Jeśli kiedykolwiek zajmowałeś się testowaniem robotyki, prawdopodobnie natknąłeś się na dziwny problem polegający na tym, że robot, który doskonale sprawdza się w Twoim laboratorium, losowo ulega awariom, gdy jest przenoszony na halę produkcyjną lub zajęty magazyn. Światła migoczą, inne maszyny szumią i nagle chwytak robota błędnie umieszcza część lub jego system nawigacji blokuje się bez wyraźnego powodu. Dla ciebie są to zakłócenia szybko przejściowe/wybuchowe (EFT/seria) – a jeśli testujesz sprzęt robotyki, musisz symulować tego rodzaju chaos, aby mieć pewność, że twój bot sobie z nim poradzi. Pytanie, które nieustannie otrzymuję jako dostawca generatorów impulsów, brzmi: „Czy generator impulsów może być w ogóle używany do testowania robotyki?” Krótka odpowiedź? Absolutnie. Ale przyjrzyjmy się dlaczego, jak i które narzędzia wykonują cięcie.
Po pierwsze, przejdźmy na tę samą stronę do tego, co robi generator impulsów, ponieważ wiele osób myli go z innym sprzętem testującym EMC (kompatybilność elektromagnetyczna). Generatory impulsowe wytwarzają krótkotrwałe impulsy elektryczne o wysokim napięciu imitujące szybkie stany nieustalone, które pojawiają się w rzeczywistych środowiskach. Pomyśl o włączeniu lub wyłączeniu przekaźnika albo uruchomieniu silnika — zdarzenia te powodują powstanie drobnych, szybkich zakłóceń elektrycznych, które mogą przedostać się do linii zasilających robota, portów we/wy lub kabli komunikacyjnych i spowodować różnego rodzaju dziwne zachowania. W przeciwieństwie do dużych, powolnych skoków napięcia, impulsy te są szybkie, ostre i występują w klastrach, dlatego zostały zaprojektowane tak, aby atakować maleńką, wrażliwą elektronikę wewnątrz robotów, o której większość ludzi nawet nie myśli – jak mikrokontrolery obsługujące nawigację, czujniki wykrywające przeszkody czy moduły Wi-Fi, które pozwalają robotom komunikować się z systemami sterowania.
Roboty, zwłaszcza przemysłowe roboty współpracujące (coboty) i mobilne roboty autonomiczne (AMR), są pełne delikatnych części, które nie znoszą nieplanowanego hałasu elektrycznego. Widziałem, jak wiele zespołów zajmujących się robotyką pomija ten krok, ponieważ uważa, że „nasz robot działa dobrze w laboratorium, po co to testować?” Ale potem kończą się awariami w terenie, których usuwanie zajmuje tygodnie, co kosztuje ich tysiące przestojów. Generatory impulsów umożliwiają replikację dokładnych zdarzeń przejściowych w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, dzięki czemu można wykryć wady projektu robota, zanim trafi on do produkcji. Na przykład, jeśli sterownik silnika robota blokuje się po włączeniu pobliskiego przenośnika taśmowego, generator impulsów może symulować te zakłócenia i umożliwia testowanie poprawek, takich jak dodanie lepszego ekranowania lub ulepszona filtracja zasilacza.
Teraz, gdy testujesz roboty, nie masz do czynienia tylko z zasilaniem jednofazowym, jak w małym urządzeniu laboratoryjnym. Większość robotów przemysłowych jest trójfazowych, prawda? Pobierają energię z trzech oddzielnych linii, aby napędzać swoje duże silniki i ciężkie maszyny. Oznacza to, że potrzebujesz generatora impulsów, który poradzi sobie zarówno w konfiguracjach jedno-, jak i trójfazowych, ponieważ stany nieustalone wpływają na każdą linię w inny sposób. Porozmawiajmy tutaj o opcjach. Jeśli testujesz mniejsze roboty – np. coboty stołowe do montażu lekkich elementów – nasz jednofazowy generator EFT/serii impulsowej 5 kV jest solidnym punktem wyjścia. Wytwarza impulsy o napięciu do 5000 woltów, co jest więcej niż wystarczające do symulacji stanów nieustalonych z małych przekaźników, czujników i silników małej mocy, których używają te roboty. W przypadku nieco większych robotów jednofazowych lub jeśli potrzebujesz trochę dodatkowej mocy, jednofazowy generator EFT/burst 6 kV zwiększa napięcie do 6000 woltów, co jest idealne do symulowania trudniejszych środowisk, takich jak ruchliwe linie produkcyjne.
Kiedy jednak przejdziesz na pełnowymiarowe roboty przemysłowe, roboty AMR zasilane prądem trójfazowym lub roboty podłączane do trójfazowych linii elektroenergetycznych, potrzebujesz sprzętu, który będzie w stanie przetestować wszystkie trzy linie jednocześnie. Generator jednofazowy może zasilać tylko jedną linię, więc przeoczysz zakłócenia między liniami, które mają miejsce, gdy impulsy przeskakują między fazami – a jest to częsta przyczyna przypadkowych usterek w dużych robotach. Do testów trójfazowych mamy trójfazowy generator EFT/seria impulsów 5 kV i trójfazowy generator impulsów EFT/serii 6 kV, oba zaprojektowane do podawania impulsów do wszystkich trzech linii (plus także linii neutralnej, jeśli jest to potrzebne), aby dokładnie naśladować warunki w świecie rzeczywistym. Nie podlega to negocjacjom w przypadku testowania ciężkiej robotyki przemysłowej, ponieważ jej pobór mocy jest znacznie większy, a wytwarzane przez nie stany nieustalone są większe i częściej przekraczają linie.
Czekaj, ale jak właściwie zastosować te impulsy wobec robota? Nie można po prostu podłączyć generatora bezpośrednio do przewodu zasilającego robota, prawda? W tym miejscu z pomocą przychodzi pojemnościowy zacisk sprzęgający. To małe urządzenie zmienia reguły gry w testowaniu robotyki, ponieważ umożliwia wstrzykiwanie impulsów do kabli bez konieczności ich przecinania lub łączenia. Większość kabli do robotyki jest już ekranowana, a jeśli je połączysz, zepsujesz to ekranowanie – a to jest dokładnie to, co testujesz w pierwszej kolejności. Zacisk sprzęgający zaciska się wokół zewnętrznej strony kabla zasilającego, kabla czujnika lub kabla komunikacyjnego i wykorzystuje pojemność, aby wysłać sygnał impulsowy do kabla bez tworzenia fizycznego połączenia. Oznacza to, że możesz przetestować robota jako całość, tak jak działałby w prawdziwym życiu, a nie jego okrojoną wersję. Widziałem, jak zespoły psuły sytuację, próbując połączyć się bezpośrednio z portami wewnętrznymi, co kończyło się na wynikach testów, które nie odpowiadały warunkom terenowym – nie rób tego. Zacisk sprzęgający umożliwia uzyskanie dokładnych, rzeczywistych danych testowych.
Porozmawiajmy o typowym przypadku użycia, aby uczynić ten beton. W zeszłym roku współpracowaliśmy z małym start-upem zajmującym się robotyką, budując linię robotów AMR dla magazynów sklepów spożywczych. Ich robotom zdarzały się przypadkowe awarie nawigacji – zatrzymywały się w połowie misji, czasem tylko na sekundę, czasem na całą minutę. Nie mogli zrozumieć dlaczego, ponieważ wszystkie czujniki zostały sprawdzone, bateria była w porządku, a mapa była prawidłowa. Kiedy przywieźli je do naszego laboratorium, użyliśmy trójfazowego generatora EFT/serii impulsowej 5 kV do symulacji stanów nieustalonych z przenośników podwieszanych magazynu, które zasilane są energią trójfazową. Podłączyliśmy zacisk sprzęgający pojemnościowy do kabla zasilającego modułu nawigacyjnego, zaczęliśmy uderzać w niego seriami wybuchowymi i w ciągu 10 minut odtworzyliśmy dokładną awarię, którą zaobserwowali w terenie. Okazało się, że ich mikrokontroler nawigacyjny nie miał wystarczającego filtrowania, aby wytrzymać impulsy z przenośnika i chociaż działał w cichym laboratorium, nie radził sobie z szumami elektrycznymi magazynu. Dodali prosty filtr do wejścia zasilania, ponownie przetestowali go z generatorem impulsów i awaria zniknęła. Uchronili się przed poważnymi wycofaniami i miesiącami przestojów – a wszystko dzięki temu, że do testów wykorzystali generator impulsów.
Inny przypadek użycia: testowanie cobotów współpracujących z ludźmi. Te roboty muszą być wyjątkowo niezawodne i często znajdują się w pomieszczeniach, w których znajduje się wiele innego sprzętu, takiego jak spawarki, elektronarzędzia i przenośniki taśmowe, a wszystko to powoduje hałas elektryczny. Generator impulsów może symulować impulsy z tego sprzętu i zapewniać, że systemy bezpieczeństwa cobota nie ulegną uszkodzeniu. Wyobraź sobie cobota, który podnosi metalową część i przenosi ją do stanowiska pakowania – jeśli wybuch pobliskiego spawacza spowoduje przerwę w zapłonie sterownika silnika, może upuścić część lub, co gorsza, uderzyć pracownika. Testowanie tego za pomocą generatora impulsów pozwala wykryć te problemy związane z bezpieczeństwem przed wdrożeniem, co ma kluczowe znaczenie w przypadku cobotów, które muszą spełniać rygorystyczne normy bezpieczeństwa ISO.
A teraz spójrzmy prawdzie w oczy, jeśli chodzi o pewne nieporozumienia. Niektórzy inżynierowie robotyki, z którymi rozmawiam, mówią: „zamiast tego używamy testerów ESD, prawda?” ESD (wyładowanie elektrostatyczne) dotyczy wstrząsów statycznych, które powstają na przykład wtedy, gdy ktoś dotknie robota i go uderzy. Ale wybuchy są zupełnie inne – są to szybkie, powtarzające się impulsy, a nie pojedynczy impuls statyczny. ESD nie symuluje ciągłych, szybkich zakłóceń ze strony maszyn pracujących przez cały dzień, każdego dnia. Generatory serii są dostosowane dokładnie do tego rodzaju środowiska. Inni mówią: „nasze laboratorium testowe nie ma mocy przemysłowej, więc nie możemy używać tych narzędzi”. Ale niezależnie od tego, jaką moc posiadasz, możesz użyć generatora impulsów, aby wstrzykiwać impulsy bezpośrednio do przewodów robota, niezależnie od źródła zasilania. Nie potrzebujesz trójfazowego panelu przemysłowego na swoim stanowisku testowym – potrzebujesz tylko sposobu na podłączenie zacisku sprzęgającego do kabli robota, a generator zajmie się resztą.
Czekaj, ale co z małymi robotami hobbystycznymi lub robotami akademickimi? Czy oni też potrzebują testów wytrzymałościowych? Jasne, jeśli chcesz, żeby działały niezawodnie poza cichą salą lekcyjną. Rozmawiałem z uniwersyteckimi zespołami zajmującymi się robotyką, które zbudowały roboty wyczynowe, ale podczas zawodów wystąpiły u nich usterki spowodowane nagłośnieniem lub oświetleniem pobliskiej areny. Generator impulsów dostosowany do małych, jednofazowych robotów umożliwiłby im przetestowanie robotów pod kątem tego rodzaju zakłóceń przed wielkim wydarzeniem. Nie dotyczy to tylko robotyki przemysłowej – dotyczy to każdego robota, który będzie używany poza kontrolowaną, cichą przestrzenią.
Przejdźmy teraz do sedna tego, jak to skonfigurować, ponieważ wiem, że wiele osób jest przytłoczonych sprzętem testowym EMC. Najpierw dowiedz się, jakiego rodzaju zasilania używa Twój robot: jednofazowego czy trójfazowego. To zawęzi wybór generatora – trzymaj się odpowiedniego modelu dla swojej konfiguracji, aby uzyskać dokładne wyniki. Następnie zastanów się, które kable przetestować. W przypadku większości robotów zacznij od kabla zasilającego, głównych kabli czujnika (takich jak kable LIDAR lub kamery) i kabli komunikacyjnych (takich jak Ethernet lub Wi-Fi). Do każdego kabla użyj zacisku sprzęgającego pojemnościowego – po prostu zaciśnij go wokół kabla, zwykle około stopy od portu robota i upewnij się, że jest prawidłowo uziemiony (postępuj zgodnie z instrukcjami konfiguracji generatora, ta część jest ważna dla bezpieczeństwa i dokładności). Następnie ustaw parametry impulsu: większość generatorów pozwala dostosować napięcie, czas trwania impulsu i częstotliwość powtarzania. Zacznij od niskiego napięcia, np. 1 kV, i stopniowo zwiększaj napięcie, aż zobaczysz usterki lub awarie – to pokaże Ci, jak solidna jest konstrukcja Twojego robota.
Jedna wskazówka, którą zawsze daję zespołom: nie testujcie tylko na jednym poziomie serii. Roboty radzą sobie z niskim poziomem zakłóceń, ale jeśli pracują w trudnych warunkach, będą narażone na większe impulsy. Przetestuj na różnych poziomach, aby znaleźć punkt awarii, a następnie dostosuj swój projekt, aby spełniał normę – większość robotów przemysłowych musi spełniać wymagania normy IEC 61000-4-4, która określa poziomy testów EFT/Burst. Nasze generatory impulsów są skalibrowane tak, aby spełniały dokładnie tę normę, więc wyniki testów będą zgodne, co ma duże znaczenie, jeśli sprzedajesz roboty klientom wymagającym certyfikatu EMC.
Wiem, wiem – testowanie EMC brzmi jak kłopot. To dodatkowy krok, nowość dla wielu zespołów zajmujących się robotyką i może sprawiać wrażenie odwrócenia uwagi od szybkiego wprowadzenia robota na rynek. Rzecz jednak w tym, że naprawienie błędu projektowego w laboratorium kosztuje ułamek kosztu jego naprawienia po wysłaniu 1000 robotów. Generator impulsów to nie tylko narzędzie testowe – to narzędzie do zarządzania ryzykiem. Pozwala wcześnie wykryć problemy, dzięki czemu nie zostajesz ze stertą zwróconych robotów, niezadowolonymi klientami i utraconymi przychodami.
Powrócę do pierwotnego pytania: czy generator impulsów może być używany w testach robotyki? Odpowiedź brzmi: tak. Nie chodzi tylko o to, że można go używać – chodzi o to, że jest to jedno z najskuteczniejszych narzędzi, jakie posiadasz, dzięki którym możesz mieć pewność, że robot będzie działał niezawodnie w prawdziwym świecie, a nie tylko w cichym laboratorium. Niezależnie od tego, czy testujesz małego cobota stołowego, czy ciężki przemysłowy AMR, dostępny jest generator serii, który odpowiada Twoim potrzebom, a pojemnościowy zacisk sprzęgający sprawia, że proces testowania jest prosty i nie wymaga łączenia.
Jeśli chcesz dodać testy seryjne do swojego przepływu pracy w robotyce lub masz pytania dotyczące tego, który generator będzie odpowiedni dla Twojej konfiguracji, skontaktuj się z nami. Współpracowaliśmy z wszelkiego rodzaju zespołami zajmującymi się robotyką, od start-upów po dużych producentów, i możemy pomóc Ci wybrać odpowiednie narzędzie, przeprowadzić Cię przez konfigurację, a nawet pomóc w rozwiązywaniu konkretnych problemów testowych. Nie czekaj, aż wystąpią awarie w terenie – przetestuj teraz, zbuduj solidniejszego robota i zaoszczędź sobie późniejszego bólu głowy.
Referencje
- Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna. (2012). IEC 61000-4-4: Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 4-4: Techniki badań i pomiarów – Badanie odporności na szybkie stany przejściowe/wybuchowe. Genewa, Szwajcaria: IEC.
- Stowarzyszenie Przemysłu Robotycznego. (2021). Wytyczne dotyczące testowania EMC dla robotów przemysłowych i współpracujących. Arlington, Wirginia: RIA.
- Instrumenty Teksasu. (2020). Projektowanie solidnej robotyki elektronicznej: łagodzenie przejściowych zakłóceń elektrycznych. Dallas, Teksas: Texas Instruments.
- Elektronika firmy Mouser. (2022). Testowanie EMC 101: Testowanie szybkich stanów przejściowych (EFT) i impulsów w systemach wbudowanych. Mansfield, Teksas: Mouser Electronics.
