FZ3 在自动对位丝网印刷机上的应用

自动对位丝网印刷机技术说明一、视觉处理平台客户需求：为了实现客户对印刷PCB板对位的高精度要求，在电气和机械上为客户提供整体式打包方案，电气上采用全OMRON系统(FZ3)+CP1H PLC+G伺服）；机械上由经验丰富的工程师精心把关。

经过长期艰苦调试，有效地满足了客户需求，极大地改善了提高工作效率。

客户的具体要求如下：1.对位精度20微米。

2.平台负载600KG。

3.系统通讯方式RS232。

4.提供连接及安装图。

5.镜头可视范围5mm。

6.二十种以上记忆读标方式。

7.中英文界面菜单。

8.所有系统配置符合CE标准。

客户对此款机器的性能非常满意，目前下单20套，图像处理器可采用FZ3或FZ3，以形成不同价位的产品，来满足最终客户的个性需求。

二、系统结构描述与设备工艺分析本平台放置于自动对位丝网印刷机的底部，根据双CCD对位信号来判断目标偏差距离，并使其回到标靶原点。

该平台工作精度为20微米,理想精度10微米，一般对位距离2-3毫米，平台实际行程正负10毫米！同时平台具有相应传感器保护，一旦移动过量可起停止作用，保证平台安全运行。

系统结构如图1所示：FZ3负责图像处理，计算出相机0的原点（x0,y0），相机1的原点（x1,y1），相机0的当前座标（x0`,y0`），相机1的当前座标（x1`,y1`），通RS-232C 通信方式将这些数据传送给CP1H ；CP1H 计算出dx 、dy 和d θ值，然后换算出控制分量分别控制UVW 平台的三轴伺服；NS8屏用于参数设置与方式选择等传统控制。

系统的工作步骤：①基板置于平台之上；②移动上下光源及镜头到上图的位置；③通过上镜头检出丝网上面的mark 作为目标位置；④然后通过上、下镜头检出基板上的mark ，对位到③的目标位置；⑤将上、下镜头移出平台区域，下降丝网，印刷；⑥上升印刷丝网，还原到原有位置，排出基板。

整机的原理方框图如图2所示：UVW 平台的放大结构如图3所示，而UVW 平台正是本控制系统重点介绍的内容。

久居日本的工程师采用独特的技术和工艺使整机在快速高精度运行时保持优异性能，而两侧限位开关为系统高系统安全运行护航。

该平台工作精度PCB 基板UVW 平台上下视野镜头（印刷时移向平台）丝网为20微米,理想精度10微米，一般对位距离2-3毫米，平台实际行程+/-10毫米。

通过对机械结构的研究现：U 、V 、W 三轴所处的位置可以决定一个圆。

我们移动一个轴的时候可以产生一个d θ角，即上方的平台是在旋转的而不是dx 和dy 方向上的移动。

同时移动U 、V 、W 三轴可实现平台任意方向和角度的移动，由于实际上受丝杆长度和平台结构的限制，平台不可能做大范围的d θ旋转，本机器的旋转角度为1.8度，因为机器本身属于精密对位平台，所以不可能出现大角度的对位。

如图4所示：4下面对d θ角的工作进行描述：O（a ，b ）为相机的座标原点，由圆（x-a ）^2+（y-b ）^2=r^2的公式可知：从 A （X1，Y1）到B （X2，Y2）最优的方法是通过差补运算走这条红线，但相机1 相机2伺服 左限 右限 平台 图3实际上CP1H的控制方式却是那条绿线，即调整中（x-a）^2+（y-b）^2=r^2的x、y和r值，将U、V、W三轴当前位置从圆1移动到圆2上，然后在做θ角的旋转（这样为一次对位，如果不准还要2次对位，当3次对位依然不准时系统自动报警。

