文/Mike Fussell，Zaber Technologies

運動控制是許多自動化光學檢測（AOI）系統和視覺引導的制造過程中的關鍵環節。工業相機及其拍攝目標的精確移動，對于快速、高質量的生產至關重要。運動控制還可以創建更靈活的視覺系統，這些系統可以快速、自動地重新配置，以適應塑料和包裝等行業不斷變化的產品組合。

基于機器學習和推理的視覺系統的性能，也可以通過增加運動控制來進一步提高。確保拍攝目標始終位于相機的視野中，可以消除圖像之間變化的一個主要根源。這可以減少訓練神經網絡所需的數據集大小，還可以生成能在低功耗嵌入式系統上更快運行的更小的網絡。

運動控制技術的多樣性，常常會讓用戶覺得開始使用它們有些不知所措。本文將為機器視覺領域的專業人士介紹運動控制的基礎知識。文中將介紹幾種常見的運動控制硬件；它們的關鍵指標；以及如何使用這些指標來選擇能夠提高系統性能、可靠性并且成本經濟的運動控制設備。

運動類型

圖1：基于平移（a、b、c）和旋轉（d、e、f）的六個運動維度，以及線性和垂直平移臺（g、h）和旋轉臺（i）示例。（圖片來源：ZaberTechnologies）

確定視覺系統運動控制要求的第一步，是確定所需要的運動類型。運動有六個自由度，即沿x、y、z軸的平移，線性地推、拉或提升負載（見圖1中a、b、c），以及圍繞x、y、z軸旋轉或傾斜負載（見圖1中d、e、f）。一般來說，運動控制組件的設計目的，是在單一維度的運動中提供快速準確的運動，同時最大限度地減少所有其他維度中不必要的運動。

運動控制設備

在目標軸上移動目標對象需要五個關鍵組件：

機械部件：實現負載的安全安裝，并能沿其移動軸引導負載。

電機：用于產生機械力以移動負載。

電機驅動器：以精確的定時為電機提供正確的電流。

控制器：提供與電機驅動器連接的數據接口。

傳感器：用于沿行程軸校準和測量定位。

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

圖2：Zaber公司的X-LSM050線性工作臺，將機械平臺、電機、電機驅動器、控制器和傳感器都集成到了單個設備中。

關鍵指標

將“可用的運動控制選項的功能”與“視覺系統的要求”相匹配，可以確保系統能夠快速可靠地執行預期任務，而不會增加不必要的成本或復雜性。例如，半導體封裝系統在系統中的不同點，對精度和重復性有著不同的要求。它需要納米級的精度和可重復性，用于拾取和放置芯片；但可能只需要毫米級精度的定位，用于將加工完的IC放入傳送帶卷軸中。本節將介紹用于定義運動控制設備功能的關鍵指標。

當從同一方向接近兩個位置時，在行程軸上的任意兩個位置間移動時，精度的誤差可能最大（見圖3）。

圖3：線性平臺的樣本精度圖。該圖顯示了平臺在整個行程范圍內的預期位置和實際位置之間的差異。可能的最大誤差為0.6μm，即A點和B點之間的差值。

重復性用于表征工作臺在多個運動周期內，從同一方向返回同一位置的精度。它是實際位置的最大偏差。

對于高吞吐量工業過程的自動化檢測和控制來說，最小化周期時間至關重要，重復性往往比準確性更重要。高重復性確保了一旦系統被校準，它將以高度一致性執行重復的運動序列，消除了精細重新定位的需求；重新定位會增加周期時間并降低吞吐量。

對于依靠目標或相機的運動來實現精細定位控制的視覺系統，反向間隙（backlash）是一個關鍵性能指標。反向間隙是衡量機械系統松弛度的一個指標（見圖4），它會對小運動的精度和重復性產生重大影響。當行程方向相反時，反向間隙對工作臺定位的精度和可重復性影響最大；因為在移動負載之前，必須消除驅動系統中存在的間隙。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性之間的差異。

圖4：在由絲杠驅動的系統中，絲杠螺紋和螺母對應螺紋之間的微小間隙，會導致機械松弛。

為了確保系統按要求運行，選擇一個能夠有效支持和移動所需負載的平臺至關重要。最大中心載荷（見圖5）是在保持合理性能和設備壽命的同時，可施加在垂直于行程軸的工作臺上的最大力。載荷測量以力單位（牛頓）而不是質量單位（千克）給出，因為載荷可能來自質量、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上的物體的質量及其移動方式。一個移動得很快的較輕物體，比一個移動得很慢的重得多的物體，會產生更大的力。

