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如何通过半导体器件实现高精度可靠的工业机器人

2022-04-18 14:42:00

(文/李宁远)以往我们聊工业机器人的角度都是从上游核心半导体器件入手，看如何通过半导体器件实现高精度的可靠的工业机器人。工业自动化率的提高和机器人技术的发展有着不小的关系，目前，工业机器人需要处理任务的趋势正在往高速处理和精确处理扩展，并推动了对多功能、灵活和智能末端工具的需求。这里面，涉及到整个机器人连接系统，连接系统要以尽可能快的速度收集和传输来自机器人及其制造环境的大量数据点。连接系统不仅需要快速的数据传输，其保护性更是实现整个机器人本体高可靠性的前提。

传感器连接的无干扰数据传输

在机器人设计领域，传感器技术及其集成一直都是热门的话题。为实现顺利传感器系统与机器人系统的集成，连接部件必须满足在数据传输效率上的高要求。得益于连接器在数据传输上的可靠高速，机器人能够配合越来越多的传感器对环境进行感知。

机器人连接一般要求IP65/IP67的保护等级，在传感器接口上一般选取M12 X编码或推挽式 RJ45/M12连接器。传统的M12 X编码和RJ45是较为人熟知的，在很多工业场景中都有他们的身影。而推挽式M12连接器，凭借推挽式技术，可在工业设备上实现密度更高的M12连接，只需在PCB插座上插入连接器。而且推挽式技术带来的间歇连接或连接松动的风险更低。

在部署上，这种推挽式技术提升了可靠性和便捷性;在传输上，推挽式M12集成了传统M12系统高完整性信号传输，能够满足高达10 Gb/s的带宽需求。此外，还可以通过改变端子材料，来实现更高的传导率，比如将端子镀银。推挽式连接的所有信号触电，能够用于传输模拟信号、数字信号、低电压信号和总线信号。

传感器想实现无干扰的数据传输另一个要求就是高屏蔽性。不管是M12 X编码或推挽式 RJ45/M12连接，都会设置360°EMC 和机械保护功能。尤其是经过优化的RJ45，使用三线扼流圈(PoE 和信号之间没有干扰)，可以提供出色的信号完整性，可以防止饱和，大大减少了传输错误。

另外需要补充的是，连接器的模块数量需要根据机器人传感器的技术规格来选择。针对不同的电流范围，4 A、10 A、16 A或40 A都有许多不同的匹配模块。这些不同模块的高效集成大大提升了传感在机器人在应用中的使用，实现了无干扰的数据传输。

全电气性能覆盖的高密度重载连接

作为被设计用于在最严苛的条件下传输电力、数据和信号的重载连接器，瞄准的自然是最严苛的机器人工况，振动、粉尘、温度挑战和机械冲击等等。随着现在各种灵活的模块化趋势以及混合型传输的升级，重载连接不仅可以解决严苛工况里的高功率传输，而且还足够灵活。

混合型的传输首先解决了空间问题，借助模块化系统，重载连接器可将各种电力、信号和数据传输技术组合在一起(RJ45、D-Sub、USB、Quint、光纤)，大大节省了连接尺寸。仅仅节约尺寸并不是太大优势，在单个连接器中，信号端子的高密度在空间受限的尺寸才是更大的吸引点。如果重载连接器模块配置完全，其信号端子可多达数百个引脚，高密度不言而喻。

高性能、高密度触电结构的重载连接，对整个机器人系统的电气性能覆盖范围极广，从几安到几百安的电流范围都能轻松承载。而且重载连接的定制化可以并不拘泥于一种信号或数据的传输，可以实现信号、电源、气动、同轴电缆和以太网等等连接。对于需要在严苛工况下工作的工业机器人，重载连接很受青睐。

连接中的浪涌保护

高度自动化设备除了对传输测量、控制调节有极高的需求外，保护电子部件免受过电压影响是一个隐性的需求。因为过电压而引发的机器人停工在很多制造厂中都屡见不鲜。

为主动保护生产系统中的各种信号，必须识别信号电路的参考电位并在选择合适的保护设备时将其考虑在内，因此将浪涌保护集成进连接器中还是非常有必要的。浪涌保护模块可以选择使用气体放电管、抑制二极管和电阻器等多个保护元件，在出现过电压的情况时，这些部件的组合可确保扰动变量的协调导出。多一个浪涌保护，机器人可以大幅提升正常运用的时间，这笔成本账不难算。

小结

在机器人连接上，我们认知里的高传输速率，高带宽这些高指标反而并不用太过担心，目前的连接器水平实现这两点是相对更容易的。如何在连接保护，节省空间，高密度插拔上实现更好的连接效果反而更为不易，毕竟保护性是实现整个机器人本体高可靠性的前提。

原文标题：机器人连接器系统，可靠才是前提

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审核编辑：汤梓红

连接高精度系统工业机器人