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）

基于多軸運動的液晶面板檢測的安全控制設(shè)計*

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）

針對液晶面板檢測的多軸運動過程，進行了系統(tǒng)防碰撞安全控制技術(shù)研究。首先分析了檢測過程多軸運動模式，設(shè)計了系統(tǒng)運動控制流程；然后應(yīng)用坐標(biāo)變換理論，將多軸運動控制映射到設(shè)備統(tǒng)一參考坐標(biāo)系中；結(jié)合檢測過程自動、手動與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偵測的運動安全綜合控制方法，并集成開發(fā)了液晶面板檢測多軸運動控制系統(tǒng)；最后依據(jù)檢測工藝進行了三種工況模式下的多軸運動測試，驗證了系統(tǒng)防碰撞安全控制技術(shù)的可行性。

液晶面板；運動安全控制；位置預(yù)判；干涉區(qū)域偵測

0 引言

設(shè)備安全作為設(shè)備開發(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、設(shè)計機構(gòu)限位自鎖和電氣互鎖［5］、定期檢查和維護等措施提高設(shè)備的安全性，但未能有效解決設(shè)備運行過程中的運動干涉問題，尤其缺乏針對多軸運動防碰撞安全控制的方法與技術(shù)［6-8］。

液晶面板檢測設(shè)備運動軸數(shù)多、組合形成的空間運動干涉工況條件復(fù)雜，如不加以有效預(yù)防和實時偵測控制，容易導(dǎo)致液晶面板與工業(yè)相機損壞，甚至是設(shè)備傳動鏈機構(gòu)與裝置損壞現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程安全與檢測效率。故本文針對液晶面板檢測設(shè)備，研究一種基于多軸運動防碰撞的安全控制方法。

1 檢測過程多軸運動模式分析

液晶面板檢測設(shè)備運動軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其檢測工藝過程主要包括以下三個部分：

（1）面板定位。主要完成面板檢測前和檢測結(jié)束后的定位。

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

（3）面板檢測。由四對相機模組（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。

檢測過程涉及軸系的三種不同運動控制模式：

（1）自動模式。各軸以預(yù)定速度，按照預(yù)定的工藝路徑，最多8軸聯(lián)動到預(yù)定的目標(biāo)位置完成整個檢測；因處于同一平面運動的運動軸數(shù)多、相對位置緊湊、速度快（各軸基本運動參數(shù)指標(biāo)如表1所示），故需對程序中各軸行程與速度參數(shù)進行安全計算判定。

（2）手動模式。根據(jù)操作者選定的運動軸，以手搖脈沖發(fā)生器控制軸的運動速度與行程；因所選軸運動速度和目標(biāo)位置無法預(yù)先確定，故需實時偵測所選軸運動矢量方向上的干涉區(qū)域，并配合軟極限的動態(tài)調(diào)整［9］進行安全控制。

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

圖1 液晶面板檢測設(shè)備運動軸系結(jié)構(gòu)示意圖

表1 運動軸的基本技術(shù)參數(shù)

2 軸系運動安全控制設(shè)計

2.1 安全控制流程

基于檢測過程多軸運動模式分析，設(shè)計了如圖2所示的系統(tǒng)運動控制流程。

2.2 運動軸干涉對象分析

結(jié)合圖1，與X1平行軸運動干涉的對象可為：除X2平行軸、X2垂直軸和X1垂直軸之外的其他所有軸。因整個軸系為對稱結(jié)構(gòu)，故用一半模型進行簡化，只分析X1平行軸、Y1垂直軸、Y1平行軸和吸盤Z軸，分別標(biāo)記為X1、X2、Y1、Z1，設(shè)其原點坐標(biāo)分別為OX1，OX2，OY1，OZ1。考慮運動軸移動面的長度，其中 X1、X2、Y1、Z1軸的正向極限偏移量分別為LP-X1、LP-X2、 LP-Y1、LP-Z1，X1、X2、Y1、Z1軸負(fù)向極限偏移量分別為LN-X1、LN-X2、LN-Y1、LN-Z1，則：

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

同理可計算得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三個方向的坐標(biāo)分量。

圖2 系統(tǒng)運動控制流程

2.3 多軸運動參考坐標(biāo)系映射計算

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

設(shè)某個運動軸原點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)該軸相對自身動坐標(biāo)系在X、Y、Z方向分別移動d x、d y、d z后，當(dāng)前坐標(biāo)原點在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矩陣可以通過式（1）計算得到。

