Руководство по проектированию и изготовлению печатных плат для робототехники

Робот по сути представляет собой скоординированную совокупность печатных плат — приводов двигателей, интерфейсов датчиков, систем распределения питания, коммуникационных интерфейсов и центрального вычислительного блока — заключенных внутри механической конструкции. Способ проектирования и изготовления этих плат определяет надежность работы робота, его стоимость и сроки доставки. Эта страница — отправная точка для знакомства с практикой Highleap в области роботизированных печатных плат: чем отличаются печатные платы для роботов от обычной электроники, какие категории плат необходимы современному роботу и как проектирование, изготовление, сборка и закупка компонентов объединяются в рамках роботизированной программы.

Роботы — это чрезвычайно требовательные электронные платформы. Один робот может сочетать в себе электронику управления мощными двигателями с микровольтными сенсорными схемами, гигабитные интерфейсы машинного зрения с медленными безопасными входами/выходами, а также высокоскоростные вычислительные системы с контролируемым импедансом и надежную защиту от воздействия окружающей среды — и все это с ограничениями по механическим размерам и весу. Программы, рассматривающие робототехнику как обычную бытовую электронику, неоднократно обнаруживают, что предположения, работающие для потребительских товаров, не работают в случае роботов. Этот центр предоставляет информацию по конкретным категориям печатных плат, инженерным ограничениям и производственным процессам, необходимым для печатных плат роботов.

Чем отличаются печатные платы для роботов от обычных печатных плат бытовой электроники?

Шумовые домены определяют, будет ли печатная плата робота вести себя как единая система или как несколько боевых систем.

Электроника роботов редко выходит из строя из-за ошибки в одном конкретном блоке схемы. Обычно отказы происходят из-за взаимодействия: фронты инвертора, влияющие на дорожки энкодера, излучение сигналов от камер в беспроводные модули, скачки напряжения батареи, сбрасывающие логические шины, или токи шасси, возвращающиеся через сигнальные заземления. Рассмотрение робота как системы смешанной области на этапе планирования печатной платы предотвращает превращение этих дефектов интеграции в отказы в процессе эксплуатации.

Наиболее очевидное различие заключается в том, что роботы объединяют категории электроники, которые в потребительских товарах разделены. В потребительском телефоне есть вычислительные компоненты для поверхностного монтажа и радиочастотные компоненты, но практически отсутствуют привод двигателя, объединение данных с датчиков или безопасные входы/выходы. В бытовой технике есть привод и управление двигателем, но нет машинного зрения или вычислительных компонентов для искусственного интеллекта. У робота есть все это одновременно. Последствия для проектирования и производства распространяются на все категории печатных плат. Конкретные различия, определяющие проектирование печатных плат для роботов, следующие:

• Интеграция между несколькими доменами: Приводы двигателей, интерфейсы датчиков, вычислительные системы, средства связи и системы ввода-вывода безопасности сосуществуют на одной платформе. Каждая из них имеет свои собственные требования к шуму, тепловому режиму и надежности, и взаимодействие между ними является основной инженерной задачей.
• Ограничения, связанные с механическими габаритами: Платы размещаются внутри манипуляторов, шарниров и корпусов, конструкция которых разработана с учетом механических функций робота, а не электроники. Контуры плат часто имеют непрямоугольную форму; разъемы и кабели должны прокладываться внутри механических конструкций.
• Срок службы и рабочий цикл: Роботы, как правило, работают годами в непрерывном режиме или с высокой интенсивностью эксплуатации. Бытовая электроника редко подвергается таким же длительным термическим и механическим нагрузкам. Выбор компонентов и проектирование систем обеспечения надежности учитывают более длительный срок службы.
• Полевая среда: Роботы работают на заводах, в больницах, домах, на фермах, на открытом воздухе и под водой. Каждая среда имеет свои специфические механические и экологические нагрузки, которым должна противостоять электроника.
• Сертификация и отслеживаемость: Промышленные и медицинские роботы требуют сертификации, которая редко необходима для бытовой электроники. Отслеживаемость отдельных изделий, документированное управление технологическими процессами и архитектура безопасности увеличивают как инженерные, так и производственные затраты.

