基于多軸運(yùn)動(dòng)的液晶面板檢測(cè)的安全控制設(shè)計(jì)*

李曉超，陳 珂，張春雷，楊飛飛，唐 鑫

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

基于多軸運(yùn)動(dòng)的液晶面板檢測(cè)的安全控制設(shè)計(jì)*

李曉超，陳 珂，張春雷，楊飛飛，唐 鑫

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

針對(duì)液晶面板檢測(cè)的多軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)行了系統(tǒng)防碰撞安全控制技術(shù)研究。首先分析了檢測(cè)過(guò)程多軸運(yùn)動(dòng)模式，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制流程；然后應(yīng)用坐標(biāo)變換理論，將多軸運(yùn)動(dòng)控制映射到設(shè)備統(tǒng)一參考坐標(biāo)系中；結(jié)合檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)、手動(dòng)與MDI工況下的模式差異分析，提出了基于位置預(yù)判和干涉區(qū)域?qū)崟r(shí)偵測(cè)的運(yùn)動(dòng)安全綜合控制方法，并集成開(kāi)發(fā)了液晶面板檢測(cè)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；最后依據(jù)檢測(cè)工藝進(jìn)行了三種工況模式下的多軸運(yùn)動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)防碰撞安全控制技術(shù)的可行性。

液晶面板；運(yùn)動(dòng)安全控制；位置預(yù)判；干涉區(qū)域偵測(cè)

0 引言

設(shè)備安全作為設(shè)備開(kāi)發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，其重要性日益突顯［1-3］。目前大都通過(guò)制定設(shè)備安全管理制度和安全操作流程［4］、張貼安全警示標(biāo)識(shí)、設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)限位自鎖和電氣互鎖［5］、定期檢查和維護(hù)等措施提高設(shè)備的安全性，但未能有效解決設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題，尤其缺乏針對(duì)多軸運(yùn)動(dòng)防碰撞安全控制的方法與技術(shù)［6-8］。

液晶面板檢測(cè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)軸數(shù)多、組合形成的空間運(yùn)動(dòng)干涉工況條件復(fù)雜，如不加以有效預(yù)防和實(shí)時(shí)偵測(cè)控制，容易導(dǎo)致液晶面板與工業(yè)相機(jī)損壞，甚至是設(shè)備傳動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)與裝置損壞現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程安全與檢測(cè)效率。故本文針對(duì)液晶面板檢測(cè)設(shè)備，研究一種基于多軸運(yùn)動(dòng)防碰撞的安全控制方法。

1 檢測(cè)過(guò)程多軸運(yùn)動(dòng)模式分析

液晶面板檢測(cè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其檢測(cè)工藝過(guò)程主要包括以下三個(gè)部分：

（1）面板定位。主要完成面板檢測(cè)前和檢測(cè)結(jié)束后的定位。

（2）面板移運(yùn)。由氣路系統(tǒng)完成面板的拾取與釋放動(dòng)作，再經(jīng)雙驅(qū)X軸、橫梁Y軸和吸盤(pán)Z軸，實(shí)現(xiàn)面板的移運(yùn)。

（3）面板檢測(cè)。由四對(duì)相機(jī)模組（X1平行、X1垂直、Y1平行、Y1垂直、X2平行、X2垂直、Y2平行、Y2垂直）完成面板尺寸、切角、直線度和邊緣粗糙度的檢測(cè)。

檢測(cè)過(guò)程涉及軸系的三種不同運(yùn)動(dòng)控制模式：

（1）自動(dòng)模式。各軸以預(yù)定速度，按照預(yù)定的工藝路徑，最多8軸聯(lián)動(dòng)到預(yù)定的目標(biāo)位置完成整個(gè)檢測(cè)；因處于同一平面運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)多、相對(duì)位置緊湊、速度快（各軸基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)指標(biāo)如表1所示），故需對(duì)程序中各軸行程與速度參數(shù)進(jìn)行安全計(jì)算判定。

