文/Mike Fussell，Zaber Technologies

運(yùn)動(dòng)控制是許多自動(dòng)化光學(xué)檢測(cè)（AOI）系統(tǒng)和視覺引導(dǎo)的制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工業(yè)相機(jī)及其拍攝目標(biāo)的精確移動(dòng)，對(duì)于快速、高質(zhì)量的生產(chǎn)至關(guān)重要。運(yùn)動(dòng)控制還可以創(chuàng)建更靈活的視覺系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以快速、自動(dòng)地重新配置，以適應(yīng)塑料和包裝等行業(yè)不斷變化的產(chǎn)品組合。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)和推理的視覺系統(tǒng)的性能，也可以通過增加運(yùn)動(dòng)控制來進(jìn)一步提高。確保拍攝目標(biāo)始終位于相機(jī)的視野中，可以消除圖像之間變化的一個(gè)主要根源。這可以減少訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的數(shù)據(jù)集大小，還可以生成能在低功耗嵌入式系統(tǒng)上更快運(yùn)行的更小的網(wǎng)絡(luò)。

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的多樣性，常常會(huì)讓用戶覺得開始使用它們有些不知所措。本文將為機(jī)器視覺領(lǐng)域的專業(yè)人士介紹運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)知識(shí)。文中將介紹幾種常見的運(yùn)動(dòng)控制硬件；它們的關(guān)鍵指標(biāo)；以及如何使用這些指標(biāo)來選擇能夠提高系統(tǒng)性能、可靠性并且成本經(jīng)濟(jì)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備。

運(yùn)動(dòng)類型

圖1：基于平移（a、b、c）和旋轉(zhuǎn)（d、e、f）的六個(gè)運(yùn)動(dòng)維度，以及線性和垂直平移臺(tái)（g、h）和旋轉(zhuǎn)臺(tái)（i）示例。（圖片來源：ZaberTechnologies）

確定視覺系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制要求的第一步，是確定所需要的運(yùn)動(dòng)類型。運(yùn)動(dòng)有六個(gè)自由度，即沿x、y、z軸的平移，線性地推、拉或提升負(fù)載（見圖1中a、b、c），以及圍繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)或傾斜負(fù)載（見圖1中d、e、f）。一般來說，運(yùn)動(dòng)控制組件的設(shè)計(jì)目的，是在單一維度的運(yùn)動(dòng)中提供快速準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)最大限度地減少所有其他維度中不必要的運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備

在目標(biāo)軸上移動(dòng)目標(biāo)對(duì)象需要五個(gè)關(guān)鍵組件：

機(jī)械部件：實(shí)現(xiàn)負(fù)載的安全安裝，并能沿其移動(dòng)軸引導(dǎo)負(fù)載。

電機(jī)：用于產(chǎn)生機(jī)械力以移動(dòng)負(fù)載。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：以精確的定時(shí)為電機(jī)提供正確的電流。

控制器：提供與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接的數(shù)據(jù)接口。

傳感器：用于沿行程軸校準(zhǔn)和測(cè)量定位。

雖然這些組件中的每一個(gè)都可以獨(dú)立采購(gòu)，然后再將它們集成到一起，但是Zaber公司的X系列設(shè)備已經(jīng)將所有這些組件都集成到了一個(gè)定位器中（見圖2）。

圖2：Zaber公司的X-LSM050線性工作臺(tái)，將機(jī)械平臺(tái)、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器都集成到了單個(gè)設(shè)備中。

關(guān)鍵指標(biāo)

將“可用的運(yùn)動(dòng)控制選項(xiàng)的功能”與“視覺系統(tǒng)的要求”相匹配，可以確保系統(tǒng)能夠快速可靠地執(zhí)行預(yù)期任務(wù)，而不會(huì)增加不必要的成本或復(fù)雜性。例如，半導(dǎo)體封裝系統(tǒng)在系統(tǒng)中的不同點(diǎn)，對(duì)精度和重復(fù)性有著不同的要求。它需要納米級(jí)的精度和可重復(fù)性，用于拾取和放置芯片；但可能只需要毫米級(jí)精度的定位，用于將加工完的IC放入傳送帶卷軸中。本節(jié)將介紹用于定義運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備功能的關(guān)鍵指標(biāo)。

