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工业自动化强势来袭 运动控制扮演关键要角
正确执行指令
[作者 王岫晨]   2020年03月02日 星期一 浏览人次: [4483]

在工业自动化的环境当中,运动控制是其中最为关键的一环。


透过机器来进行自动化作业可以免去很多人为的失误。


如何让机器依据命令进行动作,正是机器运动控制的应用范畴。



在今天,机器人的行为模式,主要都是依据人类所提供的编程内容来进行重覆的运作。而机器人与现今社会上各种会移动的电子产品,包括汽车、飞机等,其差异只在於是否可以在无人叁与控制的情况下自行运作。而在工业制造的领域里,由於对於重覆性与规律性的动作有庞大需求,这也正好提供了工业机器人一个发展的绝隹环境。


在工业自动化的环境当中,运动控制是其中最为关键的一环。人类最大的缺点在於会有错误的产生,这对於工业产线往往轻则会造成产线的损失,严重则会造成人员的伤害。


透过机器来进行自动化作业可以免去很多人为的失误,然而却必须确保机器能够接受正确的指令,进行预期中的动作,而这些指令都还是必须透过人为来下达给予机器。如何让机器都能够依据命令进行动作,正是机器运动控制的应用范畴。



图一 : 人工智慧实际上都是将人类的智慧转化为运算代码,来达成某种自动决策的目的。
图一 : 人工智慧实际上都是将人类的智慧转化为运算代码,来达成某种自动决策的目的。

运动控制器

运动控制器即为机器运动控制系统的大脑,并负责计算所需的移动轨道。由於此作业极为关键,因此往往需透过机板上的数位讯号处理器(如DSP)来执行,以避免对主机电脑产生额外的负担与干扰。例如机器运动中因为防毒软体的执行而导致运作中断便是一件恼人的事。运动控制器将会使用自己所计算出的轨道,再决定合适的转矩指令,并将指令传送至马达放大器以产生运动。


运动控制器运作中必须关闭PID控制??路。由於此作业需要极高的精确度,是稳定运作所必须的,因此往往直接於机板上关闭控制??路。而除了关闭控制??路之外,运动控制器亦同时监控紧急限制与停止功能,以确保作业安全。若能从机板或即时系统中直接进行这些作业,就可以确保运动控制系统的稳定性、精确性,以及安全性。


计算轨道

运动轨道通常代表的是运动控制器的机板控制作业,或输出至驱动器与放大器的指令讯号,接着将依循轨迹来进行马达的运动。通常来说,运动控制器根据程式的叁数值,来计算运动轨迹的轨道区段。对於轨道的计算,运动控制器可使用所需的目标位置、最大目标速度,与使用者所提供的加速度值,以决定在三项主要动作区段(包括加速度、等速度,与减速度)所需耗费的时间。


针对一般梯形轨迹的加速度区段,将根据停止位置或先前的移动来开始运动作业,并跟着指定的加速坡道进行动作,直到速度达到移动作业的既定目标速度。运动作业可依当下的目标速度,持续在指定的时间内动作,直到控制器决定减速度区段的开始,并让运动停止於在所指定的目标位置上。


若运动作业极短,通常在完成加速度之前即达到减速起使点,则轨迹将呈现三角形而非梯形,且所达到的实际速度可能低於设定的目标速度。S曲线加速度与减速度为基本的梯形轨道强化,也就是针对加速度与减速度的线性坡道,将之修改为非线性的曲线轨迹。这样一来,坡道外观具备微调控制功能,就可以针对惯性、摩擦力、马达动态等其他机器运动系统的限制,依需要来针对运动轨道效能进行调校。


建立客制化运动控制器

虽然具备DSP的运动控制器已经可以适用於许多的应用当中,但类似200kHz伺服更新率的高精确度运动控制作业,工程师就必须透过客制化的PCB来设计所需的运动控制器。如此一来,就必须提高开发成本与时间,而且这一类的运动控制器功能固定,也缺乏重新设计的弹性,更难以适应作动期间运动控制运算式的变动。其他需要较高精确度与弹性的应用,还包含半导体产业的晶圆处理机器,或是汽车产业可重设组装线的产线车辆排序作业等。