（2）手動(dòng)模式。根據(jù)操作者選定的運(yùn)動(dòng)軸，以手搖脈沖發(fā)生器控制軸的運(yùn)動(dòng)速度與行程；因所選軸運(yùn)動(dòng)速度和目標(biāo)位置無(wú)法預(yù)先確定，故需實(shí)時(shí)偵測(cè)所選軸運(yùn)動(dòng)矢量方向上的干涉區(qū)域，并配合軟極限的動(dòng)態(tài)調(diào)整［9］進(jìn)行安全控制。

（3）MDI模式。運(yùn)動(dòng)軸以調(diào)試程序設(shè)置的速度，完成相關(guān)運(yùn)動(dòng)軸的控制調(diào)試；為使各運(yùn)動(dòng)軸能精確保障安全控制間距的實(shí)現(xiàn)，需根據(jù)軸速和間距設(shè)置進(jìn)行安全極限位置的計(jì)算和控制。

圖1 液晶面板檢測(cè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)軸系結(jié)構(gòu)示意圖

表1 運(yùn)動(dòng)軸的基本技術(shù)參數(shù)

2 軸系運(yùn)動(dòng)安全控制設(shè)計(jì)

2.1 安全控制流程

基于檢測(cè)過(guò)程多軸運(yùn)動(dòng)模式分析，設(shè)計(jì)了如圖2所示的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制流程。

2.2 運(yùn)動(dòng)軸干涉對(duì)象分析

結(jié)合圖1，與X1平行軸運(yùn)動(dòng)干涉的對(duì)象可為：除X2平行軸、X2垂直軸和X1垂直軸之外的其他所有軸。因整個(gè)軸系為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故用一半模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只分析X1平行軸、Y1垂直軸、Y1平行軸和吸盤(pán)Z軸，分別標(biāo)記為X1、X2、Y1、Z1，設(shè)其原點(diǎn)坐標(biāo)分別為OX1，OX2，OY1，OZ1?？紤]運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng)面的長(zhǎng)度，其中 X1、X2、Y1、Z1軸的正向極限偏移量分別為L(zhǎng)P-X1、LP-X2、 LP-Y1、LP-Z1，X1、X2、Y1、Z1軸負(fù)向極限偏移量分別為L(zhǎng)N-X1、LN-X2、LN-Y1、LN-Z1，則：

X1軸原點(diǎn)正向極限偏移后的坐標(biāo)為OPX1=OX1+ LP-X1，X1軸原點(diǎn)負(fù)向極限偏移后的坐標(biāo)為ONX1=OX1-LN-X1。

同理可計(jì)算得X2、Y1、Z1軸的正向和負(fù)向極限偏移后的坐標(biāo)OPX2，ONX2，OPY1，ONY1，OPZ1，ONZ1。X1、X2、Y1、Z1軸在X、Y、Z三個(gè)方向的坐標(biāo)分量依次記作MPOS（X-X1），MPOS（Y-X1），MPOS（Z-X1）。同樣的方法標(biāo)記X2、Y1、Z1軸在X、Y、Z三個(gè)方向的坐標(biāo)分量。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制流程

2.3 多軸運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系映射計(jì)算

為了運(yùn)動(dòng)安全控制的統(tǒng)一建模和計(jì)算分析，應(yīng)用坐標(biāo)變換理論［10］，將多軸運(yùn)動(dòng)控制映射到同一個(gè)設(shè)備參考坐標(biāo)系中。以工作臺(tái)面中心（主軸回轉(zhuǎn)中心）作為參考系的原點(diǎn)，工作臺(tái)面（垂直于主軸平面）作為XY平面，垂直工作臺(tái)面向上（主軸方向）為Z軸，建立起多軸運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系。

