目前常见的运动平台

基于机器视觉的精密对位系统结构复杂，集成了精密机械技术、光学系统/图像处理技术/智能控制技术等多项技术。精密机械工作平台是精密机械技术的重要组成部分，也是精密对位系统中的关键子系统，它对组装对位设备完成精确的器件对位起着至关重要的作用。目前常见的对位运动平台如下图所示：

1、 XYθ工作平台

如上图所示，XYθ工作平台是最为常用的工作平台，θ是独立的转动轴,可以旋转大角度，缺点是平台的叠加性造成了误差的叠加放大，精度不易保证。随着平板显示技术迅猛发展，平板展示产品对其加工设备精度的要求也不断提高，XYθ平台逐步被精密对位应用场合所淘汰。

2、 Xθ+Y工作平台

所谓Xθ+Y工作平台就是工件能够沿X和θ方向运动，Y轴能独立于X和θ轴自由运动，一般应用在玻璃切割，线阵CCD扫描的场合，所以不适合应用于精密对位系统中。

3、 XXY（UVW）工作平台

日本常用名称为”UVW”，而台湾一般称呼为“XXY”，XXY就是两个X方向的轴向，搭配一个Y方向轴向，剩余一轴采用自由轴。它的出现用来取代某型传统的XYθ的应用。不同于传统叠加型的XYθ的结构，整体高度有效降低，增加了机台空间的利用率。

UVW工作平台是一种新型的用于精密对位系统中的工作平台，凭借着结构简单、运动灵活、控制较方便、定位精度高等总舵优点，在平板显示行业众多加工设备中得到了广泛的应用。

4、 XXYY工作平台

因制程不断提升，为了能让超大尺寸的XXY平台也能精准对位，由上图可知，XXYY是把XXY中的自由轴也加上马达，使之称为可主动带动运动轴的轴向，故称作XXYY。

超大平台的未来趋势-XXYY简介

为何要提升至XXYY？当平台台面达到1500mm时候，还是使用XXY来做对位的话，会产生什么问题呢？

条件1：当X1和X2激磁不动作

条件2：浮立轴预压正常，无异常情形

条件3：马达皆正常动作

情形：

X1和X2不动作进行计策，此时进行Y方向移动，因大台面的原因，单Y1推动的力量和机构间存在的微小间隙，可能会导致整个台面的移动不正确，产生误角度出现，出现定位失准现象。

条件1：当X1和X2激磁不动作

条件2：马达皆正常动作

情形：

X1和X2不动作进行计策，此时进行Y方向移动1mm，因大台面的原因，Y1和Y2共同进行运动，让整个台面正确移动，不产生误角度，定位准确。

XXYY解决Y方向失准问题，也有本身存在的优缺点：

优点：

a.相对于三轴，XXYY四轴皆受马达激磁，排除外力或不定因素造成自由轴移位，可实现 平台最好的稳定状态。

b.排除Y方向失准问题，进行准确的移位。

缺点：

a.软件支援少，目前仍以三轴为主流。

b.进行Y方向运动时是不会产生角度的，Y1和Y2皆是单纯的Y方向，在同时动作时， 动作距离如果不精准，再加上模组本身的螺杆和导轨有些间隙问题，在累积两轴的动作 误差后，有可能会造成结构上的顺坏。

c.成本比三轴来得高。

d.增加Y2轴，也增加软件的运算难度，在进行角度运算时，连Y2轴也必需考虑进去。

运算角度时，四轴运算的难度提升

UVW【XXY介绍】平台组成

3个伺服电机控制U轴、V轴、W轴３轴， 能够在任意位置定位的平台。

※中央平台被一个倒T型的支架固定。

 UVW(XXY)平台的特色

Ø 薄-不同于传统XYθ的结构少了DD马达的厚度与成本，整体高度有效降低，进而减轻本身重量，增加机台空间的利用率。

Ø 准-平台经由精密研磨加工，每个机构环节皆经过严密测试及结构上的调校。搭配影像对位软件，整体精度可与客户讨论选择最适合的条件。

Ø 稳-在每个环节，包括组成平台的机件、马达驱动器、线轨螺杆等等，皆是经过长时间累绩经验，反复修正，用最佳加工方法和高稳定度的零组件，达到平台最稳定的状态。

动作简介

对位平台的传动设计分析

要实现微米级的定位要求有许多不同的方式，采用直线电机和气浮导轨可以消除摩擦影像，行程长，但是成本很高，体积大，适用场合受到限制；采用压电元件驱动，以柔性铰链为弹性导轨克服了机械摩擦等因素，可以获得纳米级的定位精度，但压电元件的变形有限，一般运动范围在十几微米。传统的采用伺服电机和精密丝杠传动的方案，尽管存在机械间隙、摩擦力以及爬行现象，但是这些缺陷在一定程度上能予以克服，同时丝杠螺母机构可以做到微米级以下精度，经济成本不高。