马达放大器与驱动

马达放大器或驱动都是系统中的重要组成元件。运动控制器先以低电流的类比电压讯号构成指令,透过马达放大器接收之後,再将之转换成为高电流的讯号来驱动马达。为了能够驱动不同类型的马达,通常马达驱动都具有多种不同的变数。举例来说,步进马达驱动就只连接步进马达,而不会去连接伺服马达。


除了搭配相对应的马达技术之外,驱动也必须提供正确的电压、连续电流,以及峰值电流,才能正确驱动该马达。若驱动供应了过多的电流,则可能会损毁马达。如果驱动供应的电流不足,则马达无法达到完全的转矩功能。而若电压不足,则马达将无法全速运转。此外,使用者也必须考量放大器与控制器的连接方法。


马达与机器元素

在设计运动控制系统时,马达选择与机器设计均为关键部分。不同马达会有不同的优缺点,可叁考表一。


(表一) 不同的马达技术优缺点分析

 

优点

缺点

应用

步进马达

低价位、可透过开??路运转、极隹的低端转矩、不占空间

噪音较大、缺乏高速转矩、不适用於炎热环境、不适用於多变负载

定位、微位移

带刷DC伺服马达

低价位、一般速度、极隹的高端转矩、简易驱动

必须进行维护、较占空间、电刷火花可能造成EMI问题,或对易燃环境造成危险

速度控制、高速位置控制

无刷伺服马达

免维护、使用寿命长、无火花、高速、不占空间、安静、运转时不发热

昂贵、驱动构造复杂

机器人、捉放型机器手臂、高转矩应用


反??装置

反??装置可用於协助运动控制器了解马达的位置。最常见的位置反??装置就是相位差编码器,可提供起始点的相对位置。大多数的运动控制器都是搭配使用此类型的编码器所设计。而其他反??装置则包含可提供类比位置反??的位移计、提供速度反??的转速计、可进行绝对位置量测的绝对编码器,还有可进行绝对位置量测的解析器。


最隹运动控制效益


图二 : 工业机器人透过线下编程与线上决策两者的互补,能让机器人的运作达到最隹效益。
图二 : 工业机器人透过线下编程与线上决策两者的互补,能让机器人的运作达到最隹效益。

在工业机器人的应用中,透过线下编程与线上决策两者的互补使用,才能让机器人的运作达到最隹的效益。随着电脑运算速度的突飞猛进、演算法更为成熟、以及各种工业感测器的相继问世,加速推动了传统机器人,以及广大会动的电子产品等的应用方式。


宝元数控指出,透过软硬体的整合,可提供机器人运动控制的线下辅助编程及线上加速决策。例如机器人的拖拉动作、自动寻轨迹等功能,就是属於线下辅助编程,而视觉辨识技术的整合,则是属於线上决策的实现。在这样的逻辑下,我们可以定义自驾车的路线规划属於线下编程,至於行驶期间的障碍??避就属於线上决策。依据这样的原则,这些会动的电子产品其实都可以纳入广义的机器人定义之中。


结语

事实上,人工智慧的真正意义,是让机器具备自我学习的能力,就如同人类由婴儿成长为大人一般,逐步发展各种生活技能并适应社会。在目前,大部份实际运用上被号称为人工智慧的功能,实际上都是将人类的智慧转化为运算代码之後,来达成某种自动决策的目的。


在未来,人工智慧的发展必定会更为蓬勃,而好的决策也需要好的运动控制器才能呈现出令人满意的结果。在人工智慧的运动控制中,控制器需能提供高速的通讯管道,以便接收并执行来自人工智慧的决策,并且反??机器人的状态资讯。此外,控制器本身的功能也会直接影响到人工智慧的工作量,例如控制器若可支援空间圆弧功能,人工智慧就不需要另行计算所有圆弧上的点座标,如此也有助於减少通讯的资料量。


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