Печатные платы для промышленных роботов, предназначенные для контроллеров, сервоприводов, обеспечения безопасности и сертификации.

Печатные платы для промышленных роботов используются в стационарных манипуляторах, портальных роботах, системах совместной работы, сварочных роботах, роботах для укладки паллет и других платформах автоматизации производства. Они должны выдерживать высокие нагрузки, электрические помехи, длительный срок службы, соответствовать требованиям безопасности и требованиям к техническому обслуживанию, которые строже, чем у большинства бытовых или офисных электронных устройств.

В этом руководстве рассматриваются печатные платы промышленных роботов с точки зрения системы и производства: шкафы управления, распределенные приводы шарниров, промышленный Ethernet, архитектура безопасности, электромагнитная совместимость, тепловое проектирование, документация и долгосрочная поддержка. Также в нем исправлена ​​ошибка в первоначальном формате часто задаваемых вопросов: вместо вопросов, ориентированных на поставщиков, теперь рассматриваются отраслевые вопросы, которые действительно ищут инженеры, специалисты по закупкам и менеджеры по продуктам.

Чем отличается электроника для промышленных роботов?

Роль в робототехнической системе

Промышленные роботы — шарнирные манипуляторы с неподвижным основанием, используемые на производственных линиях, — имеют специфические требования к электронике, отличающиеся от требований к другим категориям роботов. Высокий рабочий цикл, длительный срок службы, контроллер, устанавливаемый в шкаф, с распределенной управляющей электроникой и высокие показатели надежности определяют структуру электронного блока. Что отличает электронику промышленных роботов:

• Высокий рабочий цикл: много часов непрерывной работы в день. Снижение номинальной мощности компонентов и расчет тепловых характеристик рассчитаны на непрерывную работу.
• Длительный срок службы: Типичный срок службы промышленных манипуляторов составляет 10-15 лет. Доступность компонентов, срок службы конденсаторов и механический износ рассчитаны на этот срок.
• Контроллер для монтажа в шкаф: Основной вычислительный блок находится в шкафу управления, а не на манипуляторе. Связь с приводами, установленными на манипуляторе, осуществляется по кабелям.
• Распределенные приводы: Сервоприводы в каждом шарнире манипулятора. Связь осуществляется по протоколам EtherCAT, EtherNet/IP или собственным шинам.
• Требования к сертификации: Безопасность (ISO 10218), электромагнитная совместимость (IEC 61000) и функциональная безопасность (IEC 62061). Документация подтверждает соответствие каждому стандарту.
• Модернизация и обновление: В промышленных установках иногда модернизируют электронику на существующем механическом оборудовании. Совместимые интерфейсы сохраняют возможности для модернизации.

Риски проектирования, подлежащие контролю

При проектировании печатных плат для промышленных роботов учет технологичности производства должен производиться до утверждения расположения разъемов, размеров корпуса, доступа к оснастке, тепловых путей и трассировки жгутов проводов. Позднее внесение изменений в эти детали обычно влечет за собой доработку конструкции, перепроектирование испытательного стенда или компромиссы в отношении надежности, которых можно было бы избежать при раннем анализе технологичности производства.

При выборе компонентов следует учитывать их жизненный цикл, утвержденные альтернативы, доступность корпусов, температурный диапазон, а также, при необходимости, требования к безопасности или изоляции. Печатные платы для промышленных роботов часто остаются в производстве или эксплуатации дольше, чем бытовая электроника, поэтому нерешенные риски, связанные с поставками, становятся проблемой технической поддержки, а не только проблемой закупок.

На системном уровне печатная плата должна определяться по функциям, условиям эксплуатации, сроку службы и охвату тестирования, а не только по принципиальной схеме. Это предотвращает распространенную ошибку, когда технически корректная печатная плата с трудом крепится, сложно обслуживается или оказывается недостаточно надежной после установки в робота.

