Innovadora sonda de radiotransmisión de salto de frecuencias

Departamento Técnico de Renishaw01/06/2005

Una sonda de inspección se utiliza en una máquina-herramienta CNC para determinar la ubicación y orientación de las piezas durante el reglaje y para inspeccionar el tamaño y la posición de las principales superficies para su verificación y control del proceso. Para hacerlo, se detectan una serie de puntos diferenciados en la superficie del componente. Cuando el palpador de la sonda toca la superficie de la pieza, se genera una señal de activación. Esta señal se pasa al CNC de la máquina para registrar la posición de la máquina en ese momento.

Puesto que la sonda se monta en el husillo de la máquina cuando está en uso, la señal de activación deberá enviarse al CNC mediante un sistema de transmisión remoto. Existen tres principales tecnologías de transmisión: inductiva, óptica (infrarrojos) y por radio. En los tres casos, la sonda transporta un transmisor que envía las señales del estado de la sonda a un receptor conectado por cables a la cabina de control de la máquina.

Las transmisiones inductivas tienen un alcance muy corto (el receptor está montado en la punta del husillo), mientras que las transmisiones ópticas y las de radio de baja potencia pueden transmitir a varios metros. Las transmisiones ópticas utilizan la línea de foco entre el transmisor y el receptor, aunque también aprovechan las reflexiones del interior de la máquina. Las transmisiones por radio también aprovechan estas reflexiones, además de una considerable difracción alrededor de los objetos de la máquina, por lo que son idóneas para máquinas de mayor tamaño en las que la sonda puede insertarse en el componente, o para las máquinas de 5 ejes en las que no se puede garantizar la línea de foco.

Principales factores que afectan al rendimiento y la fiabilidad de las radiotransmisiones

Espectro amplio o frecuencia fija: ¿qué otros dispositivos pueden encontrarse en el rango de frecuencia elegido y qué pasos hay que seguir para permitir su coexistencia?
Tolerancia a interferencias de señal: si se producen interferencias ¿cómo puede seguir funcionando la sonda con fiabilidad?
Evitación de ‘puntos muertos’: si hay reflexiones dentro de la máquina que generan interferencias de señal destructivas en determinados puntos ¿cómo puede mantenerse el funcionamiento de la sonda?
Compatibilidad con las regulaciones: ¿puede utilizarse la misma sonda en todo el mundo sin peligro de contravenir las regulaciones de radiofrecuencia locales?

Tecnología de transmisión de radiofrecuencia fija

Las sondas de transmisión por radio anteriores, incluidos los modelos MP16 y MP18 de Renishaw, utilizan transmisiones de canal fijo. Dentro de cada área aprobada de baja potencia en el espectro de radio (p.ej., la banda de 433 MHz en Europa y Japón), hay una serie de canales distintos disponibles. La sonda y el receptor se configuran con un canal específico durante la instalación, que permanecerá fijo hasta que se seleccione manualmente otro canal. Dentro de la banda de 433 MHz, por ejemplo, Renishaw utiliza 69 canales, cada uno con un ancho de banda de 20 KHz. De este modo, es posible utilizar varias sondas en una sola fábrica sin riesgo de interferencias entre las sondas y los receptores de las máquinas próximas.

Esta tecnología ha demostrado ser fiable, siendo su única limitación el número de canales disponibles por banda. No obstante, estos dispositivos podrían verse afectados por interferencias locales de otros dispositivos de radio de la fábrica que emitan en la misma frecuencia.

Figura 1. Las sondas y demás dispositivos de los canales fijos no pueden solaparse .

La Figura 1 muestra cómo otro dispositivo con una potencia de transmisión mayor bloquea parte del canal de transmisión de una sonda. Esto dañará las señales que llegen al receptor de la sonda. La única solución es cambiar el canal de la sonda hasta encontrar una zona libre en el espectro o, si es posible, cambiar la banda de transmisión del otro dispositivo.

