目前常見的運動平臺

基于機器視覺的精密對位系統結構復雜，集成了精密機械技術、光學系統/圖像處理技術/智能控制技術等多項技術。精密機械工作平臺是精密機械技術的重要組成部分，也是精密對位系統中的關鍵子系統，它對組裝對位設備完成精確的器件對位起著至關重要的作用。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是獨立的轉動軸,可以旋轉大角度，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。隨著平板顯示技術迅猛發展，平板展示產品對其加工設備精度的要求也不斷提高，XYθ平臺逐步被精密對位應用場合所淘汰。

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，一般應用在玻璃切割，線陣CCD掃描的場合，所以不適合應用于精密對位系統中。

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。它的出現用來取代某型傳統的XYθ的應用。不同于傳統疊加型的XYθ的結構，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中的工作平臺，憑借著結構簡單、運動靈活、控制較方便、定位精度高等總舵優點，在平板顯示行業眾多加工設備中得到了廣泛的應用。

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？當平臺臺面達到1500mm時候，還是使用XXY來做對位的話，會產生什么問題呢？

條件1：當X1和X2激磁不動作

條件2：浮立軸預壓正常，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推動的力量和機構間存在的微小間隙，可能會導致整個臺面的移動不正確，產生誤角度出現，出現定位失準現象。

條件1：當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，也有本身存在的優缺點：

優點：

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 平臺最好的穩定狀態。

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，有可能會造成結構上的順壞。

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XYθ的結構少了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-平臺經由精密研磨加工，每個機構環節皆經過嚴密測試及結構上的調校。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-在每個環節，包括組成平臺的機件、馬達驅動器、線軌螺桿等等，皆是經過長時間累績經驗，反復修正，用最佳加工方法和高穩定度的零組件，達到平臺最穩定的狀態。

動作簡介

對位平臺的傳動設計分析

要實現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；采用壓電元件驅動，以柔性鉸鏈為彈性導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，同時絲杠螺母機構可以做到微米級以下精度，經濟成本不高。

平臺數學模型

如果是UVW平臺，設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，絲杠的導程Pitch為5mm，那這樣U軸的最小位移量Umin可以達到0.5um;將設當UR=100mm時平臺可以旋轉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，則旋轉的細分角度θmin就是電機自身能旋轉的最小角度，當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。

通過以上分析對平臺機構的分析和計算，UVW平臺在許多方面要優于其他的平臺。

XYθ平臺一般類型為直驅型和直線驅動型

(1)直驅型

直驅型由于采用馬達直接驅動旋轉平臺，所以旋轉角度和馬達的分辨率有關：

假如：

我們采用的電機驅動器分辨率為：10000P/R即電機旋轉1圈需要10000個脈沖，而傳動比為90:1，即電機轉動90圈，平臺才轉動1圈，即旋轉平臺轉動1圈需要90*10000 = 900000個脈沖，那么對于旋轉平臺來說，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軸器連接旋轉平臺，那么傳動比則為1:1，即電機轉動1圈，旋轉平臺即轉動1圈，如上例所示，則旋轉平臺每個脈沖移動的角度為2π/10000。

(2)直線驅動型

                                                                                                                 直線驅動型旋轉平臺

直線驅動型為采用絲桿帶動連桿，使平臺進行旋轉運動。

根據數學公式：

角度（θ）=弧長（L）/半徑（R）即可算出這種類型的分辨率

假設旋轉軸電機可以的分辨率為10000個脈沖一圈，絲杠的導程Pitch為5mm，那這樣旋轉軸的最小位移量Umin可以達到0.5um;將旋轉半徑R(即上圖中的L):R=100mm時平臺可以旋轉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，旋轉平臺轉動0.0003度。

自動對位系統概要

對位系統包的基本概念 （1）

對位系統包是指，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->平臺坐標轉換的復雜運算。若是檢測Mark點變化后，只需執行自動調整，就可以簡單恢復到模板的位置，從而保證對位精度。若是產品變換，導致Mark點變換后，只需要重新對新的Mark點進行模板學習，即可完成對位操作。使得產品品種變更后實現自動對位也變得十分簡單。

對位系統包的基本概念（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系，統一大坐標系。

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。

對位系統包的基本概念（3）

自動對位

根據之前的自標定，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，那么可以進行重復操作直到完成對位。

 XYθ視覺對位平臺的系統原理

XYθ視覺對位平臺的系統原理圖

在本系統中，采用雙CCD進行待測物靶標的讀取，通過圖像處理系統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，進而完成對位調整。

視覺對位流程

對位完成前后,CCD抓取mark點坐標圖示: