目前常見的運動平臺

基于機器視覺的精密對位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成了精密機械技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)/圖像處理技術(shù)/智能控制技術(shù)等多項技術(shù)。精密機械工作平臺是精密機械技術(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。目前常見的對位運動平臺如下圖所示：

1、 XYθ工作平臺

如上圖所示，XYθ工作平臺是最為常用的工作平臺，θ是獨立的轉(zhuǎn)動軸,可以旋轉(zhuǎn)大角度，缺點是平臺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平臺逐步被精密對位應(yīng)用場合所淘汰。

2、 Xθ+Y工作平臺

所謂Xθ+Y工作平臺就是工件能夠沿X和θ方向運動，Y軸能獨立于X和θ軸自由運動，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

日本常用名稱為”UVW”，而臺灣一般稱呼為“XXY”，XXY就是兩個X方向的軸向，搭配一個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，增加了機臺空間的利用率。

UVW工作平臺是一種新型的用于精密對位系統(tǒng)中的工作平臺，憑借著結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、控制較方便、定位精度高等總舵優(yōu)點，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

因制程不斷提升，為了能讓超大尺寸的XXY平臺也能精準對位，由上圖可知，XXYY是把XXY中的自由軸也加上馬達，使之稱為可主動帶動運動軸的軸向，故稱作XXYY。

超大平臺的未來趨勢-XXYY簡介

為何要提升至XXYY？當(dāng)平臺臺面達到1500mm時候，還是使用XXY來做對位的話，會產(chǎn)生什么問題呢？

條件1：當(dāng)X1和X2激磁不動作

條件2：浮立軸預(yù)壓正常，無異常情形

條件3：馬達皆正常動作

情形：

X1和X2不動作進行計策，此時進行Y方向移動，因大臺面的原因，單Y1推動的力量和機構(gòu)間存在的微小間隙，可能會導(dǎo)致整個臺面的移動不正確，產(chǎn)生誤角度出現(xiàn)，出現(xiàn)定位失準現(xiàn)象。

條件1：當(dāng)X1和X2激磁不動作

條件2：馬達皆正常動作

情形：

X1和X2不動作進行計策，此時進行Y方向移動1mm，因大臺面的原因，Y1和Y2共同進行運動，讓整個臺面正確移動，不產(chǎn)生誤角度，定位準確。

XXYY解決Y方向失準問題，也有本身存在的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：

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

b.排除Y方向失準問題，進行準確的移位。

缺點：

a.軟件支援少，目前仍以三軸為主流。

b.進行Y方向運動時是不會產(chǎn)生角度的，Y1和Y2皆是單純的Y方向，在同時動作時， 動作距離如果不精準，再加上模組本身的螺桿和導(dǎo)軌有些間隙問題，在累積兩軸的動作 誤差后，有可能會造成結(jié)構(gòu)上的順壞。

c.成本比三軸來得高。

d.增加Y2軸，也增加軟件的運算難度，在進行角度運算時，連Y2軸也必需考慮進去。

運算角度時，四軸運算的難度提升

UVW【XXY介紹】平臺組成

3個伺服電機控制U軸、V軸、W軸３軸， 能夠在任意位置定位的平臺。

※中央平臺被一個倒T型的支架固定。

 UVW(XXY)平臺的特色

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

? 準-平臺經(jīng)由精密研磨加工，每個機構(gòu)環(huán)節(jié)皆經(jīng)過嚴密測試及結(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)-在每個環(huán)節(jié)，包括組成平臺的機件、馬達驅(qū)動器、線軌螺桿等等，皆是經(jīng)過長時間累績經(jīng)驗，反復(fù)修正，用最佳加工方法和高穩(wěn)定度的零組件，達到平臺最穩(wěn)定的狀態(tài)。

