视觉专业人士的运动控制简介

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运动控制是许多自动光学检测系统和视觉引导制造过程的关键要素。相机及其目标的精确移动对于快速、高质量的生产至关重要。

1. 六度运动基于平移(a、b、c)和旋转(d、e、f)。2线性和垂直平移台 (g, h) 和旋转台 (i) 的示例。
运动控制是许多自动光学检测系统和视觉引导制造过程的关键要素。相机及其目标的精确移动对于快速、高质量的生产至关重要。运动控制还可以创建更灵活的视觉系统,这些系统可以快速自动地重新配置,以匹配包括塑料和包装在内的行业不断变化的产品组合。
机器学习和基于推理的视觉系统性能也可以通过添加运动控制来提高。确保目标始终位于相机的视野中,消除了图像之间差异的主要来源。这可以减少训练神经网络所需的数据集大小,并且还会产生更小的网络,在低功耗嵌入式系统上运行速度更快。
运动控制技术的巨大多样性可能会使入门不知所措。本文是由三部分组成的系列文章中的第一部分,该系列将涵盖视觉专业人士的运动控制基础知识。将介绍几种常见的运动控制硬件类型;他们的关键规格是什么意思;以及如何使用这些规范来选择能够提高系统性能、可靠性和成本的运动控制设备
运动类型
图1. 六度运动基于平移(a、b、c)和旋转(d、e、f)。线性和垂直平移台 (g, h) 和旋转台 (i) 的示例。
确定视觉系统运动控制要求的第一步是确定所需运动的类型。有六个自由度。它们基于平移,即沿轴(图 1a、b、c)线性推动、拉动、承载或提升负载,以及围绕运动轴旋转或倾斜负载(图 1)。1. d、e、f)。通常,运动控制组件旨在在单一运动度数中提供快速和准确的运动,同时最大限度地减少所有其他运动中的不必要运动。
运动控制设备剖析
在预期的轴方向上移动相机需要五个关键组件:
·        将负载牢固地安装到负载并沿其运动轴引导负载的机械装置。
·        产生机械力以移动负载的电机。
·        一种电机驱动器,可在精确的时间为电机提供正确的电流。
·        提供与驱动程序的数据接口的控制器。
·        用于校准和测量沿行进轴定位的传感器。
图2. 线性平台,将机械、电机、电机驱动器和控制器集成到一个设备中。
主要规格
将可用运动控制选项的功能与您的视觉系统要求相匹配,将确保您的系统能够快速可靠地执行其预期任务,而不会增加不必要的成本或复杂性。例如,半导体封装系统在系统的不同点对精度和可重复性会有不同的要求。它需要纳米级精度和可重复性来拾取和放置小芯片芯片,但可能只需要毫米级定位即可将完成的 IC 放置到载带卷盘口袋中。本节将介绍用于定义运动控制设备功能的关键规范。影响这些规范的因素将是本系列第 2 部分的重点。
图 3. 线性平台的样本精度图。该图显示了平台在其行程范围内的预期位置和实际位置之间的差异。可能的最大误差为 0.6 μm,这是 A 点和 B 点之间的差异。
精度是当从同一方向接近两个位置时,在行程轴(图 3)上的任意两个位置之间移动时可能出现的最大误差。
可重复性是衡量平台在多个移动周期内从同一方向返回到同一位置的准确程度的指标。它是实际位置的最大偏差。
对于高吞吐量工业过程的自动化检查和控制,最小化循环时间至关重要,可重复性通常比准确性更重要。高重复性确保系统在校准后,将执行具有高度一致性的重复运动序列,无需精细重新定位,这会增加循环时间并降低吞吐量。
图 4. 在由导螺杆驱动的系统中,机械松弛是由导螺杆的螺纹与螺母的相应螺纹之间的微小间隙造成的。
对于依赖目标或相机的移动来实现精细对焦控制的视觉系统,反冲是一个关键的性能规范。齿隙是衡量机械系统中松弛的指标(图 4),它会对小运动的准确性和可重复性产生重大影响。当移动方向反转时,齿隙对平台定位的准确性和可重复性影响最大,因为在移动负载之前必须消除驱动系统中的松弛。尝试进行比驱动它的运动控制设备的间隙更小的精细焦点变化的检测系统不会导致相机或样品定位发生任何变化。
图 5. 居中载荷施加垂直于运动轴的力。悬臂负载围绕运动轴施加扭矩。
为确保您的系统按要求运行,选择能够有效支撑和移动所需负载的平台至关重要。最大中心载荷(图 5)是在保持合理的性能和设备寿命的同时,可以施加到垂直于移动轴的平台的最大力。载荷测量以力单位(牛顿)而不是质量(千克)给出,因为载荷可能来自质量、重力载荷和其他来源的组合。这些力的大小取决于安装在舞台上的物体的质量及其移动方式。与缓慢移动的重得多的物体相比,移动得非常快的轻物体会产生更大的力。
