工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)適用性上已經(jīng)不能滿足日益增長的多任務(wù)需求，多軸機(jī)器人順勢發(fā)展，趨勢明顯。作為能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系的操作機(jī)，多軸機(jī)器人是以XYZ直角坐標(biāo)系統(tǒng)為基本數(shù)學(xué)模型，以伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的單軸機(jī)械臂為基本工作單元，以滾珠絲桿、同步皮帶、齒輪齒條為常用的傳動(dòng)方式所架構(gòu)起來的機(jī)器人系統(tǒng)。因此，其完整的機(jī)器控制功能包括多個(gè)級(jí)聯(lián)控制環(huán)路，每種運(yùn)動(dòng)配置由時(shí)間中的位置或速度集合來定義，軸間的時(shí)序同步非常重要。

　　多軸控制時(shí)序延遲的產(chǎn)生原因

　　在CNC加工中，5/6/7軸協(xié)調(diào)很常見，甚至有些應(yīng)用會(huì)用到多達(dá)12個(gè)軸，其工具和工件在特定空間內(nèi)相對(duì)移動(dòng)。每個(gè)軸都包含一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)電機(jī)，在電機(jī)和軸接頭，或者末端執(zhí)行器之間有時(shí)候會(huì)加裝一個(gè)變速箱。然后，系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)，一般采用LINE型拓?fù)洌缦聢D所示。電機(jī)控制器將所需的空間軌跡轉(zhuǎn)換為每個(gè)伺服軸所需的單個(gè)位置基準(zhǔn)，然后在網(wǎng)絡(luò)上循環(huán)傳輸。

多軸機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　這些應(yīng)用按定義的周期時(shí)間運(yùn)行，這個(gè)時(shí)間一般等于，或者是底層伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基波控制/脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)周期的幾倍。端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲是一個(gè)重要參數(shù)，在每個(gè)周期內(nèi)，電機(jī)控制器必須將新位置基準(zhǔn)和其他相關(guān)信息傳輸給上圖中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后，PWM周期內(nèi)需要預(yù)留足夠的時(shí)間，以供每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用新位置基準(zhǔn)和任何新傳感器數(shù)據(jù)來更新伺服控制算法計(jì)算。然后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過依賴于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的分布式時(shí)鐘機(jī)制，在同一時(shí)間點(diǎn)將更新后的PWM矢量應(yīng)用于伺服驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)具體的控制架構(gòu)，部分控制回路算法可以在PLC中實(shí)現(xiàn)，如果在網(wǎng)絡(luò)上接收到任何相關(guān)傳感器信息更新后，需要足夠的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

　　假設(shè)網(wǎng)絡(luò)上唯一的流量是機(jī)床控制器和伺服節(jié)點(diǎn)之間的周期性數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡(luò)延遲(TNW)由網(wǎng)絡(luò)跳轉(zhuǎn)到最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的次數(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率和每個(gè)節(jié)點(diǎn)遭受的延遲決定。在使用機(jī)器人和機(jī)床時(shí)，線路導(dǎo)致的信號(hào)傳輸延遲可以忽略，這是因?yàn)榫€纜長度一般相對(duì)較短。主要的延遲為帶寬延遲，即將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄€路所需的時(shí)間。除了帶寬延遲外，其他延遲元素是由于以太網(wǎng)幀通過每個(gè)伺服網(wǎng)絡(luò)接口的PHY和雙端口開關(guān)產(chǎn)生的。

時(shí)序延遲對(duì)位置不確定性的影響

　　在面向機(jī)器人和機(jī)床等應(yīng)用的高性能多軸伺服系統(tǒng)中，這種時(shí)序延遲等在I/O級(jí)的電機(jī)控制軸之間的時(shí)間偏移量變化會(huì)對(duì)機(jī)器人或機(jī)床的最終三維定位精度產(chǎn)生直接且顯著的影響。

　　考慮一個(gè)簡單的運(yùn)動(dòng)曲線如下圖所示，電機(jī)速度指令值(藍(lán)色曲線)上升后再下降。如果斜坡速率在機(jī)電系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，則實(shí)際速度預(yù)期值將遵循指令值。但是，如果在系統(tǒng)中任何位置存在延遲，則實(shí)際速度(紅色曲線)將滯后于指令值，從而導(dǎo)致位置誤差Δθ。

　　時(shí)序延遲對(duì)多軸機(jī)器人位置精度的影響

　　在多軸機(jī)器中，根據(jù)機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)將目標(biāo)位置(x, y, z)轉(zhuǎn)換為角度軸向描述(θ1, ..., θn)。角度軸向描述為每個(gè)軸定義了一系列相等時(shí)間間隔的位置/速度命令。軸之間的任何時(shí)序差異都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的精度降低。機(jī)器的目標(biāo)路徑以一組(x, y)坐標(biāo)來描述，延遲使y軸命令產(chǎn)生時(shí)序誤差，最終導(dǎo)致不規(guī)則的實(shí)際路徑。

　　在某些情況下，通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償可以最大程度地降低固定延遲的影響。然而，更關(guān)鍵的是無法對(duì)可變且未知的延遲進(jìn)行補(bǔ)償。此外，可變延遲會(huì)導(dǎo)致控制環(huán)路增益發(fā)生改變，從而使調(diào)整環(huán)路獲得最佳性能變得很困難。應(yīng)該注意的是，系統(tǒng)中任何地方的延遲都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器精度不準(zhǔn)確。因此，盡可能減小或消除延遲才能提高生產(chǎn)率和最終產(chǎn)品質(zhì)量。

　　低延遲通信的可靠工業(yè)以太網(wǎng)解決方案

　　實(shí)時(shí)確定性以太網(wǎng)協(xié)議(例如EtherCAT)已經(jīng)能夠支持多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的同步運(yùn)行。該同步包含兩方面含義——各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間的命令和指令的傳遞必須與一個(gè)公共時(shí)鐘同步與控制算法和反饋函數(shù)的執(zhí)行必須與同一個(gè)時(shí)鐘同步。

　　ADI公司推出的兩款新工業(yè)以太網(wǎng)PHY ADIN1300和ADIN1200，具備出色的功率和延遲規(guī)格，為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。其中，ADIN1300是業(yè)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(yè)以太網(wǎng)PHY，其EMC和ESD穩(wěn)健性已經(jīng)過廣泛測試，可在高達(dá)105°C的環(huán)境溫度下運(yùn)行。ADIN1300 PHY已通過EMC/ESD標(biāo)準(zhǔn)測試，如表3所示。通過使用已通過IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)廣泛測試的以太網(wǎng)PHY技術(shù)，可顯著降低產(chǎn)品合規(guī)性測試和認(rèn)證的相關(guān)成本和時(shí)間。ADIN1200低功耗10 Mbps/100 Mbps穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY已經(jīng)過廣泛的EMC和ESD穩(wěn)健性測試，可在高達(dá)105°C的環(huán)境溫度下運(yùn)行。帶fido5200的ADIN1200為多協(xié)議、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備連接提供系統(tǒng)級(jí)解決方案，支持Profinet?, EtherNet/IP?、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink實(shí)現(xiàn)嵌入式雙端口設(shè)備連接。

帶有fido5200的ADIN1200，用于實(shí)時(shí)多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)器件連接

　　fido5200則是一個(gè)帶有兩個(gè)以太網(wǎng)端口的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多協(xié)議(REM)交換芯片，它在主機(jī)處理器和工業(yè)以太網(wǎng)物理層之間提供一個(gè)靈活的接口，包括一個(gè)可配置的定時(shí)器控制單元(TCU)，可針對(duì)各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的同步方案。還可以借助專用定時(shí)器引腳實(shí)現(xiàn)輸入捕獲和方波信號(hào)輸出等附加功能。定時(shí)器輸入/輸出與本地同步時(shí)間保持同相，因此也與網(wǎng)絡(luò)流量保持同相，這使其不僅可以同步單個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)的I/O，而且可以同步整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的從機(jī)節(jié)點(diǎn)。

PHY和開關(guān)導(dǎo)致的延遲

　　本文小結(jié)

　　在高性能多軸同步移動(dòng)應(yīng)用中，控制時(shí)序要求非常精準(zhǔn)，具有確定性和時(shí)間關(guān)鍵性，要求最大程度縮短端到端延遲，在控制周期時(shí)間縮短，控制算法的復(fù)雜性增加時(shí)尤其如此。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)廣泛用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，一些協(xié)議可實(shí)現(xiàn)精度小于1 μs的時(shí)間同步，ADI低延遲PHY ADIN1300/1200和嵌入式直通開關(guān)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多協(xié)議(REM)交換芯片fidp5200是優(yōu)化這些系統(tǒng)的重要組件，適用于廣泛的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用中。