當(dāng)從同一方向接近兩個(gè)位置時(shí)，在行程軸上的任意兩個(gè)位置間移動(dòng)時(shí)，精度的誤差可能最大（見圖3）。

圖3：線性平臺(tái)的樣本精度圖。該圖顯示了平臺(tái)在整個(gè)行程范圍內(nèi)的預(yù)期位置和實(shí)際位置之間的差異。可能的最大誤差為0.6μm，即A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的差值。

重復(fù)性用于表征工作臺(tái)在多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，從同一方向返回同一位置的精度。它是實(shí)際位置的最大偏差。

對(duì)于高吞吐量工業(yè)過程的自動(dòng)化檢測(cè)和控制來說，最小化周期時(shí)間至關(guān)重要，重復(fù)性往往比準(zhǔn)確性更重要。高重復(fù)性確保了一旦系統(tǒng)被校準(zhǔn)，它將以高度一致性執(zhí)行重復(fù)的運(yùn)動(dòng)序列，消除了精細(xì)重新定位的需求；重新定位會(huì)增加周期時(shí)間并降低吞吐量。

對(duì)于依靠目標(biāo)或相機(jī)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)精細(xì)定位控制的視覺系統(tǒng)，反向間隙（backlash）是一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。反向間隙是衡量機(jī)械系統(tǒng)松弛度的一個(gè)指標(biāo)（見圖4），它會(huì)對(duì)小運(yùn)動(dòng)的精度和重復(fù)性產(chǎn)生重大影響。當(dāng)行程方向相反時(shí)，反向間隙對(duì)工作臺(tái)定位的精度和可重復(fù)性影響最大；因?yàn)樵谝苿?dòng)負(fù)載之前，必須消除驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中存在的間隙。一些制造商不使用“反向間隙”一詞，而是將其表述為單向和雙向重復(fù)性之間的差異。

圖4：在由絲杠驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中，絲杠螺紋和螺母對(duì)應(yīng)螺紋之間的微小間隙，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械松弛。

為了確保系統(tǒng)按要求運(yùn)行，選擇一個(gè)能夠有效支持和移動(dòng)所需負(fù)載的平臺(tái)至關(guān)重要。最大中心載荷（見圖5）是在保持合理性能和設(shè)備壽命的同時(shí)，可施加在垂直于行程軸的工作臺(tái)上的最大力。載荷測(cè)量以力單位（牛頓）而不是質(zhì)量單位（千克）給出，因?yàn)檩d荷可能來自質(zhì)量、重力載荷和其他來源的組合。這些力的大小將取決于安裝在平臺(tái)上的物體的質(zhì)量及其移動(dòng)方式。一個(gè)移動(dòng)得很快的較輕物體，比一個(gè)移動(dòng)得很慢的重得多的物體，會(huì)產(chǎn)生更大的力。

最大中心荷載可通過以下公式計(jì)算：

F（N）=質(zhì)量（kg）×加速度（m/s2）

在大多數(shù)情況下，中心荷載的加速度僅由重力引起，可近似為9.8m/s2。

懸臂荷載將扭矩施加到圍繞預(yù)定運(yùn)動(dòng)軸（見圖5）的工作臺(tái)上，并將導(dǎo)致其軸承負(fù)載不均，增加摩擦。

圖5：中心載荷垂直于運(yùn)動(dòng)軸施加力（a），懸臂荷載圍繞運(yùn)動(dòng)軸施加扭矩（b）。

可以使用以下公式計(jì)算懸臂荷載的大小：

懸臂荷載（N·m）=力（N）×距離（m）

速度和推力是任何運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)。高速和推力對(duì)于高吞吐量應(yīng)用尤為重要；在這類應(yīng)用中，最小化周期時(shí)間至關(guān)重要。最大推力以牛頓為單位，是工作臺(tái)在行駛方向上可以施加的最大力。最大速度是工作臺(tái)在空載情況下可以移動(dòng)的最快速度。

還有超高速和高推力設(shè)備。然而，如果圖像采集或處理時(shí)間是視覺系統(tǒng)的瓶頸，那么為更快的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備支付更多費(fèi)用，也不會(huì)減少周期時(shí)間或增加吞吐量。

