運動(dong)(dong)控制(zhi)(zhi)是許(xu)多自動(dong)(dong)化光(guang)學檢(jian)測(ce)（AOI）系統(tong)和(he)視覺引(yin)導的制(zhi)(zhi)造(zao)過程中的關(guan)鍵環節。工業(ye)相機及其拍攝(she)目標的精(jing)確移動(dong)(dong)，對于快速(su)、高(gao)質量的生產至關(guan)重(zhong)(zhong)要。運動(dong)(dong)控制(zhi)(zhi)還可(ke)以創建更(geng)靈活(huo)的視覺系統(tong)，這(zhe)些(xie)系統(tong)可(ke)以快速(su)、自動(dong)(dong)地重(zhong)(zhong)新(xin)配置(zhi)，以適應塑料和(he)包裝等行業(ye)不斷變化的產品組合。

       基于機器(qi)學習和推理的視(shi)覺系統(tong)的性能(neng)，也可以(yi)通過增加運(yun)動控制來(lai)進一步提高(gao)。確保拍攝(she)目標始終位(wei)于相機的視(shi)野(ye)中，可以(yi)消除圖像之間變(bian)化的一個主要根源。這可以(yi)減少(shao)訓練神經網絡(luo)所(suo)需(xu)的數據集大(da)小，還可以(yi)生成能(neng)在低功耗嵌入式系統(tong)上更快(kuai)運(yun)行的更小的網絡(luo)。

       運(yun)(yun)動控(kong)(kong)制(zhi)技術的(de)多(duo)樣性，常(chang)常(chang)會讓用戶覺得(de)開始使用它(ta)(ta)們(men)有些不知(zhi)所(suo)措。本文將(jiang)(jiang)為機(ji)器視覺領域的(de)專業人士介(jie)紹運(yun)(yun)動控(kong)(kong)制(zhi)的(de)基礎知(zhi)識。文中將(jiang)(jiang)介(jie)紹幾種常(chang)見的(de)運(yun)(yun)動控(kong)(kong)制(zhi)硬件；它(ta)(ta)們(men)的(de)關(guan)鍵指(zhi)標；以(yi)及如(ru)何(he)使用這些指(zhi)標來(lai)選擇能(neng)夠提高系統性能(neng)、可靠性并且成本經(jing)濟的(de)運(yun)(yun)動控(kong)(kong)制(zhi)設備。

運動類型

 圖(tu)1：基于平(ping)移（a、b、c）和旋轉（d、e、f）的六個運動維度(du)，以及線(xian)性和垂直平(ping)移臺（g、h）和旋轉臺（i）示例。（圖(tu)片來(lai)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(xiang)需要五個關鍵組件：

· 機械部件：實(shi)現負載的(de)安全安裝，并(bing)能沿其(qi)移動軸(zhou)引導負載。

· 電(dian)機(ji)：用于產生機(ji)械力以移動負(fu)載。

· 電(dian)機驅動器：以精確的(de)(de)定時為電(dian)機提供正確的(de)(de)電(dian)流(liu)。

· 控制(zhi)器：提(ti)供與電機驅動器連接的數(shu)據接口(kou)。

· 傳感器(qi)：用于沿(yan)行程軸校準和測量(liang)定位。 

關鍵指標

       將(jiang)“可用(yong)的(de)(de)運動控制選項的(de)(de)功(gong)能”與“視覺系統(tong)(tong)的(de)(de)要(yao)求”相匹配(pei)，可以確保(bao)系統(tong)(tong)能夠(gou)快速可靠(kao)地執行預期任務，而不會增(zeng)加(jia)不必要(yao)的(de)(de)成本或復雜性。例如(ru)，半導體(ti)封裝系統(tong)(tong)在系統(tong)(tong)中(zhong)的(de)(de)不同(tong)點，對精(jing)度(du)和(he)重復性有著不同(tong)的(de)(de)要(yao)求。它需要(yao)納米(mi)級(ji)的(de)(de)精(jing)度(du)和(he)可重復性，用(yong)于(yu)拾取(qu)和(he)放置芯片(pian)；但可能只需要(yao)毫米(mi)級(ji)精(jing)度(du)的(de)(de)定位(wei)，用(yong)于(yu)將(jiang)加(jia)工完(wan)的(de)(de)IC放入傳送帶卷(juan)軸中(zhong)。本節將(jiang)介紹(shao)用(yong)于(yu)定義運動控制設備(bei)功(gong)能的(de)(de)關鍵(jian)指標(biao)。