Sonda de radiotransmisión de salto de frecuencias

Las transmisiones de espectro amplio son más potentes que las de canal único, ya que distribuyen las señales en un rango de frecuencias más amplio. Existen dos principales tecnologías de espectro amplio:

Espectro amplio de secuencia directa (DSSS): se envía simultáneamente una señal a baja potencia sobre una amplia gama de frecuencias (igual que en las redes inalámbricas WiFi).
Espectro amplio de salto de frecuencias (FHSS): se transmite una señal a relativa baja potencia sobre una serie codificada de distintas frecuencias, que serán identificadas por el transmisor y el receptor (igual que en los dispositivos ‘bluetooth’ y en el sistema de sonda por radio RMP60 de Renishaw).

El sistema RMP60 de Renishaw es un dispositivo FHSS que opera sobre una banda entre los 2.402 y 2.481 GHz, con 79 canales de 1 MHz de ancho de banda cada uno. El sistema se compone de dos módulos: el RMP, integrado en la sonda y montado en el husillo de la máquina, y el RMI, conectado al CNC y montado en algún punto de la estructura estática de la máquina.

Para la transmisión FHSS, el transmisor y el receptor deberán ‘saltar’ de un canal a otro, utilizando todos los canales disponibles en el momento en la banda. De este modo, pueden coexistir con otros sistemas FHSS y DSSS, además de otros dispositivos como hornos microondas, que también operan en esta banda de frecuencias. El salto de frecuencias reduce las posibilidades de que otro receptor no autorizado pueda supervisar e interceptar los mensajes de la sonda, además, la posibilidad de recepción de mensajes en el receptor correcto es mayor cuando existe más tráfico de radio.

Figura 2. Transmisión FHSS de sonda coexistiendo con otro tráfico de radio.

La Figura 2 muestra la transmisión FHSS de la sonda saltando entre una secuencia de frecuencias dentro de la banda de 2,4 GHz:

En la primera frecuencia, el espectro está libre y se realiza con éxito la transmisión entre la sonda y el receptor.
Después del primer salto, la frecuencia cambia a un canal que se encuentra dentro de un rango de frecuencia ocupado por otro dispositivo con mayor potencia de transmisión. En este caso, no se consigue la transmisión de la sonda por ser de menor potencia.
Ahora, la frecuencia ha saltado a un punto en el que se solapa con un dispositivo DSSS y transmite sobre un rango de frecuencia ancha, pero a baja potencia. La transmisión de la sonda tiene la suficiente potencia para continuar, mientras que el dispositivo DSSS mantiene un ancho de banda holgado para transmitir sus mensajes.
Frecuencia libre: transmisión correcta.
La sonda continúa con las distintas secuencias de salto posibles que visitará en todos los canales disponibles.

Tolerancia a interferencias de señal

Los sistemas FHSS están preparados para operar en un entorno de interferencias, con otros espectros amplios y dispositivos de frecuencia fija. El protocolo de comunicaciones de Renishaw dispone de un ID exclusivo de sonda para garantizar que el RMI recibe la información de la sonda correcta y no de una máquina cercana. Otras funciones de seguridad son la codificación de señales y detección de interferencias, una serie de secuencias de salto entre distintos canales y reintentos de transmisión en caso de fuertes interferencias de señal. Si el RMI no recibe una señal válida del RMP tras una serie de intentos, mantiene abierta su sonda y envía una señal de error para detener la máquina.

Para interferir en la radiotransmisión de una sonda, la otra señal tiene que coincidir con el mismo canal a la misma hora y anular la señal de radio de la sonda. Esta situación es poco probable, ya que la banda de 2,4 GHz está reservada para transmisiones a baja potencia y la cantidad de dispositivos que pueden utilizar este rango de RMI en cualquier momento es muy baja. El impacto más probable de una interferencia en la señal sería la pérdida de unos pocos bits en la comunicación. Si un mensaje es bloqueado por otro dispositivo, tendría que saltar con la misma secuencia de canales y los mismos intervalos de tiempo que la sonda para bloquear la comunicación de una forma continuada. Siendo realistas, la posibilidad de que esto suceda es muy pequeña.