具有高推力和高速度的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備，有可能大大節(jié)省相機(jī)的成本，尤其是在需要高分辨率相機(jī)的情況下。如果目標(biāo)可以快速減速并再次加速，則可以使用卷簾快門相機(jī)代替更昂貴的全局快門相機(jī)，而這并不會(huì)對(duì)周期時(shí)間或系統(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

推力和速度的組合將影響工作臺(tái)的使用壽命。更大的負(fù)載以更高的速度移動(dòng)，會(huì)對(duì)工作臺(tái)施加更大的力。這將在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生更多熱量，導(dǎo)致機(jī)械部件更快磨損。對(duì)于需要在高速和大推力下長(zhǎng)期運(yùn)行的應(yīng)用，在速度和推力器件上留出更多預(yù)算，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，可以帶來顯著的成本節(jié)約，因?yàn)檫@樣的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備將提供更長(zhǎng)的使用壽命和更低的維護(hù)要求。

雖然機(jī)械指標(biāo)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備很重要，但也不能忽視電氣指標(biāo)，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響系統(tǒng)集成的難易性。帶有IO線的控制器是高吞吐量機(jī)器視覺應(yīng)用的理想選擇。輸出線可以實(shí)現(xiàn)高度可靠、低延遲的相機(jī)觸發(fā)，而且只需很少的設(shè)置工作。當(dāng)工作臺(tái)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，通過立即觸發(fā)相機(jī)，可以將周期時(shí)間降至最低。IO觸發(fā)是確保生產(chǎn)或檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制、照明和成像組件保持同步的簡(jiǎn)單方法。

還應(yīng)該注意在設(shè)備之間匹配IO的標(biāo)稱電壓。+5V TTL通常用于許多運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的數(shù)字輸出，但可能會(huì)超過一些缺乏光隔離輸入的低功耗+3.3V單板計(jì)算機(jī)的建議輸入電壓。大多數(shù)主要制造商的機(jī)器視覺相機(jī)都有光隔離輸入引腳，支持+5V輸入。

一體化的優(yōu)勢(shì)

雖然視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以尋找和集成來自不同廠商的圖像傳感器、FPGA、圖像信號(hào)處理IP核和接口后端，但大多數(shù)用戶更喜歡預(yù)裝配相機(jī)的便利性。運(yùn)動(dòng)控制也是如此。采購(gòu)、確定兼容性、配置和校準(zhǔn)工作臺(tái)、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器，是一個(gè)復(fù)雜而耗時(shí)的過程。集成了控制器和驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備，簡(jiǎn)化了設(shè)備的選擇和設(shè)置過程。

集成了驅(qū)動(dòng)器和控制器的設(shè)備共享一個(gè)共同的控制協(xié)議，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過無縫協(xié)作，開箱即用的運(yùn)動(dòng)控制構(gòu)建塊，這些設(shè)備可以隨著自動(dòng)化需求的變化進(jìn)行快速組合和重組。

使用共享公共控制協(xié)議和API的集成控制器設(shè)備，構(gòu)建系統(tǒng)需要在多個(gè)軸上協(xié)調(diào)移動(dòng)，并具有照明、圖像采集和處理功能，因此速度更快、更容易。最小化定制應(yīng)用程序開發(fā)所需的庫(kù)的數(shù)量，可以產(chǎn)生更小、更高效的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序更容易維護(hù)，更適合在資源有限的嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行。共享公共控制協(xié)議的設(shè)備，也可以支持菊花鏈配置。菊花鏈通過一根來自主機(jī)的電纜為多個(gè)設(shè)備提供供電和控制信號(hào)，大大簡(jiǎn)化布線并降低成本。單線連接還能節(jié)省空間，釋放端口或IO引腳，非常適合嵌入式系統(tǒng)。

一體化設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們的統(tǒng)一設(shè)計(jì)允許簡(jiǎn)單流暢地使用文檔。使用一個(gè)全面的記錄文檔來解決意外問題，要比使用各自的文檔來解決多個(gè)獨(dú)立組件之間的潛在沖突容易得多。

運(yùn)動(dòng)控制是自動(dòng)化生產(chǎn)和檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。了解運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)，有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)，以充分利用視覺系統(tǒng)和預(yù)算。選擇正確的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備，可以幫助您以更低的成本快速設(shè)計(jì)、構(gòu)建和交付具有更快周期、更高吞吐量和更高可靠性的系統(tǒng)。

編輯：黃飛

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