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布线

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705 浏览

为了节省空间占用,机器人控制柜内紧凑的结构布局是如何做到的?

机械自动化类 Amazing 2016-11-23 11:35 发表了文章 来自相关话题

封面中所展示的是名为 Rebel 的 SCARA 机器人,确切地说,应该是小型机械臂。



通常情况下,如果仅仅翻看类似上图这样的产品宣传资料,我们往往可能更关注机器人主体的机械臂部分。

不过,这个主体机械臂部分,并非我们本期的主题。


如果对工业控制和设备制造有一定的了解,就应该会立刻想到,对于像 Rebel 查看全部
封面中所展示的是名为 Rebel 的 SCARA 机器人,确切地说,应该是小型机械臂。



通常情况下,如果仅仅翻看类似上图这样的产品宣传资料,我们往往可能更关注机器人主体的机械臂部分。

不过,这个主体机械臂部分,并非我们本期的主题。


如果对工业控制和设备制造有一定的了解,就应该会立刻想到,对于像 Rebel
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SAR ADC PCB布局布线:参考路径

机械自动化类 善思惟 2016-11-03 11:09 发表了文章 来自相关话题

在设计高性能数据采集系统时,勤奋的工程师仔细选择高精度模数转换器(ADC)以及模拟前端调节电路所需的其他元件。在几个星期的设计工作之后,执行模拟并优化电路原理图,为了赶工期,设计人员迅速地将电路板布局布线组合在一起。一个星期之后,对第一个原型电路板进行测试。出乎预料的是,电路板性能与预期的不一样。

这种情景在你身上 查看全部
在设计高性能数据采集系统时,勤奋的工程师仔细选择高精度模数转换器(ADC)以及模拟前端调节电路所需的其他元件。在几个星期的设计工作之后,执行模拟并优化电路原理图,为了赶工期,设计人员迅速地将电路板布局布线组合在一起。一个星期之后,对第一个原型电路板进行测试。出乎预料的是,电路板性能与预期的不一样。

这种情景在你身上
4 回答

家庭布线需小心什么?有什么原则?

设计类 将计就计 2016-10-12 09:47 回复了问题 • 5 人关注 来自相关话题

3 回答

穿墙布线对设备安装师的最大挑战是什么?

管理类 D大调 2016-09-14 14:55 回复了问题 • 4 人关注 来自相关话题 产生赞赏:¥5.00

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家庭布线需小心什么?有什么原则?

设计类 将计就计 2016-10-12 09:47 回复了问题 • 5 人关注 来自相关话题

3 回答

穿墙布线对设备安装师的最大挑战是什么?

管理类 D大调 2016-09-14 14:55 回复了问题 • 4 人关注 来自相关话题 产生赞赏:¥5.00

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为了节省空间占用,机器人控制柜内紧凑的结构布局是如何做到的?

机械自动化类 Amazing 2016-11-23 11:35 发表了文章 来自相关话题

封面中所展示的是名为 Rebel 的 SCARA 机器人,确切地说,应该是小型机械臂。






通常情况下,如果仅仅翻看类似上图这样的产品宣传资料,我们往往可能更关注机器人主体的机械臂部分。

不过,这个主体机械臂部分,并非我们本期的主题。





如果对工业控制和设备制造有一定的了解,就应该会立刻想到,对于像 Rebel 这样的 SCARA 机器人,除了机械臂主体之外,是必须具备一套完整的控制系统的;并且,这套控制系统的硬件集成所占用的设备结构空间,对于机器人用户的应用体验是非常重要的,因为这将决定用户是否可以更加容易的将一台(或多台)机器人集成到有限的生产设备空间中去。






接下来,就请跟随我们的镜头,来看一下这台机器人硬件控制系统、主要是控制柜内部的布局是怎样的,以及其在结构空间占用、尤其是控制柜的紧凑性方面的表现如何。





从整个 Rebel 机械臂动作看,应该为一个 3 轴 SCARA 机器人系统。

本次目睹的这台机械臂主体,在工作时被置于一个平面“操作台”上。






如上图所示,在操作台上方能够看到的电气接口非常少。核心电气控制部分则放在了操作台下方的机箱中。

以下照片属现场短时间、极小空间内的非正常情况拍(tou)摄(pai)

视觉效果欠佳,敬请谅解






打开机箱门,先看到歪挂在门侧面板上的手操器。
然后,我们即将进入机箱内部......





操作台下的机箱内,就是此台 Rebel 机器人的电气控制柜了。其外形类似老式的 80 年代台式机电脑机箱,厚度约 300+ mm,长宽约 600 x 600 mm。底部由铝型材框架支撑,为了方便散热,顶部为无盖板的开放式结构。





从机柜开放式顶部,可以看到柜内紧凑的硬件布局、以及控制系统的硬件产品标志性骚气的颜色,辨识度极高。






整台机器人的核心大脑,就是这台 Automation PC 嵌入式工业控制器。






上面这个角度可以看到 Automation PC 的体积大小,以及其多个接口,包括 RJ45 的以太网 和 USB 端口。
在控制器下方,可以隐约看到 ACOPOS 伺服驱动器,目测为去年发布的新款 P3 系列。






此处可以看到,紧挨着控制器的这台 ACOPOS P3为一台单轴模块,横向安装。

并且为了节省空间,驱动器前侧的塑料盖板并未安装。凌乱的布线中,我们似乎还是看到从驱动器输出到电机的“单电缆”,目测为 Hiperface- DSL。






这里可以看到,在控制器下方其实一共有 2 台驱动器,除了前面看到的那台,在柜体底部,还有一台同款的 ACOPOS P3 驱动器,体积较上面那台稍大些,目测为一台双轴驱动模块。如果推测没错的话,底部这台用于驱动 Rebel 前臂和抓取动作,而上面那台单轴 ACOPOS P3 应为根部摆臂驱动。





上图左上角看上去应该是外接制动电阻,为了节省空间,已经将其布置在了控制器旁的夹缝中。





驱动器和控制器的对面,是通过 PowerLink 扩展的 X20 输入/输出模块,从颜色上看竟然还使用了安全 I/O。

I/O 模块下方就是接线端子排了。






I/O 模块左侧,控制柜远端的角落里,是 24VDC 开关电源。

受到时间和现场条件的影响,我们并未能够拍摄到更多关于 Rebel 机器人控制柜布局更加优质的照片;并且,恕我直言,这台名为 Rebel 的 SCARA 机器人,其控制柜未必称得上“精品”。

不过,从上面这些有限的图片中,相信还是可以有不少值得借鉴和参考之处的,这里分享下我的观点:

机器人机柜内的主要部件包括:控制器、伺服驱动器、输入/输出 I/O 模块以及其他辅助模块(如:制动电阻、开关电源、进线滤波器...等)

柜内各类元器件更加紧凑将直接影响柜内空间占用,例如:

强大的机器人用控制器,但同时需要小巧轻薄的体积

伺服驱动功率单元在柜内占据最大部分的空间,其功率密度是至关重要的,同时我们也应该看到双轴模块甚至三轴模块的重要作用。

比起传统机架型输入输出模块,在这里使用模块化的片状扩展 I/O 貌似更加能够兼顾灵活性和紧凑性,同时,如果需要安全控制,可以直接使用安全 I/O 模块,这样将省去额外的安全继电器或安全控制器。

柜内元件布局与普通的电气柜区别较大,完全属于“见缝插针”的“不规则”布局,很难看出传统电柜那种“强电与弱电”、“动力与信号”区分的布局,所以关于此类控制柜内结构布局的原则,或许还有很多要学习的地方。

另外,在如此紧凑的柜内空间内布置这么多电气元件,散热当然是极其重要的,除了之前说到的电柜顶部开放式结构,在上面的控制柜俯视图中还可以看到右上角的排风扇,注意风扇安装位置恰好在 ACOPOS P3 驱动器的散热出风位置,而这个位置也是整个控制柜内热量相对最高的区域。
 
 
 
来源:网络 查看全部
封面中所展示的是名为 Rebel 的 SCARA 机器人,确切地说,应该是小型机械臂。

QQ截图20161123112700.png


通常情况下,如果仅仅翻看类似上图这样的产品宣传资料,我们往往可能更关注机器人主体的机械臂部分。

不过,这个主体机械臂部分,并非我们本期的主题。

QQ截图20161123112721.png

如果对工业控制和设备制造有一定的了解,就应该会立刻想到,对于像 Rebel 这样的 SCARA 机器人,除了机械臂主体之外,是必须具备一套完整的控制系统的;并且,这套控制系统的硬件集成所占用的设备结构空间,对于机器人用户的应用体验是非常重要的,因为这将决定用户是否可以更加容易的将一台(或多台)机器人集成到有限的生产设备空间中去。

QQ截图20161123112736.png


接下来,就请跟随我们的镜头,来看一下这台机器人硬件控制系统、主要是控制柜内部的布局是怎样的,以及其在结构空间占用、尤其是控制柜的紧凑性方面的表现如何。

QQ截图20161123112749.png

从整个 Rebel 机械臂动作看,应该为一个 3 轴 SCARA 机器人系统。

本次目睹的这台机械臂主体,在工作时被置于一个平面“操作台”上。

QQ截图20161123112801.png


如上图所示,在操作台上方能够看到的电气接口非常少。核心电气控制部分则放在了操作台下方的机箱中。

以下照片属现场短时间、极小空间内的非正常情况拍(tou)摄(pai)

视觉效果欠佳,敬请谅解

QQ截图20161123112813.png


打开机箱门,先看到歪挂在门侧面板上的手操器。
然后,我们即将进入机箱内部......

QQ截图20161123112827.png

操作台下的机箱内,就是此台 Rebel 机器人的电气控制柜了。其外形类似老式的 80 年代台式机电脑机箱,厚度约 300+ mm,长宽约 600 x 600 mm。底部由铝型材框架支撑,为了方便散热,顶部为无盖板的开放式结构。

QQ截图20161123112843.png

从机柜开放式顶部,可以看到柜内紧凑的硬件布局、以及控制系统的硬件产品标志性骚气的颜色,辨识度极高。

QQ截图20161123112900.png


整台机器人的核心大脑,就是这台 Automation PC 嵌入式工业控制器。

QQ截图20161123112914.png


上面这个角度可以看到 Automation PC 的体积大小,以及其多个接口,包括 RJ45 的以太网 和 USB 端口。
在控制器下方,可以隐约看到 ACOPOS 伺服驱动器,目测为去年发布的新款 P3 系列。

QQ截图20161123112927.png


此处可以看到,紧挨着控制器的这台 ACOPOS P3为一台单轴模块,横向安装。

并且为了节省空间,驱动器前侧的塑料盖板并未安装。凌乱的布线中,我们似乎还是看到从驱动器输出到电机的“单电缆”,目测为 Hiperface- DSL。

QQ截图20161123112941.png


这里可以看到,在控制器下方其实一共有 2 台驱动器,除了前面看到的那台,在柜体底部,还有一台同款的 ACOPOS P3 驱动器,体积较上面那台稍大些,目测为一台双轴驱动模块。如果推测没错的话,底部这台用于驱动 Rebel 前臂和抓取动作,而上面那台单轴 ACOPOS P3 应为根部摆臂驱动。

QQ截图20161123113003.png

上图左上角看上去应该是外接制动电阻,为了节省空间,已经将其布置在了控制器旁的夹缝中。

QQ截图20161123113019.png

驱动器和控制器的对面,是通过 PowerLink 扩展的 X20 输入/输出模块,从颜色上看竟然还使用了安全 I/O。

I/O 模块下方就是接线端子排了。

QQ截图20161123113033.png


I/O 模块左侧,控制柜远端的角落里,是 24VDC 开关电源。

受到时间和现场条件的影响,我们并未能够拍摄到更多关于 Rebel 机器人控制柜布局更加优质的照片;并且,恕我直言,这台名为 Rebel 的 SCARA 机器人,其控制柜未必称得上“精品”。

不过,从上面这些有限的图片中,相信还是可以有不少值得借鉴和参考之处的,这里分享下我的观点:

机器人机柜内的主要部件包括:控制器、伺服驱动器、输入/输出 I/O 模块以及其他辅助模块(如:制动电阻、开关电源、进线滤波器...等)

柜内各类元器件更加紧凑将直接影响柜内空间占用,例如:

强大的机器人用控制器,但同时需要小巧轻薄的体积

伺服驱动功率单元在柜内占据最大部分的空间,其功率密度是至关重要的,同时我们也应该看到双轴模块甚至三轴模块的重要作用。

比起传统机架型输入输出模块,在这里使用模块化的片状扩展 I/O 貌似更加能够兼顾灵活性和紧凑性,同时,如果需要安全控制,可以直接使用安全 I/O 模块,这样将省去额外的安全继电器或安全控制器。

柜内元件布局与普通的电气柜区别较大,完全属于“见缝插针”的“不规则”布局,很难看出传统电柜那种“强电与弱电”、“动力与信号”区分的布局,所以关于此类控制柜内结构布局的原则,或许还有很多要学习的地方。

另外,在如此紧凑的柜内空间内布置这么多电气元件,散热当然是极其重要的,除了之前说到的电柜顶部开放式结构,在上面的控制柜俯视图中还可以看到右上角的排风扇,注意风扇安装位置恰好在 ACOPOS P3 驱动器的散热出风位置,而这个位置也是整个控制柜内热量相对最高的区域。
 
 
 
来源:网络
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SAR ADC PCB布局布线:参考路径

机械自动化类 善思惟 2016-11-03 11:09 发表了文章 来自相关话题

在设计高性能数据采集系统时,勤奋的工程师仔细选择高精度模数转换器(ADC)以及模拟前端调节电路所需的其他元件。在几个星期的设计工作之后,执行模拟并优化电路原理图,为了赶工期,设计人员迅速地将电路板布局布线组合在一起。一个星期之后,对第一个原型电路板进行测试。出乎预料的是,电路板性能与预期的不一样。

这种情景在你身上发生过吗?

最优PCB布局布线对于使ADC达到预期的性能至关重要。当设计包含混合信号器件的电路时,应该始终从良好的接地安排入手,并且使用最佳元件放置位置和信号走线将设计分为模拟、数字和电源部分。

参考路径是ADC布局布线中最关键的,这是因为所有转换都是基准电压的函数。在传统逐次逼近寄存器 (SAR) ADC架构中,参考路径也是最敏感的,因为基准引脚上有到基准源的动态负载。

由于基准电压在每次转换期间被数次采样,高电流瞬变出现在这个终端上,其中ADC内部电容器阵列在这个位置位时被开启和充电。基准电压在每个转换时钟周期内必须保持稳定,并且稳定至所需的N位分辨率,否则的话会出现线性误差和丢码错误。

图1显示典型12位SAR ADC基准终端上的转换阶段期间的电流瞬变。





图1. 12位SAR ADC基准引脚上的电流瞬变

 由于这些动态电流,需要使用高质量旁路电容器(CREF)对基准引脚进行去耦合操作。此旁路电容器用作一个电荷存储器,在这些高频瞬变电流期间提供瞬时充电。应该将基准旁路电容器放置在尽量靠近基准引脚的位置上,并使用较短的低电感连接将它们连接在一起。

图2为有两个独立内部电压基准的14位双ADC ADS7851的电路板布局布线示例。




图2. 具有两个独立内部电压基准的双ADC布局布线示例

 在这个四层PCB电路板示例中,设计人员使用了位于元件正下方的坚固接地平面,并将电路板划分为模拟和数字部分,以使敏感输入和基准信号远离噪声源。他用10μF,X7R级,0805尺寸的陶瓷电容器 (CREF-x) 来旁路REFOUT-A和REFOUT-B基准输出,以实现最优性能,并且将他们连接至使用小型0.1 Ω串联电阻的元件上,以保持总体阻抗高频时较低且恒定。他还使用宽迹线来减少电感。

我强烈建议把CREF与ADC放在同一层上。还应该避免在基准引脚和旁路电容器之间放置导孔。ADS7851的每一个基准接地引脚都有单独的接地连接,而每个旁路电容器都有到接地路径的低电感连接。

如果你正在使用需要外部基准源的ADC,你应该尽量降低参考信号路径中的电感——从基准缓冲器输出到旁路电容器,到ADC基准输入。

图3为使用外部基准和缓冲器的18位SAR ADC ADS8881的布局布线示例。通过将电容器放置在引脚的0.1英寸范围以内,并且将其与宽度为20密耳的迹线和多个15密耳的接地导孔相连,设计人员将基准电容器和REF引脚之间的电感保持在小于2nH的水平上。我推荐使用额定电压至少为10V的单个,10uF,X7R级,0805尺寸的陶瓷电容器。