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 自動安全控制設(shè)計

圖3 自動安全控制流程

自動模式下軸系運動安全控制流程如圖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)判算法來滿足軸系的運動安全控制。即在軸移動前，根據(jù)目標(biāo)位置和安全區(qū)域進行干涉計算，若干涉則直接清除運動緩沖區(qū)并停止所有運動；若不干涉則正常執(zhí)行后續(xù)運動指令。

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方向上同時滿足（2）式，則出現(xiàn)干涉并報警，否則仍處于安全區(qū)域內(nèi)。

而當(dāng)X1、X2、Y1和Z1軸同時聯(lián)動到目標(biāo)位置時，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 手動安全控制設(shè)計

當(dāng)選擇手動模式時，所選軸在給定的速度倍率下以手輪搖動的速度運動，根據(jù)手輪控制的特點，提出平面干涉區(qū)域偵測法。首先將整個吸盤架的空間位置投影到檢測平臺所在的平面上，然后由平面坐標(biāo)位置實時判斷投影區(qū)域與4對模組軸是否有干涉。以Z軸的位置作為判斷條件，可進一步區(qū)分為兩種模型。

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

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

圖4 投影區(qū)域與干涉區(qū)域計算

手動模式下，需通過實時偵測所選軸運動矢量方向上的干涉區(qū)域算法來滿足所選軸的運動安全控制。

當(dāng)手輪移動X1平行軸時，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Lmax-X1，Y1軸的最大行程位置為Lmax-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時的干涉區(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)行手動模式。

圖5 手動安全控制流程

2.6 MDI安全控制設(shè)計

MDI模式應(yīng)用在設(shè)備調(diào)試過程中，當(dāng)軸以同一減速度在不同速度下運行時，所需的減速時間不同。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)前實際速度為Vc，則速度因子的計算如下：

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算如下：

實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)間同時滿足時，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?？刂破鞲鶕?jù)其安全關(guān)系，實時偵測各軸干涉狀態(tài)，若X1軸的XY、XZ、YZ中的任一區(qū)域不安全時，控制器即停止當(dāng)前運動程序，并由交互界面提示報警信息，從而防止干涉與碰撞。

3 原型系統(tǒng)開發(fā)驗證

應(yīng)用上述基于位置預(yù)判和干涉區(qū)域?qū)崟r偵測算法，集成開發(fā)了的液晶面板檢測多軸運動安全控制系統(tǒng)，選用Trio多軸運動控制器MC464通過配置RTEX總線模塊，掛接12個松下的網(wǎng)絡(luò)型伺服驅(qū)動器和帶有17位絕對式編碼器的松下伺服電機，原型機如圖6。

圖6 原型系統(tǒng)開發(fā)驗證

3.1 運動安全下的精度測量

各相機模組運動軸以其極限速度運動，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運動軸定位精度與重復(fù)定位精度均在0.01mm內(nèi)（如圖7所示）。

3.2 工況模式下多軸運動安全控制測試

依據(jù)檢測工藝中三種工況模式，分別測試了設(shè)備多軸運動過程中的防碰撞安全控制功能。

（1）自動模式下，軸按照預(yù)定的速度和位置執(zhí)行自動檢測流程。在運動過程中均實現(xiàn)了行程檢查和位置預(yù)判，有效解決了自動檢測運動中的干涉問題。

（2）手動模式下，當(dāng)Z軸在安全位的情況下，手輪移動四對模組中的某軸；Z軸不在安全位時，手輪搖動橫梁Y軸、雙驅(qū)軸、Z軸和四組模組相機軸。各軸移動過程中均實現(xiàn)了干涉的實時偵測與預(yù)警，有效避免了運動軸的干涉碰撞現(xiàn)象發(fā)生。

（3）MDI模式下，不同運動軸分別以最大極限速度和最小極限速度運動極限行程的距離。在運動過程中各軸均能根據(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)試中的運動干涉問題。

圖7 Y1垂直軸運動定位精度檢測

4 結(jié)論

本文以液晶面板檢測多軸運動控制為基礎(chǔ)，分別針對自動、手動和MDI運動控制提出了相應(yīng)的安全控制策略，并建立了安全算法模型，集成開發(fā)了液晶面板檢測多軸運動控制系統(tǒng)原型。依據(jù)檢測工藝進行了三種工況模式下的多軸運動測試，在滿足設(shè)備運動控制精度與速度指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，進一步驗證了系統(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

四川省科技支撐計劃重點項目資助（2014GZ0016）

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