多轴机器人和机床应用中的时序挑战

简介

在工业机器人和机床应用中，可能涉及在特定空间内精准协调多个轴的移动，以完成手头的工作。机器人一般有6个轴，这些轴必须协调有序，如果有时候机器人沿轨道移动，则会有7个轴。在CNC加工中，5轴协调很常见，但是有些应用会用到多达12个轴，其中工具和工件在特定空间内相对移动。每个轴都包含一个伺服驱动器、一个电机，有时候，在电机和轴接头，或者末端执行器之间会加装一个变速箱。然后，系统通过工业以太网互联，一般采用LINE型拓扑，具体如图1所示。电机控制器将所需的空间轨迹转换为每个伺服轴所需的单个位置基准，然后在网络上循环传输。

图1.多轴机床的网络拓扑结构。

控制周期

这些应用按定义的周期时间运行，这个时间一般等于，或者是底层伺服电机驱动器的基波控制/脉宽调制(PWM)开关周期的几倍。在图2所示的这种环境中，端到端网络传输延迟是一个重要参数。在每个周期内，电机控制器必须将新位置基准和其他相关信息传输给图1中的各个节点。然后，PWM周期内需要余留足够的时间，以供每个节点使用新位置基准和任何新传感器数据来更新伺服控制算法计算。然后，各个节点通过依赖于工业以太网协议的分布式时钟机制，在同一时间点将更新后的PWM矢量应用于伺服驱动器。根据具体的控制架构，部分控制回路算法可以在PLC中实现，如果在网络上接收到任何相关传感器信息更新后，需要足够的时间才能实现。

图2.PWM周期和网络传输时间。

数据传输延迟

假设网络上唯一的流量是机床控制器和伺服节点之间的周期性数据流，网络延迟(TNW)由网络跳转到最远节点的次数、网络数据速率和每个节点遭受的延迟决定。在使用机器人和机床时，线路导致的信号传输延迟可以忽略，这是因为线缆长度一般相对较短。主要的延迟为带宽延迟;即将数据传输到线路所需的时间。对于最小的以太网帧(一般适用于机床和机器人控制)，有关100 Mbps和1 Gbps位速率的带宽延迟，请参考图3。这就等于数据包尺寸/数据速率。对于多轴系统，从控制器到伺服器的典型数据有效载荷由各伺服器的4字节速度/位置基准更新和1字节控制器更新组成，也就是说，6轴机器人的有效载荷为30个字节。当然，有些应用的更新中包含更多信息，并且/或有更多轴，在这些情况下，数据包的尺寸要大于最小尺寸。

图3.最小长度以太网帧的带宽延迟。

除了带宽延迟外，其他延迟元素是由于以太网帧通过每个伺服网络接口的PHY和双端口开关产生的。这些延迟如图4和图5所示，其中显示帧移动的部分是穿过PHY进入MAC(1-2)，通过目标地址分析时，只需要对帧的前导和目标部分进行计时管控。路径2-3a表示对当前节点有效载荷数据的截取，路径2-3b则表示帧向目标节点行进的路程。图4a只显示传输给2-3a中的应用的有效载荷，图4b则显示被传输的帧的大部分;这表明以太网协议之间可能存在细微的差异。路径3b-4表示帧出站传输，通过传输队列、通过PHY，然后回到线缆。图中所示的线路终端节点中不存在这种路径。这里假设采用直通数据包交换，而不是存储转发，后者的延迟时间更长，因为整个帧都要计入开关，然后再被转发。