集成機器人控制的自動化系統前景分析

 工業機器人與通用機電設備的控制集成整合到一個自動化系統之中,對于制造企業來說會有很多顯而易見的價值和益處;但與此同時,我們也發現,盡管市面上已經有了不少集成機器人控制的自動化系統方案,但目前絕大多數的工業機器人,卻仍然是以使用獨立的專用控制器為主的。
  PicSource:siemens.com | MyRobot
  首先,關于工業機器人普遍使用專用驅控系統的這種現狀,個人覺得還是與工業機器人、自動控制技術長期相對獨立、并行發展的歷史背景有很大關系的。
  PicSource:KUKA | Famulus 1979
  我們知道,工業機器人與自動化控制這兩種重要的現代制造技術,幾乎是在同一個歷史時期起步的。嚴格意義上說,機器人技術在工業領域的應用甚至要比 PLC、DCS 和變頻驅動技術還要早,其發展很大程度上是源于某些行業特定的應用需求,目的是為了實現一些人工難以完成的操作,如:焊接、半導體加工、物料搬運…等。
  PicSource:machine design | Allen-Bradley 1774
  而以 PLC、DCS 為帶代表的通用自動化控制系統,則是從處理設備系統的邏輯連鎖和模擬信號開始的,然后經過很長一段時間的迭代發展,才逐漸相互融合,引入了軟件、總線、人機界面、傳動、運控、安全…等各種跨領域技術。
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  這就使得傳統的工業機器人與通用自動化控制系統,二者在具體的應用場景上表現出極大的差異,例如:
  ■機器人控制的核心是空間坐標系內運動軌跡的運算與規劃,通用自動化注重的則是設備(或產線)系統的流程和邏輯控制;
  ■多軸同步運動是機器人控制的基礎,而這個對于通用自動化技術來說,卻是在本世紀初集成運動控制技術出現后才有的概念;
  ■機器人控制屬于小范圍單機精細操作,而通用自動化控制所面對的卻往往是一些比較復雜的大中型機電系統;
  ■…
  PicSource:KUKA | KR C4 Controller
  可以說,過去這幾十年,通用自動化產品的發展,尤其是在驅動與控制方面,一直都沒能滿足同時代機器人技術的應用需求。機器人產品的研發與迭代,從早期的液壓傳動和機電控制,到后來采用電機驅動和計算機控制,總是更傾向于選擇將可用的機電技術直接整合到其中,成套打包交付給用戶,而不是使用通用自動化領域的控制與驅動產品。
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  比如我們現在打開一臺工業機器人的控制箱,看到的往往是專用的控制和驅動板卡,卻很少會有通用的自動化控制器和伺服驅動模塊;同時,板卡之間實時運控數據的通訊也經常是通過專用的背板總線完成的,而不太會使用我們所熟知的工業運控總線;此外,機器人產品還有著與通用自動化完全不同的軟件操作系統。
  PicSource:B&R Automation
  所以,我們就不難想象,從技術角度看,要將傳統的工業機器人控制,按照集成運動控制的方式,整合到通用的自動化系統之中,難度將會有多大。
  一方面,原本獨立封裝在機器人側機箱內的驅動單元,將被市面上標準的伺服驅動器所替代,并整合到自動化設備的傳動系統之中;另一方面,傳統的工業機器人控制單元將在硬件層面徹底消失,以功能模塊的形式嵌入到自動化控制的軟件程序中去。最終,在機器人端不會再有專門的控制機箱,其機械本體(主要是電機與反饋)將直接接入產線 / 設備的驅動控制系統。
  PicSource:B&R Automation
  在這個過程中,硬件層面的整合主要是在做減法,應該并不會太復雜;而真正有難度的,其實是軟件系統的集成。原因在于,通用自動化系統要能夠整合并接管機器人的控制任務,一個重要前提,就是在其現有操作系統中融入機器人應用的開發環境,其中不僅應具備坐標系變換、模型參數配置、動態負載控制、路徑軌跡規劃…等一些列基礎級別的應用功能,還需要能提供一些專屬應用場景的操作選項,如:抓取、焊接、噴涂…等等;而這些在傳統工業機器人領域,都是經過長期歷史沉淀才得以形成的解決方案,并非一朝一夕就能被輕松移植到一個全新系統中去的;更重要的是,如果沒有機器人廠商的配合,大部分傳統自動化品牌幾乎是沒有能力獨自開發出成熟可用的機器人應用系統的。
  PicSource:KEBA.com
  這看似是一個技術問題,實則表現為在業務模式上面臨的挑戰。試想一下,要將機器人功能按照上述方式集成到自動化系統中,對于任何廠商來說,其所需投入的研發與測試成本和將要承擔的商業風險,都應該是相當之高的;再考慮到傳統工業機器人現有的技術成熟度和市場體量,又有多少用戶愿意為了這個未經充分驗證的一體化方案買單呢?將機器人的驅動控制整個融入到自動化系統中,就一定會帶來性價比和應用體驗的提升嗎?類似的質疑其實早年在集成運動控制技術剛出現時就曾出現過的,其結論自然是因行業應用背景與技術發展階段的不同而有所差異的。
  PicSource:KEBA.com
  話說回來,這里面其實是有一個基本問題是必須要考慮的,那就是需求。盡管將機器人應用于設備產線這個總的趨勢是沒錯的,但落實到具體的應用環境,它們應該如何被整合到一起,卻肯定是需要因地制宜的評估和考量的。是深度融合,還是簡單嫁接;設備體量如何,機器人數量多少;是相對獨立運轉,還是相互同步聯動…等等這些,都是有待通過實測逐步論證的。而隨著工業總線技術的發展,設備間互操作能力的提升,集成機器人控制的工業自動化系統,對于用戶來說,將很可能僅僅是設備方案中一種有益的選項,卻未必是必須的。
  PicSource:B&R Automation
  因此,若要研判這項技術(自動化系統集成機器人控制)的發展前景,主流機器人品牌與自動化廠商在具體產品層面的合作固然十分重要,例如:我們可以留意下 ABB 是否會把 B&R 之前和 COMAU 合作過的 openROBOTICS 升個級,用到自家的機器人上,攢出個什么新玩意兒出來;但與此同時,各行業細分領域那些專業級玩家的布局動作,尤其是設備制造商和企業用戶的選擇,也是非常真正值得關注的。
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