基准缓冲器电路到REF引脚的迹线长度保持为尽可能的短,以确保快速稳定响应。

REF引脚的正确去耦合对于实现最优性能十分关键。此外,在参考路径中保持低电感连接使得基准驱动电路在转换期间保持稳定,使你向获得所需的效果又迈进了一步。





图3. 具有外部基准和缓冲器的ADC布局布线示例




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在设计高性能数据采集系统时,勤奋的工程师仔细选择高精度模数转换器(ADC)以及模拟前端调节电路所需的其他元件。在几个星期的设计工作之后,执行模拟并优化电路原理图,为了赶工期,设计人员迅速地将电路板布局布线组合在一起。一个星期之后,对第一个原型电路板进行测试。出乎预料的是,电路板性能与预期的不一样。

这种情景在你身上发生过吗?

最优PCB布局布线对于使ADC达到预期的性能至关重要。当设计包含混合信号器件的电路时,应该始终从良好的接地安排入手,并且使用最佳元件放置位置和信号走线将设计分为模拟、数字和电源部分。

参考路径是ADC布局布线中最关键的,这是因为所有转换都是基准电压的函数。在传统逐次逼近寄存器 (SAR) ADC架构中,参考路径也是最敏感的,因为基准引脚上有到基准源的动态负载。

由于基准电压在每次转换期间被数次采样,高电流瞬变出现在这个终端上,其中ADC内部电容器阵列在这个位置位时被开启和充电。基准电压在每个转换时钟周期内必须保持稳定,并且稳定至所需的N位分辨率,否则的话会出现线性误差和丢码错误。

图1显示典型12位SAR ADC基准终端上的转换阶段期间的电流瞬变。

QQ截图20161101090618.png

图1. 12位SAR ADC基准引脚上的电流瞬变

 由于这些动态电流,需要使用高质量旁路电容器(CREF)对基准引脚进行去耦合操作。此旁路电容器用作一个电荷存储器,在这些高频瞬变电流期间提供瞬时充电。应该将基准旁路电容器放置在尽量靠近基准引脚的位置上,并使用较短的低电感连接将它们连接在一起。

图2为有两个独立内部电压基准的14位双ADC ADS7851的电路板布局布线示例。
QQ截图20161101090628.png

图2. 具有两个独立内部电压基准的双ADC布局布线示例

 在这个四层PCB电路板示例中,设计人员使用了位于元件正下方的坚固接地平面,并将电路板划分为模拟和数字部分,以使敏感输入和基准信号远离噪声源。他用10μF,X7R级,0805尺寸的陶瓷电容器 (CREF-x) 来旁路REFOUT-A和REFOUT-B基准输出,以实现最优性能,并且将他们连接至使用小型0.1 Ω串联电阻的元件上,以保持总体阻抗高频时较低且恒定。他还使用宽迹线来减少电感。

我强烈建议把CREF与ADC放在同一层上。还应该避免在基准引脚和旁路电容器之间放置导孔。ADS7851的每一个基准接地引脚都有单独的接地连接,而每个旁路电容器都有到接地路径的低电感连接。

如果你正在使用需要外部基准源的ADC,你应该尽量降低参考信号路径中的电感——从基准缓冲器输出到旁路电容器,到ADC基准输入。

图3为使用外部基准和缓冲器的18位SAR ADC ADS8881的布局布线示例。通过将电容器放置在引脚的0.1英寸范围以内,并且将其与宽度为20密耳的迹线和多个15密耳的接地导孔相连,设计人员将基准电容器和REF引脚之间的电感保持在小于2nH的水平上。我推荐使用额定电压至少为10V的单个,10uF,X7R级,0805尺寸的陶瓷电容器。

基准缓冲器电路到REF引脚的迹线长度保持为尽可能的短,以确保快速稳定响应。

REF引脚的正确去耦合对于实现最优性能十分关键。此外,在参考路径中保持低电感连接使得基准驱动电路在转换期间保持稳定,使你向获得所需的效果又迈进了一步。

QQ截图20161101090640.png

图3. 具有外部基准和缓冲器的ADC布局布线示例




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