Figura 3. Las ondas de radio se reflejan en las superficies internas de la máquina herramienta y pueden interferir con las ondas que viajan por un recorrido directo hacia el receptor. Los saltos de frecuencias evitan los “puntos muertos” cambiando de canales periódicamente.

Evitación de 'puntos muertos' en la transmisión

Las ondas de radio pasan entre las unidades de RMP y RMI directamente, pero también lo hacen a través de reflexiones del interior de la máquina (véase la Figura 3). Las transmisiones de radio de longitud de onda única pueden recibir caracteres nulos o ‘puntos muertos’, donde se generan interferencias destructivas entre las ondas directas e indirectas (la interferencia total se produce cuando la onda indirecta tiene la misma amplitud que la onda directa y se encuentra 180 grados desfasada de ella). Una interferencia significativa puede hacer que la amplitud que llega a la unidad receptora quede por debajo de su umbral de sensibilidad.

Si surge este problema, al cambiar el canal en un sistema de longitud de onda fija, normalmente sólo se consigue trasladar el carácter nulo a otra parte de la máquina. Muchos sistemas de longitud de onda fija utilizan dos receptores orientados 90 grados entre sí para reducir la posibilidad de caracteres nulos en el receptor.

Un sistema de salto de frecuencias evita los ‘puntos muertos’ cambiando periódicamente de canales. La banda de frecuencias de 2,4 GHz proporciona un rango de longitudes de onda entre 0,121 m (canal 78) y 0,124 m (canal 00). Normalmente, el recorrido reflejado es sustancialmente más largo que el recorrido directo (al menos 2,5 longitudes de onda más largo). En este caso, si hay un nulo completo en el canal 78, la atenuación del canal 00 será de sólo 6 dB, por tanto, la transmisión puede realizarse correctamente aunque existan nulos en cualquier longitud de onda. Sólo se necesita un receptor para obtener un gran rendimiento.

En la práctica, existirán por supuesto muchas señales reflejadas con distintas longitudes de recorridos, por lo que la generación de nulos próximos en frecuencias de canales sucesivos es muy poco probable. Además, las ondas reflejadas se reducirán en amplitud, disminuyendo, por tanto, la posibilidad de interferencias totales destructivas en cualquier longitud de onda.

Compatibilidad con las regulaciones

Los sistemas de espectro amplio tienen regulaciones de radiofrecuencia favorables en la mayoría de los mercados, ya que permiten la coexistencia de varios sistemas en el mismo rango de espectros con unas comunicaciones fiables. La banda de 2,4 GHz, en particular, ha obtenido la aprobación prácticamente universal, por lo que en la actualidad se comercializa un gran número de dispositivos de espectro amplio y de banda ancha de baja potencia. Esto permite utilizar un único diseño de radiotransmisión en los países más industrializados, simplificando los requisitos de las regulaciones a los fabricantes de maquinaria que suministran sistemas a los distintos mercados. En contraposición, los sistemas de frecuencia fija ocupan distintas bandas de frecuencia en los mercados de EE.UU, Europa y Asia para adaptarse a las leyes locales.

Conclusiones

La aplicación pionera de Renishaw de las radiotransmisiones de espectro amplio en las sondas de máquinas-herramienta ha producido un sistema compacto fácil de aplicar, sin perder calidad de transmisión, que coexiste perfectamente con otros dispositivos de radio en un entorno industrial cada vez más saturado. Es una solución universal que se adapta a los cambios de las regulaciones de radiofrecuencia en todo el mundo, pensada para aumentar el atractivo de las sondas de transmisión por radio en el sector de fabricación.