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無論是德國率先提出的“工業4.0”概念，美國推行的“先進制造伙伴關系”計劃，還是日本正在實施的“智慧制造系統”和中國工信部通過的“中國制造2025規劃”，這些都指向同一個目標，那就是希望通過先進的IT與自動化技術來促進制造業的革新，以實現“智能化”，提升效率，降低成本。而要實現這個目標工業機器人是不可或缺的一環。 以前，工業機器人應用最為廣泛的是汽車制造業；現在，工業機器人制造企業正努力向其他領域拓展。工業機器人制造企業也如雨后春筍般不斷涌現，據統計僅去年中國國內差不多增加了200多加工業機器人制造廠商。對于工業機器人的市場前景，業界都是一致看好，普遍認為未來5~10年將會迎來工業機器人的一個爆發期。不過，要想在這一波浪潮中得益的話也并不容易。因為工業機器人涉及的系統相當復雜，僅核心零部件就包括了機械系統、控制器、伺服器和減速器等等。本刊就工業機器人的關鍵技術問題采訪了一些半導體廠商，詳細介紹了工業機器人當中的一些電子核心零部件。 控制器平臺之爭 在Altera公司亞太區工業業務部市場開發首席經理江允貴看來，有三個趨勢在推動著工業自動化市場的蓬勃發展。 一是，提升能源效率，降低能源成本； 二是提升生產效率，這包括功能安全、生產線的穩定安全、保護操作人員的安全、以及機器損壞的降低和更長的生命周期和可靠度； 三是所謂的智能工廠。而只有前面兩個因素達到后，才有可能實現智能工廠。他認為工業機器人是自動化里的很關鍵一部分。 江允貴拿智能工廠舉例，他說現在一個典型的的智能工廠，從企業到工廠，以及工廠內如都是以工業以太網相連接的，他認為用工業以太網取代傳統的以太網，主要是因為工業以太網的實時性更好。工業以太網可以連接主站和從站，連接主站中的PLC、PAC/運動控制器和HMI，和從站中的伺服器、I/O模塊等等。 他進一步指出，其實工業機器人就是由這些關鍵零組件組合而成。由這些主站和從站可以組合成一個工業機器人，也可以做成一個CNC，CNC也是工廠自動化的一個關鍵。 雖然工業機器人可以看成是由上面的零組件組合而成，但具體到工業機器人里面的話也會有所不同。工業機器人的主要結構有機器人的控制器和伺服器。目前來說工業機器人有兩軸、3軸的、最高也有7軸的。不過常用的是3~6軸的SCARA或Delta機械手臂。 由于中國是生產制造大國，由于缺工，智能手機和汽車制造商的需求，工業機器人市場增長非常迅速。江允貴表示，對于工業機器人的主控平臺來說，一般都是以基于PC的X86的工控機為主，特別是在歐美工業機器人市場。一般在這樣的X86平臺上，FPGA是作為輔助存在的，主要充當加速的功能。在一個X86工控機主控平臺上經常會出現多張PCI-E或PCI卡來實現多軸控制功能。不過這樣的主控平臺一般用于比較高端的工業機器人當中，因為它性能高，成本也高。 還有一種主控平臺是用多核心的高端DSP為核心設計的，不過不是很常見的。 另外還有嵌入式主控平臺。江允貴表示，目前Altera正在關注這部分的市場。他們希望可以使用單芯片就能實現工業機器人的控制，而不需要昂貴的X86平臺再加上FPGA來做機器人的控制。 工業機器人的種類比較多，其最主要的功能有焊接、搬運、擺放、切割和噴漆等等。按照應用場景的不同，機器人的設計要求也會不一樣，比如有的需要高速手臂、有的需要慢速、有的需要扭力大、有的需要很高的精密度等等不一而足。 “近期Altera就利用單顆SoC芯片制作出了一個快速、擺放型工業機器人參考設計方案。”江允貴這樣對本刊記者表示。該工業機器人的主站控制平臺由基于Cyclone V SoC的開發板實現。可以應用在生產線上，包括螺絲的擺放，飲食業中食品(方便面，糖果等)的擺放。對擺放型工業機器人來說，速度和精確度是最重要的參考指標，因為只有這樣才能提高生產效率。“為達到高速和高精確度的指標，我們在這個參考設計中采用了目前最受歡迎的EtherCAT工業以太網。EtherCAT屬于以太網，但經過我們改良物理層后，可以達到更好的實時性。”江允貴表示。 為了證明這個工業機器人的性能，他通過視頻展示了該擺放型工業機器人在下跳棋、巡邊和畫圓周等運動方式。他認為這三個運動方式可以很明顯地看出機器人的效能。
目前市場上還比較少見使用單芯片來實現工業機器人的主站控制。從圖2中的系統架構圖中可以看到，在主芯片的Cyclone V SoC中，雙核Cortex A9 ARM有一個核用作運動控制，另一個核用來做EtherCAT主站。雙核各自負責自己的功能，運動控制功能主要負責機器人3只手臂的協調工作，算法都放在ARM中。FPGA主要用來做Nios軟核功能。通過FPGA中的MAC出去以后，連接了3個伺服驅動器。據江允貴透露，參考設計中的伺服驅動來自臺達。每個伺服驅動里面都有一個FPGA用來做EtherCAT接口。目前伺服驅動里的算法還是通過DSP來實現的。 |
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