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隨著自動化投資回報(bào)的增加以及工廠所有者的總擁有成本的降低，與人類一起工作的工業(yè)機(jī)器人正在不斷增加。這些機(jī)器人正在自動執(zhí)行以前只有人類才能完成的任務(wù)，這種現(xiàn)象不僅發(fā)生在大規(guī)模制造中，而且也發(fā)生在中小型企業(yè)中，業(yè)界把這種趨勢視為自動化的“民主化”。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展離不開半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，在工業(yè)自動化領(lǐng)域的主要半導(dǎo)體方案提供商中，ADI公司一直在提高工業(yè)機(jī)器人的能力上發(fā)揮著積極作用，在運(yùn)動控制、功能安全、高級檢測和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，專家團(tuán)隊(duì)正在不斷創(chuàng)造適用于工廠車間及更多領(lǐng)域的機(jī)器人和協(xié)作式機(jī)器人的新技術(shù)，本文將從該公司在機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)布局，看看在工業(yè)機(jī)器人日益普及的當(dāng)下如何提高生產(chǎn)制造的精度。
傳統(tǒng)機(jī)器人和新興機(jī)器人在構(gòu)架上的PK
機(jī)器人的核心部分是用于運(yùn)動控制的伺服驅(qū)動器，每個軸的運(yùn)動必須與其他所有軸在時間上同步和一致，以便機(jī)器臂可以在一定的時間和空間里走過預(yù)定義的路徑。每個電機(jī)都有一個伺服器，多軸伺服器可以控制一個以上的電機(jī)，但是無論哪種方式，每個伺服器必須以適當(dāng)?shù)姆绞竭B接在一起，并滿足特定機(jī)器人設(shè)計(jì)的規(guī)范。傳統(tǒng)上需要一個大型外部控制柜，其中包含所有伺服關(guān)節(jié)和電力電子設(shè)備。使用長線纜連接到機(jī)器人本身，機(jī)器人的每個軸上都裝有電機(jī)，線纜既有每個電機(jī)的高壓交流信號，也有來自每個軸上的每個狀態(tài)傳感器或編碼器的低壓狀態(tài)反饋信號。這種架構(gòu)的缺點(diǎn)是機(jī)柜尺寸必須與它所控制的機(jī)器人的尺寸完全匹配，而且很難添加新元件，例如新的軸、線性環(huán)或作為機(jī)器人移動的桌子。添加新傳感器也很困難，即使可以添加，也必須將額外的電纜連回到控制柜。這就大大降低了機(jī)器人的可擴(kuò)展性和靈活性。對于像這樣的傳統(tǒng)架構(gòu)，高效改變系統(tǒng)要困難得多。
隨著制造業(yè)格局的變化，靈活性對于制造商改變生產(chǎn)線或批次規(guī)模至關(guān)重要。為了響應(yīng)新的或不斷變化的消費(fèi)者需求，機(jī)器人架構(gòu)需要更加注重與伺服驅(qū)動器的集成，每個軸上都有電動機(jī)，這與市場上機(jī)器人的體積更小、重量更輕的趨勢緊密相關(guān)。近年來，機(jī)器人控制柜的尺寸越來越小，一些控制柜減小到盒子般大小，機(jī)柜和通信網(wǎng)絡(luò)的直流電源線纜也發(fā)生了變化。 這種架構(gòu)支持增加軸和傳感器，并將所有東西都連接到機(jī)器人的通信網(wǎng)絡(luò)和直流電源，所有電力電子設(shè)備和控件都在每個軸的每個集成驅(qū)動器內(nèi)部。這種架構(gòu)帶來了極大的靈活性，允許通過軟件改變系統(tǒng)，但這給內(nèi)部機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)及其功能帶來了新的挑戰(zhàn)。
一個新興機(jī)器人中通常至少有三個網(wǎng)絡(luò)甚至更多。外部網(wǎng)絡(luò)將機(jī)器人控制器連接到POC。 這基本上是工廠網(wǎng)絡(luò)，除非機(jī)器人是獨(dú)立的，一般會插入到更高級別的網(wǎng)絡(luò)中。該連接通常必須是多協(xié)議的，因?yàn)闄C(jī)器人制造商不知道機(jī)器人連接的是哪種系統(tǒng)。例如，可能是Profinet系統(tǒng)、EtherCAT系統(tǒng)或其他系統(tǒng)。因此，它基本上需要是多協(xié)議的。機(jī)器人內(nèi)部通常會有兩個網(wǎng)絡(luò)：第一個是伺服控制網(wǎng)絡(luò)，它將機(jī)器人控制器連接到每個伺服驅(qū)動器，并將更新的位置命令傳送到每個伺服器；另一個是位置檢測網(wǎng)絡(luò)，該位置信息或結(jié)果傳送回相關(guān)的伺服驅(qū)動器。所以多協(xié)議實(shí)時確定性以太網(wǎng)通信對于工廠環(huán)境中的多軸機(jī)器人至關(guān)重要，ADI的Chronous工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品組合提供了一系列解決方案，包括平臺、交換芯片和物理層套件，支持所有主要的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，并提供多協(xié)議靈活性、易用性和支持。這些面向未來的產(chǎn)品適用于當(dāng)今的工業(yè)以太網(wǎng)和未來基于融合網(wǎng)絡(luò)的時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。
實(shí)時以太網(wǎng)多協(xié)議交換下的多軸同步網(wǎng)絡(luò)
機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)的需求主要是管理該網(wǎng)絡(luò)中的流量。因此，機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)中的流量通常是在一條線上建立的，流量流入伺服驅(qū)動器的網(wǎng)絡(luò)端口，進(jìn)入PHY流入下圖所示的以太網(wǎng)，再流入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程，或者可以根據(jù)特定數(shù)據(jù)包的目的地將其路由到下一個節(jié)點(diǎn)。因此，該環(huán)路中的延遲和流量管理對于確保系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行至關(guān)重要。