最大中心载荷的计算公式如下:
 F(以牛顿为单位)= 质量(以千克为单位)x 加速度(以米/秒²)
在大多数情况下,中心负载的加速度仅由重力引起,可近似为 9.8 m/s²。
悬臂负载将扭矩施加到围绕预期运动轴的平台上,这将导致其轴承负载不均匀并增加摩擦。您可以使用以下公式计算悬臂载荷的大小:
悬臂载荷(N⋅m)=力(N)x距离(m)
速度和推力是任何运动控制设备的关键选择标准。高速和推力对于最大限度缩短循环时间至关重要的高通量应用尤为重要。最大推力以牛顿为单位,是载物台在行进方向上可以施加的最大力。最大速度是平台在空载时可以移动的最快速度。
可提供极高速度和高推力的装置。但是,如果图像采集或处理时间是您的视觉系统的瓶颈,那么为更快的运动控制设备支付更多费用不会减少周期时间或增加吞吐量。
具有高推力和速度的运动控制设备可以为相机节省大量成本,尤其是在需要高分辨率相机时。如果目标可以再次快速减速和加速,则可以使用卷帘快门相机代替配备更昂贵全局快门传感器的相机,而不会对循环时间或系统性能产生负面影响。
检查系统行程两端的悬臂载荷。随着负载沿其行程范围 (b) 移动,平台 (a) 上的悬臂负载将增加。
组合多个设备时,请考虑如何将它们相互安装。安装在线性载物台顶部的垂直载物台将向线性载物台 (c) 施加中心负载。安装在垂直平台顶部的线性平台将向垂直平台 (d) 施加悬臂负载。
推力和速度的结合将影响平台的使用寿命。以更高速度移动的更大负载将在平台上施加更大的力。这将在驱动机构中产生更多热量,导致机械部件更快磨损。对于需要在高速和推力下长期运行的应用,在最大速度和推力规格方面为具有显着开销的设备支付更多的前期费用可以产生显着的长期节省。升级的运动控制设备将提供更长的使用寿命并减少维护需求。第二部分将更详细地讨论速度和推力之间的关系以及影响它们的因素。
虽然机械规格对于运动控制设备来说显然很重要,但不应忽视电气规格,因为它们会影响系统集成的难易程度。带有 IO 线的控制器非常适用于高吞吐量机器视觉应用。输出线可实现高度可靠、低延迟的相机触发,只需很少的设置工作。当平台到达其目标位置时,可以通过立即触发相机来最小化循环时间。IO 触发是一种确保生产或检测系统的运动控制、照明和成像组件保持同步的简单方法。
应注意匹配设备之间 IO 的标称电压。+5V TTL 对于许多运动控制设备的数字输出来说很常见,但可能会超过一些缺乏光隔离输入的低功率 +3.3V 单板计算机的推荐输入电压。主要制造商的大多数机器视觉相机都有光隔离输入引脚,并支持 +5V 输入。
整合优势
虽然视觉系统设计人员可以采购和集成分立的图像传感器、FPGA、图像信号处理 IP 核和接口后端,但大多数用户更喜欢预组装相机的便利性。运动控制也是如此。采购、确定兼容性、配置和校准离散阶段、电机、驱动器和控制器可能是一个复杂且耗时的过程。带有集成控制器和驱动器的运动控制设备简化了设备选择和设置过程。
具有共享通用控制协议的集成驱动器和控制器的设备进一步简化了系统设计。通过无缝协作,作为运动控制构建块开箱即用,这些设备可以随着自动化需求的变化而快速组合和重新组合。
使用共享通用控制协议和 API 的集成控制器设备,可以更快、更轻松地构建需要协调多轴运动与照明、图像采集和处理的系统。最大限度地减少定制应用程序开发所需的库数量可以产生更小、更高效的应用程序,这些应用程序更易于维护,更适合在资源有限的嵌入式系统上运行。共享公共控制协议的设备也可以支持菊花链配置。菊花链允许通过来自主机的单根电缆为多个设备供电和控制,从而简化布线并降低成本。单线连接还节省了空间并释放了嵌入式系统中经常受限的端口或 IO 引脚。
集成设备的另一个优点是它们的统一设计允许简化、易于使用的文档。解决单个综合部件出现的意外问题比解决多个独立组件之间的潜在冲突要容易得多。
运动控制是自动化生产和检测系统的基本要素。了解运动控制设备的关键规格可以帮助您优化设计,以从视觉系统和视觉系统预算中获得最大收益。选择正确的运动控制设备可以帮助您以更低的成本快速设计、构建和交付具有更快周期时间、更高吞吐量和更高可靠性的系统。
2022年4月15日 09:21
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