Архитектура контроллера: применение, движение, безопасность

Варианты архитектуры контроллера

Архитектура контроллера промышленного робота обычно разделяет высокоуровневые вычисления и координацию движения в реальном времени. Основные компоненты:

• Процессор приложений: Выполняет высокоуровневые программы для роботов, имеет интерфейс управления пультом дистанционного управления и обеспечивает связь с системами предприятия. Используется Linux или промышленная ОС.
• Координатор движений: Координация движений суставов в реальном времени. Детерминированная синхронизация на килогерцовых частотах. Часто используется на ПЛИС или специализированном процессоре.
• Контроллер безопасности: Специализированный процессор с высоким уровнем безопасности, обрабатывающий функции остановки и осуществляющий мониторинг работы. Независим от главного контроллера.
• Интерфейсы связи: Ethernet для подключения к системам предприятия, промышленный Ethernet (EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP) для подключения к периферийному оборудованию.
• Человеко-машинный интерфейс: Подключение пульта управления, подключение сервисного ноутбука, индикаторные лампы.
• Распределение мощности: Множество направляющих для различных подсистем. Последовательный запуск и остановка.

Требования к проверке архитектуры контроллера

Надежность зависит от сохранения заложенных в конструкцию платы параметров: ширины медных проводников, расстояния между изоляционными слоями, теплоотвода, фиксации разъемов, снижения номинальной мощности компонентов и охвата зоны контроля. Производители должны проверять эти характеристики, а не рассматривать печатную плату как стандартную сборку с стандартным тестом «прошел/не прошел».

При оценке ремонтопригодности следует учитывать маркировку разъемов, доступность контрольных точек, понятные варианты печатных плат и отслеживание по серийным номерам. В случае поломки робота в полевых условиях качественная диагностика на уровне платы позволяет сервисной команде быстро выявить проблему, вместо замены крупных узлов или возврата всего робота.

Практическое правило заключается в выборе простейшей конструкции, которая при этом отвечает требованиям к передаче сигналов, безопасности, тепловым характеристикам и механическим свойствам. Избыточные характеристики увеличивают стоимость, а недостаточные — приводят к необходимости доработок во время испытаний или эксплуатации в полевых условиях.

Электронику распределенных приводов следует рассматривать с учетом следующих аспектов: проектирование печатной платы драйвера двигателя и поддержка роботизированного производства печатных плат вместо того, чтобы рассматриваться как универсальная контрольная печатная плата.

Электроника привода распределенного шарнира

Ключевые конструктивные решения для электроники распределенного привода шарниров.

Электроника привода шарниров на промышленных манипуляторах обычно располагается непосредственно на каждом шарнире, а не в шкафу управления. Преимущества: более короткая длина силовой проводки, более быстрые циклы движения, более простая замена шарниров. Основные соображения:

• Сервопривод для каждого шарнира: В каждом шарнире интегрирована электроника сервопривода. Связь с контроллером осуществляется по шине движения.
• Абсолютный энкодер: Обратная связь по положению сохраняется даже после циклов включения/выключения питания. Сокращает время последовательности возврата в исходное положение при запуске.
• Функции безопасности: Функции безопасного отключения крутящего момента, безопасной остановки в рабочем режиме и безопасного ограничения скорости входят в стандартную комплектацию привода.
• Управление тормозами: Шарнирный тормоз срабатывает при потере питания или остановке. Предотвращает падение рычага под действием силы тяжести.
• Управление температурным режимом: Приводы шарниров работают в условиях теплового режима манипулятора. Иногда их работа ограничивается охлаждением конструкции манипулятора.
• Конструкция кабеля: Питание, связь и сигналы безопасности — всё в одном кабеле на каждое соединение. Срок службы кабеля в гибком состоянии соответствует сроку службы стрелы.

Вопросы производства и надежности

Дисциплина тестового покрытия масштабируется в зависимости от требований к надежности. Потребительским приложениям требуется меньшее покрытие, чем промышленным; промышленным — меньше, чем медицинским; медицинским — меньше, чем приложениям, критически важным для безопасности. Согласование тестового покрытия с фактическими требованиями позволяет сохранить бюджетные затраты, обеспечивая при этом необходимую для приложения уверенность.

В проектирование производственной документации часто вкладывается недостаточно средств, а ее создание задним числом обходится дорого. Протоколы испытаний отдельных изделий, собранные в процессе производства, позволяют проводить полевые исследования спустя годы; отслеживаемость партий компонентов обеспечивает посмертный анализ возвращенных в производство изделий. Программы, которые планируют документацию на ранних этапах, имеют необходимые записи; программы, которые добавляют документацию позже, часто теряют данные, которые им были бы нужны.

