高精度硬件比较输出在视觉飞拍上的应用

摘要：

本文主要阐述了正运动技术控制器在视觉飞拍上的应用，采用高性能ZMC432控制器和基于FPGA的硬件比较输出、精准输出功能，实现运动控制+视觉飞拍，符合自动化行业对机械运动的高速高精发展需求。

关键字：硬件比较输出、精准输出、视觉飞拍

一、运动控制+视觉系统

1.运动控制系统

主要由ZMC运动控制器、伺服驱动和电机、丝杆（或者驱动器、直线电机和光栅尺）等组成。通过ZMC运动控制器发脉冲或者EtherCAT总线方式发送命令控制器驱动器实现运动控制；通过编码器或者光栅尺的反馈位置MPOS，进行位置比较输出IO信号，从而实现相机的拍照。

2.视觉系统

主要由相机、镜头、光源、光源控制盒、视觉处理系统等组成。根据运动速度的快慢不同，对相机响应时间、曝光时间以及镜头光圈、像素和光源等都有一定的要求。

二、定拍与飞拍

定拍：

传统的视觉定位采取定拍的方式，即工件按照既定的轨迹运动，当运行到拍照点时，运动轴速度减为0停下来进行拍照、图像采集、运算处理、纠偏，待视觉系统处理完成后，继续完成接下来的轨迹运动，v-t图如下所示

飞拍：

针对传统的视觉定拍，生产效率不够高的问题，在一些应用场合，越来越多的使用视觉飞拍来完成视觉拍照功能。即机构按照既定的轨迹运动，当运行到拍照点时，运动轴不停下来，瞬间完成飞行抓拍的功能。整个过程中移动机构不停止，从而节省机构运行时间，满足效率，并且能保证运行精度。

1.在精度保证的同时，可以不减速（v-t图如下）。

2.在精度不足的情况下，可以略微降速,分段运行，但速度不降为0（v-t图如下）。

三、正运动控制器的实现方式

1.定拍

普通IO输出即可实现

机器视觉系统中使用定拍的方式，会增加轴运动的启停次数，相应增加整个工艺的Cycle time，生产效率不高，并且频繁的轴运动启停会带来机台的振动，在某些高速高精的场合甚至会影响制造精度。

2.飞拍

需要支持硬件比较输出或者精准输出功能的控制器。

当运行到预定的拍照点时，运动轴不停下来，采用运动控制器的精准输出或者硬件比较输出功能，瞬间完成飞行抓拍的功能。并在运动过程中，根据视觉抓拍采集的产品像素位置变化，计算出机械坐标偏移量，将偏移量发送给运动控制器,及时修正处理，完整飞拍功能。

轴运动时触发IO拍照的实时性和图像获取、处理速度是整个飞拍过程中精度的保证。正运动Zmotion运动控制器基于FPGA的硬件比较输出，从驱动器到达拍照位置，到相机完成触发，整个精度可以控制在：脉冲输出方式的最小误差1个脉冲，总线控制方式的最小误差1us以内。

当电机带编码器或者光栅尺反馈时，硬件比较输出功能自动使用反馈位置MPOS来进行触发，当不带反馈时，此功能自动使用发送位置DPOS的比较触发；根据不同的驱动器差异性效果，也可以使用MOVEOP_DELAY参数来调整IO输出的准确时刻。多种实现和调整方式，极大确保了运动控制器在高速高精场合视觉飞拍时的精度

四.硬件位置比较输出的相关指令

1.Basic编程指令相关

1）HW_PSWITCH -- 硬件位置比较输出

HW_PSWITCH(mode, direction, reserve, tablestart, tableend)

参数：mode     1-启动比较器, 2- 停止并删除没完成的比较点.

Direction  0-坐标负向,1- 坐标正向,2-不判断方向

Reserve   预留

Tablestart 第一个比较点坐标所在TABLE编号

Tableend   最后一个比较点坐标所在TABLE编号

2）HW_PSWITCH2 -- 总线硬件位置比较输出

HW_PSWITCH2(1,opnum,opstate,tablestart,tableend[,direction])

参数：mode        1-启动比较器

            Opnum       对应的输出口

Opstate     第一个比较点的输出状态

Tablestart  第一个比较点绝对坐标所在TABLE编号

Tableend    最后一个比较点绝对坐标所在TABLE编号

Direction   第一个点判断方向,0-坐标负向,1- 坐标正向,-1-不使用方向

3）MOVE_OP –-精准输出

语法一：MOVE_OP ([ionum],value)

参数：ionum    输出编号，0-，没有这个参数时输出0-31

Value    输出状态，多个输出口操作时按位来指明多个口状态

语法二：MOVE_OP (ionum1, ionum2,value[,mask])

参数：ionum1    要操作的第一个输出通道

ionum2    要操作的最后一个输出通道

value     输出状态，多个输出口操作时按位来指明多个口状态

mask      按位来设置值，指定哪些IO需要操作，不填时从第一个通道到最后一个通道都操作

4）MOVEOP_DELAY—缓冲输出延时

MOVEOP_DELAY=timems  参数：timems  毫秒数

设置在BASE主轴上, 当MOVE_OP精准功能使用时, 可以提前或延后实际触发OP操作的时间。

2.PC上位机编程（C,C++,C#,Delphi，VB,.Net,Labview,Python,matlab）的函数库分别对应的指令函数是：

ZAux_Direct_HwPswitch

ZAux_Direct_HwPswitch2

ZAux_Direct_MoveOp

五、总结

机器视觉技术是实现设备精密控制、智能化、自动化、现代化的有效途径和实现计算机集成制造的基础性技术之一。机器视觉既可以替代人工肉眼的检测，又可以识别人工肉眼所看不到的检测范围。随着对生产效益、产能需求的日益增强，高速高精+机器视觉在自动化领域的发展尤为重要。

正运动技术多款运动控制器/运动控制卡可根据系统需求搭配不同PC硬件平台,来实现2m/s的运行速度下最高10um的视觉飞拍精度，降低运行速度最高重复精度1um以内的视觉飞拍精度，在越来越多的行业（比如3C、电子半导体、包装、机器人应用等）被广泛使用。