平台数学模型

如果是UVW平台，设U轴到平台中心Ot的距离为UR，伺服电机可以的分辨率为10000个脉冲一圈，丝杠的导程Pitch为5mm，那这样U轴的最小位移量Umin可以达到0.5um;将设当UR=100mm时平台可以旋转的细分角度可以达到arctan(0.0005/100)。具体计算如下：

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类型的平台机构，则旋转的细分角度θmin就是电机自身能旋转的最小角度，当伺服电机的分辨率为10000pulse/Rev时，它的细分角度最小为(2π/10000) = 0.036度。从理论上分析，UVW平台的角度细分精度远远大于XYθ类型的平台机构。

通过以上分析对平台机构的分析和计算，UVW平台在许多方面要优于其他的平台。

XYθ平台一般类型为直驱型和直线驱动型

(1)直驱型

直驱型由于采用马达直接驱动旋转平台，所以旋转角度和马达的分辨率有关：

假如：

我们采用的电机驱动器分辨率为：10000P/R即电机旋转1圈需要10000个脉冲，而传动比为90:1，即电机转动90圈，平台才转动1圈，即旋转平台转动1圈需要90*10000 = 900000个脉冲，那么对于旋转平台来说，每个脉冲移动的角度为2π/900000.

若是电机不加减速机，直接通过电机轴和联轴器连接旋转平台，那么传动比则为1:1，即电机转动1圈，旋转平台即转动1圈，如上例所示，则旋转平台每个脉冲移动的角度为2π/10000。

(2)直线驱动型

                                                                                                                 直线驱动型旋转平台

直线驱动型为采用丝杆带动连杆，使平台进行旋转运动。

根据数学公式：

角度（θ）=弧长（L）/半径（R）即可算出这种类型的分辨率

假设旋转轴电机可以的分辨率为10000个脉冲一圈，丝杠的导程Pitch为5mm，那这样旋转轴的最小位移量Umin可以达到0.5um;将旋转半径R(即上图中的L):R=100mm时平台可以旋转的细分角度可以达到arctan(0.0005/100)。具体计算如下：

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

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

此时，这个电机每一个脉冲，旋转平台转动0.0003度。

自动对位系统概要

对位系统包的基本概念 （1）

对位系统包是指，使用2～4颗相机针对目标物（Mark点）的位置，2～4颗相机采集Mark点的信息，算出XYθ移动量。

具有自动调整功能，相机安装时，不需要很麻烦地吻合X、Y坐标以及进行相机->平台坐标转换的复杂运算。若是检测Mark点变化后，只需执行自动调整，就可以简单恢复到模板的位置，从而保证对位精度。若是产品变换，导致Mark点变换后，只需要重新对新的Mark点进行模板学习，即可完成对位操作。使得产品品种变更后实现自动对位也变得十分简单。

对位系统包的基本概念（2）

自标定（Auto Calibration）

如果利用对位控制器，此前使用图像处理装置时不可或缺的校正工序能够自动完成。

（1）自动算出各摄像头的分辨率、视野大小

（2）自动算出相机与平台的角度

（3）自动测得两相机之间的关系，统一大坐标系。

通过移动分别X、Y、θ轴，自动算出相机的分辨率、视野大小，以及对平台进行自标定。

对位系统包的基本概念（3）

自动对位

根据之前的自标定，算出相对于基准位置的对象物mark的坐标即移动Mark的偏移量。然后移动X、Y、θ进行对位。最终完成对位。若是一次没有将当前mark点移动回和基准位置的mark一样的位置，那么可以进行重复操作直到完成对位。

 XYθ视觉对位平台的系统原理

XYθ视觉对位平台的系统原理图

在本系统中，采用双CCD进行待测物靶标的读取，通过图像处理系统与基准靶标进行比较，运用图形识别算法计算平台移动量，通过工控机和运动控制卡控制电机执行运动，达到薄膜上的靶标与基准靶标的对准，进而完成对位调整。

视觉对位流程

对位完成前后,CCD抓取mark点坐标图示: