工业机器人速度快，30岁灵活

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提到机器人，甚至工程师都可能会想到索尼(Sony)的爱宝(Aibo)宠物狗或《杰森一家》(Jetson)的家庭助手。iRobot公司(马萨诸塞州萨默维尔)的机器人产品最近也上了新闻，它们帮助军队在阿富汗搜寻洞穴，帮助考古学家在埃及沙漠中搜寻坟墓。

也许有些人甚至在考虑使用“Roomba”真空清洁机器人。

许多并不遥远的应用正在解决越来越多的制造问题。

自SCARA(选择性柔性装配机器人手臂)机器人发明以来的30年里，工业机器人已经成为制造业的主力。重型工业六轴机器人继续在汽车应用中提供有价值的工作，如点焊，拆卸发动机缸体等重型物体，以及将零件装入压力机等危险设备。其中包括封面上的发那科机器人(罗切斯特山，MI)模型，该模型在本田(安娜，OH)发动机工厂工作，集成了DVT(诺克罗斯，GA)视觉系统。SCARA机器人也用于自动化装配设备的小型码垛和去码垛应用，以及半导体机器应用中经常出现的其他小型装配工作。

对于那些不熟悉SCARA机器人的人来说，这些是铰接式拾取单元。拾取设备通常在两个轴上操作-进出x轴和上下z轴-这种机器人类型结合了一个或两个枢轴点，在一个区域加上z轴上产生广泛的x-y覆盖范围。与强大的控制器一起，它们具有高速度和高精度。

高架龙门机器人或“笛卡尔”机器人在固定的xy和z轴上移动，它们可以非常大，可以将大型部件从一个传送带移动到另一个传送带或从一台机器移动到另一台机器。使用商业开发的技术，如火线网络、改进的编码器和并行处理控制器(稍后讨论)，使它们能够用于更小、高速和高精度的应用，如组件组装和封装。

“Delta”机器人是最近的一项发展，它将新的高速控制能力与太空时代的材料相结合，形成了一种高速而灵活的拾取、分拣和其他类似应用的解决方案。下面详细描述了ABB机器人公司(新柏林，WI)的一个例子。

并不是所有的机器人创新都出现在炫目的商业玩具和电器上。在工业应用中还有很多机会。

博世力士乐(密歇根州布坎南)营销服务经理凯文·金里奇断言，“博世30年前发明了SCARA机器人。在此期间，我们一直在努力使控件和操作界面更易于使用。为了做到这一点，我们在1998年转向了基于pc的控制。

我们使用风河的VxWorks实时操作系统(RTOS)和微软的Windows NT。这种组合为我们提供了可靠的控制能力，以及集成操作界面、视觉和其他Windows应用程序的能力。”

系统集成商一直在寻求为客户增加商业系统价值的方法，机器人技术也不例外。金里奇先生指出，附属集成商要求找到进入RTOS的方法，这样他们就可以访问dll、OPC服务器、定位命令和I/O调用。以太网连接支持本地或远程故障排除和程序更新。

此外，博世在其SCARA系列中加入了绝对编码器，从而消除了启动时自动“归位”命令的需要。考虑到适当的程序和安全考虑，开发人员可以构建一个足够大的单元，而不会浪费空间，这样机器人就可以在返回周期内访问整个范围。

笛卡儿坐标

不过，除了SCARA，还有更多种类的机器人。在传送带上建立一个矩形框架，在x轴和y轴上添加运动，用铰接的末端执行器和控制和运动学建立一个z轴，就有了一个龙门架或笛卡尔机器人。这些可以非常快，精度高。用途包括挑选随机分散在输送机上的部件，用于码垛或固定或小部件组装。

构建这些设备所面临的挑战包括控制集成、伺服放大器到各种运动组件、组件尺寸以及控制到伺服通信。

Adept Technology(加州利弗莫尔)副总裁Joe Campbell提出了一个挑战，参见侧栏。找到一个可靠的，但非常快速的通信链路允许使用分布式放大器。他指出，为伺服放大器添加智能、通信和电源，可以设计出分布在机器上的更小的设备，从而大大减少了控制外壳。

他补充说:“我们将继续推进智能架构，在整个网络中重新部署功率放大器，并发布智能伺服套件。”该套件是一个一体化的控制系统，包括完整的运动学，因此工程师可以建造自己的机器人。”

制造定制工业机器人的想法可能听起来遥不可及，但有像Adept这样的知名机器人公司提供组件，这似乎更加可行。

另一家公司提供硬件和软件平台，允许工程师为OEM或特殊机器应用构建定制机器人解决方案。新的Micros (Dallas, TX)名为IsoPod的小型控制器板包含内置的高级语言和并行处理操作系统。

它的12个脉宽调制(PWM)输出可以单独控制一个伺服，也可以组合控制两个无刷直流电机。它可以被编程来提供协调的控制轴。附带的编程语言IsoMax基于状态机的概念。编写实时任务需要描述感知条件、采取行动并移动到新状态的虚拟机。“虚拟并行机架构”(VPMA)允许安装多个这样的状态机，并以虚拟并行的方式独立运行。其效果类似于同时运行20台类似邮票的微型计算机，每台计算机都有一个任务。

如果有什么概念在控制工程师(至少在控制工程师的供应商中)心中引起争议，那就是“开放控制”。“讨论的焦点在于，究竟是开放平台还是专有平台，哪个平台能为oem和终端用户提供更好的价值。开放平台一般建立在商用PC技术之上，为许多供应商提供产品提供接口。在这种体系结构中，终端控制设计人员几乎从头开始构建系统。另一方面，在专有解决方案中，一个供应商保证所有系统部件将一起工作。

在机器人技术中，很多控制都是针对整个系统的，因此整个系统是封闭的。公司已经逐渐将一些内部数据暴露给自动化系统进行通信。然而，一些公司已经从头开始制造开放式机器人控制器。

对基于PC技术的开放式控制的一个批评是可靠性。Cimetrix公司(盐湖城，犹他州)的首席技术官史蒂夫·索伦森(Steve Sorensen)指出，一家包装OEM成功地利用基于pc的控制和软件PLC逻辑引擎，制造出了一款高速德尔塔式包装机器人。SigPak机器的成功表明，开放式控制具有鲁棒性和可靠性。

开放式控制灵活性

为什么要使用这种类型的控制?的灵活性。该系统在机器人上闭合运动回路，运行软件PLC实现离散逻辑，集成视觉帧采集器，实现高速输送机跟踪。Sorensen说，集成商可以用IEC 61131、C、c++或多种语言的组合构建应用程序，例如，使公司能够用c++编写自定义排序算法，并将其作为梯形图中的功能块公开。这给了原始设备制造商很大的动力。

在机器人项目中考虑开放式控制的另一个原因是需要进行控制改造的情况。很多时候，机器人的机械部件仍然完好无损，液压系统很容易翻新，但控制器可能严重过时，甚至不受支持。在这种情况下，工程师必须考虑到原来的制造商进行控制改造，报废机器人，或考虑一个开放的控制替代方案。

机器人工作空间技术公司(RWT, Fort Meyers, FL)的总裁Walt Weisel说:“我们已经看到我们的开放式控制装置安装在一个老机器人上，并在一个周末内启动并运行。通常，开放式控制器的成本低于制造商提供的二手控制器。此外，PC使用商用组件。如果其中一个出现故障，获得替换比使用专有控制器更容易、更快。”

RWT的机器人控制器被设计成集成在许多机器人上。它的编程语言是微软Visual Basic的衍生产品。为不同的设备部件使用单一语言有利于拥有来自多个制造商的机器人的商店。

将绝对编码器与机器人技术相结合产生了上述好处。其他自动化组件也为传统机器人增加了动力和灵活性。

发那科机器人在抓手机构中增加了集成力传感器的3d视觉，这样六轴机器人就可以随机挑选存储在垃圾箱或堆在托盘中的零件。通过将传统的六轴机器人放置在受控轨道上，该公司结合了六轴和龙门机器人应用的优点，覆盖了更大的工作区域。地理比以前更重要。此外，一个支持互联网的吊坠为操作员和技术人员提供了比以前更多的权力，可以从一个位置监控整个工厂的机器人并对其进行故障排除。

ABB公司的FlexPicker(见图)机器人臂部采用碳纤维材料，可实现超快速拾取。ABB机器人集成项目负责人Joe Crompton表示:“这款机器人每分钟能够拾取150次，加速度高达15g。它的最佳应用是更轻的有效载荷，例如，通常为1公斤(约0.5磅)。它是理想的捡起小零件移动迅速随机沿输送机和包装放置。巧克力、蛋糕和其他食品、电子和机械部件以及制药都是目标行业。”

ABB的FlexPicker可与康耐视(Natick, MA)视觉系统集成。近20年来，视觉公司和机器人公司已经改善了这两个产品领域的协调，以简化设置和使用，并为新的应用开辟了可能性。康耐视产品营销总监乔治·布莱克威尔(George Blackwell)补充说，以太网连接极大地促进了这种集成。

视觉传感器公司DVT (Norcross, GA)在其“blob工具”中提供了一个坐标系统，可以将位置转换为现实世界的值，并以x-y坐标传递给机器人。

对于那些需要移动部件的人来说，无论是将发动机缸体装载到传送带上还是将巧克力装入托盘，机器人产品很可能会提供快速、准确、经济高效的解决方案。

评论?电子邮件gmintchell@reedbusiness.com。

工厂的火线

火线(IEEE 1394)在分布式控制体系结构中越来越受欢迎，特别是在高性能、复杂的运动控制方面。为什么考虑火线而不是其他运动总线，如SERCOS或现场总线衍生物?

尽管FireWire具有消费者传统，但它为工业自动化带来了显著的优势。它成本低，速度极快，并提供功能信号模式，特别适合先进的运动控制。它将这些功能结合在一个架构中是独一无二的。

IEEE 1394-A提供400兆比特/秒的性能，比大多数工业串行总线快三个数量级，比各种现场总线网络快近1000倍。事实上，最新实现的1394-B可与广泛使用的背板解决方案竞争，并为控制系统设计人员提供了真正实现分布式处理的机会。在集成机器视觉和运动控制的系统中，只有火线才有带宽支持多摄像机图像传输，并与复杂的运动控制并排。

另一个特性是等时(等间隔)传输模式。高级运动控制，特别是复杂机构的协调运动控制，要求严格的基于时间的处理。这对于所有闭环伺服控制以及数据采集和集成机器视觉和运动控制至关重要。1394提供了一个高度确定性的网络，不仅保证了传递时间，而且保证了每条消息的传递顺序。

同时，异步(非同步)传输模式支持以可接受的延迟响应外部事件。FireWire允许在任何总线时钟周期内由网络上的任何设备生成异步事件消息，并且这些消息可以以已知和可预测的延迟传播。1394-B有一个异步时间窗口来支持最苛刻的应用程序:62.5微秒，预计将下降16微秒

与以主机为中心的网络(如以太网和USB)不同，FireWire支持直接从节点到节点的完整通信。通过绕过由中央处理负载引起的各种延迟，1394在节点到节点通信中是快速和确定的。这种点对点特性还可以在没有PC存在的情况下启用高性能嵌入式应用程序。

在多个节点上同步进程启动或停止，或提示安全违规，是复杂运动控制系统的常见要求。火线的广播模式允许消息从系统中的任何一点发送到所有其他节点。

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独家:

信号调节器辅助运动控制电路

weidm ller (Richmond, VA)的“微模拟”dc/dc模拟信号调节器在纤细的6.1毫米DIN导轨安装封装中提供重要的电气保护。这种模拟信号调节器具有3端口隔离，这在降低隔离电压足够高以消除低功率电平的接地和接地回路的应用中尤其重要。

定位系统——机器人应用的支柱——需要消除来自地面和控制信号的噪声。控制回路中的诱导噪声会降低系统的精度和性能。这种信号调节器可以很容易地用于隔离和/或转换模拟信号，同时节省宝贵的面板空间。

一个模块可以满足大多数标准功能。输入和输出是dip开关可选择0-10 V, 0-20 mA，或4-20 mA。此外，当拨码开关随电源变化时，模块不会损坏。

电源和接地交叉连接，避免了每个模块的冗余电源和接地连接，加快了安装速度。

两个螺丝或张力钳版本是可用的。低功耗0.6 W，允许“并排”安装在面板上。

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