这是一个相机对位的情况，两个相机对位原理相同，只是运算更加复杂。

三、对FZ3调试过程的记录对FZ3输出数据的处理，刚开采用dx、dy和dθ值输出方式，这样PLC 的运算负担小，但增加了FZ3的处理时间，并且处理起来也有难度，每个相机可以把各自当前座标值和dθ角容易的传送至PLC，如何将两相机座标融入“两机相之间距离‘L’形成的座标系统”，很难处理。

后来直接将相机座标输出（即相机0的原点（x0,y0），相机1的原点（x1,y1），相机0的当前座标（x0`,y0`），相机1的当前座标（x1`,y1`）共8个数据）FZ3处理快捷，如果登录后相机位置没有发变化那（x0,y0）和（x0`,y0`）的值是零的，但是有位移的话就要考虑这个微小的变化量，所以传送给PLC的数据是8个，PLC的程序经过重新设计优化运算时间小于8ms。

FZ3输出数据有ASCII码和BCD两种方式，此次采用BCD方式，具体数据格式为：“符号”+“整数高3位”+“整数低4位”+“小数3位”，通信的数据共有8个（x0,y0，x0`,y0`，x1,y1，x1`,y1`），这样在PLC里一一对它们进行转换浮点数，然后在做数据运算（dx、dy和dθ值），计算dθ角产生的分量和UVW的偏移量（dx和dy），叠加输出；故每次对位其实是有两步完成的，如dθ角在误差范围内计算其UVW上的分量；计算偏移量（dx和dy）。

光线对测量的影响。

一开始只用普通日光灯做照明（因为工厂的实际工作条件就是这样）FZ3的快门时间只能为1/500S，此时FZ3的测量时间为100ms-120ms，加上FZ3与PLC通信、PLC的处理、伺服的执行响应时间等整个周期下来，每动作一次视觉上总是感觉有明显的停顿。

由于在镜头旁边增加照明的方式，将快门时间调至1/1000S，这样FZ3的测量时间约为60ms，这样1.5S对位最多3次的要求将变得可能。

由于UV两轴安装的方向是相反的，所以在定义FZ3座标时，只需要将两相机座标定义一致即可（它们输出的正负值就可直接使用而无需判定与转换）。

另外，两相机安装在UVW平台上的位置对程序对符号的判定也有直接关系，可以将UVW平台划分为四个象限，两相机是一三、一二、三四等象限要对机械运动分析后才能得出结论，如果象限判断不对的话，对位的方向是相反的。

采用不同的搜索模式会直接影响测量结果的稳定性，相机的视野为+/-2mm，而有时候客户产品可能会超出视野范围，采用灰度搜索时mark超出一半（1mm）时就很难对位了，但是后来采用重心搜索方式，mark只有五分之一，同样可以快速精准对位。

开机时，客户要选择不同的mark，FZ3最多可以存贮32个编号（不加存贮卡），调用不同编号时，第一次通讯写编号，第二次反馈当前编号，而客户只要求20个，故可以满足客户需求。

四、对整机及PLC调试过程的记录在整机运算的过程中，一共用到了5个座标系统：相机0的座标系统、相机1的座标系统、两机相之间距离“L”形成的座标系统、UVW平台机械原点座标系统和平台的工作原点座标系统。

工作原点系统可以看做是机械原点座标系统的平移，“L”确定的座标系统是一个实时、动态的座标系统，用其和登录的座标进行跟踪比较，dx、dy和dθ均在设定的精度范围内时认为对位完成。

之前讨论dθ的计算方法，是用arctan还是用arcsin函数的问题，用arctan 函数计算起来用到的公式复杂，arcsin函数简单、处理速度快。

无论采用哪种方法都要运用到“L”值，所以每次轻微地移动相机均要重新登录FZ3。

一种新的算法正在研究，在开机时，平台分别旋转画圆弧，计算圆弧交叉点之间的距离，从而计算出相机之间的距离“L”，这样平台对“登录后相机不能移动”这条要求将不在那么苛刻。