Коммуникационные технологии: EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP

Требования к интерфейсу и компоновке

Для связи между шкафом управления и электроникой, установленной на манипуляторе, используются промышленные протоколы с заданными характеристиками. Основные варианты:

• ЭтерКАТ: Детерминированный Ethernet, синхронизация за доли микросекунды. Стандарт для высокопроизводительной синхронизации движения.
• PROFINET-IRT: Аналогичные детерминированные показатели. Распространено на европейском рынке.
• EtherNet/IP: Детерминированная возможность управления движением с помощью CIP. Широко распространена на североамериканском рынке.
• Собственный: Протоколы, специфичные для каждого поставщика. Сохранение интеграции, но ограничение проектирования систем с использованием продукции разных производителей.
• Резервная связь: В некоторых архитектурах используются резервные каналы связи для передачи данных, связанных с обеспечением безопасности.

Вопросы электромагнитной совместимости, синхронизации и тестирования.

Прозрачность цепочки поставок во время производства влияет как на стоимость, так и на надежность. Производители, обладающие возможностью активного поиска поставщиков, компенсируют циклы распределения ресурсов, которые в противном случае привели бы к простоям производства; производители без такой возможности перекладывают проблемы с поставками на клиентов. Ценность активного поиска поставщиков наиболее высока во время общеотраслевого дефицита и наименьша в условиях стабильных поставок.

Циклы итераций проектирования выигрывают от тесной обратной связи между проектированием и производством. Производственный партнер, оперативно предоставляющий обратную связь по DFM (проектированию с учетом технологичности изготовления), обеспечивает быструю итерацию; партнер, предоставляющий медленную или поверхностную обратную связь, пропорционально замедляет итерацию. Программы, которые выбирают производственных партнеров частично на основе качества обратной связи, обычно быстрее проходят фазу прототипирования, чем программы, которые выбирают только по самой низкой цене.

Планирование безопасности промышленных роботов также связано с безопасный интерфейс ввода/выводав то время как связь между кабинетами министров зависит от надежной системы. печатная плата промышленной сети.

Архитектура безопасности согласно ISO 10218

Выбор архитектуры безопасности в соответствии со стандартом ISO 10218

Архитектура безопасности промышленных роботов соответствует требованиям стандарта ISO 10218. Основные функции безопасности:

• Экстренная остановка: Остановка категории 0 или 1 от устройств аварийной остановки. Резервные аппаратные пути.
• Защитный стопор: Срабатывает система безопасности категории 2. Робот останавливается, но питание сохраняется.
• Безопасная остановка работы: Робот удерживает положение под действием мощности привода. Это позволяет выполнять ручную работу вблизи остановленного робота.
• Безопасное ограничение скорости: Скорость ограничена при ручном управлении. Обеспечивает безопасность в режиме обучения.
• Безопасное торможение: Тормоз задействован в качестве предохранительной функции. Автономная проверка работы тормозов.
• Устройство включения: Для перемещения робота в ручном режиме требуется ввод данных от оператора. Функция "мертвая точка".

Требования к валидации архитектуры безопасности согласно ISO 10218

Экономические аспекты объемных диапазонов по-разному влияют на выбор оптимальных технологических процессов в зависимости от масштаба производства. Методы, окупаемые при объеме в 100 000 единиц в год, редко окупаются при объеме в 500 единиц; методы, имеющие смысл на этапе прототипирования, редко оказываются целесообразными при больших объемах производства. Именно соответствие производственного подхода фактическому объему производства делает каждый объемный диапазон экономически целесообразным.

Обязательства по сертификации со стороны регулирующих органов существенно различаются в зависимости от области применения и рынка. Доказательства, подтверждающие производство и предоставляемые заказчиком, могут варьироваться от минимальных (потребительские товары на нерегулируемых рынках) до обширных (медицинские изделия с жесткими сроками хранения). Программы, в которых требования к сертификации указаны в коммерческом предложении, обеспечивают правильную организацию производства; программы, в которые требования к сертификации добавляются позже, иногда требуют изменений в технологическом процессе.