實(shí)時以太網(wǎng)多協(xié)議交換機(jī)通過流量優(yōu)先級排序和時間敏感協(xié)議來管理擁塞，確保通過系統(tǒng)的流量得到適當(dāng)管理，無論是視頻流還是用于其他傳感器（例如抓取器系統(tǒng)）的流量，與運(yùn)動控制流量相比，這些流量的優(yōu)先級可能不高。
在所有軸都需要同步的多軸網(wǎng)絡(luò)中，延遲性能至關(guān)重要。機(jī)器人設(shè)計(jì)人員的控制周期通常低至50到25微秒，在此周期內(nèi)，每個新的位置參考和其他相關(guān)信息必須從機(jī)器控制器傳輸?shù)矫總�節(jié)點(diǎn)或軸。這些節(jié)點(diǎn)中的每個節(jié)點(diǎn)還必須更新伺服控制算法并同時驅(qū)動所有相關(guān)器件。PHY低延遲會直接影響整體時序預(yù)算，而且這些延遲會累積。
此外，根據(jù)機(jī)器人的架構(gòu)和控制方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，某些控制算法實(shí)際上可以駐留在PLC中，這會增加復(fù)雜性和時間獨(dú)立性。因此，機(jī)器人等高性能多軸同步運(yùn)動應(yīng)用要求控制時序是確定性的，以最小化端到端延遲時間，尤其是隨著控制周期時間的縮短和控制算法復(fù)雜性的提高，低延遲PHY和嵌入式以太網(wǎng)交換機(jī)是優(yōu)化這些系統(tǒng)的重要元素。
如何解決上述全部挑戰(zhàn)，使PHY具有行業(yè)領(lǐng)先的魯棒性和延遲性能呢？ADI針對機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)的PHY收發(fā)器ADIN 1300和ADIN 1200，是專為ADI最新擴(kuò)展的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案Chronous™而開發(fā)的最新技術(shù)，提供低功耗、低延遲和穩(wěn)健性，可以在惡劣環(huán)境中可靠地運(yùn)行，具有如下增強(qiáng)的PHY特性：
- 增強(qiáng)的鏈接斷開檢測，可在10 µs內(nèi)檢測到鏈接斷開——實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議要求（如EtherCAT®)
- 數(shù)據(jù)包起始檢測支持IEEE 1588時間戳——整個網(wǎng)絡(luò)要求實(shí)現(xiàn)精確的時序
- MDI引腳提供增強(qiáng)ESD保護(hù)——RJ-45接頭具有ESD穩(wěn)健性
- PHY啟動時間：< 15 ms——從電源狀態(tài)良好到管理接口/寄存器可用的時間
- 片內(nèi)電源監(jiān)視器——提高了上電時的系統(tǒng)穩(wěn)定性
ADIN1300是業(yè)界具有出色的功耗、延遲和封裝尺寸特性的10Mbps/100 Mbps/1000 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)PHY，其EMC和ESD穩(wěn)健性已經(jīng)過廣泛測試，可在高達(dá)105°C的環(huán)境溫度下運(yùn)行。ADIN1300 PHY已通過EMC/ESD標(biāo)準(zhǔn)測試，如下表所示。通過使用已通過IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)廣泛測試的以太網(wǎng)PHY技術(shù)，可顯著降低產(chǎn)品合規(guī)性測試和認(rèn)證的相關(guān)成本和時間。ADIN1300 PHY滿足EtherCAT G工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的所有要求，并包含在EtherCAT G PHY選型指南中。
ADIN1200低功耗10 Mbps/100 Mbps穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY已經(jīng)過廣泛的EMC和ESD穩(wěn)健性測試，可在高達(dá)105°C的環(huán)境溫度下運(yùn)行。帶fido5200的ADIN1200為多協(xié)議、實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備連接提供系統(tǒng) 級解決方案，支持Profinet®, EtherNet/IP™、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink實(shí)現(xiàn)嵌入式雙端口設(shè)備連接，如下圖所示。ADIN1200 PHY滿足EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的所有要求，并包含在 EtherCAT PHY選型指南中。
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總結(jié)
根據(jù)工信部近期發(fā)布的《2020年1-12月機(jī)器人行業(yè)運(yùn)行情況》顯示，1-12月累計(jì)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人23.7萬套，同比增長19.1%，創(chuàng)下我國工業(yè)機(jī)器人單年產(chǎn)量最高紀(jì)錄，中國制造向中國“智造”升級中，機(jī)器人正在扮演著越來越重要的角色。在機(jī)器人應(yīng)用中，多軸同步至關(guān)重要，所以網(wǎng)絡(luò)需求極為苛刻，針對工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的增強(qiáng)物理層技術(shù)就其中是一個關(guān)鍵的設(shè)計(jì)選擇。穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY技術(shù)可解決功耗、延遲、解決方案尺寸、苛刻環(huán)境溫度、穩(wěn)健性(EMC/ESD)和產(chǎn)品壽命等問題。
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