对于dθ角的计算方法如下，先求出dy方向上的绝值，然后除以系统的半径R，在转换成弧度乘以‘L’，在求出arctan的值，在转换在角度值输出。

而真正的dx和dy却是dx0与dx1、dy0与dy1平均值。

dx、dy和dθ计算出来后，将dθ代入另外一个公式计算出U、V、W三轴的分量，然后将dx和dy简单叠加至输出轴上。

值得注意的是，平台在旋转时是围绕着一个固定角度在旋转的，本平台的常数为0.0435，至于产生这个固定角度的原因是相机和平台之间存在夹角。

当dθ在绝对值上越接近这个值，平台对位的振荡幅度越小，动作越频繁。

有两种解决方法：一是在运算时减去这个常数；另一个是引入第6个座标系统（将工作原点座标系统平移），经过这样的处理后，在触摸屏上显示的两样是误差小于设定误差、接近于零。

在数据运算时应尽可能的将运算简化，因为浮点的运算和显示位数有限，在做很小数据处理时，过程越多数据舍去的越多。

另外，UVW三轴伺服电机及丝杠的安装精度对平台的稳定性也有重要的影响，由于它们的安装差异，三轴表现出的负载性能不尽相同，这就要求我们附加一个功能：即dx（dy）长期（大于10次）小范围对位时，UV（W）轴就应该报警，提示工作人员对其进行检修；dθ长期（大于10次）对不准时，则提示工作人员,平台应做整体检修。

上面说过，每次对是分成两步完成的，这是因为dθ角是一个值，dx和dy 对是一个值，在运动之前我们可以进行简单叠加，这样想一次完成对位具有偶然性，其实上这种情况很少，所以就算是一次完成dθ角的对位，接下来还是对dx和dy进行校正。

看上去一次对位分两步是必然的，但在日本，这样的对位，确是一次对位一步完成，有时它们也会对位2次、3次只是机械配合或精度要求的问题。

这样看来在进行简单叠加后，还应该有一个修正公式存在，只有这样才有可能一次对位一次完成。

这样一次对位，一步完成，一次通信，如果对位误差大于设定精度，那么在重新对位，工作效率会大大提高。

调试的过程中还发现，角度误差dθ的精度和平移量（dx和dy）的误差有很大关系。

举个例子，角度误差为0.002度，那么平移量误差设定为0.01mm是不起作用的，因为在高精度角度对位过程中，系统经过多次小幅振荡后，接下来简单进行平移对位即可达到很高的平移精度；如果角度误差设置很大，而平移量误差很小，那么实际的对位过程中是很难对位的，虽然角度大范围内判定合格，接下来的平移量是达不到很高精度的。

实际上这部分程序是这样做的：先判断角度误差和平移量误差，如果均满足那么结束对位，如果只是角度满足，接下来在做三次平移量判断；如果三次内平移量也达不到要求，那么要重新判定角度误差；每次对位完成做一次通信，这是因为从FZ3到PLC的数据并不是实时的，要每次置位读取。

如果用FZ3来做图像检测的话，可以用hostlink通信方式，但整个周期要280-300ms，所以以后会采用无协议（TXD和RXD）方式读取数据，尽可能压缩图像处理占用的时间。

U、V、W轴伺服加、减速和目标速度设置是一样的，在做dθ角旋转时对这些参数有着严格的要求；U、V轴在空间安装上是在同一轴向上，只是方向相反，对于W轴来说却是和U、V垂直的，所以对W轴的增益、微分时间、积分时间和机械刚性要求更高。

总之在三轴伺服驱动器的参数要在实际的调试中，多次尝试才能确定，这对平台平稳运行有很重要的影响。

伺服加、减速和目标速度之间的关系经过反复调整，目前伺服加、减速为0.5-0.8khz，在高平台运行时就会出现明显抖动，小范围内会出现频繁调整；目标速度为50khz。