的應(yīng)用場景;

　　l 支持上位機+RTBasic腳本語言混合開發(fā)，極大提高指令的實時執(zhí)行效率;

　　l EtherCAT同步周期可快至125us，提升設(shè)備產(chǎn)能;

　　l 物料在機器視覺定位糾偏過程中，運動軸不用停下來，相比靜態(tài)拍照，縮短機臺CT;

　　l 8路獨立的硬件位置比較輸出，可實現(xiàn)多點多位置的同時視覺飛拍，整體生產(chǎn)效率可提升10%以上;

　　l 進一步提升精度，現(xiàn)場實測貼裝定位精度可達(dá)±0.05mm。