Экологические аспекты и соображения, касающиеся длительного срока службы

Ключевые конструктивные решения с учетом экологических требований и долговечности.

Экологические аспекты и срок службы электроники промышленных роботов определяют ее конструкцию. Основные факторы, которые необходимо учитывать, следующие:

• Температурный диапазон: Обычно рабочий диапазон температур составляет 0-45 °C; диапазон хранения — от -20 до +65 °C. Для некоторых областей применения требуется более широкий диапазон.
• Допустимая влажность: промышленные условия с учетом образования конденсата и необходимости промывки.
• Вибрация: Электронные компоненты, установленные на манипуляторе, воспринимают ускорение во время движения. Размеры компонентов и разъемов рассчитаны соответствующим образом.
• Срок службы гибкого кабеля: Соединительные кабели подвергаются миллионам циклов изгиба в течение всего срока службы. Конструкция кабеля и защита от натяжения разъема имеют значение.
• Снижение номинальной мощности компонента: Непрерывная работа в течение 10-15 лет означает, что компоненты работают при нагрузках ниже номинальных. Это существенно продлевает срок службы.
• Электромагнитная совместимость в промышленных условиях: Соседнее мощное оборудование создает значительную электромагнитную нагрузку. Требования к помехоустойчивости очень высоки.

Вопросы производства и надежности

Консолидация производства у одного партнера позволяет сохранить накопленные за несколько поколений продукции институциональные знания. Партнер, который выпускал несколько поколений аналогичной продукции, знает специфические проблемы, которые возникают, оптимизации процессов, повышающие производительность, и конструктивные решения, обеспечивающие качественное производство. Эти знания не передаются новым партнерам без затрат.

Постоянное взаимодействие между инженерным отделом и производственным отделом улучшает как продукцию, так и отношения с поставщиками с течением времени. Данные о выходе годной продукции, поступающие в инженерный отдел, способствуют усовершенствованию конструкции; данные о возврате продукции с места эксплуатации, поступающие обратно, способствуют улучшению как конструкции, так и производства. Программы, в которых активно ведется такое взаимодействие, улучшаются на протяжении всего жизненного цикла продукции.

Для принятия смежных проектных решений см. раздел Руководство по печатным платам контроллеров сервоприводов и бесщеточных двигателей постоянного тока и Руководство по печатным платам интерфейса ввода-вывода и безопасности робота.

Для производства продукции с длительным сроком службы компания Highleap может сочетать изготовление с Поддержка сборки печатных плат и корпусов для робототехники..

Производство печатных плат для промышленных роботов в компании Highleap

Проверка DFM перед началом производства

Компания Highleap производит электронику для промышленных роботов, отличающуюся высоким качеством и долговечностью, необходимыми для продукции. К числу её основных возможностей относятся:

• Поставка компонентов промышленного класса: Компоненты с длительным сроком службы и определенным жизненным циклом продукта. Обеспечивают сохранение работоспособности на протяжении всего срока службы продукта.
• Толстый слой меди для электроники привода: Электроника управления сильноточными шарнирами с соответствующей системой охлаждения.
• Производство коммуникационных интерфейсов: Интерфейсы EtherCAT, PROFINET и EtherNet/IP с функциональной проверкой.
• Производство, соответствующее стандартам безопасности: Производство, обеспечивающее подготовку документов для сертификации по стандартам ISO 10218 и IEC 62061.
• Экологический скрининг: Испытания на термоциклирование и вибрацию образцов из каждой производственной партии.
• Документация: Отслеживаемость отдельных единиц продукции и производственные записи, обеспечивающие сертификацию заказчиков и интеграцию с системой управления качеством.

Передача результатов тестирования, отслеживаемости и сборки

В робототехнике производственный процесс сочетает в себе методы из нескольких традиционных категорий электроники. Из потребительской электроники — контроль затрат и серийное производство; из промышленной электроники — проектирование надежности и длительный срок службы; из автомобильной электроники — устойчивость к вибрации и воздействию окружающей среды; из медицинской электроники — документирование и отслеживаемость. Робототехника выигрывает от объединения этих подходов.

