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無(wú)論是德國(guó)率先提出的“工業(yè)4.0”概念，美國(guó)推行的“先進(jìn)制造伙伴關(guān)系”計(jì)劃，還是日本正在實(shí)施的“智慧制造系統(tǒng)”和中國(guó)工信部通過(guò)的“中國(guó)制造2025規(guī)劃”，這些都指向同一個(gè)目標(biāo)，那就是希望通過(guò)先進(jìn)的IT與自動(dòng)化技術(shù)來(lái)促進(jìn)制造業(yè)的革新，以實(shí)現(xiàn)“智能化”，提升效率，降低成本。而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)工業(yè)機(jī)器人是不可或缺的一環(huán)。

以前，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛的是汽車制造業(yè)；現(xiàn)在，工業(yè)機(jī)器人制造企業(yè)正努力向其他領(lǐng)域拓展。工業(yè)機(jī)器人制造企業(yè)也如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅去年中國(guó)國(guó)內(nèi)差不多增加了200多加工業(yè)機(jī)器人制造廠商。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)前景，業(yè)界都是一致看好，普遍認(rèn)為未來(lái)5~10年將會(huì)迎來(lái)工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)爆發(fā)期。不過(guò)，要想在這一波浪潮中得益的話也并不容易。因?yàn)楣�業(yè)機(jī)器人涉及的系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，僅核心零部件就包括了機(jī)械系統(tǒng)、控制器、伺服器和減速器等等。本刊就工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題采訪了一些半導(dǎo)體廠商，詳細(xì)介紹了工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中的一些電子核心零部件。

控制器平臺(tái)之爭(zhēng)

在Altera公司亞太區(qū)工業(yè)業(yè)務(wù)部市場(chǎng)開(kāi)發(fā)首席經(jīng)理江允貴看來(lái)，有三個(gè)趨勢(shì)在推動(dòng)著工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展。

一是，提升能源效率，降低能源成本；

二是提升生產(chǎn)效率，這包括功能安全、生產(chǎn)線的穩(wěn)定安全、保護(hù)操作人員的安全、以及機(jī)器損壞的降低和更長(zhǎng)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(gè)因素達(dá)到后，才有可能實(shí)現(xiàn)智能工廠。他認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)化里的很關(guān)鍵一部分。

江允貴拿智能工廠舉例，他說(shuō)現(xiàn)在一個(gè)典型的的智能工廠，從企業(yè)到工廠，以及工廠內(nèi)如都是以工業(yè)以太網(wǎng)相連接的，他認(rèn)為用工業(yè)以太網(wǎng)取代傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，主要是因?yàn)楣�業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性更好。工業(yè)以太網(wǎng)可以連接主站和從站，連接主站中的PLC、PAC/運(yùn)動(dòng)控制器和HMI，和從站中的伺服器、I/O模塊等等。

他進(jìn)一步指出，其實(shí)工業(yè)機(jī)器人就是由這些關(guān)鍵零組件組合而成。由這些主站和從站可以組合成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人，也可以做成一個(gè)CNC，CNC也是工廠自動(dòng)化的一個(gè)關(guān)鍵。

雖然工業(yè)機(jī)器人可以看成是由上面的零組件組合而成，但具體到工業(yè)機(jī)器人里面的話也會(huì)有所不同。工業(yè)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)有機(jī)器人的控制器和伺服器。目前來(lái)說(shuō)工業(yè)機(jī)器人有兩軸、3軸的、最高也有7軸的。不過(guò)常用的是3~6軸的SCARA或Delta機(jī)械手臂。

由于中國(guó)是生產(chǎn)制造大國(guó)，由于缺工，智能手機(jī)和汽車制造商的需求，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)非常迅速。江允貴表示，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的主控平臺(tái)來(lái)說(shuō)，一般都是以基于PC的X86的工控機(jī)為主，特別是在歐美工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。一般在這樣的X86平臺(tái)上，F(xiàn)PGA是作為輔助存在的，主要充當(dāng)加速的功能。在一個(gè)X86工控機(jī)主控平臺(tái)上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多張PCI-E或PCI卡來(lái)實(shí)現(xiàn)多軸控制功能。不過(guò)這樣的主控平臺(tái)一般用于比較高端的工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中，因?yàn)樗�性能高，成本也高�?

還有一種主控平臺(tái)是用多核心的高端DSP為核心設(shè)計(jì)的，不過(guò)不是很常見(jiàn)的。

另外還有嵌入式主控平臺(tái)。江允貴表示，目前Altera正在關(guān)注這部分的市場(chǎng)。他們希望可以使用單芯片就能實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的控制，而不需要昂貴的X86平臺(tái)再加上FPGA來(lái)做機(jī)器人的控制。

工業(yè)機(jī)器人的種類比較多，其最主要的功能有焊接、搬運(yùn)、擺放、切割和噴漆等等。按照應(yīng)用場(chǎng)景的不同，機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求也會(huì)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(gè)快速、擺放型工業(yè)機(jī)器人參考設(shè)計(jì)方案。”江允貴這樣對(duì)本刊記者表示。該工業(yè)機(jī)器人的主站控制平臺(tái)由基于Cyclone V SoC的開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)。可以應(yīng)用在生產(chǎn)線上，包括螺絲的擺放，飲食業(yè)中食品(方便面，糖果等)的擺放。對(duì)擺放型工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，速度和精確度是最重要的參考指標(biāo)，因?yàn)橹挥羞@樣才能提高生產(chǎn)效率。“為達(dá)到高速和高精確度的指標(biāo)，我們?cè)谶@個(gè)參考設(shè)計(jì)中采用了目前最受歡迎的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)。EtherCAT屬于以太網(wǎng)，但經(jīng)過(guò)我們改良物理層后，可以達(dá)到更好的實(shí)時(shí)性。”江允貴表示。

為了證明這個(gè)工業(yè)機(jī)器人的性能，他通過(guò)視頻展示了該擺放型工業(yè)機(jī)器人在下跳棋、巡邊和畫圓周等運(yùn)動(dòng)方式。他認(rèn)為這三個(gè)運(yùn)動(dòng)方式可以很明顯地看出機(jī)器人的效能。

基于Altera Cyclone V SoC的單芯片工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

目前市場(chǎng)上還比較少見(jiàn)使用單芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的主站控制。從圖2中的系統(tǒng)架構(gòu)圖中可以看到，在主芯片的Cyclone V SoC中，雙核Cortex A9 ARM有一個(gè)核用作運(yùn)動(dòng)控制，另一個(gè)核用來(lái)做EtherCAT主站。雙核各自負(fù)責(zé)自己的功能，運(yùn)動(dòng)控制功能主要負(fù)責(zé)機(jī)器人3只手臂的協(xié)調(diào)工作，算法都放在ARM中。FPGA主要用來(lái)做Nios軟核功能。通過(guò)FPGA中的MAC出去以后，連接了3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器。據(jù)江允貴透露，參考設(shè)計(jì)中的伺服驅(qū)動(dòng)來(lái)自臺(tái)達(dá)。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)里面都有一個(gè)FPGA用來(lái)做EtherCAT接口。目前伺服驅(qū)動(dòng)里的算法還是通過(guò)DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)的。