Друкована плата промислових роботів для контролерів, сервоприводів, безпеки та сертифікації

Друковані плати промислових роботів підтримують фіксовані опорні кронштейни, портальні роботи, колаборативні промислові системи, зварювальні роботи, роботи-палетизатори та інші платформи автоматизації виробництва. Вони повинні витримувати високі робочі цикли, електричний шум, мати тривалий термін служби, відповідати вимогам безпеки та технічного обслуговування, які є суворішими, ніж більшість побутової або офісної електроніки.

У цьому посібнику пояснюються друковані плати промислових роботів з точки зору системи та виробництва: шафи контролерів, розподілені спільні приводи, промисловий Ethernet, архітектура безпеки, електромагнітна сумісність (ЕМС), тепловий дизайн, документація та довгострокова підтримка. Він також виправляє початковий напрямок поширених запитань, замінюючи питання, орієнтовані на постачальника, галузевими питаннями, які фактично шукають інженери, команди з постачання та менеджери з продукції.

Що відрізняє електроніку промислових роботів

Роль у робототехнічній системі

Промислові роботи — шарнірні важелі з фіксованою основою, що використовуються на виробничих лініях, — мають специфічні вимоги до електроніки, які відрізняються від інших категорій роботів. Високий робочий цикл, тривалий термін служби, контролер, що монтується в шафі, з розподіленою електронікою приводу та високі показники надійності формують електронний стек. Що відрізняє електроніку промислових роботів від інших:

• Високий робочий цикл: багато годин безперервної роботи на день. Зниження номінальних характеристик компонентів та теплова конструкція розраховані на безперервну роботу.
• Тривалий термін служби: 10-15 років типово для промислової арматури. Наявність компонентів, термін служби конденсаторів та механічний знос – все розраховано на цей термін служби.
• Контролер для монтажу в шафу: Головний обчислювальний пристрій знаходиться в шафі керування, а не на кронштейні. Зв'язок з накопичувачами, встановленими на кронштейні, здійснюється через кабелі.
• Розподілені накопичувачі: Сервоприводи на кожному з'єднанні важеля. Зв'язок через EtherCAT, EtherNet/IP або власні шини.
• Вимоги до сертифікації: безпека (ISO 10218), електромагнітна сумісність (IEC 61000) та функціональна безпека (IEC 62061). Документація підтверджує кожен з них.
• Модернізація та модернізація: Промислові установки іноді модернізують електроніку на існуючому механічному обладнанні. Сумісні інтерфейси зберігають шляхи оновлення.

Ризики проектування, які потрібно контролювати

Для друкованих плат промислових роботів вхідні дані щодо технологічності слід враховувати до того, як будуть заморожені розміщення роз'ємів, посадка корпусу, доступ до кріплень, теплові шляхи та прокладання джгутів. Пізні зміни в цих деталях зазвичай призводять до механічної переробки, переробки випробувальних пристроїв або компромісів з надійністю, яких можна було б уникнути за допомогою ранньої перевірки DFM.

Вибір компонентів повинен включати статус життєвого циклу, затверджені альтернативи, наявність корпусу, температурний клас та, де це доречно, рейтинги безпеки або ізоляції. Друковані плати промислових роботів часто залишаються у виробництві або експлуатації довше, ніж побутова електроніка, тому невирішений ризик постачання стає проблемою польової підтримки, а не лише проблемою закупівлі.

На системному рівні плата повинна визначатися за функцією, середовищем, терміном служби та обсягом тестування, а не лише за схемою. Це запобігає поширеній помилці створення технічно правильної друкованої плати, яку важко кріпити, важко обслуговувати або вона недостатньо міцна після встановлення в робота.

