多軸機(jī)器人和機(jī)床應(yīng)用中的時(shí)序挑戰(zhàn)
發(fā)布時(shí)間:2020-06-29 來源:Dara O’Sullivan 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在工業(yè)機(jī)器人和機(jī)床應(yīng)用中,可能涉及在特定空間內(nèi)精準(zhǔn)協(xié)調(diào)多個(gè)軸的移動,以完成手頭的工作。機(jī)器人一般有6個(gè)軸,這些軸必須協(xié)調(diào)有序,如果有時(shí)候機(jī)器人沿軌道移動,則會有7個(gè)軸。在CNC加工中,5軸協(xié)調(diào)很常見,但是有些應(yīng)用會用到多達(dá)12個(gè)軸,其中工具和工件在特定空間內(nèi)相對移動。每個(gè)軸都包含一個(gè)伺服驅(qū)動器、一個(gè)電機(jī),有時(shí)候,在電機(jī)和軸接頭,或者末端執(zhí)行器之間會加裝一個(gè)變速箱。然后,系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián),一般采用LINE型拓?fù)?,具體如圖1所示。電機(jī)控制器將所需的空間軌跡轉(zhuǎn)換為每個(gè)伺服軸所需的單個(gè)位置基準(zhǔn),然后在網(wǎng)絡(luò)上循環(huán)傳輸。
圖1.多軸機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
控制周期
這些應(yīng)用按定義的周期時(shí)間運(yùn)行,這個(gè)時(shí)間一般等于,或者是底層伺服電機(jī)驅(qū)動器的基波控制/脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)周期的幾倍。在圖2所示的這種環(huán)境中,端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲是一個(gè)重要參數(shù)。在每個(gè)周期內(nèi),電機(jī)控制器必須將新位置基準(zhǔn)和其他相關(guān)信息傳輸給圖1中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后,PWM周期內(nèi)需要余留足夠的時(shí)間,以供每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用新位置基準(zhǔn)和任何新傳感器數(shù)據(jù)來更新伺服控制算法計(jì)算。然后,各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過依賴于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的分布式時(shí)鐘機(jī)制,在同一時(shí)間點(diǎn)將更新后的PWM矢量應(yīng)用于伺服驅(qū)動器。根據(jù)具體的控制架構(gòu),部分控制回路算法可以在PLC中實(shí)現(xiàn),如果在網(wǎng)絡(luò)上接收到任何相關(guān)傳感器信息更新后,需要足夠的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。
圖2.PWM周期和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。
數(shù)據(jù)傳輸延遲
假設(shè)網(wǎng)絡(luò)上唯一的流量是機(jī)床控制器和伺服節(jié)點(diǎn)之間的周期性數(shù)據(jù)流,網(wǎng)絡(luò)延遲(TNW)由網(wǎng)絡(luò)跳轉(zhuǎn)到最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的次數(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率和每個(gè)節(jié)點(diǎn)遭受的延遲決定。在使用機(jī)器人和機(jī)床時(shí),線路導(dǎo)致的信號傳輸延遲可以忽略,這是因?yàn)榫€纜長度一般相對較短。主要的延遲為帶寬延遲;即將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄€路所需的時(shí)間。對于最小的以太網(wǎng)幀(一般適用于機(jī)床和機(jī)器人控制),有關(guān)100 Mbps和1 Gbps位速率的帶寬延遲,請參考圖3。這就等于數(shù)據(jù)包尺寸/數(shù)據(jù)速率。對于多軸系統(tǒng),從控制器到伺服器的典型數(shù)據(jù)有效載荷由各伺服器的4字節(jié)速度/位置基準(zhǔn)更新和1字節(jié)控制器更新組成,也就是說,6軸機(jī)器人的有效載荷為30個(gè)字節(jié)。當(dāng)然,有些應(yīng)用的更新中包含更多信息,并且/或有更多軸,在這些情況下,數(shù)據(jù)包的尺寸要大于最小尺寸。
圖3.最小長度以太網(wǎng)幀的帶寬延遲。
除了帶寬延遲外,其他延遲元素是由于以太網(wǎng)幀通過每個(gè)伺服網(wǎng)絡(luò)接口的PHY和雙端口開關(guān)產(chǎn)生的。這些延遲如圖4和圖5所示,其中顯示幀移動的部分是穿過PHY進(jìn)入MAC(1-2),通過目標(biāo)地址分析時(shí),只需要對幀的前導(dǎo)和目標(biāo)部分進(jìn)行計(jì)時(shí)管控。路徑2-3a表示對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)有效載荷數(shù)據(jù)的截取,路徑2-3b則表示幀向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)行進(jìn)的路程。圖4a只顯示傳輸給2-3a中的應(yīng)用的有效載荷,圖4b則顯示被傳輸?shù)膸拇蟛糠?;這表明以太網(wǎng)協(xié)議之間可能存在細(xì)微的差異。路徑3b-4表示幀出站傳輸,通過傳輸隊(duì)列、通過PHY,然后回到線纜。圖中所示的線路終端節(jié)點(diǎn)中不存在這種路徑。這里假設(shè)采用直通數(shù)據(jù)包交換,而不是存儲轉(zhuǎn)發(fā),后者的延遲時(shí)間更長,因?yàn)檎麄€(gè)幀都要計(jì)入開關(guān),然后再被轉(zhuǎn)發(fā)。
圖4.幀延遲:(a)雙端口模式幀延遲和(b)線路終端節(jié)點(diǎn)。
