Aquest article ha estat escrit originalment en castellà. L'hem traduït automàticament per a la vostra comoditat. Tot i que hem fet esforços raonables per a aconseguir una traducció precisa, cap traducció automática és perfecta ni tampoc pretén substituir-ne una d'humana. El text original de l'article en castellà podeu veure'l a Innovadora sonda de radiotransmisión de salto de frecuencias

Ver más artículos sobre: Control de qualitat en la producció: disseny, metrologia i assaigs

Conceptes bàsics sobre sondes de transmissió

Innovadora sonda de radiotransmissió de salt de freqüències

Departament Tècnic de Renishaw01/06/2005

Una sonda d'inspecció s'utilitza en una màquina-eina CNC per a determinar la ubicació i orientació de les peces durant el reglatge i per inspeccionar la mida i la posició de les principals superfícies per a la seva verificació i control del procés. Per fer-ho, es detecten una sèrie de punts diferenciats a la superfície del component. Quan el palpador de la sonda toca la superfície de la peça, es genera un senyal d'activació. Aquest senyal es passa al CNC de la màquina per registrar la posició de la màquina en aquest moment.

Com que la sonda es munta en la claveguera de la màquina quan està en ús, el senyal d'activació s'ha d'enviar al CNC mitjançant un sistema de transmissió remot. Existeixen tres principals tecnologies de transmissió: inductiva, òptica (infrarojos) i per ràdio. En els tres casos, la sonda transporta un transmissor que envia els senyals de l'estat de la sonda a un receptor connectat per cables a la cabina de control de la màquina.

Les transmissions inductives tenen un abast molt curt (el receptor està muntat a la punta del cargol), mentre que les transmissions òptiques i les de ràdio de baixa potència poden transmetre a diversos metres. Les transmissions òptiques utilitzen la línia de focus entre el transmissor i el receptor, encara que també aprofiten les reflexions de l'interior de la màquina. Les transmissions per ràdio també aprofiten aquestes reflexions, a més d'una considerable difracció al voltant dels objectes de la màquina, pel que són idònies per a màquines de major grandària en les que la sonda pot inserir en el component, o per les màquines de 5 eixos en les quals no es pot garantir la línia de focus.

Principals factors que afecten el rendiment i la fiabilitat de les radiotransmissió

Espectre ampli o freqüència fixa: què altres dispositius poden trobar en el rang de freqüència triat i quins passos cal seguir per permetre la seva coexistència?
Tolerància a interferències de senyal: si es produeixen interferències com pot seguir funcionant la sonda amb fiabilitat?
Evitació de 'punts morts': si hi ha reflexions dins de la màquina que generen interferències de senyal destructives en determinats punts com pot mantenir el funcionament de la sonda?
Compatibilitat amb les regulacions: pot utilitzar la mateixa sonda a tot el món sense perill de contravenir les regulacions de radiofreqüència locals?

Tecnologia de transmissió de radiofreqüència fixa

Les sondes de transmissió per ràdio anteriors, inclosos els models MP16 i MP18 de Renishaw, utilitzen transmissions de canal fix. Dins de cada àrea aprovada de baixa potència en l'espectre de ràdio (per exemple, la banda de 433 MHz a Europa i Japó), hi ha una sèrie de canals diferents disponibles. La sonda i el receptor es configuren amb un canal específic durant la instal lació, que romandrà fix fins que es seleccioni manualment un altre canal. Dins de la banda de 433 MHz, per exemple, Renishaw utilitza 69 canals, cada un amb un ample de banda de 20 KHz. D'aquesta manera, és possible utilitzar diverses sondes en una sola fàbrica sense risc d'interferències entre les sondes i els receptors de les màquines properes.

Aquesta tecnologia ha demostrat ser fiable, sent la seva única limitació el nombre de canals disponibles per banda. No obstant això, aquests dispositius podrien veure's afectats per interferències locals d'altres dispositius de ràdio de la fàbrica que emetin en la mateixa freqüència.

Figura 1. Les sondes i altres dispositius dels canals fixos no poden solapar.