Архітектура контролера: застосування, рух, безпека

Вибір архітектури для архітектури контролера

Архітектура контролера промислового робота зазвичай розділяє високорівневі обчислення від координації руху в реальному часі. Основні компоненти:

• Процесор застосунку: запускає високорівневу програму робота, інтерфейс підвіски для навчання та зв'язок із системами заводу. Linux або промислова ОС.
• Координатор руху: Координація суглобів у реальному часі. Детермінований час на кілогерцовій частоті. Часто на FPGA або спеціалізованому процесорі.
• Контролер безпеки: Спеціальний процесор з рейтингом безпеки, що обробляє функції зупинки та контрольовану роботу. Незалежно від головного контролера.
• Комунікаційні інтерфейси: Ethernet для систем підприємства, промисловий Ethernet (EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP) для периферійного обладнання.
• Інтерфейс людина-машина: підключення підвісного пристрою для навчання, підключення сервісного ноутбука, індикаторні лампи.
• Розподіл живлення: кілька рейок для різних підсистем. Послідовний запуск та зупинка.

Вимоги до перевірки архітектури контролера

Надійність залежить від збереження запасів, передбачених на платі: ширина міді, відстань між ізоляцією, теплове зняття, утримання роз'ємів, зниження номінальних характеристик компонентів та охоплення інспекцією. Виробник повинен перевіряти ці характеристики, а не розглядати друковану плату як універсальний вузол із типовим тестом «пройшов/не пройшов».

Працездатність слід враховувати за допомогою маркованих роз'ємів, доступних точок тестування, чітких варіантів плат та відстеження серійних номерів. Коли робот виходить з ладу в польових умовах, хороша діагностика на рівні плати дозволяє сервісній команді швидко ізолювати проблему, замість заміни великих вузлів або повернення всього робота.

Практичне правило полягає в тому, щоб вибрати найпростішу конструкцію, яка все ще відповідає вимогам щодо сигналу, безпеки, теплових та механічних характеристик. Надмірні специфікації збільшують вартість, тоді як недостатні специфікації призводять до переробки під час випробувань або польового розгортання.

Електроніку розподіленого приводу слід переглянути разом з Конструкція друкованої плати драйвера двигуна і підтримка виробництва друкованих плат роботів а не розглядатися як загальна друкована плата керування.

Електроніка розподіленого спільного приводу

Ключові варіанти проектування для електроніки розподіленого спільного приводу

Електроніка шарнірного приводу на промислових маніпуляторах зазвичай розташована на кожному шарнірі, а не в шафі контролера. Переваги: ​​коротші проводки живлення, швидші контури руху, легша заміна шарнірів. Основні міркування:

• Сервопривід на шарнір: Інтегрована електроніка сервоприводу в кожному з'єднанні. Зв'язок через шину руху з контролером.
• Абсолютний енкодер: зворотний зв'язок по положенню, що витримує цикли живлення. Зменшує кількість послідовностей повернення до початкового положення при запуску.
• Функції безпеки: Безпечне вимкнення крутного моменту, безпечна зупинка роботи, безпечне обмеження швидкості як стандартні функції приводу.
• Керування гальмами: Задіяння гальма суглоба при втраті потужності або зупинці. Запобігає падінню руки під дією сили тяжіння.
• Теплове управління: Шарнірні приводи працюють у тепловому середовищі важеля. Іноді це обмежено охолодженням конструкції важеля.
• Конструкція кабелю: Живлення, зв'язок та сигнали безпеки в одному кабелі на з'єднання. Термін служби гнучкого кабелю відповідає терміну служби важеля.

Міркування щодо виробництва та надійності

Дисципліна покриття тестування масштабується залежно від вимог до надійності. Споживчі програми потребують менше покриття, ніж промислові; промислові – менше, ніж медичні; медичні – менше, ніж критично важливі для безпеки. Зіставлення покриття тестування з фактичними вимогами зберігає бюджет витрат, водночас забезпечуючи гарантію, необхідну програмі.

Виробнича документація часто недостатньо фінансується на етапі проектування, а її ретроактивне створення є дорогим. Записи випробувань кожної одиниці, отримані під час виробництва, підтримують польові дослідження роками пізніше; відстеження партії компонентів підтримує посмертний аналіз повернень польових матеріалів. Програми, які планують документацію на ранній стадії, мають необхідні записи; програми, які додають документацію пізніше, часто втрачають потрібні дані.

