Технология микроэлектромеханических систем (МЭМС), такая как объемная акустическая волна (ОАВ), добавляет преимущества системам автоматизации производства из-за ее способности синхронизировать таймеры и время между быстро движущимися компонентами. ОАВ — это микрорезонаторная технология, которая позволяет интегрировать высокоточные таймеры с ультранизким джиттером. Технология менее громоздкая, чем внешние кварцевые кристаллы, и обеспечивает более «чистый» и точный источник времени. Быстро движущиеся манипуляторы роботов-коллабораторов (коботов) выигрывают от технологии ОАВ, поскольку синхронизация движения по многоосным двигателям и датчикам имеет важное значение для высокоскоростного управления движением, а также пригодна для сборочных и литьевых машин.
Коллаборативные роботы (коботы) становятся все более популярными на современных линиях автоматизации производства и производственных конвейеров благодаря их способности работать одновременно с людьми. Эта новая возможность частично обеспечивается широким спектром точных датчиков со встроенными функциями безопасности, которые все лучше воспринимают и «осознают» область вокруг себя.
Коботы должны двигаться медленно и грациозно, чтобы обеспечить безопасность коллег людей, но также должны действовать максимально быстро, чтобы эффективно выполнять задачи. Если кобот обнаруживает неисправность в своей системе или если безопасность человека находится под угрозой, роботу необходимо действовать быстро и переходить в «безопасное состояние», чтобы защитить человека и предотвратить повреждение окружающих инструментов и рабочего пространства.
Использование объемных акустических волн
В этой статье рассказывается о том, как технология микроэлектромеханических систем (МЭМС) под названием ОАВ приносит пользу системам автоматизации производства благодаря своей способности синхронизировать работу таймеров и времени между быстро движущимися компонентами. Микрорезонаторная технология позволяет интегрировать высокоточные часы с ультранизким джиттером в системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с устройством подавления джиттера, которые используются в синхронных системах Ethernet.
Движущиеся руки-манипуляторы в коботах выигрывают от технологии ОАВ, потому что синхронизация движения по многоосевым координатам двигателей и датчиков, использующих Ethernet, необходима для высокоскоростного управления движением. Эта технология выигрывает не только у коботов, но и у других быстро движущихся машин, таких как печатные машины для газет, литьевые машины, станки с числовым программным управлением (ЧПУ), 3D-принтеры и другие.
На рисунке ниже показана архитектура системы коллаборативный роботов с многоосными двигателями, датчиками и исполнительными механизмами. Система содержит контроллер движения кобота, соединенный со ступенями привода (D) с подключенными двигателями (M) для позиционирования рычагов, и датчики для определения положения рычага и давления при обращении с инструментом. Датчики (например, защитные шторки) и приводы могут работать с инструментами, которые выполняют сборку и модификацию заготовки.
Предыдущие поколения использовали топологию «звезда» для обработки сигналов шага и направления для управления электродвигателями, датчиками и исполнительными механизмами от блока контроллера движения. Параллельно интерфейс последовательной шины fieldbus служит для сигналов обратной связи (ОС), таких, как данные от датчиков измерение тока ступеней двигателя, температуры, ошибок и неисправностей, а также другие данные, такие как кнопка аварийного останова и состояние защитного ограждения, также считывает положение назад и ошибки.
Блок управления движением использует алгоритм управления двигателем с обратной связью. Он обновляет драйвер двигателя новыми данными каждые 62,5 мкс (16 кГц). Обновления основаны на измеренном токе электрической машины, положении вала, считываемом датчиком положения, и других данных. Управление движением в замкнутом контуре системы управления обычно требует быстрого обмена данными, задержки здесь недопустимы.
Новые системы коллаборативный роботов заменяют старые топологии «звезда» и последовательной полевой шины (fieldbus)(рисунок выше, слева) и переходят на промышленную топологию линии Ethernet (рисунок выше, справа). Благодаря тому, что промышленные протоколы Ethernet достигают гигабитных скоростей передачи данных и позволяют обновлять блок контроллера двигателя раз в 62,5 мкс, данные управления движением и обратной связи теперь передаются по одному и тому же проводу Ethernet, что снижает сложность монтажа и обслуживания кабелей и полевых шин.
Проблемы синхронизации таймеров и времени
Синхронный Ethernet (SyncE) (Сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи) или технология G.8262 играет важную роль, когда речь идет об упрощении синхронизации времени и таймеров для обеспечения быстрого и точного управления двигателем. SyncE предоставляет механизм для распределения основной тактовой частоты (например, 25 МГц) по кабелю Ethernet. Протокол точного времени IEEE 1588 или другой стандарт синхронизации времени, встроенный в один из промышленных протоколов Ethernet — например, распределенные часы EtherCAT или протокол прозрачного тактового сигнала PROFINET — может обрабатывать требуемую синхронизацию времени.