La Figura 1 mostra com un altre dispositiu amb una potència de transmissió major bloqueja part del canal de transmissió d'una sonda. Això danyarà els senyals que arribin al receptor de la sonda. L'única solució és canviar el canal de la sonda fins a trobar una zona lliure en l'espectre o, si és possible, canviar la banda de transmissió de l'altre dispositiu.

Sonda de radiotransmissió de salt de freqüències

Les transmissions d'espectre ampli són més potents que les de canal únic, ja que distribueixen els senyals en un rang de freqüències més ampli. Hi ha dos principals tecnologies d'espectre ampli:

Espectre ampli de seqüència directa (DSSS): s'envia simultàniament un senyal a baixa potència sobre una àmplia gamma de freqüències (igual que en les xarxes sense fils WiFi).
Espectre ampli de salt de freqüències (FHSS): es transmet una senyal a relativa baixa potència sobre una sèrie codificada de diferents freqüències, que seran identificades pel transmissor i el receptor (igual que en els dispositius 'bluetooth' i en el sistema de sonda per ràdio RMP60 de Renishaw).

El sistema RMP60 d'Renishaw és un dispositiu FHSS que opera sobre una banda entre els 2.402 i 2.481 GHz, amb 79 canals de 1 MHz d'ample de banda cada un. El sistema es compon de dos mòduls: el RMP, integrat en la sonda i muntat en l'eix de la màquina, i el RMI, connectat al CNC i muntat en algun punt de l'estructura estàtica de la màquina.

Per a la transmissió FHSS, el transmissor i el receptor han de 'saltar' d'un canal a un altre, utilitzant tots els canals disponibles en el moment en la banda. D'aquesta manera, poden coexistir amb altres sistemes FHSS i DSSS, a més d'altres dispositius com forns microones, que també operen en aquesta banda de freqüències. El salt de freqüències redueix les possibilitats que un altre receptor no autoritzat pugui supervisar i interceptar els missatges de la sonda, a més, la possibilitat de recepció de missatges en el receptor correcte és més gran quan hi ha més trànsit de ràdio.

Figura 2. Transmissió FHSS de sonda coexistint amb un altre trànsit de ràdio.

La Figura 2 mostra la transmissió FHSS de la sonda saltant entre una seqüència de freqüències dins de la banda de 2,4 GHz:

A la primera freqüència, l'espectre està lliure i es realitza amb èxit la transmissió entre la sonda i el receptor.
Després del primer salt, la freqüència canvia a un canal que es troba dins d'un rang de freqüència ocupat per un altre dispositiu amb major potència de transmissió. En aquest cas, no s'aconsegueix la transmissió de la sonda per ser de menor potència.
Ara, la freqüència ha saltat a un punt en el qual es solapa amb un dispositiu DSSS i transmet sobre un rang de freqüència ampla, però a baixa potència. La transmissió de la sonda té la suficient potència per a continuar, mentre que el dispositiu DSSS manté un ample de banda folgat per transmetre els seus missatges.
Freqüència lliure: transmissió correcta.
La sonda continua amb les diferents seqüències de salt possibles que visitarà en tots els canals disponibles.

Tolerància a interferències de senyal

Els sistemes FHSS estan preparats per operar en un entorn d'interferències, amb altres espectres amplis i dispositius de freqüència fixa. El protocol de comunicacions de Renishaw disposa d'un identificador exclusiu de sonda per garantir que el RMI rep la informació de la sonda correcta i no d'una màquina propera. Altres funcions de seguretat són la codificació de senyals i detecció d'interferències, una sèrie de seqüències de salt entre diferents canals i reintents de transmissió en cas de fortes interferències de senyal. Si l'RMI no rep un senyal vàlida del RMP després d'una sèrie d'intents, manté oberta la seva sonda i envia un senyal d'error per aturar la màquina.

Per interferir en la radiotransmissió d'una sonda, l'altra senyal ha de coincidir amb el mateix canal a la mateixa hora i anul·lar la senyal de ràdio de la sonda. Aquesta situació és poc probable, ja que la banda de 2,4 GHz està reservada per a transmissions a baixa potència i la quantitat de dispositius que poden utilitzar aquest rang de RMI en qualsevol moment és molt baixa. L'impacte més probable d'una interferència en el senyal seria la pèrdua d'uns pocs bits en la comunicació. Si un missatge és bloquejat per un altre dispositiu, hauria de saltar amb la mateixa seqüència de canals i els mateixos intervals de temps que la sonda per bloquejar la comunicació d'una manera continuada. Sent realistes, la possibilitat que això passi és molt petita.

Figura 3. Les ones de ràdio es reflecteixen en les superfícies internes de la màquina eina i poden interferir amb les ones que viatgen per un recorregut directe cap al receptor. Els salts de freqüències eviten els "punts morts" canviant de canals periòdicament.

Evitació de 'punts morts' a la transmissió

Les ones de ràdio passen entre les unitats de RMP i RMI directament, però també ho fan a través de reflexions de l'interior de la màquina (vegeu la Figura 3). Les transmissions de ràdio de longitud d'ona única poden rebre caràcters nuls o 'punts morts', on es generen interferències destructives entre les ones directes i indirectes (la interferència total es produeix quan l'ona indirecta té la mateixa amplitud que l'ona directa i es troba 180 graus desfasada d'ella). Una interferència significativa pot fer que l'amplitud que arriba a la unitat receptora quedi per sota del seu llindar de sensibilitat.

Si sorgeix aquest problema, en canviar el canal en un sistema de longitud d'ona fixa, normalment només s'aconsegueix traslladar el caràcter nul a una altra part de la màquina. Molts sistemes de longitud d'ona fixa utilitzen dos receptors orientats 90 graus entre si per reduir la possibilitat de caràcters nuls en el receptor.

Un sistema de salt de freqüències evita els 'punts morts' canviant periòdicament de canals. La banda de freqüències de 2,4 GHz proporciona un rang de longituds d'ona entre 0,121 m (canal 78) i 0,124 m (canal 00). Normalment, el recorregut reflectit és substancialment més llarg que el recorregut directe (almenys 2,5 longituds d'ona més llarg). En aquest cas, si hi ha un nul complet al canal 78, l'atenuació del canal 00 serà de només 6 dB, per tant, la transmissió pot realitzar-se correctament encara que existeixin nuls en qualsevol longitud d'ona. Només es necessita un receptor per obtenir un gran rendiment.

A la pràctica, hi és clar moltes senyals reflectides amb diferents longituds de recorreguts, de manera que la generació de nuls pròxims en freqüències de canals successius és molt poc probable. A més, les ones reflectides es reduiran en amplitud, disminuint, per tant, la possibilitat d'interferències totals destructives en qualsevol longitud d'ona.

Compatibilitat amb les regulacions

Els sistemes d'espectre ampli tenen regulacions de radiofreqüència favorables en la majoria dels mercats, ja que permeten la coexistència de diversos sistemes en el mateix rang d'espectres amb unes comunicacions fiables. La banda de 2,4 GHz, en particular, ha obtingut l'aprovació pràcticament universal, de manera que en l'actualitat es comercialitza un gran nombre de dispositius d'espectre ampli i de banda ampla de baixa potència. Això permet utilitzar un únic disseny de radiotransmissió en els països més industrialitzats, simplificant els requisits de les regulacions als fabricants de maquinària que subministren sistemes als diferents mercats. En contraposició, els sistemes de freqüència fixa ocupen diferents bandes de freqüència en els mercats dels EUA, Europa i Àsia per adaptar-se a les lleis locals.

Conclusions

L'aplicació pionera de Renishaw de les radiotransmissió d'espectre ampli en les sondes de màquines-eina s'ha produït un sistema compacte fàcil d'aplicar, sense perdre qualitat de transmissió, que coexisteix perfectament amb altres dispositius de ràdio en un entorn industrial cada vegada més saturat. És una solució universal que s'adapta als canvis de les regulacions de radiofreqüència a tot el món, pensada per a augmentar l'atractiu de les sondes de transmissió per ràdio en el sector de fabricació.