2025年4月22-24日
上海世博展览馆

智能工厂展|浅谈面向机器视觉应用的运动控制

运动控制是许多自动化光学检测(AOI)系统和视觉引导的制造过程中的关键环节。工业相机及其拍摄目标的精确移动,对于快速、高质量的生产至关重要。运动控制还可以创建更灵活的视觉系统,这些系统可以快速、自动地重新配置,以适应塑料和包装等行业不断变化的产品组合。运动控制技术的多样性,常常会让用户觉得开始使用它们有些不知所措。下面智能工厂展小编将介绍几种常见的运动控制硬件;它们的关键指标;以及如何使用这些指标来选择能够提高系统性能、可靠性并且成本经济的运动控制设备。

基于机器学习和推理的视觉系统的性能,也可以通过增加运动控制来进一步提高。确保拍摄目标始终位于相机的视野中,可以消除图像之间变化的一个主要根源。这可以减少训练神经网络所需的数据集大小,还可以生成能在低功耗嵌入式系统上更快运行的更小的网络。

运动类型

确定视觉系统运动控制要求的第一步,是确定所需要的运动类型。运动有六个自由度,即沿轴的平移,线性地推、拉或提升负载以及围绕轴旋转或倾斜负载。一般来说,运动控制组件的设计目的,是在单一维度的运动中提供快速准确的运动,同时最大限度地减少所有其他维度中不必要的运动。

运动控制设备

在目标轴上移动目标对象需要五个关键组件:

机械部件:实现负载的安全安装,并能沿其移动轴引导负载。

电机:用于产生机械力以移动负载。

电机驱动器:以精确的定时为电机提供正确的电流。

控制器:提供与电机驱动器连接的数据接口。

传感器:用于沿行程轴校准和测量定位。

关键指标

将“可用的运动控制选项的功能”与“视觉系统的要求”相匹配,可以确保系统能够快速可靠地执行预期任务,而不会增加不必要的成本或复杂性。例如,半导体封装系统在系统中的不同点,对精度和重复性有着不同的要求。它需要纳米级的精度和可重复性,用于拾取和放置芯片;但可能只需要毫米级精度的定位,用于将加工完的IC放入传送带卷轴中。本节将介绍用于定义运动控制设备功能的关键指标。当从同一方向接近两个位置时,在行程轴上的任意两个位置间移动时,精度的误差可能最大。

重复性用于表征工作台在多个运动周期内,从同一方向返回同一位置的精度。它是实际位置的最大偏差。

对于高吞吐量工业过程的自动化检测和控制来说,最小化周期时间至关重要,重复性往往比准确性更重要。高重复性确保了一旦系统被校准,它将以高度一致性执行重复的运动序列,消除了精细重新定位的需求;重新定位会增加周期时间并降低吞吐量。

对于依靠目标或相机的运动来实现精细定位控制的视觉系统,反向间隙(backlash)是一个关键性能指标。反向间隙是衡量机械系统松弛度的一个指标,它会对小运动的精度和重复性产生重大影响。当行程方向相反时,反向间隙对工作台定位的精度和可重复性影响最大;因为在移动负载之前,必须消除驱动系统中存在的间隙。一些制造商不使用“反向间隙”一词,而是将其表述为单向和双向重复性之间的差异。

为了确保系统按要求运行,选择一个能够有效支持和移动所需负载的平台至关重要。最大中心载荷是在保持合理性能和设备寿命的同时,可施加在垂直于行程轴的工作台上的最大力。载荷测量以力单位(牛顿)而不是质量单位(千克)给出,因为载荷可能来自质量、重力载荷和其他来源的组合。这些力的大小将取决于安装在平台上的物体的质量及其移动方式。一个移动得很快的较轻物体,比一个移动得很慢的重得多的物体,会产生更大的力。悬臂荷载将扭矩施加到围绕预定运动轴的工作台上,并将导致其轴承负载不均,增加摩擦。

速度和推力是任何运动控制设备的关键选择标准。高速和推力对于高吞吐量应用尤为重要;在这类应用中,最小化周期时间至关重要。最大推力以牛顿为单位,是工作台在行驶方向上可以施加的最大力。最大速度是工作台在空载情况下可以移动的最快速度。

还有超高速和高推力设备。然而,如果图像采集或处理时间是视觉系统的瓶颈,那么为更快的运动控制设备支付更多费用,也不会减少周期时间或增加吞吐量。

具有高推力和高速度的运动控制设备,有可能大大节省相机的成本,尤其是在需要高分辨率相机的情况下。如果目标可以快速减速并再次加速,则可以使用卷帘快门相机代替更昂贵的全局快门相机,而这并不会对周期时间或系统性能产生负面影响。

推力和速度的组合将影响工作台的使用寿命。更大的负载以更高的速度移动,会对工作台施加更大的力。这将在驱动机构中产生更多热量,导致机械部件更快磨损。对于需要在高速和大推力下长期运行的应用,在速度和推力器件上留出更多预算,从长远来看,可以带来显著的成本节约,因为这样的运动控制设备将提供更长的使用寿命和更低的维护要求。

虽然机械指标对运动控制设备很重要,但也不能忽视电气指标,因为它们会影响系统集成的难易性。带有IO线的控制器是高吞吐量机器视觉应用的理想选择。输出线可以实现高度可靠、低延迟的相机触发,而且只需很少的设置工作。当工作台到达目标位置时,通过立即触发相机,可以将周期时间降至最低。IO触发是确保生产或检测系统的运动控制、照明和成像组件保持同步的简单方法。

还应该注意在设备之间匹配IO的标称电压。+5V TTL通常用于许多运动控制设备的数字输出,但可能会超过一些缺乏光隔离输入的低功耗+3.3V单板计算机的建议输入电压。大多数主要制造商的机器视觉相机都有光隔离输入引脚,支持+5V输入。

一体化的优势

智能工厂展小编觉得,虽然视觉系统设计师可以寻找和集成来自不同厂商的图像传感器、FPGA、图像信号处理IP核和接口后端,但大多数用户更喜欢预装配相机的便利性。运动控制也是如此。采购、确定兼容性、配置和校准工作台、电机、驱动器和控制器,是一个复杂而耗时的过程。集成了控制器和驱动器的运动控制设备,简化了设备的选择和设置过程。

集成了驱动器和控制器的设备共享一个共同的控制协议,进一步简化了系统设计。通过无缝协作,开箱即用的运动控制构建块,这些设备可以随着自动化需求的变化进行快速组合和重组。

使用共享公共控制协议和API的集成控制器设备,构建系统需要在多个轴上协调移动,并具有照明、图像采集和处理功能,因此速度更快、更容易。最小化定制应用程序开发所需的库的数量,可以产生更小、更高效的应用程序,这些应用程序更容易维护,更适合在资源有限的嵌入式系统上运行。共享公共控制协议的设备,也可以支持菊花链配置。菊花链通过一根来自主机的电缆为多个设备提供供电和控制信号,大大简化布线并降低成本。单线连接还能节省空间,释放端口或IO引脚,非常适合嵌入式系统。

一体化设备的另一个优点是,它们的统一设计允许简单流畅地使用文档。使用一个全面的记录文档来解决意外问题,要比使用各自的文档来解决多个独立组件之间的潜在冲突容易得多。

智能工厂展小编觉得,运动控制是自动化生产和检测系统的重要组成部分。了解运动控制设备的关键指标,有助于优化设计,以充分利用视觉系统和预算。选择正确的运动控制设备,可以帮助您以更低的成本快速设计、构建和交付具有更快周期、更高吞吐量和更高可靠性的系统。