Зв'язок: EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP

Вимоги до інтерфейсу та макета

Зв'язок між шафою контролера та електронікою, встановленою на кронштейні, використовує промислові протоколи з визначеними характеристиками. Основні опції:

• EtherCAT: Детермінований Ethernet, субмікросекундна синхронізація. Стандарт для високопродуктивного руху.
• PROFINET IRT: подібна детермінована продуктивність. Поширений на європейському ринку.
• EtherNet/IP: Детерміновані можливості з CIP Motion. Поширені на північноамериканському ринку.
• Власник: Протоколи, специфічні для певних постачальників. Зберегти інтеграцію, але обмежити проектування систем для багатьох постачальників.
• Резервне копіювання зв'язку: деякі архітектури використовують надлишкові канали зв'язку для трафіку, пов'язаного з безпекою.

Міркування щодо електромагнітної сумісності, синхронізації та тестування

Прозорість ланцюга поставок під час виробництва впливає як на вартість, так і на надійність. Виробники з можливостями активного постачання поглинають цикли розподілу, які в іншому випадку спричинили б зупинки виробництва; виробники без активного постачання перекладають проблеми з постачанням на клієнтів. Цінність активного постачання є найвищою під час галузевого дефіциту та найнижчою під час стабільних умов постачання.

Цикли ітерацій проектування виграють від чіткого зворотного зв'язку між проектуванням та виробництвом. Партнер-виробник, який надає оперативний зворотний зв'язок DFM, забезпечує швидку ітерацію; партнер, який надає повільний або поверхневий зворотний зв'язок, пропорційно уповільнює ітерацію. Програми, які обирають партнерів-виробників частково на основі якості зворотного зв'язку, зазвичай проходять фазу прототипу швидше, ніж програми, які обирають виключно на основі найнижчої вартості.

Планування безпеки промислових роботів також пов'язане з інтерфейс безпечного вводу/виводу, тоді як зв'язок з шафою залежить від надійної промислова мережева друкована плата.

Архітектура безпеки згідно з ISO 10218

Вибір архітектури для архітектури безпеки згідно з ISO 10218

Архітектура безпеки промислових роботів реалізує вимоги стандарту ISO 10218. Основні функції безпеки:

• Аварійна зупинка: зупинка категорії 0 або 1 від пристроїв аварійної зупинки. Резервні апаратні шляхи.
• Захисна зупинка: Зупинка категорії 2 через запобіжні заходи. Робот зупиняється, але живлення зберігається.
• Безпечна зупинка роботи: Робот утримує положення під дією приводу. Дозволяє виконувати ручну роботу поблизу зупиненого робота.
• Безпечно обмежена швидкість: Обмеження швидкості під час ручного керування. Забезпечує безпеку в режимі навчання.
• Безпечне гальмо: Гальмо увімкнене як функція безпеки. Автономна перевірка роботи гальма.
• Увімкнутий пристрій: Для переміщення робота в ручному режимі потрібні дії оператора. Функція автоматичного блокування двигуна.

Вимоги до валідації архітектури безпеки згідно з ISO 10218

Економіка діапазону обсягів по-різному впливає на правильний вибір процесу в різних масштабах виробництва. Практики, які окупаються при 100 000 одиниць на рік, рідко окупаються при 500 одиницях; практики, які мають сенс на етапі прототипу, рідко мають сенс при великих обсягах. Відповідність виробничого підходу фактичному обсягу виробництва робить кожен діапазон обсягів економічно вигідним.

Вимоги до нормативної сертифікації суттєво різняться залежно від застосування та ринку. Докази виробництва, що підтверджують заявки клієнтів, можуть варіюватися від мінімальних (споживчі товари на нерегульованих ринках) до обширних (медичні вироби з обмеженими термінами зберігання). Програми, які визначають вимоги до сертифікації під час котирування, забезпечують правильне налаштування виробництва; програми, які додають вимоги до сертифікації пізніше, іноді потребують змін у процесі.

Екологічні та довгострокові міркування

Ключові конструктивні рішення з урахуванням екологічних та довгострокових міркувань

Екологічні та термінові міркування впливають на електроніку промислових роботів. Основні міркування:

• Температурний діапазон: зазвичай робоча температура 0-45 °C; зберігання від -20 до +65 °C. Для деяких застосувань потрібен ширший діапазон.
• Допуск до вологості: промислове середовище з урахуванням конденсації та змивання.
• Вібрація: Електроніка, встановлена ​​на кронштейні, бачить прискорення під час руху. Розмір кріплення компонентів та роз'ємів підібрано відповідно до цього.
• Термін служби гнучкого кабелю: З'єднувальні кабелі згинаються мільйони циклів протягом терміну служби. Конструкція кабелю та зняття натягу з'єднувача мають значення.
• Зниження номінальних характеристик компонентів: Безперервна робота протягом 10-15 років означає, що компоненти працюють при навантаженні нижче номінального. Це значно подовжує термін служби.
• ЕМС у промисловому середовищі: Потужне суміжне обладнання створює значне електромагнітне навантаження. Вимоги до стійкості до пошкоджень суворі.

Міркування щодо виробництва та надійності

Консолідоване виробництво в одного виробничого партнера зберігає інституційні знання, що накопичуються протягом поколінь продукції. Партнер, який створив кілька поколінь подібної продукції, знає конкретні проблеми, що виникають, коригування процесу, що підвищують вихід продукції, та шаблони проектування, що забезпечують якісне виробництво. Ці знання не передаються новим партнерам без жодних витрат.

Постійний діалог між інженерами та виробництвом з часом покращує як продукцію, так і відносини з постачальниками. Дані про врожайність, що надходять назад до інженерів, допомагають удосконалити конструкцію; дані з польових досліджень, що надходять назад, допомагають покращити як конструкцію, так і виробництво. Програми, де цей діалог активний, удосконалюються протягом усіх поколінь продукції.

Щодо суміжних дизайнерських рішень див. Посібник з друкованої плати сервоприводів та контролерів BLDC і Посібник з друкованої плати інтерфейсу вводу/виводу робота та безпеки.

Для виробництва з тривалим терміном служби Highleap може поєднувати виготовлення з підтримка складання друкованих плат робототехніки та складання корпусів.

Виробництво друкованих плат промислових роботів у Highleap

Огляд DFM перед виробництвом

Highleap виробляє промислову робототехнічну електроніку з дисципліною, необхідною для довготривалих продуктів. Конкретні можливості включають:

• Постачання компонентів промислового класу: компоненти тривалої доступності з визначеними життєвими циклами продукту. Зберігає працездатність протягом усього терміну служби продукту.
• Важка мідь для електроніки приводу: електроніка шарнірного приводу високого струму з відповідним тепловим розрахунком.
• Виробництво комунікаційного інтерфейсу: Інтерфейси EtherCAT, PROFINET та EtherNet/IP з перевіркою функціональності.
• Виробництво з рейтингом безпеки: виробництво, що підтримує подання заявок на сертифікацію ISO 10218 та IEC 62061.
• Екологічний скринінг: Термоциклічні та вібраційні випробування зразків для кожної виробничої партії.
• Документація: відстеження кожної одиниці продукції та виробничі записи, що підтримують сертифікацію клієнтів та інтеграцію з СУЯ.

Тестування, відстеження та передача збірки

Дисципліна виробничого процесу для робототехніки поєднує практики з кількох традиційних категорій електроніки. Від побутової електроніки — економічна дисципліна та серійне виробництво. Від промислової електроніки — надійність інженерії та тривалий термін служби. Від автомобільної електроніки — вібрація та стійкість до впливу навколишнього середовища. Від медичної електроніки — документація та відстеження. Робототехніка виграє від поєднання цих методів.

Програми, які розглядають виробництво як стратегічний підхід — інвестування у відносини з постачальниками, обмін прогнозною інформацією, координація потужностей — зазвичай перевершують програми, які розглядають виробництво транзакційно. Транзакційний підхід економить час на переговори, але втрачає комплексні переваги довгострокового партнерства з постачальниками.

Найчастіші запитання щодо друкованих плат промислових роботів

Чим відрізняється друкована плата промислового робота від звичайної електроніки?

Друковані плати промислових роботів повинні витримувати тривалий термін служби, високий робочий цикл, шум двигуна, монтаж у шафі або на кронштейні, промисловий зв'язок, функції безпеки та документовану відстежуваність. Зазвичай вони розроблені з ширшими межами зниження номінальних характеристик, сильнішим захистом від електромагнітної сумісності, надійнішими роз'ємами та виробничими записами, що підтверджують аудити та польове обслуговування.

Які друковані плати зазвичай знаходяться всередині промислової робототехнічної системи?

Повна система промислового робота може включати головну плату контролера, плату керування рухом, плати сервоприводів, плати інтерфейсів введення/виведення та безпеки, плати зв'язку, плати розподілу живлення, електроніку підвісного навчального пристрою та плати датчиків або енкодерів. Деякі з них розташовані в шафі контролера; інші встановлені в маніпуляторі робота або кінцевому ефекторі.

Чому розподілені шарнірні приводи поширені в промислових роботах?

Розподілені приводи розміщують силову електроніку ближче до кожного з'єднання, зменшуючи довжину кабелю, покращуючи продуктивність струмової петлі, спрощуючи модулі з'єднань та полегшуючи їх заміну. ​​Вони також підвищують вимоги до теплового дизайну, вібростійкості, надійності зв'язку та справних роз'ємів, оскільки електроніка розташована ближче до рухомої механічної системи.

Які комунікаційні протоколи поширені в промислових роботах?

До поширених протоколів належать EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen, стандартний Ethernet та власні шини руху. Правильний вибір залежить від заводської інтеграції, вимог до синхронізації, встановленого обладнання, архітектури безпеки та екосистеми постачальників. Високопродуктивне рух зазвичай вимагає детерміністичного зв'язку з передбачуваною затримкою та тремтінням.

Як ISO 10218 впливає на електроніку промислових роботів?

Стандарт ISO 10218 визначає вимоги безпеки для промислових робототехнічних систем. Конструкція друкованої плати повинна підтримувати такі функції безпеки, як аварійна зупинка, захисна зупинка, пристрої ввімкнення, контрольований рух та безпечні інтерфейси. Відповідність вимогам здійснюється на системному рівні, але плати повинні забезпечувати архітектуру, діагностику, документацію та надійні апаратні шляхи, необхідні для валідації.

Які проблеми електромагнітної сумісності (ЕМС) впливають на друковані плати промислових роботів?

Промислові роботи працюють поблизу двигунів, зварювальних апаратів, приводів, реле, довгих кабелів та систем живлення підприємств. Друковані плати повинні протистояти кондуктивному та випромінюваному шуму, контролюючи при цьому власні викиди. Належна практика електромагнітної сумісності (ЕМС) включає екранування, фільтрацію, ізоляцію, контроль зворотного шляху, захист від перенапруги, стратегію підключення роз'ємів та перевірку в реальних умовах кабелю та корпусу.

Як довго слід підтримувати друковані плати промислових роботів?

Промислові роботи часто залишаються в експлуатації протягом 10-15 років або довше, тому програми розробки друкованих плат повинні планувати життєвий цикл компонентів, затверджені альтернативи, стратегію ремонту, контроль версій прошивки та зберігання документації. Довгострокову підтримку слід враховувати під час початкового проектування, оскільки пізні заміни можуть призвести до перекваліфікації або ускладнень під час обслуговування.

Що слід перевірити перед вибором виробника друкованих плат промислових роботів?

Перевірте досвід роботи з сервоприводами, промисловим зв'язком, системами безпеки вводу/виводу, контрольованим імпедансом, важкими мідними проводами, функціональними випробуваннями, документацією, відстеженням та довгостроковим постачанням. Відповідний виробник повинен займатися як технічним проектуванням плати, так і виробничими доказами, необхідними для забезпечення якості, обслуговування та сертифікаційної підтримки.

Надішліть файли друкованих плат промислового робота для перевірки DFM виробництва