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隨著自動化投資回報的增加以及工廠所有者的總擁有成本的降低，與人類一起工作的工業機器人正在不斷增加。這些機器人正在自動執行以前只有人類才能完成的任務，這種現象不僅發生在大規模制造中，而且也發生在中小型企業中，業界把這種趨勢視為自動化的“民主化”。工業機器人的發展離不開半導體技術的進步，在工業自動化領域的主要半導體方案提供商中，ADI公司一直在提高工業機器人的能力上發揮著積極作用，在運動控制、功能安全、高級檢測和系統級設計等領域，專家團隊正在不斷創造適用于工廠車間及更多領域的機器人和協作式機器人的新技術，本文將從該公司在機器人領域的技術布局，看看在工業機器人日益普及的當下如何提高生產制造的精度。
傳統機器人和新興機器人在構架上的PK
機器人的核心部分是用于運動控制的伺服驅動器，每個軸的運動必須與其他所有軸在時間上同步和一致，以便機器臂可以在一定的時間和空間里走過預定義的路徑。每個電機都有一個伺服器，多軸伺服器可以控制一個以上的電機，但是無論哪種方式，每個伺服器必須以適當的方式連接在一起，并滿足特定機器人設計的規范。傳統上需要一個大型外部控制柜，其中包含所有伺服關節和電力電子設備。使用長線纜連接到機器人本身，機器人的每個軸上都裝有電機，線纜既有每個電機的高壓交流信號，也有來自每個軸上的每個狀態傳感器或編碼器的低壓狀態反饋信號。這種架構的缺點是機柜尺寸必須與它所控制的機器人的尺寸完全匹配，而且很難添加新元件，例如新的軸、線性環或作為機器人移動的桌子。添加新傳感器也很困難，即使可以添加，也必須將額外的電纜連回到控制柜。這就大大降低了機器人的可擴展性和靈活性。對于像這樣的傳統架構，高效改變系統要困難得多。
隨著制造業格局的變化，靈活性對于制造商改變生產線或批次規模至關重要。為了響應新的或不斷變化的消費者需求，機器人架構需要更加注重與伺服驅動器的集成，每個軸上都有電動機，這與市場上機器人的體積更小、重量更輕的趨勢緊密相關。近年來，機器人控制柜的尺寸越來越小，一些控制柜減小到盒子般大小，機柜和通信網絡的直流電源線纜也發生了變化。 這種架構支持增加軸和傳感器，并將所有東西都連接到機器人的通信網絡和直流電源，所有電力電子設備和控件都在每個軸的每個集成驅動器內部。這種架構帶來了極大的靈活性，允許通過軟件改變系統，但這給內部機器人網絡及其功能帶來了新的挑戰。
一個新興機器人中通常至少有三個網絡甚至更多。外部網絡將機器人控制器連接到POC。 這基本上是工廠網絡，除非機器人是獨立的，一般會插入到更高級別的網絡中。該連接通常必須是多協議的，因為機器人制造商不知道機器人連接的是哪種系統。例如，可能是Profinet系統、EtherCAT系統或其他系統。因此，它基本上需要是多協議的。機器人內部通常會有兩個網絡：第一個是伺服控制網絡，它將機器人控制器連接到每個伺服驅動器，并將更新的位置命令傳送到每個伺服器；另一個是位置檢測網絡，該位置信息或結果傳送回相關的伺服驅動器。所以多協議實時確定性以太網通信對于工廠環境中的多軸機器人至關重要，ADI的Chronous工業以太網產品組合提供了一系列解決方案，包括平臺、交換芯片和物理層套件，支持所有主要的工業以太網協議，并提供多協議靈活性、易用性和支持。這些面向未來的產品適用于當今的工業以太網和未來基于融合網絡的時間敏感網絡（TSN）。
實時以太網多協議交換下的多軸同步網絡
機器人網絡的需求主要是管理該網絡中的流量。因此，機器人網絡中的流量通常是在一條線上建立的，流量流入伺服驅動器的網絡端口，進入PHY流入下圖所示的以太網，再流入網絡進程，或者可以根據特定數據包的目的地將其路由到下一個節點。因此，該環路中的延遲和流量管理對于確保系統實時運行至關重要。
