Применение инерциальных измерительных блоков (ИМБ) на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) в промышленности в основном сосредоточено на высокоточном управлении движением, мониторинге оборудования и автоматизированном производстве. Выбор подходящего МЭМС ИТБ для промышленного применения требует всестороннего учета точности, адаптации к условиям окружающей среды, совместимости интерфейсов и экономической эффективности.

Применение MEMS IMU в области промышленных роботов и автоматизации в основном сосредоточено на обратной связи и управлении ориентацией, навигации AGV/AMR, а также мониторинге и диагностике вибраций. В приложениях для обратной связи и управления ориентацией MEMS IMU предоставляет информацию об ориентации (тангаж, крен, рыскание) и угловой скорости в реальном времени для шарниров робота, концевых эффекторов или мобильных платформ, обеспечивая точное управление движением, планирование траектории и предотвращение столкновений. В приложениях для навигации AGV/AMR MEMS IMU интегрируется с датчиками скорости вращения колес, LiDAR и визуальными датчиками для обеспечения функции инерциальной навигации. При временной потере внешнего ориентира IMU может поддерживать кратковременное позиционирование и направление, повышая надежность и непрерывность навигации. В приложениях для мониторинга и диагностики вибраций MEMS IMU устанавливается на шарнирах робота, ключевых конструкциях или двигателях для мониторинга спектра и амплитуды вибраций во время работы, для прогнозирующего технического обслуживания и для раннего выявления неисправностей, таких как износ подшипников, дисбаланс и смещение.

Требования к инерциальным измерительным блокам MEMS в области промышленных роботов и автоматизации в основном сосредоточены на следующих аспектах:

1. Требования к статическим показателям эффективности (высокая точность)

Стабильность нулевого смещения является наиболее важным показателем статической производительности, а низкая стабильность нулевого смещения означает, что долговременная точность оценки ориентации (тангаж, крен, рыскание) имеет решающее значение. Когда роботы работают в течение длительного времени или автоматизированные транспортные средства (AGV) точно перемещаются, низкий дрейф нулевого смещения является ключевым фактором обеспечения точности ориентации. Стабильность нулевого смещения гироскопов обычно требует <1°/ч, а для высокотехнологичных применений требуется <0,5°/ч. Индекс стабильности нулевого смещения акселерометров требует <1 мг. Кроме того, случайное угловое блуждание отражает характеристики белого шума на выходе гироскопа, что определяет скорость увеличения ошибки интегрирования угла с течением времени. Низкое значение ARW является основой для достижения высокоточной ориентации, особенно за короткий промежуток времени, и особенно важно для управления движением высокоскоростных и высокодинамичных роботов.

В качестве примера рассмотрим высокопроизводительные MEMS-инерциальные измерительные блоки (IMU) серий U6300 и U7000 от Micro-Magic Inc.:

2. Динамические требования к производительности (высокая пропускная способность, большой радиус действия)

Частота движений суставов промышленных роботов высока, а частота вибрации на конце роботизированной руки может быть еще выше. Высокая полоса пропускания имеет решающее значение для точного захвата быстрых движений и вибраций. Обычно полоса пропускания должна превышать 100 Гц, а то и сотни Гц. Кроме того, роботы могут быстро начинать и останавливаться, сталкиваться, а автоматизированные транспортные средства (AGV) могут передвигаться по неровным дорогам. Перегрузка может вызвать искажение данных из-за насыщения, поэтому от MEMS-инерциальных измерительных блоков (IMU) требуется достаточно широкий диапазон. Как правило, для гироскопов может потребоваться диапазон ± 300°/с до ± 2000°/с или выше, а для акселерометров — от ± 2g до ± 50g или выше.

Рассмотрим в качестве примера продукты U3600, U5000 и U6488 от компании Micro-Magic Inc.:

3. Требования к адаптации к окружающей среде (отличная устойчивость к вибрации и ударам).

В промышленной среде много вибраций (двигатели, шестерни, конвейерные ленты и т. д.). Инерциальный измерительный блок (IMU) должен уметь подавлять эти вибрационные помехи и избегать выдачи ошибочных данных (особенно гироскопы, чувствительные к линейным вибрациям и генерирующие ошибки, чувствительные к перегрузкам). Необходимы качественная механическая конструкция (например, демпфирование) и передовые алгоритмы обработки сигналов. Необходимо обеспечить сохранность оборудования и предотвратить необратимое ухудшение его характеристик при неожиданных столкновениях, падениях или сильных ударах. Обычно оно должно выдерживать удары с перегрузками в тысячи g.

Рассмотрим в качестве примера продукцию U3500, U3600 и U3700 от компании Micro-Magic Inc.:

4. Системная интеграция и практичность

Благодаря своим малым размерам, небольшому весу и низкому энергопотреблению, инерциальные измерительные блоки MEMS (IMU) все шире используются в промышленности и военной сфере. Миниатюризация позволяет легко встраивать IMU в шарниры роботов, концы звеньев, компактные корпуса автоматизированных транспортных средств (AGV) и даже внутренние части инструментов без существенной нагрузки или изменений в конструкции; облегченная конструкция минимизирует влияние IMU на грузоподъемность и характеристики движения роботов, особенно высокоскоростных, высокоточных или коллаборативных роботов; низкое энергопотребление IMU продлевает срок службы батарей мобильных роботов и беспроводных сенсорных узлов, снижая общее энергопотребление и требования к теплоотводу системы.

Рассмотрим в качестве примера продукцию U300, U3500 и U3000 от компании Micro-Magic Inc.:

Заключение

Промышленные MEMS-инерциальные измерительные блоки (IMU) должны обеспечивать высокий уровень баланса по этим строгим показателям, чтобы соответствовать комплексным требованиям современных промышленных роботов и систем автоматизации в отношении точности восприятия, надежности, работы в реальном времени и отказоустойчивости.

• Предыдущий пост

  Конфигурация плавного пуска понижающего преобразователя напряжения

• Следующий пост

  3W Принципы проектирования печатных плат