設(shè)某個(gè)運(yùn)動(dòng)軸原點(diǎn)在參考系中的位置坐標(biāo)為P（Px，Py，Pz），X方向的姿態(tài)坐標(biāo)（nx，ny，nz），Y方向的姿態(tài)坐標(biāo)（ox，oy，oz），Z方向的姿態(tài)坐標(biāo)（ax，ay，az）。當(dāng)該軸相對(duì)自身動(dòng)坐標(biāo)系在X、Y、Z方向分別移動(dòng)d x、d y、d z后，當(dāng)前坐標(biāo)原點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矩陣可以通過(guò)式（1）計(jì)算得到。

結(jié)合圖1，依次選取 X1、X2、Y1、Z1軸的OPX1、OPX2、OPY1、ONZ1坐標(biāo)作為坐標(biāo)P，并結(jié)合各軸的姿態(tài)坐標(biāo)，代入上述公式，計(jì)算得X1、X2、Y1、Z1軸當(dāng)前位置在參考坐標(biāo)中的坐標(biāo)依次為MPOS（X1）、MPOS（X2）、MPOS（Y1）、MPOS（Z1）。

2.4 自動(dòng)安全控制設(shè)計(jì)

圖3 自動(dòng)安全控制流程

自動(dòng)模式下軸系運(yùn)動(dòng)安全控制流程如圖3所示，依據(jù)數(shù)控程序中各軸速度和目標(biāo)位置，基于位置預(yù)判算法來(lái)滿足軸系的運(yùn)動(dòng)安全控制。即在軸移動(dòng)前，根據(jù)目標(biāo)位置和安全區(qū)域進(jìn)行干涉計(jì)算，若干涉則直接清除運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)并停止所有運(yùn)動(dòng)；若不干涉則正常執(zhí)行后續(xù)運(yùn)動(dòng)指令。

假設(shè)坐標(biāo)變換后，X1軸的目標(biāo)位置為MXT-X1，X2軸、Y1軸、Z1軸停留在當(dāng)前位置，X方向要求的安全距離為dX-X1，Y方向要求的安全距離為dY-X1，Z方向要求的安全距離為dZ-X1。

若X、Y、Z方向上同時(shí)滿足（2）式，則出現(xiàn)干涉并報(bào)警，否則仍處于安全區(qū)域內(nèi)。

而當(dāng)X1、X2、Y1和Z1軸同時(shí)聯(lián)動(dòng)到目標(biāo)位置時(shí)，只要用X2、Y1和Z1軸的目標(biāo)位置替換上述不等式中的MPOS（X-X2），MPOS（Y-Y1），MPOS（Z-Z1）即可。

2.5 手動(dòng)安全控制設(shè)計(jì)

當(dāng)選擇手動(dòng)模式時(shí)，所選軸在給定的速度倍率下以手輪搖動(dòng)的速度運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手輪控制的特點(diǎn)，提出平面干涉區(qū)域偵測(cè)法。首先將整個(gè)吸盤(pán)架的空間位置投影到檢測(cè)平臺(tái)所在的平面上，然后由平面坐標(biāo)位置實(shí)時(shí)判斷投影區(qū)域與4對(duì)模組軸是否有干涉。以Z軸的位置作為判斷條件，可進(jìn)一步區(qū)分為兩種模型。

（1）若Z軸在安全區(qū)間內(nèi)（相機(jī)模組平面以上），整個(gè)可能的干涉區(qū)域如圖4所示的干涉區(qū)域1、2、3和4。此時(shí)只需判斷相鄰相機(jī)模組之間的位置。

（2）若Z軸在安全區(qū)間外（相機(jī)模組平面以下），整個(gè)可能的干涉區(qū)域如圖4所示的投影區(qū)域和4個(gè)角的干涉區(qū)域。此時(shí)需判斷投影區(qū)域的外邊界坐標(biāo)與相機(jī)模組間的位置。