Правильная разработка электроники для печатных плат роботов — это задача, требующая соответствия инженерных дисциплин каждому из этих различий. Успешные программы подходят к каждой категории обдуманно; программы, которые полагаются на предположения, характерные для потребительской электроники, неоднократно обнаруживают, что надежность, стоимость или сроки не соответствуют требованиям. Отправной точкой является понимание того, какие категории плат необходимы конкретному роботу.

Категории плат в современном роботе: управление, привод двигателей, питание, датчики, машинное зрение, связь.

Разделите платы по электрическим доменам перед оптимизацией количества плат.

Целевое количество плат может создать впечатление более дешевой архитектуры, но при этом усложнить изготовление, сборку, тестирование и отладку печатных плат. Лучшей отправной точкой является разделение областей: необходимо разделить схемы коммутации высоких токов, прецизионные датчики, безопасные входы/выходы, высокоскоростные системы обработки данных и центральные вычислительные системы там, где их требования к шуму, тепловому режиму и обслуживанию расходятся. В этом случае количество плат становится инженерным компромиссом, а не способом сэкономить на закупке.

Электроника современного робота подразделяется на шесть основных категорий плат, плюс специализированные дополнения для каждого конкретного применения. Понимание этого разделения делает проектирование и оценку стоимости более эффективными. Категории следующие:

• Центральная панель управления: Основной процессор — микроконтроллер (MCU) или система на кристалле (SoC) — который запускает программное обеспечение для робота, координирует работу других плат и взаимодействует с внешним миром. Подробности описаны на странице руководства по проектированию печатных плат для плат управления роботом.
• Платы управления двигателями: по одному на каждый исполнительный механизм или по одному на каждый набор скоординированных исполнительных механизмов. Преобразует питание от батареи в коммутируемые фазные токи для бесщеточных двигателей постоянного тока, сервоприводов или шаговых двигателей. Подробности описаны на странице руководства по проектированию печатных плат драйверов двигателей роботов.
• Распределение мощности: Принимает питание от батареи и распределяет отрегулированное питание по всем подсистемам. Подробности описаны на странице руководства по проектированию печатных плат распределения питания робота.
• Платы интерфейса датчиков: Обработка и оцифровка аналоговых сигналов от инерциальных измерительных блоков (IMU), энкодеров, датчиков силы и других измерительных устройств. Подробности описаны на странице руководства по печатным платам интерфейса датчиков робота.
• Зрение и восприятие: Вспомогательные камеры, процессоры изображений и ускорители искусственного интеллекта для системы распознавания робота. Подробности описаны на странице руководства по печатным платам камер для роботизированного зрения.
• Интерфейсы связи: Передача состояния робота и команд между подсистемами и внешними системами. Подробности описаны на странице руководства по проектированию печатных плат для связи с роботами.

В число специализированных дополнений входят платы BMS для управления батареями, платы ввода-вывода и интерфейсов безопасности, а также специализированные интерфейсы для конкретных задач. Конкретный набор зависит от типа робота — гуманоидный, автономный мобильный робот, промышленная рука, дрон, сервисный робот или медицинское устройство — и для каждого приложения характерны свои основные особенности.

Технические ограничения, которые должна учитывать каждая печатная плата робота: электромагнитные помехи, тепловые нагрузки, вибрация, надежность.

Риски, связанные с надежностью, возникают на стыках, а не только внутри цепей.

Термоциклирование, вибрация, износ разъемов, электромагнитные помехи от двигателей и перемещение кабелей концентрируют напряжение на стыках между платами, кабелями, двигателями, батареями и шасси. Надежный план роботизированной печатной платы предусматривает фиксацию разъемов, снятие натяжения кабелей, склеивание шасси, покрытие и контрольные точки как часть электронной архитектуры, а не как второстепенные механические элементы.

Каждая печатная плата для роботов должна соответствовать четырём инженерным требованиям, которые большинство плат для потребительской электроники могут в значительной степени игнорировать. В робототехнике эти ограничения проявляются одновременно, а не по отдельности, поэтому инженерная дисциплина, занимающаяся печатными платами для роботов, больше похожа на аэрокосмическую или автомобильную промышленность, чем на потребительскую электронику. Основные ограничения:

• Электромагнитная совместимость и электромагнитная совместимость: Электроприводы генерируют широкополосные излучения, которые должны подавляться интерфейсами датчиков и средствами связи. Сертификация на соответствие пределам излучения и помехоустойчивости (IEC 61000, FCC, CE) требует тщательной компоновки и фильтрации. На странице руководства по проектированию электромагнитной совместимости и электромагнитной совместимости печатных плат роботов описана конкретная инженерная практика.
• Управление температурным режимом: Электродвигатели рассеивают от десятков до сотен ватт; вычислительные мощности ИИ — десятки ватт; общая тепловая нагрузка на плату превышает нагрузку большинства потребительских электронных устройств. Распределение тепла на уровне платы, тепловые переходные отверстия и система охлаждения работают вместе, чтобы поддерживать компоненты в рабочем диапазоне. Подробности описаны на странице руководства по управлению тепловым режимом печатных плат роботов.
• Механическое напряжение: Вибрация во время работы, удары в процессе эксплуатации и напряжения, передаваемые по кабелю к разъемам, снижают надежность паяных соединений. Выбор компонентов, конструкция крепления и точность сборки в совокупности определяют механическую прочность.
• Надежность в полевых условиях: Роботы должны работать годами без необходимости технического обслуживания. Выбор компонентов с заданным сроком службы, нанесение защитного покрытия или компаунда там, где этого требуют условия окружающей среды, и тестирование на надежность в ходе квалификации в совокупности обеспечивают длительный срок службы. Подробности описаны на инженерной странице руководства по проектированию печатных плат для надежных роботов.

Программы, которые целенаправленно учитывают эти инженерные аспекты на этапе проектирования, позволяют создавать надежные продукты; программы, которые рассматривают их как второстепенные вопросы, решают проблемы на этапе создания прототипов и опытно-конструкторских работ. Опыт партнеров по проектированию и производству в этих областях влияет на результат так же сильно, как и само проектирование.

Варианты изготовления: HDI, жёстко-гибкий, с толстым слоем меди, стандартный многослойный.

Выбор конструкции печатной платы должен осуществляться по функциональному назначению, а не по умолчанию, установленному для всей компании.

В робототехнических программах часто используются комбинации вычислительных плат HDI, плат питания из толстой меди, жестко-гибких межсоединений, стандартных многослойных сенсорных плат и коммуникационных плат с контролируемым импедансом. Принудительное использование одной стандартной конструкции для всех плат либо приводит к перерасходу средств на простые платы, либо к недостаточной спецификации критически важных плат. Соответствие конструкции функциям платы является основным фактором, определяющим стоимость и надежность.

Один робот объединяет несколько конструкций печатных плат, поскольку разные платы имеют разные требования. Объединение всего в один тип конструкции приводит к избыточным требованиям к одним платам и недостаточным требованиям к другим. Обычно роботы используют следующие производственные решения:

• Стандартный многослойный FR-4: Базовая конструкция. Подходит для плат управления, интерфейсов датчиков, коммуникационных плат и распределения электроэнергии средней мощности. Экономически эффективна в расчете на квадратный сантиметр; поддерживается практически всеми производителями.
• ИРЧП: Требуется для мелкошагового BGA-разветвления в современных SoC и там, где механические габариты требуют максимальной плотности цепей. Часто используется в системах машинного зрения, вычислительных системах искусственного интеллекта и компактных контроллерах суставов. Описано на странице руководства по проектированию печатных плат HDI для робототехники.
• Жестко-гибкий: Заменяет кабели и разъемы между соседними платами или между соединениями интегрированной подложкой. Часто используется в роботизированных манипуляторах, компактных модулях и платформах, где механические габариты ограничивают прокладку кабелей. Подробности описаны на странице, посвященной жестко-гибким печатным платам для шарниров и манипуляторов роботов.
• Тяжелая медь: Требуется для плат управления двигателями, систем распределения питания и BMS, где фазные или шинные токи превышают допустимые для стандартной меди. Обычно внешний слой толщиной 2-4 унции, внутренний – 1-2 унции. Подробно описано на странице руководства по проектированию печатных плат для роботов с толстым медным проводником.
• Печатная плата с металлическим сердечником: Алюминиевая или медная опорная пластина для светодиодного освещения, мощных приводов двигателей или компактных модулей с ограниченными тепловыми характеристиками. Оправдано в случаях, когда рассеивание тепла со стороны печатной платы является ограничивающим фактором.
• Контролируемое сопротивление: Требуется для высокоскоростных интерфейсов (PCIe, DDR, MIPI CSI-2, гигабитный Ethernet) на платах машинного зрения, вычислительных платах для ИИ и высокопроизводительных коммуникационных платах. Подробно описано на странице руководства по высокоскоростным печатным платам для робототехники.

В программах для роботов обычно используется несколько таких конструкций на разных платах одной и той же платформы, выбор осуществляется для каждой платы отдельно, а не равномерно. Такой подход позволяет экономить бюджетные средства, оплачивая дополнительные затраты на изготовление только там, где это необходимо для реализации проекта.

Области применения: промышленность, автоматизированные мобильные роботы/автономные транспортные средства, человекоподобные роботы, дроны, медицина, сервис, совместная работа, работа на открытом воздухе.

Критерии приемки должны определяться средой применения.

Для робота-манипулятора, работающего на складе, хирургического робота в рамках регулируемого медицинского процесса и сельскохозяйственного робота на открытом воздухе не требуются одинаковые критерии приемки печатных плат. Диапазон температур, воздействие влажности, спектр вибрации, доступ для обслуживания, чистящие средства, нормативное подтверждение и ожидаемый рабочий цикл должны быть определены до окончательного утверждения структуры, покрытия, типа разъема и охвата тестирования.

Электроника роботов выглядит по-разному в зависимости от области применения, поскольку механические, экологические и нормативные условия различаются. Основные области применения, которые поддерживает Highleap, включают:

• Промышленные роботы: Контроллер для монтажа в шкаф с распределенной электроникой управления. Высокая надежность, умеренный объем производства, длительный срок службы. Распространяется на... Проектирование и изготовление печатных плат для промышленных роботов стр.
• АМР и АГВ: Автономные мобильные роботы и автоматизированные транспортные средства. Мобильные платформы с питанием от батарей, оснащенные навигационной, двигательной и полезной нагрузкой электроникой. Подробности на странице руководства по печатным платам роботов AMR и AGV.
• Гуманоидные роботы: Распределенные контроллеры суставов плюс централизованный вычислительный центр для восприятия и управления. Компактные размеры, большое количество каналов, высокая сложность интеграции. Подробности описаны на странице руководства по проектированию печатных плат для человекоподобных роботов.
• Беспилотники и аэрофотосъемка: Платформа с ограниченным весом, оснащенная полетным контроллером, электронными регуляторами скорости и радиочастотной связью. Подробности описаны на странице, посвященной проектированию печатных плат для дронов и воздушных роботов.
• Медицинские роботы: Точное перемещение и визуализация, конструкция, устойчивая к стерилизации, и отслеживаемость соответствия нормативным требованиям. Подробности описаны на странице руководства по производству печатных плат для медицинских роботов.
• Сервисные роботы: Доставка, уборка, рестораны, гостиничный бизнес. Оптимизировано по стоимости и отличается коммерческой надежностью. Подробно описано на странице руководства по производству печатных плат для сервисных роботов.
• Коллаборативные роботы: Взаимодействие человека и робота, критически важное с точки зрения безопасности, с использованием датчиков силы и двухканального безопасного ввода-вывода. Подробности на странице, посвященной проектированию печатных плат для коллаборативных роботов с учетом требований безопасности.
• На открытом воздухе и в сельском хозяйстве: Надежная защита от воздействия окружающей среды, герметичные корпуса и виброустойчивая конструкция. Подробности описаны на странице руководства по печатным платам для роботов, используемых на открытом воздухе и в сельском хозяйстве.

Путь от прототипа до серийного производства для роботизированных печатных плат

Используйте поэтапные проверки, чтобы предотвратить проникновение проблем прототипа в производство.

EVT, DVT, PVT и пилотное производство не должны сводиться только к обозначениям. На каждом этапе необходимы четкие критерии завершения: устранение известных проектных рисков, определение стратегии оснастки, утверждение альтернативных вариантов спецификации материалов, стабильность программного обеспечения и ведение производственной документации. Без контрольных точек упрощение прототипов превращается в проблемы при производстве.

Программы Robot PCB обычно проходят этапы создания прототипов, пилотных проектов и серийного производства, при этом на каждом этапе учитываются различные производственные аспекты. Программы, рассматривающие все три этапа как единую операцию, как правило, обходятся дороже и занимают больше времени, чем программы, в которых каждый этап рассматривается отдельно. Типичные этапы:

• Прототип: Для инженерной проверки требуется от 10 до 50 единиц. Стоимость за единицу высока, поскольку затраты на НИОКР распределяются на небольшое количество плат; охват тестирования неформальный; процесс еще не утвержден. Основное внимание уделяется выявлению проблем, а не снижению затрат. Подробно описано на странице руководства по прототипам печатных плат роботов и внедрению новых продуктов.
• пилот: 100-500 единиц для предпроизводственной проверки. Проект утвержден; изготовлен испытательный стенд; квалифицирован производственный процесс. Данные испытаний используются для внесения оставшихся инженерных корректировок перед запуском производства.
• Мелкосерийное производство: От сотен до нескольких тысяч единиц. Стоимость единицы продукции существенно снижается по сравнению с прототипом; процесс стабилен; налажена цепочка поставок. Типичный стабильный режим работы для промышленных и специализированных роботов. Подробно описано на странице руководства по мелкосерийному производству печатных плат роботов.
• Серийное производство: от тысяч до десятков тысяч единиц в год. Оптимизированные затраты; полностью индустриализированный процесс; налаженная цепочка поставок. Характерная черта сервисных роботов для потребителей и успешных коммерческих платформ.

Производственные возможности Highleap охватывают все четыре этапа. Программы, использующие одного и того же производителя на разных этапах, получают выгоду от накопленных знаний, которые передаются между этапами; программы, меняющие производителей, оплачивают повторную квалификацию при каждом переходе. Услуги по роботизированному производству и сборке печатных плат. В обзоре рассматривается общая практика.

Роботизированное производство печатных плат, поиск поставщиков, проектирование для производства (DFM), тестирование и поддержка сборки корпусов.

Запрашивайте не только описания производственных возможностей, но и подтверждающие производственные данные.

Поставщик печатных плат для робототехники должен продемонстрировать, как он контролирует структуру слоев, профили пасты, протоколы проверок, журналы функциональных испытаний, отслеживаемость компонентов и уведомления об изменениях. Доказательства важнее общих заявлений, поскольку программы для роботов зависят от повторяемости результатов при разных версиях и производственных партиях.

Практика Highleap в области робототехники охватывает весь производственный комплекс, типичный для клиентов, использующих робототехнику: изготовление печатных плат с использованием различных технологий, применяемых роботами, сборка печатных плат, включая поверхностный монтаж, монтаж в отверстия и специальные процессы, поиск компонентов с активным управлением цепочкой поставок, анализ технологичности производства (DFM) от проектирования до пилотного производства, инфраструктура тестирования, поддерживающая специфические требования заказчика, и интеграция сборки корпусов, где собранная электроника и корпус поставляются как единый продукт. Конкретные возможности включают:

• Изготовление: Стандартные многослойные, HDI, жестко-гибкие, с толстым слоем меди и с контролируемым импедансом конструкции. Все конструкции, обычно необходимые для роботизированных печатных плат, поддерживаются собственными силами компании.
• ПОСТУПИВ: Технология поверхностного монтажа (SMT), сквозного монтажа и смешанная технология. Возможность малого шага выводов, включая BGA 0.4 мм и пассивные компоненты 01005. Специальные процессы: конформное покрытие, заливка компаундом, запрессовка разъемов, волновая и селективная пайка. Подробности см. на [ссылка на документацию]. Поддержка сборки печатных плат и корпусов для робототехники. стр.
• Источники компонентов: Распределение осуществляется по умолчанию через авторизованного дистрибьютора, привлечение брокера — по запросу с указанием рисков. Осуществляется активный мониторинг распределения по линиям с высоким риском. Стратегическое размещение запасов для программ с большими объемами поставок.
• Обзор DFM: Проектирование с учетом технологичности изготовления и сборки на этапе выпуска прототипа; постоянная поддержка проектирования с учетом технологичности изготовления на протяжении всех итераций проектирования.
• Тестирование: AOI, рентгеновское излучение, летающий зонд, ИКТ, функциональное тестирование с использованием предоставленного заказчиком программного обеспечения и приспособлений. Экологические испытания образцов в партнерских лабораториях по мере необходимости.
• Интеграция с Box Build: В качестве одного результата работы предлагается сборка печатной платы, корпус, кабельная обвязка и окончательное тестирование. Это распространенная практика для готовых робототехнических узлов, где заказчик предпочитает интегратора из одного источника.

Часто задаваемые вопросы о печатных платах для робототехники

Что такое роботизированная печатная плата?

Роботизированная печатная плата — это печатная плата, предназначенная для размещения электроники роботов, такой как системы управления, приводы двигателей, датчики, связь, машинное зрение, управление батареями и распределение питания. В отличие от обычной печатной платы, она должна выдерживать смешанные сигнальные домены, электромагнитные помехи от двигателей, тепловую нагрузку, вибрацию, напряжение разъемов и длительные циклы работы.

Какие типы печатных плат используются в роботах?

К распространенным типам печатных плат для роботов относятся платы управления, платы управления двигателями, платы распределения питания, платы интерфейса датчиков, платы связи, платы машинного зрения/камер, платы ввода-вывода для обеспечения безопасности и жестко-гибкие межсоединения. В сложных роботах обычно используется несколько из этих типов плат, а не одна универсальная плата.

Сколько слоев должно быть на печатной плате робота?

Простые платы управления или датчиков могут использовать от 2 до 4 слоев, в то время как платы управления, машинного зрения и связи часто используют от 6 до 12 слоев. Платы вычислительной техники высокой четкости и платы расширенного восприятия могут потребовать больше слоев. Количество слоев должно определяться плотностью трассировки, обратными путями, целостностью питания и требованиями к импедансу.

Почему печатные платы для роботов дороже обычных печатных плат?

Стоимость роботизированных печатных плат выше, поскольку они часто требуют смешанной конструкции, толстого слоя меди, HDI, контролируемого импеданса, надежных разъемов, функционального тестирования, поддержки со стороны поставщиков и отслеживаемости. Стоимость включает в себя не только саму плату; сборка, риски, связанные со спецификацией материалов, приспособления, калибровка и охват тестирования также вносят существенный вклад.

Какие проблемы с надежностью наиболее распространены в печатных платах роботов?

К распространенным проблемам, влияющим на надежность, относятся электромагнитные помехи от двигателя, передающиеся на датчики, перегрев, усталость разъемов, растрескивание паяных соединений из-за вибрации, кратковременные сбросы батареи, дефекты покрытия, плохое заземление, а также ошибки программирования или калибровки микропрограммного обеспечения. Многие отказы проявляются только после интеграции системы.

Следует ли использовать жестко-гибкую конструкцию для печатных плат роботов?

Жестко-гибкая конструкция полезна там, где плата должна проходить через подвижные шарниры, манипуляторы, вращающиеся узлы или в узких механических пространствах. Она не требуется для каждой платы робота. Используйте жестко-гибкую конструкцию, когда уменьшение количества кабелей, повышение надежности при изгибе или упрощение сборки оправдывают дополнительные затраты на изготовление.

Какие файлы необходимы для изготовления печатной платы для робота?

Полный комплект обычно включает файлы Gerber или ODB++, файлы сверления, требования к сборке, спецификацию материалов, файл центроида, сборочные чертежи, требования к испытаниям, микропрограммное обеспечение или инструкции по программированию, требования к импедансу, примечания к покрытию, а также любые специальные требования к контролю или отслеживаемости.

Как команде робототехников выбрать производителя печатных плат?

Выбор производителя должен соответствовать фактическому составу печатных плат робота: HDI, толстый слой меди, жестко-гибкие платы, платы с контролируемым импедансом, печатные платы, источники поставки, оснастка, функциональное тестирование и документация. Низкой цены недостаточно, если поставщик не может обеспечить поддержку необходимого состава печатных плат и истории изменений.