Программы, рассматривающие производство как стратегическое направление — инвестиции в отношения с поставщиками, обмен прогнозной информацией, координация производственных мощностей — как правило, превосходят программы, рассматривающие производство как транзакционный подход. Транзакционный подход экономит время на переговорах, но лишает возможности извлечь выгоду из долгосрочного партнерства с поставщиками.

Часто задаваемые вопросы о печатных платах промышленных роботов

Чем печатная плата промышленного робота отличается от обычной электроники?

Печатные платы для промышленных роботов должны выдерживать длительный срок службы, высокую интенсивность работы, шумы от привода двигателя, установку в шкаф или на манипулятор, промышленную связь, функции безопасности и документированную отслеживаемость. Как правило, они проектируются с более широким запасом прочности, более надежной защитой от электромагнитных помех, более прочными разъемами и производственными документами, которые поддерживают аудиты и выездное обслуживание.

Какие печатные платы обычно используются в системах промышленных роботов?

Полная система промышленного робота может включать в себя основную плату контроллера, плату управления движением, платы сервоприводов, платы ввода/вывода и интерфейсов безопасности, платы связи, платы распределения питания, электронные компоненты пульта управления и платы датчиков или энкодеров. Некоторые из них расположены в шкафу контроллера; другие установлены в манипуляторе робота или концевом захвате.

Почему распределенные приводы шарниров так распространены в промышленных роботах?

Распределенные приводы размещают силовую электронику ближе к каждому шарниру, уменьшая длину кабелей, улучшая характеристики токовой петли, упрощая модули шарниров и облегчая их замену. Они также повышают требования к тепловому проектированию, виброустойчивости, надежности связи и ремонтопригодным разъемам, поскольку электроника располагается ближе к движущейся механической системе.

Какие протоколы связи распространены в промышленных роботах?

К распространенным протоколам относятся EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen, стандартный Ethernet и проприетарные шины управления движением. Правильный выбор зависит от интеграции на заводе, требований к синхронизации, установленного оборудования, архитектуры безопасности и экосистемы поставщика. Высокопроизводительные системы управления движением обычно требуют детерминированной связи с предсказуемой задержкой и дрожанием сигнала.

Как стандарт ISO 10218 влияет на электронику промышленных роботов?

Стандарт ISO 10218 определяет требования безопасности для промышленных робототехнических систем. Конструкция печатной платы должна поддерживать функции безопасности, такие как аварийная остановка, защитная остановка, активирующие устройства, контролируемое движение и безопасные интерфейсы. Соответствие требованиям осуществляется на системном уровне, но платы должны обеспечивать архитектуру, диагностику, документацию и надежные аппаратные пути, необходимые для проверки.

Какие проблемы электромагнитной совместимости затрагивают печатные платы промышленных роботов?

Промышленные роботы работают вблизи двигателей, сварочных аппаратов, приводов, реле, длинных кабелей и систем электропитания предприятий. Печатные платы должны противостоять кондуктивным и излучаемым помехам, контролируя при этом собственные излучения. Надлежащая практика в области электромагнитной совместимости включает экранирование, фильтрацию, изоляцию, контроль обратного пути, защиту от перенапряжений, стратегию выбора разъемов и проверку в реальных условиях эксплуатации кабелей и корпусов.

Как долго следует поддерживать печатные платы промышленных роботов?

Промышленные роботы часто остаются в эксплуатации от 10 до 15 лет и более, поэтому в программах проектирования печатных плат следует планировать жизненный цикл компонентов, утвержденные альтернативы, стратегию ремонта, контроль версий встроенного программного обеспечения и хранение документации. Долгосрочную поддержку следует учитывать на этапе первоначального проектирования, поскольку замена компонентов в более поздние сроки может привести к повторной квалификации или проблемам с обслуживанием на местах.

Что следует проверить перед выбором производителя печатных плат для промышленных роботов?

Проверьте опыт работы с сервоприводами, промышленной связью, безопасными входами/выходами, контролируемым импедансом, толстым медным сердечником, функциональным тестированием, документацией, отслеживаемостью и долгосрочными поставками. Подходящий производитель должен взять на себя как техническое изготовление печатной платы, так и предоставление доказательств качества, обслуживания и сертификации, необходимых для обеспечения гарантий.

Отправьте файлы печатных плат промышленного робота для проверки DFM-технологии производства.