       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(xing)平臺的(de)(de)(de)樣本精度圖。該(gai)圖顯示了平臺在整個行程(cheng)范圍(wei)內的(de)(de)(de)預期位(wei)(wei)置(zhi)和(he)實際(ji)位(wei)(wei)置(zhi)之(zhi)間的(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)異。可能(neng)的(de)(de)(de)最(zui)大誤差(cha)(cha)(cha)為0.6μm，即A點和(he)B點之(zhi)間的(de)(de)(de)差(cha)(cha)(cha)值。

重復性(xing)用于表征工(gong)作臺(tai)在(zai)多個運動周(zhou)期內(nei)，從同一方(fang)向返(fan)回同一位(wei)置(zhi)的精度。它是實際位(wei)置(zhi)的最大(da)偏差。

對于高(gao)(gao)吞吐量工業過程的(de)自(zi)動化(hua)檢測和控制來說，最小化(hua)周期(qi)時間(jian)至關重(zhong)要(yao)，重(zhong)復性往往比準確性更重(zhong)要(yao)。高(gao)(gao)重(zhong)復性確保了(le)一(yi)旦系(xi)統被校準，它將以高(gao)(gao)度一(yi)致性執(zhi)行(xing)重(zhong)復的(de)運動序列，消除(chu)了(le)精細(xi)重(zhong)新定位的(de)需求；重(zhong)新定位會(hui)增加周期(qi)時間(jian)并(bing)降低吞吐量。

對(dui)于依靠目標或相機(ji)的運動來實現精(jing)(jing)細定位控制的視(shi)覺(jue)系(xi)(xi)統，反(fan)向(xiang)(xiang)間隙(xi)(xi)（backlash）是一個關鍵性(xing)能(neng)指標。反(fan)向(xiang)(xiang)間隙(xi)(xi)是衡量機(ji)械系(xi)(xi)統松弛(chi)度的一個指標（見圖4），它會(hui)對(dui)小運動的精(jing)(jing)度和重復(fu)性(xing)產(chan)生重大(da)影響(xiang)。當行程方(fang)向(xiang)(xiang)相反(fan)時，反(fan)向(xiang)(xiang)間隙(xi)(xi)對(dui)工作臺定位的精(jing)(jing)度和可重復(fu)性(xing)影響(xiang)最大(da)；因為在移(yi)動負載之前(qian)，必(bi)須消除驅動系(xi)(xi)統中存在的間隙(xi)(xi)。一些制造商不(bu)使用(yong)“反(fan)向(xiang)(xiang)間隙(xi)(xi)”一詞，而是將其表述為單向(xiang)(xiang)和雙向(xiang)(xiang)重復(fu)性(xing)之間的差(cha)異。

圖(tu)4：在由(you)絲杠(gang)驅動的(de)系統(tong)中，絲杠(gang)螺(luo)紋和螺(luo)母對應螺(luo)紋之間(jian)的(de)微小間(jian)隙(xi)，會導致機械(xie)松弛。

為了確保系統(tong)按要求運行(xing)，選擇(ze)一個(ge)能夠有效(xiao)支持和移動所需負(fu)載(zai)的(de)(de)平(ping)臺(tai)至關(guan)重(zhong)要。最大中心(xin)載(zai)荷（見(jian)圖(tu)5）是在保持合理(li)性能和設(she)備壽命的(de)(de)同時，可施加(jia)在垂直于行(xing)程(cheng)軸的(de)(de)工(gong)作(zuo)臺(tai)上的(de)(de)最大力。載(zai)荷測量以力單位(wei)（牛頓(dun)）而不是質(zhi)量單位(wei)（千克）給出，因為載(zai)荷可能來自質(zhi)量、重(zhong)力載(zai)荷和其(qi)他來源的(de)(de)組合。這些力的(de)(de)大小將取決于安(an)裝(zhuang)在平(ping)臺(tai)上的(de)(de)物體的(de)(de)質(zhi)量及其(qi)移動方式。一個(ge)移動得很快的(de)(de)較輕物體，比一個(ge)移動得很慢(man)的(de)(de)重(zhong)得多(duo)的(de)(de)物體，會產生更(geng)大的(de)(de)力。

最大中心荷載可通過以下公式計算：

F（N）=質(zhi)量(liang)（kg）×加速度（m/s2）

在大(da)多(duo)數(shu)情況下，中心荷載的加速度僅(jin)由重力引起(qi)，可近似為(wei)9.8m/s2。

懸臂荷載(zai)將扭矩施加(jia)到圍繞(rao)預定(ding)運動軸(zhou)（見圖5）的(de)工作(zuo)臺上，并將導致其軸(zhou)承負載(zai)不均(jun)，增加(jia)摩擦。

圖5：中心載荷(he)垂(chui)直于運動軸施加力(li)（a），懸臂荷(he)載圍(wei)繞運動軸施加扭矩(ju)（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(li)（N）×距(ju)離(li)（m）

       速(su)度(du)(du)和推(tui)(tui)力是(shi)任何運動(dong)控制設備的(de)關鍵(jian)選擇標準。高速(su)和推(tui)(tui)力對于高吞吐量應用(yong)尤為重要；在這類應用(yong)中，最(zui)(zui)(zui)小(xiao)化(hua)周期時間至關重要。最(zui)(zui)(zui)大推(tui)(tui)力以牛(niu)頓(dun)為單位，是(shi)工作臺在行駛(shi)方向(xiang)上可以施(shi)加(jia)的(de)最(zui)(zui)(zui)大力。最(zui)(zui)(zui)大速(su)度(du)(du)是(shi)工作臺在空載情況下可以移動(dong)的(de)最(zui)(zui)(zui)快速(su)度(du)(du)。

       還有超高速和高推(tui)力設(she)備。然而(er)，如果圖(tu)像采集或處理(li)時(shi)間是視(shi)覺系統的瓶頸，那么為(wei)更快的運(yun)動(dong)控制(zhi)設(she)備支(zhi)付更多費用，也不會(hui)減(jian)少周期時(shi)間或增加吞吐(tu)量。

       具有高(gao)推力(li)和高(gao)速(su)(su)度(du)的(de)運動(dong)控制設備，有可能(neng)大(da)大(da)節省相(xiang)機(ji)的(de)成本，尤其是在需要高(gao)分辨率相(xiang)機(ji)的(de)情況下。如果目標可以快(kuai)速(su)(su)減速(su)(su)并再次加(jia)速(su)(su)，則(ze)可以使用卷(juan)簾快(kuai)門相(xiang)機(ji)代替更昂(ang)貴的(de)全局快(kuai)門相(xiang)機(ji)，而(er)這并不(bu)會對(dui)周期時間(jian)或系統性能(neng)產生(sheng)負面影響。

       推力和(he)速(su)度的組合將(jiang)影響(xiang)工作臺的使(shi)用壽命(ming)。更(geng)(geng)(geng)(geng)大的負載以更(geng)(geng)(geng)(geng)高(gao)的速(su)度移動，會對工作臺施(shi)加(jia)更(geng)(geng)(geng)(geng)大的力。這將(jiang)在(zai)驅動機構中(zhong)產生更(geng)(geng)(geng)(geng)多(duo)熱(re)量，導(dao)致機械部(bu)件(jian)更(geng)(geng)(geng)(geng)快磨損。對于需要(yao)在(zai)高(gao)速(su)和(he)大推力下長(chang)期(qi)運行的應用，在(zai)速(su)度和(he)推力器件(jian)上留出更(geng)(geng)(geng)(geng)多(duo)預算，從長(chang)遠(yuan)來(lai)看，可以帶來(lai)顯著的成本節(jie)約，因為這樣的運動控制(zhi)設備將(jiang)提供(gong)更(geng)(geng)(geng)(geng)長(chang)的使(shi)用壽命(ming)和(he)更(geng)(geng)(geng)(geng)低(di)的維(wei)護要(yao)求。

       雖然機(ji)(ji)械指(zhi)(zhi)標(biao)對(dui)運(yun)動控(kong)(kong)制設備很重要，但(dan)也不能忽視電氣指(zhi)(zhi)標(biao)，因為它們會影響系(xi)統集成(cheng)(cheng)的難易(yi)性。帶有IO線(xian)的控(kong)(kong)制器是高吞(tun)吐量機(ji)(ji)器視覺應用的理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)。輸出線(xian)可以實現高度可靠、低延遲的相機(ji)(ji)觸發(fa)，而(er)且只需很少的設置(zhi)工作。當工作臺到(dao)達(da)目標(biao)位置(zhi)時(shi)，通過(guo)立即(ji)觸發(fa)相機(ji)(ji)，可以將周期(qi)時(shi)間降(jiang)至(zhi)最低。IO觸發(fa)是確保生產或檢測系(xi)統的運(yun)動控(kong)(kong)制、照明和成(cheng)(cheng)像組件保持同步(bu)的簡單方法。

       還應該注(zhu)意在(zai)設備之間匹配IO的標稱電(dian)壓(ya)。+5V TTL通常(chang)用于許多(duo)運動控制設備的數字輸出，但可能會超(chao)過一些缺乏光(guang)隔離輸入(ru)的低功耗+3.3V單(dan)板計算機的建議輸入(ru)電(dian)壓(ya)。大多(duo)數主(zhu)要制造商的機器視覺(jue)相機都(dou)有光(guang)隔離輸入(ru)引腳，支持(chi)+5V輸入(ru)。