動作簡介

對位平臺的傳動設(shè)計分析

要實現(xiàn)微米級的定位要求有許多不同的方式，采用直線電機和氣浮導(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，以柔性鉸鏈為彈性導(dǎo)軌克服了機械摩擦等因素，可以獲得納米級的定位精度，但壓電元件的變形有限，一般運動范圍在十幾微米。傳統(tǒng)的采用伺服電機和精密絲杠傳動的方案，盡管存在機械間隙、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，同時絲杠螺母機構(gòu)可以做到微米級以下精度，經(jīng)濟成本不高。

平臺數(shù)學(xué)模型

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

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類型的平臺機構(gòu)，則旋轉(zhuǎn)的細分角度θmin就是電機自身能旋轉(zhuǎn)的最小角度，當(dāng)伺服電機的分辨率為10000pulse/Rev時，它的細分角度最小為(2π/10000) = 0.036度。從理論上分析，UVW平臺的角度細分精度遠遠大于XYθ類型的平臺機構(gòu)。

通過以上分析對平臺機構(gòu)的分析和計算，UVW平臺在許多方面要優(yōu)于其他的平臺。

XYθ平臺一般類型為直驅(qū)型和直線驅(qū)動型

(1)直驅(qū)型

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

假如：

我們采用的電機驅(qū)動器分辨率為：10000P/R即電機旋轉(zhuǎn)1圈需要10000個脈沖，而傳動比為90:1，即電機轉(zhuǎn)動90圈，平臺才轉(zhuǎn)動1圈，即旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動1圈需要90*10000 = 900000個脈沖，那么對于旋轉(zhuǎn)平臺來說，每個脈沖移動的角度為2π/900000.

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

(2)直線驅(qū)動型

                                                                                                                 直線驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)平臺

直線驅(qū)動型為采用絲桿帶動連桿，使平臺進行旋轉(zhuǎn)運動。

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)軸電機可以的分辨率為10000個脈沖一圈，絲杠的導(dǎo)程Pitch為5mm，那這樣旋轉(zhuǎn)軸的最小位移量Umin可以達到0.5um;將旋轉(zhuǎn)半徑R(即上圖中的L):R=100mm時平臺可以旋轉(zhuǎn)的細分角度可以達到arctan(0.0005/100)。具體計算如下：

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

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

此時，這個電機每一個脈沖，旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動0.0003度。

自動對位系統(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顆相機針對目標物（Mark點）的位置，2～4顆相機采集Mark點的信息，算出XYθ移動量。

具有自動調(diào)整功能，相機安裝時，不需要很麻煩地吻合X、Y坐標以及進行相機->平臺坐標轉(zhuǎn)換的復(fù)雜運算。若是檢測Mark點變化后，只需執(zhí)行自動調(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點變換后，只需要重新對新的Mark點進行模板學(xué)習(xí)，即可完成對位操作。使得產(chǎn)品品種變更后實現(xiàn)自動對位也變得十分簡單。

對位系統(tǒng)包的基本概念（2）

自標定（Auto Calibration）

如果利用對位控制器，此前使用圖像處理裝置時不可或缺的校正工序能夠自動完成。

（1）自動算出各攝像頭的分辨率、視野大小

（2）自動算出相機與平臺的角度

（3）自動測得兩相機之間的關(guān)系，統(tǒng)一大坐標系。

通過移動分別X、Y、θ軸，自動算出相機的分辨率、視野大小，以及對平臺進行自標定。

對位系統(tǒng)包的基本概念（3）

自動對位

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

 XYθ視覺對位平臺的系統(tǒng)原理

XYθ視覺對位平臺的系統(tǒng)原理圖

在本系統(tǒng)中，采用雙CCD進行待測物靶標的讀取，通過圖像處理系統(tǒng)與基準靶標進行比較，運用圖形識別算法計算平臺移動量，通過工控機和運動控制卡控制電機執(zhí)行運動，達到薄膜上的靶標與基準靶標的對準，進而完成對位調(diào)整。

視覺對位流程

對位完成前后,CCD抓取mark點坐標圖示: