智能工业机器控制系统设计的关键技术

智能工业机器控制系统设计的关键技术FieldSalesEngineerNationalInstruments议程机器制造领域趋势智能机器(SmartMachine)设计挑战NI嵌入式控制与监测平台高效的嵌入式控制与监测硬件图形化开发软件NI嵌入式运动控制虚拟原型技术NI的价值机器制造领域世界范围的竞争创新or淘汰更低的能耗,更高的效率

具有更高吞吐量的机器

自动化生产制造灵活的生成制造更高的质量,容忍零缺陷最大化正常运行时间智能机器设计什么是智能机器(SmartMachine)自主操作模块化生产设备高度灵活性环境意识避免和纠正处理错误自我分析和自我修复能力动态修改进程计划学习和预测基于模型控制及自适应控制

模拟与其他机器和系统交互互连系统–智能工厂共享的数据结构智能机器的设计挑战环境、机器进程和状态等信息不同的任务集成在一个控制器网络和数据存储高性能的控制系统产品上市时间压力应用举例：晶圆处理新的挑战：新材料和更薄的晶圆需要机械切割装置以更低的速度操作硅片抛光机需要承担越来越高的温度，需要在进程中予以考虑创新的机器制造商的机会：利用激光技术实现不同的切割工艺测量控制回路以监控抛光过程智能机器的关键技术嵌入式控制和监测系统模拟和专用I/O软件设计工具运动控制与机器视觉复杂的多轴运动更高效率和更高性能的电机虚拟原型和仿真运动控制机器视觉高速I/O触发引导(零部件位置，位置误差…)软件设计工具嵌入式控制和监测系统嵌入式控制与监测硬件嵌入式控制与监测硬件选项可编程逻辑控制器IndustrialPCsSingleBoardComputerComputeronModuleSolution自定制设计PLCPC-basedPLC/

SoftPLCEurocardATXVMEComExpresscPCISemi-customPLDsPCBsPC的变体机器控制器的发展趋势

OEM机器制造商和最终用户的关系正在发生变化原始设备制造商获得更多的责任更高的性能要求多控制器解决方案提供服务愈加重要可自定义的，现成的解决方案凭借最新的技术

高层次的软件工具更快的处理器

多核处理器工艺限制处理器的最大时钟速

将两个或多个处理单元集成到单个芯片

同时执行多个计算任务

软件开发工具需要支持并行执行嵌入式多核处理器技术可编程逻辑器件(PLD)高可靠性-设计成为自定制电路高精确度–在低至25ns的确定性速率下运行算法真正的并行处理-允许并行任务和流水线可重构-建立新的和改变现有的特定任务属性IP保护-不能从比特流中提取源代码像FPGAs这种软件可编程硬件在行业中被广泛使用逻辑块I/O单元互连自定制设计的复杂性硬件和软件成本机械部件（非电子）EDA开发工具成本设计规范和元件选择原型硬件设计硬件测试和验证软件开发软件测试和验证机械设计制造安装和工具生产测试兼容性和环境工程文档，培训和客户支持库存管理和EOL问题维护工程机会成本混合设计方法NI嵌入式平台可以提供自定制设计的特点，并具备商业现成可用硬件的(COTS)的高效率模拟输入模拟输出数字I/O自定义I/O处理器FPGA贯穿设计、原型与部署的标准架构跨越技术和平台的标准软件工具链集成的FPGA进行自定义处理，时序和控制NIRIO技术

具备自定义功能的现成可用平台模拟输入模拟输出数字I/O自定义I/O处理器FPGANIRIO平台的可扩展性1.33GHz的英特尔酷睿双核i7处理器通过VGA图形接口集成HMI可以部署LabVIEWReal-Time或

微软WindowsEmbeddedStandard7广泛的连接和扩展选项MXIExpress，双千兆以太网，串口，USB400兆赫的飞思卡尔PowerPC的处理器单板RIO架构LabVIEW实时操作系统XilinxSpartan-6FPGARIO子卡连接器（RMC）不同I/O选项的开发板为OEM应用优化成本PCRIO/RSeriesCompactRIOMulticoreCompactRIONISingle-BoardRIOPXI/NI

FlexRIO模拟输入模拟输出数字I/O自定义I/O处理器FPGA模拟和专用I/O的优势在控制回路中进行性能测量力反馈应用专用传感器状态监测过程监控机器状态监测质量检验热电偶4to20mA隔离RTD电阻加速度计应变计测压元件数字I/O麦克风7

年|100+模块电机驱动驱动接口图像采集模块工业通信编码器输入还有更多…

丰富的I/O模块CompactRIO

C系列MDK2.050+第三方模块，更容易开发第三方模块更好地在LabVIEW中集成第三方模块NISingle-BoardRIO夹层卡(RMC)可定制的用于特定应用的专用I/O嵌入式OEM制造商与合作伙伴的理想选择自定制I/O机箱LabVIEWReal-TimeLabVIEWFPGA实时控制器机器视觉工业通讯总线测量模块运动控制服务HMI时序同步平台核心支持组件嵌入式控制与监测平台软件设计工具方法内建库函数部署终端和仿真为工程师和科学家提供高效生产力的图形化开发环境硬件和通信APIs自定制用户界面技术抽象延长正常运行时间

减少备件和维修时间

延长维修周期

停止计划外中断

防止灾难性故障

避免受伤和环境危害减少废料和原材料的使用

提高产品质量

增加产量产量

优化机器性能和效率机器状态监测过程监控高级控制控制回路监测

力反馈

振动抑制信号处理,分析和数学的优势振动测量转速分析阶次分析极限测试信号处理、分析和数学的扩展库函数NISoftMotion软件开发模块运行在LabVIEW下的运动控制应用开发软件包在LabVIEW项目中进行配置与安装高级运动控制IP针对LabVIEWReal-Time和FPGA目标C系列驱动模块C系列驱动接口模块EtherCAT运动控制基于参数配置的窗口快速连接电机/motion丰富的API降低开发难度函数功能块API基于PLCOpen,61131开发标准属性节点与调用节点API调用底层函数实现高级功能ExpressVIAPI最高级函数，基于配置式开发运动控制运动控制的优势抽象电机控制的复杂性轨迹生成监控多轴同步先进的运动特征自定义功能模拟仿真与其他自动化任务的集成NI运动控制平台在图形化开发平台下集成I/O、运动控制与机器视觉控制器SingleBoardRIOCompactRIO步进NI9512伺服NI9514NI9516步进伺服PXI驱动接口模块

步进NI9501P7000伺服NI9505NI9502AKD驱动模块电机高级运动控制软件与算法PCI/PXINI运动控制产品提供全面的驱动器和电机模块卓越的性能有刷伺服，步进电机，无刷伺服功耗和尺寸范围为工业嵌入式LabVIEWNISoftMotion模块开放式电机控制IP轨迹发生器监控开放式运动控制API集成的硬件配置NI951x驱动接口模块NI9512步进NI9514伺服NI9516伺服(双编码器反馈)直接连接超过100种NI及第三方驱动器包含完整的运动控制I/O：home开关、限位开关、编码器、DIO支持RIO扫描接口，无需FPGA编程NI950x驱动模块NI9501步进NI9502无刷伺服NI9505有刷伺服通过CompactRIO模块直接控制电机并供电可基于现成LabVIEWFPGA线程函数实现电力电子控制功能与其他C系列I/O实现硬件同步其他运动控制硬件基于EtherCAT的运动控制NI9144C系列EtherCAT机箱AKD无刷伺服驱动来自合作伙伴的驱动器与电机P7000步进驱动器CT步进电机AKD无刷伺服驱动器AKM无刷伺服电机典型的CompactRIO运动控制系统搭建步进步进有刷伺服有刷伺服EthernetEtherCAT步进驱动器无刷伺服驱动触摸屏NI9501NI9505NI9512CompactRIO实时以太网实现运动控制的高确定性分布式同步NI9144扩展机箱纳秒级确定性开放的FPGA编程通过普通网线连接通过菊花链扩展到更多机箱NI9144实时以太网扩展机箱机器视觉的优势高速分拣可追溯性和鉴定条形码阅读OCR，数据矩阵分级网络检查机器人或运动系统指引取放包装检查缺陷检测等等PXI

视觉系统基于PC的视觉系统独立式视觉系统智能相机NI视觉产品基于PC的视觉系统Compact视觉系统嵌入式视觉系统尺寸性能高性能cRIO系统智能相机NI视觉功能图像增强校准图像过滤噪声消除失真目标检测测量密度颗粒计数颜色匹配定位模式匹配几何匹配边缘检测识别文本读取(OCR)读取1D条形码读取2D码形状分类测量边缘检测测量距离计算几何尺寸运动控制-机器视觉高级集成协同集成应用举例:WebInspection同步集成应用举例:High-speedsorting视觉引导运动应用举例:FlexibleFeeding视觉伺服控制应用举例:VisualServoing一体化水平视频演示：BallBalancerDemo案例：使用NICompactRIO和LabVIEW的完成半导体拾取与放置机台挑战：半导体机台要求精细，尤其在取放机台开发上，除了需要考虑到视觉，运动的精准外，整体程式架构的完成更是一大挑战。解决方案：借由LabVIEW中的高相容性和高整合性，加上NI的硬件，“软件定制控制器“的概念，在我们机台上完整的呈现。“cRIO9068控制器加上Kollmorgen的组合，其内建的SoftMotion的直接帮我们解决最艰难的RT/FPGA程式撰写，让我们可以短时间内迅速完成机台系统的开发，大幅缩短开发时间。”

-王国寿，MasterMachinery虚拟原型和仿真虚拟原型使用NILabVIEW和NISoftMotion设计运动控制应用使用SolidWorks中验证运动轨迹建立物理原型之前优化设计确定机械/电气边界的设计问题虚拟逼真的机器操作动态系统仿真与控制动态系统的仿真系统辨识PID与模糊逻辑控制模拟接口用于快速控制原型和硬件在环仿真的实时控制硬件SolidWorks下的3D运动机械结构NISoftMotion下实现交互仿真与验证NISoftMotion编程接口用户代码SoftMotion引擎硬件接口交互式验证机械CAD模型LabVIEW项目CompactRIO与NI运动控制硬件虚拟原型在LabVIEW下的实现无需修改VI视频演示：键盘测试系统的虚拟原型案例：基于虚拟原型技术优化6轴机器手运动流程挑战：在求解六轴机器人手臂的逆运动学方程后，无需装配物理测试平台，借助LabVIEW仿真测试运动性能，优化设计方法解决方案:NICompactRIO+NI9512x6基于NISoftMotionforSolidWorks进行虚拟原型仿真视觉与运动控制的紧密集成“在所有选项中，我们选择采用LabVIEW作为我们的控制编程工具，配合上全新的NI工具包和模块，它们是可能满足我们系统开发需求的良好解决方案。” ——LisaMosier,SquareOneSystemsDesignInc.

世界范围的竞争创新or淘汰更低的能耗,更高的效率

具有更高吞吐量的机器

更加智能的机器自动化生产制造灵活的生成制造更高的质量,容忍零缺陷NationalInstruments价值最大化正常运行时间NI对于机器生产制造商的价值更快的上市时间/高效生产力维护,生命周期管理

价格/总共成本性能