圖5按時(shí)間線顯示幀的延時(shí)元素,其中描述了幀穿過一個(gè)軸節(jié)點(diǎn)的全部傳輸時(shí)間。TBW表示帶寬延遲,TL_1node 表示幀通過單個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲。除了與位通過線路進(jìn)行物理傳輸,以及計(jì)入地址位用于實(shí)施目標(biāo)地址分析相關(guān)的延遲外,PHY和開關(guān)組件延遲是其他會影響系統(tǒng)內(nèi)的傳輸延遲的因素。隨著線路上的位速率增加,節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多,這些延遲對整個(gè)端到端幀傳輸延遲的影響會更大。
圖5.幀傳輸時(shí)間線。
低延遲解決方案
ADI公司最近推出了兩款新工業(yè)以太網(wǎng)PHY,專用于在更廣泛的環(huán)境溫度范圍(最高105°C)內(nèi),在嚴(yán)苛的工業(yè)條件下可靠運(yùn)行,具備出色的功率和延遲規(guī)格。ADIN1300 和ADIN1200 專用于解決本文中提到的挑戰(zhàn),成為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。有了fido5000 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、多協(xié)議嵌入式雙端口開關(guān)后,ADI公司開發(fā)出了適用于確定性時(shí)間敏感型應(yīng)用的解決方案。
表1列出了PHY和開關(guān)導(dǎo)致的延遲,前提是假設(shè)接收緩沖器分析是以目標(biāo)地址為基礎(chǔ),且假設(shè)采用100 Mbps網(wǎng)絡(luò)。
表1.PHY和開關(guān)延遲
舉例來說,將這些延遲計(jì)入多達(dá)7個(gè)軸的線路網(wǎng)絡(luò),并將總有效載荷計(jì)入最終節(jié)點(diǎn)(圖4中為3a),總傳輸延遲變成
其中58 × 80 ns表示前導(dǎo)和目標(biāo)地址字節(jié)被讀取后,余下的58字節(jié)有效載荷。
這項(xiàng)計(jì)算假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中沒有其他流量,或者網(wǎng)絡(luò)能夠優(yōu)先訪問時(shí)間敏感型流量。它在某種程度上依賴協(xié)議,根據(jù)具體使用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,計(jì)算得出的值會存在微小差異?;仡檲D2,將機(jī)械系統(tǒng)的周期時(shí)間降低至50 µs至100 µs時(shí),將幀傳輸?shù)阶钸h(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可能占用整個(gè)周期的近50%,導(dǎo)致留給下一周期更新電機(jī)控制和移動控制算法計(jì)算的時(shí)間減少。最大程度縮短這段傳輸時(shí)間對于優(yōu)化性能而言非常重要,因?yàn)樗试S實(shí)施更長、更復(fù)雜的控制計(jì)算。鑒于與線路數(shù)據(jù)相關(guān)的延遲是固定的,且與位速率相關(guān),使用低延遲組件(例如ADIN1200 PHY和fido5000嵌入式開關(guān))將是優(yōu)化性能的關(guān)鍵,尤其是在節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加(例如,12軸CNC機(jī)床),周期時(shí)間縮短時(shí)。轉(zhuǎn)而使用千兆以太網(wǎng)可以大幅降低帶寬延遲造成的影響,但是會增加開關(guān)和PHY組件導(dǎo)致的總體延遲的比例。例如,采用千兆網(wǎng)絡(luò)的12軸CNC機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲約為7.5 µs。在這種情況下,帶寬元素可以忽略不計(jì),使用最小或最大以太網(wǎng)幀尺寸不會造成任何差別。網(wǎng)絡(luò)延遲大致可以由PHY和開關(guān)均分,隨著工業(yè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)而采用千兆網(wǎng)速、控制周期時(shí)間縮短(EtherCAT® 顯示的周期時(shí)間為12.5 µs)、因?yàn)樵诳刂凭W(wǎng)絡(luò)中增加以太網(wǎng)連接的傳感器而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)數(shù)增加,以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘹呌诒馄剑癸@了最小化這些元素的延遲的價(jià)值。
結(jié)論
在高性能多軸同步移動應(yīng)用中,控制時(shí)序要求非常精準(zhǔn),具有確定性和時(shí)間關(guān)鍵性,要求最大程度縮短端到端延遲,在控制周期時(shí)間縮短,控制算法的復(fù)雜性增加時(shí)尤其如此。低延遲PHY和嵌入式直通開關(guān)是優(yōu)化這些系統(tǒng)的重要組件。為解決本文所述挑戰(zhàn),ADI公司近期推出了兩款新的穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY,即ADIN1300 (10 Gb/100 Gb/1000 Gb)和ADIN1200 (10 Gb/100 Gb)。
推薦閱讀:
特別推薦
- 利用自動化技術(shù)賦能中國基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化
- 三極管電路輸入電壓阻抗
- 晶振怎么用,你真的知道嗎?
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
- 思特威推出超星光級系列4MP圖像傳感器SC485SL
- HOLTEK新推出HT32F59045脈搏血氧儀MCU
技術(shù)文章更多>>
- 貿(mào)澤推出針對基礎(chǔ)設(shè)施和智慧城市的工程技術(shù)資源中心
- “扒開”超級電容的“外衣”,看看超級電容“超級”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會者蒞臨SPS 2024?展會參觀交流,體驗(yàn)最新自動化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動器如何選型,一文告訴您
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測量儀
頻率器件
頻譜測試儀
平板電腦