實時以太網多協議交換機通過流量優先級排序和時間敏感協議來管理擁塞，確保通過系統的流量得到適當管理，無論是視頻流還是用于其他傳感器（例如抓取器系統）的流量，與運動控制流量相比，這些流量的優先級可能不高。
在所有軸都需要同步的多軸網絡中，延遲性能至關重要。機器人設計人員的控制周期通常低至50到25微秒，在此周期內，每個新的位置參考和其他相關信息必須從機器控制器傳輸到每個節點或軸。這些節點中的每個節點還必須更新伺服控制算法并同時驅動所有相關器件。PHY低延遲會直接影響整體時序預算，而且這些延遲會累積。
此外，根據機器人的架構和控制方案的拓撲結構，某些控制算法實際上可以駐留在PLC中，這會增加復雜性和時間獨立性。因此，機器人等高性能多軸同步運動應用要求控制時序是確定性的，以最小化端到端延遲時間，尤其是隨著控制周期時間的縮短和控制算法復雜性的提高，低延遲PHY和嵌入式以太網交換機是優化這些系統的重要元素。
如何解決上述全部挑戰，使PHY具有行業領先的魯棒性和延遲性能呢？ADI針對機器人運動系統的PHY收發器ADIN 1300和ADIN 1200，是專為ADI最新擴展的工業以太網解決方案Chronous™而開發的最新技術，提供低功耗、低延遲和穩健性，可以在惡劣環境中可靠地運行，具有如下增強的PHY特性：
- 增強的鏈接斷開檢測，可在10 µs內檢測到鏈接斷開——實時工業以太網協議要求（如EtherCAT®)
- 數據包起始檢測支持IEEE 1588時間戳——整個網絡要求實現精確的時序
- MDI引腳提供增強ESD保護——RJ-45接頭具有ESD穩健性
- PHY啟動時間：< 15 ms——從電源狀態良好到管理接口/寄存器可用的時間
- 片內電源監視器——提高了上電時的系統穩定性
ADIN1300是業界具有出色的功耗、延遲和封裝尺寸特性的10Mbps/100 Mbps/1000 Mbps工業以太網PHY，其EMC和ESD穩健性已經過廣泛測試，可在高達105°C的環境溫度下運行。ADIN1300 PHY已通過EMC/ESD標準測試，如下表所示。通過使用已通過IEC和EN標準廣泛測試的以太網PHY技術，可顯著降低產品合規性測試和認證的相關成本和時間。ADIN1300 PHY滿足EtherCAT G工業以太網協議的所有要求，并包含在EtherCAT G PHY選型指南中。
ADIN1200低功耗10 Mbps/100 Mbps穩健型工業以太網PHY已經過廣泛的EMC和ESD穩健性測試，可在高達105°C的環境溫度下運行。帶fido5200的ADIN1200為多協議、實時工業以太網設備連接提供系統 級解決方案，支持Profinet®, EtherNet/IP™、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink實現嵌入式雙端口設備連接，如下圖所示。ADIN1200 PHY滿足EtherCAT工業以太網協議的所有要求，并包含在 EtherCAT PHY選型指南中。
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總結
根據工信部近期發布的《2020年1-12月機器人行業運行情況》顯示，1-12月累計生產工業機器人23.7萬套，同比增長19.1%，創下我國工業機器人單年產量最高紀錄，中國制造向中國“智造”升級中，機器人正在扮演著越來越重要的角色。在機器人應用中，多軸同步至關重要，所以網絡需求極為苛刻，針對工業應用而設計的增強物理層技術就其中是一個關鍵的設計選擇。穩健型工業以太網PHY技術可解決功耗、延遲、解決方案尺寸、苛刻環境溫度、穩健性(EMC/ESD)和產品壽命等問題。
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