最大中心荷載可通過以下公式計算：

F（N）=質量（kg）×加速度（m/s2）

在大多數情況下，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定運動軸（見圖5）的工作臺上，并將導致其軸承負載不均，增加摩擦。

圖5：中心載荷垂直于運動軸施加力（a），懸臂荷載圍繞運動軸施加扭矩（b）。

可以使用以下公式計算懸臂荷載的大小：

懸臂荷載（N·m）=力（N）×距離（m）

速度和推力是任何運動控制設備的關鍵選擇標準。高速和推力對于高吞吐量應用尤為重要；在這類應用中，最小化周期時間至關重要。最大推力以牛頓為單位，是工作臺在行駛方向上可以施加的最大力。最大速度是工作臺在空載情況下可以移動的最快速度。

還有超高速和高推力設備。然而，如果圖像采集或處理時間是視覺系統的瓶頸，那么為更快的運動控制設備支付更多費用，也不會減少周期時間或增加吞吐量。

具有高推力和高速度的運動控制設備，有可能大大節省相機的成本，尤其是在需要高分辨率相機的情況下。如果目標可以快速減速并再次加速，則可以使用卷簾快門相機代替更昂貴的全局快門相機，而這并不會對周期時間或系統性能產生負面影響。

推力和速度的組合將影響工作臺的使用壽命。更大的負載以更高的速度移動，會對工作臺施加更大的力。這將在驅動機構中產生更多熱量，導致機械部件更快磨損。對于需要在高速和大推力下長期運行的應用，在速度和推力器件上留出更多預算，從長遠來看，可以帶來顯著的成本節約，因為這樣的運動控制設備將提供更長的使用壽命和更低的維護要求。

雖然機械指標對運動控制設備很重要，但也不能忽視電氣指標，因為它們會影響系統集成的難易性。帶有IO線的控制器是高吞吐量機器視覺應用的理想選擇。輸出線可以實現高度可靠、低延遲的相機觸發，而且只需很少的設置工作。當工作臺到達目標位置時，通過立即觸發相機，可以將周期時間降至最低。IO觸發是確保生產或檢測系統的運動控制、照明和成像組件保持同步的簡單方法。

還應該注意在設備之間匹配IO的標稱電壓。+5V TTL通常用于許多運動控制設備的數字輸出，但可能會超過一些缺乏光隔離輸入的低功耗+3.3V單板計算機的建議輸入電壓。大多數主要制造商的機器視覺相機都有光隔離輸入引腳，支持+5V輸入。

一體化的優勢

雖然視覺系統設計師可以尋找和集成來自不同廠商的圖像傳感器、FPGA、圖像信號處理IP核和接口后端，但大多數用戶更喜歡預裝配相機的便利性。運動控制也是如此。采購、確定兼容性、配置和校準工作臺、電機、驅動器和控制器，是一個復雜而耗時的過程。集成了控制器和驅動器的運動控制設備，簡化了設備的選擇和設置過程。

集成了驅動器和控制器的設備共享一個共同的控制協議，進一步簡化了系統設計。通過無縫協作，開箱即用的運動控制構建塊，這些設備可以隨著自動化需求的變化進行快速組合和重組。

使用共享公共控制協議和API的集成控制器設備，構建系統需要在多個軸上協調移動，并具有照明、圖像采集和處理功能，因此速度更快、更容易。最小化定制應用程序開發所需的庫的數量，可以產生更小、更高效的應用程序，這些應用程序更容易維護，更適合在資源有限的嵌入式系統上運行。共享公共控制協議的設備，也可以支持菊花鏈配置。菊花鏈通過一根來自主機的電纜為多個設備提供供電和控制信號，大大簡化布線并降低成本。單線連接還能節省空間，釋放端口或IO引腳，非常適合嵌入式系統。

一體化設備的另一個優點是，它們的統一設計允許簡單流暢地使用文檔。使用一個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獨立組件之間的潛在沖突容易得多。

運動控制是自動化生產和檢測系統的重要組成部分。了解運動控制設備的關鍵指標，有助于優化設計，以充分利用視覺系統和預算。選擇正確的運動控制設備，可以幫助您以更低的成本快速設計、構建和交付具有更快周期、更高吞吐量和更高可靠性的系統。

編輯：黃飛

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