首页 > 工业机器人

集成机器人控制的自动化系统前景分析

来源:智造商2019.01.11阅读 7698

  工业机器人与通用机电设备的控制集成整合到一个自动化系统之中,对于制造企业来说会有很多显而易见的价值和益处;但与此同时,我们也发现,尽管市面上已经有了不少集成机器人控制的自动化系统方案,但目前绝大多数的工业机器人,却仍然是以使用独立的专用控制器为主的。

  PicSource:siemens.com | MyRobot

  首先,关于工业机器人普遍使用专用驱控系统的这种现状,个人觉得还是与工业机器人、自动控制技术长期相对独立、并行发展的历史背景有很大关系的。

  PicSource:KUKA | Famulus 1979

  我们知道,工业机器人与自动化控制这两种重要的现代制造技术,几乎是在同一个历史时期起步的。严格意义上说,机器人技术在工业领域的应用甚至要比 PLC、DCS 和变频驱动技术还要早,其发展很大程度上是源于某些行业特定的应用需求,目的是为了实现一些人工难以完成的操作,如:焊接、半导体加工、物料搬运...等。

  PicSource:machine design | Allen-Bradley 1774

  而以 PLC、DCS 为带代表的通用自动化控制系统,则是从处理设备系统的逻辑连锁和模拟信号开始的,然后经过很长一段时间的迭代发展,才逐渐相互融合,引入了软件、总线、人机界面、传动、运控、安全...等各种跨领域技术。

  PicSource:YASKAWA Global

  这就使得传统的工业机器人与通用自动化控制系统,二者在具体的应用场景上表现出极大的差异,例如:
  ■机器人控制的核心是空间坐标系内运动轨迹的运算与规划,通用自动化注重的则是设备(或产线)系统的流程和逻辑控制;
  ■多轴同步运动是机器人控制的基础,而这个对于通用自动化技术来说,却是在本世纪初集成运动控制技术出现后才有的概念;
  ■机器人控制属于小范围单机精细操作,而通用自动化控制所面对的却往往是一些比较复杂的大中型机电系统;
  ■...

  PicSource:KUKA | KR C4 Controller 

  可以说,过去这几十年,通用自动化产品的发展,尤其是在驱动与控制方面,一直都没能满足同时代机器人技术的应用需求。机器人产品的研发与迭代,从早期的液压传动和机电控制,到后来采用电机驱动和计算机控制,总是更倾向于选择将可用的机电技术直接整合到其中,成套打包交付给用户,而不是使用通用自动化领域的控制与驱动产品。

  PicSource:Control Engineering | ABB

  比如我们现在打开一台工业机器人的控制箱,看到的往往是专用的控制和驱动板卡,却很少会有通用的自动化控制器和伺服驱动模块;同时,板卡之间实时运控数据的通讯也经常是通过专用的背板总线完成的,而不太会使用我们所熟知的工业运控总线;此外,机器人产品还有着与通用自动化完全不同的软件操作系统。

  PicSource:B&R Automation

  所以,我们就不难想象,从技术角度看,要将传统的工业机器人控制,按照集成运动控制的方式,整合到通用的自动化系统之中,难度将会有多大。
  一方面,原本独立封装在机器人侧机箱内的驱动单元,将被市面上标准的伺服驱动器所替代,并整合到自动化设备的传动系统之中;另一方面,传统的工业机器人控制单元将在硬件层面彻底消失,以功能模块的形式嵌入到自动化控制的软件程序中去。最终,在机器人端不会再有专门的控制机箱,其机械本体(主要是电机与反馈)将直接接入产线 / 设备的驱动控制系统。

  PicSource:B&R Automation

  在这个过程中,硬件层面的整合主要是在做减法,应该并不会太复杂;而真正有难度的,其实是软件系统的集成。原因在于,通用自动化系统要能够整合并接管机器人的控制任务,一个重要前提,就是在其现有操作系统中融入机器人应用的开发环境,其中不仅应具备坐标系变换、模型参数配置、动态负载控制、路径轨迹规划...等一些列基础级别的应用功能,还需要能提供一些专属应用场景的操作选项,如:抓取、焊接、喷涂...等等;而这些在传统工业机器人领域,都是经过长期历史沉淀才得以形成的解决方案,并非一朝一夕就能被轻松移植到一个全新系统中去的;更重要的是,如果没有机器人厂商的配合,大部分传统自动化品牌几乎是没有能力独自开发出成熟可用的机器人应用系统的。

  PicSource:KEBA.com

  这看似是一个技术问题,实则表现为在业务模式上面临的挑战。试想一下,要将机器人功能按照上述方式集成到自动化系统中,对于任何厂商来说,其所需投入的研发与测试成本和将要承担的商业风险,都应该是相当之高的;再考虑到传统工业机器人现有的技术成熟度和市场体量,又有多少用户愿意为了这个未经充分验证的一体化方案买单呢?将机器人的驱动控制整个融入到自动化系统中,就一定会带来性价比和应用体验的提升吗?类似的质疑其实早年在集成运动控制技术刚出现时就曾出现过的,其结论自然是因行业应用背景与技术发展阶段的不同而有所差异的。

  PicSource:KEBA.com

  话说回来,这里面其实是有一个基本问题是必须要考虑的,那就是需求。尽管将机器人应用于设备产线这个总的趋势是没错的,但落实到具体的应用环境,它们应该如何被整合到一起,却肯定是需要因地制宜的评估和考量的。是深度融合,还是简单嫁接;设备体量如何,机器人数量多少;是相对独立运转,还是相互同步联动...等等这些,都是有待通过实测逐步论证的。而随着工业总线技术的发展,设备间互操作能力的提升,集成机器人控制的工业自动化系统,对于用户来说,将很可能仅仅是设备方案中一种有益的选项,却未必是必须的。

  PicSource:B&R Automation

  因此,若要研判这项技术(自动化系统集成机器人控制)的发展前景,主流机器人品牌与自动化厂商在具体产品层面的合作固然十分重要,例如:我们可以留意下 ABB 是否会把 B&R 之前和 COMAU 合作过的 openROBOTICS 升个级,用到自家的机器人上,攒出个什么新玩意儿出来;但与此同时,各行业细分领域那些专业级玩家的布局动作,尤其是设备制造商和企业用户的选择,也是非常真正值得关注的。