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

       基于機器學習和推理的視覺系統(tǒng)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(jīng)網(wǎng)絡所需的數(shù)據(jù)集大小，還可以生成能在低功耗嵌入式系統(tǒng)上更快運行的更小的網(wǎng)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(yè)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(tǒng)性能、可靠性并且成本經(jīng)濟的運動控制設備。

運動類型

 圖1：基于平移（a、b、c）和旋轉(zhuǎn)（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(zhuǎn)臺（i）示例。（圖片來源：ZaberTechnologies） 

確定視覺系統(tǒng)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(zhuǎn)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(xiàn)負載的安全安裝，并能沿其移動軸引導負載。

· 電機：用于產(chǎn)生機械力以移動負載。

· 電機驅(qū)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(qū)動器連接的數(shù)據(jù)接口。

· 傳感器：用于沿行程軸校準和測量定位。 

關鍵指標

       將“可用的運動控制選項的功能”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(tǒng)在系統(tǒng)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(jié)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(nèi)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(nèi)，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(yè)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(tǒng)被校準，它將以高度一致性執(zhí)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(xiàn)精細定位控制的視覺系統(tǒng)，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(tǒng)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(chǎn)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(qū)動系統(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性之間的差異。

圖4：在由絲杠驅(qū)動的系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)量單位（千克）給出，因為載荷可能來自質(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上的物體的質(zhì)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(chǎn)生更大的力。

最大中心荷載可通過以下公式計算：

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?。?/strong>

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(tǒng)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(jié)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(tǒng)性能產(chǎn)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(qū)動機構(gòu)中產(chǎn)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(jié)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(tǒng)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(xiàn)高度可靠、低延遲的相機觸發(fā)，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(fā)相機，可以將周期時間降至最低。IO觸發(fā)是確保生產(chǎn)或檢測系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(yōu)勢

       雖然視覺系統(tǒng)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(shù)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(qū)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(qū)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(qū)動器和控制器的設備共享一個共同的控制協(xié)議，進一步簡化了系統(tǒng)設計。通過無縫協(xié)作，開箱即用的運動控制構(gòu)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(xié)議和API的集成控制器設備，構(gòu)建系統(tǒng)需要在多個軸上協(xié)調(diào)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(fā)所需的庫的數(shù)量，可以產(chǎn)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(tǒng)上運行。共享公共控制協(xié)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(jié)省空間，釋放端口或IO引腳，非常適合嵌入式系統(tǒng)。

       一體化設備的另一個優(yōu)點是，它們的統(tǒng)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(chǎn)和檢測系統(tǒng)的重要組成部分。了解運動控制設備的關鍵指標，有助于優(yōu)化設計，以充分利用視覺系統(tǒng)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(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)。

        深圳市雙翌光電科技有限公司是一家以機器視覺為技術核心，自主技術研究與應用拓展為導向的高科技企業(yè)。公司自成立以來不斷創(chuàng)新，在智能自動化領域研發(fā)出視覺對位系統(tǒng)、機械手視覺定位、視覺檢測、圖像處理庫等為核心的20多款自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品。涉及自動貼合機、絲印機、曝光機、疊片機、貼片機、智能檢測、智能鐳射等眾多行業(yè)領域。雙翌視覺系統(tǒng)最高生產(chǎn)精度可達um級別，圖像處理精準、速度快，將智能自動化制造行業(yè)的生產(chǎn)水平提升到一個更高的層次，改進了以往落后的生產(chǎn)流程，得到廣大用戶的認可與肯定。隨著智能自動化生產(chǎn)的普及與發(fā)展，雙翌將為廣大生產(chǎn)行業(yè)帶來更全面、更精細、更智能化的技術及服務。