圖4 投影區(qū)域與干涉區(qū)域計(jì)算

手動(dòng)模式下，需通過(guò)實(shí)時(shí)偵測(cè)所選軸運(yùn)動(dòng)矢量方向上的干涉區(qū)域算法來(lái)滿足所選軸的運(yùn)動(dòng)安全控制。

當(dāng)手輪移動(dòng)X1平行軸時(shí)，X1垂直軸的當(dāng)前位置為MPOSY-X1⊥，橫梁Y軸的當(dāng)前位置為MPOSY-HLY，平行軸Y1當(dāng)前的位置為MPOSY-Y1，垂直軸Y1的當(dāng)前位置為MPOSX-Y1⊥，X1軸的最大行程位置為L(zhǎng)max-X1，Y1軸的最大行程位置為L(zhǎng)max-Y1，干涉區(qū)域2的左右和上下干涉區(qū)間為S2-LR、S2-UD。

若Z軸在安全區(qū)間外，且

則X1軸在整個(gè)行程范圍內(nèi)均干涉。

若Z軸在安全區(qū)間內(nèi)或式（3）不滿足，且

則干涉區(qū)域2表示為

同理可確定其他軸移動(dòng)時(shí)的干涉區(qū)域。干涉區(qū)域確定后就可以根據(jù)圖5所示的控制流程安全地執(zhí)行手動(dòng)模式。

圖5 手動(dòng)安全控制流程

2.6 MDI安全控制設(shè)計(jì)

MDI模式應(yīng)用在設(shè)備調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)軸以同一減速度在不同速度下運(yùn)行時(shí)，所需的減速時(shí)間不同。故引入速度因子Qv，設(shè)安全參考速度（正常工作速度）為Vs，當(dāng)前實(shí)際速度為Vc，則速度因子的計(jì)算如下：

若某軸設(shè)定的減速度為a，安全偏移量為dm，干涉偏移量為din，則其預(yù)定的安全減速偏移量計(jì)算如下：

實(shí)際的安全減速偏移量dj為：

干涉的偏移量din為：

結(jié)合圖1，假定X2軸X向的安全偏移量為dX-X2，預(yù)定的安全減速偏移量為lX-X2，速度因子為Qv-x2；Y1軸Y向的安全偏移量為dY-Y1，預(yù)定的安全減速偏移量為lY-Y1，速度因子為Qv-Y1，X1軸導(dǎo)軌的Y向最大偏移量dY-X1；Z1軸Z向的安全偏移量為dZ-Z1，預(yù)定的安全減速偏移量為lZ-Z1，速度因子為Qv-Z1，X1軸導(dǎo)軌的Z向最大偏移量dZ-X1，則

（1）X2軸X向的安全。X1與X2軸之間的安全區(qū)間滿足下式。

（2）Y1軸Y向的安全。X1與Y1軸之間的安全區(qū)間滿足下式。

（3）Z1軸Z向的安全。X1與Z1軸之間的安全區(qū)間滿足下式。

當(dāng)X1與X2、Y1軸的安全區(qū)間同時(shí)滿足時(shí)，即可確定X1軸的XY的安全區(qū)域。同理可得X1軸的XZ、YZ的安全區(qū)域。控制器根據(jù)其安全關(guān)系，實(shí)時(shí)偵測(cè)各軸干涉狀態(tài)，若X1軸的XY、XZ、YZ中的任一區(qū)域不安全時(shí)，控制器即停止當(dāng)前運(yùn)動(dòng)程序，并由交互界面提示報(bào)警信息，從而防止干涉與碰撞。

3 原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證

應(yīng)用上述基于位置預(yù)判和干涉區(qū)域?qū)崟r(shí)偵測(cè)算法，集成開(kāi)發(fā)了的液晶面板檢測(cè)多軸運(yùn)動(dòng)安全控制系統(tǒng)，選用Trio多軸運(yùn)動(dòng)控制器MC464通過(guò)配置RTEX總線模塊，掛接12個(gè)松下的網(wǎng)絡(luò)型伺服驅(qū)動(dòng)器和帶有17位絕對(duì)式編碼器的松下伺服電機(jī)，原型機(jī)如圖6。