一體化的優勢

       雖然視覺系統設(she)計師(shi)可以尋找和集成(cheng)來自不同廠商的(de)(de)(de)(de)圖像(xiang)傳感(gan)器(qi)(qi)、FPGA、圖像(xiang)信號處(chu)理IP核(he)和接口(kou)后(hou)端，但大(da)多數用(yong)戶更喜(xi)歡(huan)預(yu)裝配相機的(de)(de)(de)(de)便(bian)利性。運動控(kong)制(zhi)也是(shi)如此。采購、確定兼容(rong)性、配置和校準(zhun)工作(zuo)臺、電機、驅(qu)動器(qi)(qi)和控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)，是(shi)一個復雜而耗時(shi)的(de)(de)(de)(de)過程(cheng)。集成(cheng)了控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)和驅(qu)動器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)運動控(kong)制(zhi)設(she)備(bei)，簡化了設(she)備(bei)的(de)(de)(de)(de)選擇和設(she)置過程(cheng)。

       集成了(le)驅動器和(he)控(kong)(kong)制器的設備(bei)共享一個共同的控(kong)(kong)制協議，進一步(bu)簡化(hua)了(le)系統設計。通過無縫協作，開箱即用的運動控(kong)(kong)制構(gou)建(jian)塊，這些(xie)設備(bei)可以隨著自動化(hua)需求的變化(hua)進行快速組(zu)合和(he)重(zhong)組(zu)。

       使用共享公共控制(zhi)協議(yi)和(he)API的(de)(de)集(ji)成控制(zhi)器設備，構建系統需要在多個(ge)軸上協調(diao)移動，并具有照明、圖(tu)像采(cai)集(ji)和(he)處理功能(neng)，因此速(su)度(du)更快(kuai)、更容易(yi)。最小化定制(zhi)應(ying)用程(cheng)(cheng)序開發(fa)所需的(de)(de)庫的(de)(de)數(shu)量，可以產生更小、更高效的(de)(de)應(ying)用程(cheng)(cheng)序，這(zhe)些應(ying)用程(cheng)(cheng)序更容易(yi)維護，更適合在資源有限的(de)(de)嵌入式系統上運行。共享公共控制(zhi)協議(yi)的(de)(de)設備，也可以支持菊(ju)花(hua)鏈配(pei)置。菊(ju)花(hua)鏈通過一根來自主機的(de)(de)電纜為多個(ge)設備提供供電和(he)控制(zhi)信號(hao)，大大簡化布線并降低成本(ben)。單線連接還能(neng)節省空間(jian)，釋(shi)放(fang)端口(kou)或IO引(yin)腳，非(fei)常(chang)適合嵌入式系統。

       一體化設(she)備的(de)(de)另一個優(you)點是(shi)，它們的(de)(de)統(tong)一設(she)計允許簡單(dan)流暢地使用文(wen)檔。使用一個全(quan)面的(de)(de)記(ji)錄文(wen)檔來解決意外問題(ti)，要比使用各自的(de)(de)文(wen)檔來解決多個獨立組件之(zhi)間的(de)(de)潛(qian)在(zai)沖突(tu)容易得多。

       運動控制(zhi)是自(zi)動化(hua)生(sheng)產(chan)和(he)檢測(ce)系(xi)(xi)統的(de)重要組成部分。了解運動控制(zhi)設備的(de)關鍵(jian)指標，有助于優(you)化(hua)設計，以(yi)充(chong)分利用視覺系(xi)(xi)統和(he)預算。選(xuan)擇正確的(de)運動控制(zhi)設備，可以(yi)幫助您以(yi)更低的(de)成本快速設計、構建和(he)交付具有更快周期(qi)、更高(gao)吞吐(tu)量和(he)更高(gao)可靠性的(de)系(xi)(xi)統。

        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。公司自成立以來不斷創新，在智能自動化領域研發出視覺對位系統、機械手視覺定位、視覺檢測、圖像處理庫等為核心的20多款自主知識產權產品。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領域。雙翌視覺系統最高生產精度可達um級別，圖像處理精準、速度快，將智能自動化制造行業的生產水平提升到一個更高的層次，改進了以往落后的生產流程，得到廣大用戶的認可與肯定。隨著智能自動化生產的普及與發展，雙翌將為廣大生產行業帶來更全面、更精細、更智能化的技術及服務。