EtherCAT, Robot Eklem Modülleri için Neden Ana Akım İletişim Veri Yolu Haline Geliyor?

İnsansı robotların, işbirlikçi robotların ve yüksek hassasiyetli otomasyon ekipmanlarının hızla gelişmesi, entegre akıllı robot eklem modüllerini çok eksenli koordinasyona, yüksek frekanslı gerçek zamanlı kontrole, esnek kuvvet etkileşimine ve yüksek hassasiyetli yörünge takibine yöneltiyor.

RS485 ve CANopen gibi geleneksel iletişim veri yolları; senkronizasyon doğruluğu, iletişim bant genişliği, gerçek zamanlı performans ve çok eksenli ölçeklenebilirlik açısından yeni nesil akıllı eklemlerin kontrol gereksinimlerini artık tam olarak karşılayamıyor.

Resmî TCHL serisi eklem modülü kılavuzunda açıklanan iletişim mimarisi, kontrol modları, PDO eşlemesi, Distributed Clocks ve sorun giderme çerçevesine dayanan EtherCAT, üst düzey robot eklem modülleri için yaygın bir iletişim çözümü hâline gelmiştir. Bu teknolojinin yaygın kullanımı yalnızca bir sektör trendini takip etmenin sonucu değildir. Aksine, modern robotların gelişmiş kontrol gereksinimleri ile EtherCAT'in teknik mimarisi arasındaki güçlü uyumu yansıtır.

Bu makale, TCHL serisi kılavuzunda belgelenen teknik özelliklerden yararlanarak EtherCAT'in akıllı robot eklem modüllerinde yaygın olarak kullanılmasının başlıca nedenlerini inceliyor.

1. Yüksek Frekanslı Servo Kontrolü için Mikrosaniye Düzeyinde Gerçek Zamanlı İletişim

Robot eklemlerindeki konum, hız, akım ve tork geri besleme döngüleri; iletişim çevrim süreleri ve gerçek zamanlı performans açısından son derece yüksek gereksinimler doğurur.

TCHL eklem modülü kılavuzu, aşağıdakiler dâhil olmak üzere çeşitli yüksek hassasiyetli gerçek zamanlı kontrol modlarını açıkça destekler:

• Çevrimsel Senkron Konum Modu (CSP)

• Çevrimsel Senkron Hız Modu (CSV)

• Çevrimsel Senkron Tork Modu (CST)

Bu kontrol modları, son derece düşük iletişim gecikmesine ve kararlı senkronizasyon çevrimlerine dayanır.

Geleneksel seri iletişim ve RS485 genellikle yoklama mekanizması kullanır; bu da daha yüksek gecikmeye ve daha fazla titreşime yol açabilir. CANopen senkron iletişimi desteklese de iletişim çevrimi genellikle milisaniye düzeyindedir ve daha fazla eksen bağlandıkça belirgin biçimde uzayabilir.

Buna karşılık EtherCAT, donanım tabanlı bir işleme mekanizması kullanır. Slave cihazları, her mesajın işlemci tarafından yazılım üzerinden yorumlanmasını gerektirmeden verileri doğrudan donanım Fieldbus Memory Management Unit'leri (FMMU) aracılığıyla işler. Bu mimari, mikrosaniye düzeyinde iletişim çevrimleri ve senkronizasyon titreşimi sağlar.

TCHL modül kılavuzunda belgelenen parametrelere göre EtherCAT, 1 ms, 2 ms ve 3 ms'lik kararlı senkronizasyon çevrimlerini destekler. Bu çevrimler, yüksek frekanslı servo kapalı döngü kontrolü, tork örneklemesi ve dinamik yörünge güncellemeleri için uygundur ve yüksek hassasiyetli hareket kontrolüne temel oluşturur.

2. Distributed Clocks, Yüksek Hassasiyetli Çok Eksenli Senkronizasyon Sağlar

Çok serbestlik dereceli robot kolları ve insansı robotlar, birbirine bağlı çok sayıda eklem içerir. Farklı eklemlerden gelen konum geri bildirimi, hız geri bildirimi ve tork sensörü verileri; doğru dinamik hesaplamalar, atalet telafisi, çarpışma algılama ve kuvvet kontrolü algoritmaları için ortak bir zaman referansını paylaşmalıdır.

TCHL eklem modülü kılavuzu, EtherCAT'i geleneksel iletişim veri yollarından ayıran başlıca avantajlardan biri olan EtherCAT Distributed Clocks (DC) yapılandırmasını özellikle açıklar.

EtherCAT Distributed Clocks Birden Fazla Eklemi Nasıl Senkronize Eder?

EtherCAT DC mekanizması, ağdaki tüm eklem modülleri için birleşik bir donanım saati sağlar. Böylece farklı eksenlerdeki enkoder örneklemesi, tork örneklemesi ve kontrol komutu güncellemeleri yüksek hassasiyetle senkronize edilebilir ve eksenler arasındaki zamanlama farklılıkları donanım düzeyinde en aza indirilir.

Buna karşılık CANopen ve RS485 genellikle aynı tür donanım saati senkronizasyonu yerine yazılım tabanlı yayın senkronizasyon sinyallerine dayanır. Bu durum, daha fazla senkronizasyon titreşimine ve zamanlama farklılıklarına yol açabilir.

Çok eksenli koordineli hareket sırasında bu tür zamanlama hataları, yörünge hizasızlığına, kuvvet kontrolü salınımlarına ve artan dinamik takip hatalarına katkıda bulunabilir.

Birden fazla eklem arasında koordineli hareket gerektiren robotik sistemlerde, hareket doğruluğunu ve kontrol kararlılığını korumak için hassas senkronizasyon şarttır.

3. Standartlaştırılmış CiA 402 Protokolü Uyumluluğu ve Birlikte Çalışabilirliği Artırır

TCHL modülü kılavuzundaki nesne sözlüğü, durum makinesi ve kontrol modu tanımları; robot eklemlerinde kullanılan yaygın EtherCAT iletişim mimarisini yansıtır: CiA 402 sürücü ve hareket kontrol cihazı profiliyle uyumlu CoE (CANopen over EtherCAT).

CiA 402, endüstriyel servo cihazlar için yaygın olarak benimsenmiş bir standarttır. Standartlaştırılmış sürücü durum geçişlerini, kontrol sözcüklerini, durum sözcüklerini, çalışma modlarını ve veri nesnelerini tanımlar.

Standartlaştırılmış Nesne Sözlüğü Entegrasyonu Kolaylaştırır

Bu mimaride hedef konum, hedef hız, hedef tork, gerçek konum, gerçek tork ve hata kodları dâhil olmak üzere temel kontrol ve geri bildirim verileri, standartlaştırılmış nesne sözlüğü indeksleri üzerinden tanımlanır.

Örnekler:

• 0x6040: Controlword

• 0x607A: Target Position

• 0x6071: Target Torque

• 0x303A: Torque Sensor Feedback

Standartlaştırılmış iletişim protokolleri, farklı üreticilerin eklem modüllerinin uyumluluğunu ve birbirinin yerine kullanılabilirliğini artırır. Geliştiriciler; farklı cihazları entegre ederken, kontrol modlarını değiştirirken, ekipmanları devreye alırken veya programları taşırken üreticiye özel iletişim protokollerine uyarlama ihtiyacını azaltabilir.

Eklem modülü üreticileri için yerleşik bir standarda dayalı ürünler geliştirmek, geliştirme karmaşıklığını ve deneme-yanılma maliyetlerini azaltmaya da yardımcı olur. Bu standardizasyon, EtherCAT tabanlı eklem modüllerinin benimsenmesine katkıda bulunan bir diğer önemli etkendir.

4. Yüksek Bant Genişlikli PDO Aktarımı Çok Boyutlu Sensör Verilerini Destekler

Yeni nesil entegre eklem modülleri artık yalnızca basit hareket yürütme birimleri değildir. Çift enkoderleri, çıkış tarafı tork sensörlerini, sıcaklık izlemeyi, arıza algılamayı ve titreşim verisi toplamayı entegre edebilen akıllı algılama sistemleridir.

Geleneksel servo sistemlerle karşılaştırıldığında akıllı eklemlerin; konum, hız, tork, sıcaklık, arıza kodları ve ofset telafisi değerleri dâhil olmak üzere çok daha fazla gerçek zamanlı veri iletmesi gerekir.

Esnek RxPDO ve TxPDO Eşlemesi

TCHL kılavuzunun PDO eşleme bölümüne göre EtherCAT, özelleştirilebilir birden fazla RxPDO ve TxPDO eşleme grubunu destekler. Böylece kontrolör, tek bir iletişim çevrimi içinde eklem modülüne komut iletebilir ve çok boyutlu durum geri bildirimi alabilir.

EtherCAT, yüksek frekanslı senkronizasyon çevrimlerinde büyük miktarda veriyi taşıyabilecek yeterli bant genişliğine sahip, Ethernet tabanlı bir fiziksel katman kullanır. Bu özellik, birden fazla sensör sinyali aynı anda iletilirken iletişim yoğunluğunu ve örnekleme frekansını düşürme ihtiyacını önlemeye yardımcı olur.

Geleneksel iletişim veri yollarının bant genişliği daha sınırlıdır. Birden fazla veri toplama görevi yürütülürken daha düşük örnekleme frekansları gerekebilir; bu da kuvvet kontrolü doğruluğunu ve dinamik tepki hızını olumsuz etkileyebilir.

Bu nedenle bu veri yolları, tork sensörleri ve diğer entegre algılama işlevleriyle donatılmış gelişmiş akıllı eklem uygulamaları için daha az uygundur.

5. Zincirleme Topoloji Çok Eksenli Kablolamayı ve Genişletmeyi Kolaylaştırır

İnsansı robotlar ve altı eksenli robot kolları genellikle 6 ila 16 eklem modülü içerir. İç alanları dardır; bu da kablo güzergâhını ve sistem entegrasyonunu zorlaştırır.

EtherCAT, birden fazla eklem modülünün ağ arayüzleri üzerinden sırayla bağlanmasına olanak tanıyan zincirleme topolojiyi destekler. Bu, ağ kablolamasını kolaylaştırır ve her eklemden kontrolöre ayrı iletişim hattı çekme ihtiyacını azaltır.

Robot Entegrasyonu için Esnek IN/OUT Bağlantıları

EtherCAT IN/OUT arayüz düzeni ve zincirleme bağlantı yöntemi, modüllerin birden fazla aşamada kurulmasını ve kabloların içi boş yapılardan geçirilmesini destekler.

Bu özellik, kablolama için ayrılan alanın sınırlı olduğu robot eklemlerinin kompakt mekanik yerleşimleri için özellikle uygundur.

CANopen ağlarının düğüm sınırları ve genişletme kısıtlamalarıyla ve RS485 ağlarının daha düşük yoklama verimliliğiyle karşılaştırıldığında EtherCAT, çok eksenli uygulamalar için güçlü bir ölçeklenebilirlik sunar. Daha fazla eksen eklenmesi iletişim çevrim süresinde mutlaka belirgin bir artışa neden olmaz; bu da EtherCAT'i birden fazla robot eklemi arasında koordineli kontrol için uygun hâle getirir.

6. Kapsamlı Arıza Teşhisi Sistem Güvenilirliğini ve Bakımını İyileştirir

TCHL modülü kılavuzunda açıklanan EtherCAT sorun giderme yönergeleri ve alarm sistemi, veri yolunun kapsamlı durum yönetimi ve arıza teşhisi yeteneklerini gösterir.

EtherCAT dört temel iletişim durumu tanımlar:

Init: Başlatma

Pre-Operational: Ön çalışma

Safe-Operational: Güvenli çalışma

Operational: Tam çalışma

Bu durumlar, geliştiricilerin cihaz başlatma, PDO eşlemesi, senkronizasyon ve ağ bağlantısının kesilmesi veya çerçeve kaybıyla ilgili iletişim sorunlarını belirlemesine yardımcı olur.

Sistem ayrıca takip hataları, senkronizasyon sapmaları ve PDO alım anormallikleri gibi arıza bilgilerini gerçek zamanlı olarak bildirebilir.

Bu sayede geliştiriciler iletişim sorunlarını daha verimli biçimde belirleyip giderebilir; devreye alma süresi ve satış sonrası bakımın karmaşıklığı azalır. Kapsamlı teşhis yetenekleri, EtherCAT'i uzun süre kararlı çalışması gereken endüstriyel otomasyon sistemleri ve robotik ekipmanlar için uygun hâle getirir.

7. Olgun EtherCAT Ekosistemi Geliştirme ve Entegrasyon Maliyetlerini Azaltır

EtherCAT, çok çeşitli endüstriyel uygulamaları kapsayan olgun bir ekosisteme kavuşmuştur. Beckhoff TwinCAT, SOEM, IgH ve gerçek zamanlı Linux tabanlı platformlar dâhil olmak üzere birçok yaygın ana kontrolör çözümü mevcuttur.

Bu çözümler PLC'ler, endüstriyel bilgisayarlar ve gömülü kontrolörler dâhil farklı donanım platformlarını destekler.

Buna ek olarak devreye alma, paket yakalama ve parametre yapılandırma için profesyonel araçlar mevcuttur. Geliştiriciler senkronizasyon çevrimlerini, DC ofsetlerini, PDO verilerini ve veri yolu durumlarını izleyerek sistem geliştirme ve sorun gidermeyi kolaylaştırabilir.

Ekipman üreticileri için EtherCAT yüksek düzeyde standardizasyon, güçlü taşınabilirlik ve yerleşik bir yetkin iş gücü havuzu sunar. Üreticiye özel iletişim veri yollarıyla karşılaştırıldığında geliştirme, devreye alma, eğitim ve değiştirme maliyetlerini azaltmaya yardımcı olabilir; bu da EtherCAT'i büyük ölçekli üretim ve ticari kullanıma daha uygun hâle getirir.

Sonuç: EtherCAT Robot Eklem İletişiminde Neden Yaygın Tercih Hâline Geliyor?

EtherCAT'in yaygın biçimde benimsenmesinin temel nedeni, geleneksel düşük hızlı iletişim veri yollarının akıllı robot eklemlerinin gelişmiş kontrol gereksinimlerini tam olarak karşılayamamasıdır.

Mikrosaniye düzeyinde donanım tabanlı gerçek zamanlı iletişim, yüksek hassasiyetli Distributed Clock senkronizasyonu, standartlaştırılmış CiA 402 servo protokolleri, yüksek bant genişlikli PDO veri aktarımı, basitleştirilmiş çok eksenli ağ bağlantısı ve kapsamlı arıza teşhisi sayesinde EtherCAT; tork algılama, çok eksenli koordinasyon, esnek kuvvet kontrolü ve yüksek hassasiyetli yörünge takibi özelliklerine sahip yeni nesil entegre eklem modülleri için uygundur.

İnsansı robotlar, işbirlikçi robotlar ve üst düzey otomasyon ekipmanları gelişmeye devam ettikçe EtherCAT, robot eklem modülleri için önde gelen yaygın iletişim çözümlerinden biri hâline gelmiştir.