圖6 原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證

3.1 運(yùn)動(dòng)安全下的精度測(cè)量

各相機(jī)模組運(yùn)動(dòng)軸以其極限速度運(yùn)動(dòng)，未發(fā)生干涉碰撞現(xiàn)象，應(yīng)用雷尼紹激光雙頻干涉儀檢測(cè)運(yùn)動(dòng)軸定位精度與重復(fù)定位精度均在0.01mm內(nèi)（如圖7所示）。

3.2 工況模式下多軸運(yùn)動(dòng)安全控制測(cè)試

依據(jù)檢測(cè)工藝中三種工況模式，分別測(cè)試了設(shè)備多軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的防碰撞安全控制功能。

（1）自動(dòng)模式下，軸按照預(yù)定的速度和位置執(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)流程。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中均實(shí)現(xiàn)了行程檢查和位置預(yù)判，有效解決了自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)中的干涉問(wèn)題。

（2）手動(dòng)模式下，當(dāng)Z軸在安全位的情況下，手輪移動(dòng)四對(duì)模組中的某軸；Z軸不在安全位時(shí)，手輪搖動(dòng)橫梁Y軸、雙驅(qū)軸、Z軸和四組模組相機(jī)軸。各軸移動(dòng)過(guò)程中均實(shí)現(xiàn)了干涉的實(shí)時(shí)偵測(cè)與預(yù)警，有效避免了運(yùn)動(dòng)軸的干涉碰撞現(xiàn)象發(fā)生。

（3）MDI模式下，不同運(yùn)動(dòng)軸分別以最大極限速度和最小極限速度運(yùn)動(dòng)極限行程的距離。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各軸均能根據(jù)當(dāng)前速度確定安全區(qū)域并完成安全判定，有效解決了程序調(diào)試中的運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題。

圖7 Y1垂直軸運(yùn)動(dòng)定位精度檢測(cè)

4 結(jié)論

本文以液晶面板檢測(cè)多軸運(yùn)動(dòng)控制為基礎(chǔ)，分別針對(duì)自動(dòng)、手動(dòng)和MDI運(yùn)動(dòng)控制提出了相應(yīng)的安全控制策略，并建立了安全算法模型，集成開(kāi)發(fā)了液晶面板檢測(cè)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原型。依據(jù)檢測(cè)工藝進(jìn)行了三種工況模式下的多軸運(yùn)動(dòng)測(cè)試，在滿足設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制精度與速度指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)防碰撞安全控制技術(shù)的可行性。

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（編輯 李秀敏）

The Design of Safety Control of LCD Panel Detection Based on Multi-axis Motion

LI Xiao-chao，CHEN Ke，ZHANG Chun-lei，Yang Fei-fei，TANG Xin
（College of Manufacturing Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Aimed at the multi-axis motion process of LCD panel detection，the research on the safety control technology of the systematic anti-collision was done.Firstly，multi-axis motion mode was analyzed in the detection.Motion control flow of the system was designed.Secondly，by means of coordinate transformation theory，multi-axis motion control was mapped to its unified reference coordinate of the equipment.According to the analysis of different conditions of auto，manual and MDI mode in the detection，it was put forward that the integrated control method of motion safety based on prejudging of position and real-time detecting of interference region.Meanwhile，multi-axis motion control system of LCD panel detection was also integrally developed.Finally，according to detecting requirements，multi-axis motion testing of three conditional modes was carried out.The feasibility of the safety control technology of the systematic anti-collision was proved.

LCD panel；motion safety control；prejudging of position；detecting of interference region

TH165；TG659

A

1001-2265（2015）03-0097-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.026

2014-07-03

四川省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目資助（2014GZ0016）

李蹺超（1988—），男，陜西寶雞人，四川大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)及工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化，（E-mail）lxc.1988.ok@163.com。