Вернемся к синхронному Ethernet, где технология ОАВ обеспечивает значительное преимущество, когда многие устройства Ethernet подключены по линейной топологии. На рисунке ниже показана топология SyncE линии с распределением опорного тактового сигнала по нескольким узлам Ethernet.
Технология SyncE работает следующим образом: для каждого приемопередатчика физического уровня (PHY) Ethernet требуется источник тактовых импульсов (ШИМ), как правило, 25 МГц. Эти импульсы используются первым Ethernet PHY (передатчиком) для передачи кадров Ethernet между двумя узлами. Принимающий Ethernet PHY (приемник) заблокируется на тактовом сигнале передачи и восстановит тактовый сигнал передатчика 25 МГц.
Некоторые промышленные физические уровни Ethernet, такие как Texas Instruments (TI) DP83869, могут выводить восстановленные тактовые импульсы 25 МГц на внешний вывод. Тактовая частота 25 МГц подается в ФАПЧ со встроенным фильтром джиттера, который генерирует версию восстановленной тактовой частоты 25 МГц с отфильтрованными помехами. Восстановленные и отфильтрованные от помех тактовые импульсы 25 МГц поступают на второй физический слой Ethernet (передатчик) во втором узле Ethernet. При использовании топологии линии SyncE опорный тактовый сигнал распределяется по каждому узлу синхронного Ethernet.
ФАПЧ с фильтром джиттера
ФАПЧ с фильтром джиттера играет важную роль в архитектуре SyncE. Он должен «очищать» частоту и фазовый джиттер, вносимые передатчиком и приемником Ethernet. Технология ОАВ, интегрированная в ФАПЧ с фильтром джиттера, минимизирует распространяющийся джиттер по узлам Ethernet.
Технология объемной акустической волны (ОАВ)
ОАВ-резонатор — это тонкопленочный резонатор, похожий на обычный кристалл кварца. Как показано на рисунке ниже, пьезоэлектрическая пленка зажата между двумя металлическими пластинами и несколькими другими слоями для ограничения механической энергии. Данная структура улавливает акустическую энергию при создании резонаторного элемента с очень низкими потерями и высоким фактором качества. Исторически резонаторы ОАВ использовались для радиочастотных фильтров на передней панели беспроводных трансиверов в мобильных устройствах.
Технология ОАВ теперь интегрирована в продукты, использующие резонатор ОАВ в качестве генератора объемной акустической волны с низким уровнем шума и напряжением для генерации тактовых сигналов со сверхнизким уровнем шума.
Использование резонатора объемной акустической волны, как описано выше, обеспечивает следующие преимущества для систем синхронного Ethernet:
- Высокий коэффициент качества (примерно 1000 при 2,5 ГГц) поддерживает сверхнизкий уровень джиттера
- Высокая резонансная частота (от 2 до 3 ГГц) поддерживает деление вниз для достижения нескольких тактовых частот (например, ОАВ 2,5 ГГц можно разделить для генерации тактовых сигналов 156,25 МГц, 125 МГц и 100 МГц).
- Плавное переключение между локальными таймерами 25 МГц и восстановленными таймерами Ethernet PHY.
- Невосприимчивость к механическим ударам, вызванным движением «рук» кобота
Очищенные от джиттеров тактовые импульсы 25 МГц, генерируемые LMK05318, также используются управлением доступом к среде (media access control MAC) и микропроцессором (MPU) Ethernet для минимизации помех синхронизации между физическим слоем Ethernet и MAC. Кроме того, микропроцессор использует восстановленные тактовые импульсы для генерации широтно-импульсной модуляции (ШИМ) драйвера двигателя, запуска выборки измерения тока и считывания данных датчика положения двигателя. Когда все часы синхронизируются между узлами Ethernet, контроллер движения в системе кобота синхронизирует генерацию сигналов ШИМ для двигателей.
Итоги
SyncE упрощает задачи синхронизации таймеров и времени в коботе через несколько узлов Ethernet. ФАПЧ с фильтром джиттера играет важную роль в узле SyncE для распределения накопленного джиттера по нескольким узлам Ethernet. Технология ОАВ, интегрированная в ФАПЧ с устройством фильтрации джиттера, минимизирует распределенный шум при передаче восстановленных тактовых импульсов от узла к узлу Ethernet.
Восстановленное значение тактового сигнала, очищенные от джиттера, используемые MAC и MPU, помогают синхронизировать таймер и время по протоколу синхронизации времени, такому как PTP IEEE 1588, позволяя коботам работать быстро и точно, чтобы эффективно выполнять задачи и работать с продукцией производства.
LMK05318 от TI — это ФАПЧ с фильтром помех, который использует технологию ОАВ для удаления распределенного джиттера. PHY-устройство Ethernet, такое как DP83869, выводит восстановленный тактовый сигнал. Системы SyncE, использующие эти компоненты, позволяют распространять источник эталонных тактовых сигналов с низким уровнем джиттера.
