Синхронизирано движение на сервомотори и координирани оси в PLC системи Rockwell

Многоосовото управление на движението надхвърля традиционната синхронизация на сервооси

Съвременните производители на машини все по-често очакват серво системите да осигуряват повече от позициониране на отделни оси. Опаковъчните линии, роботизираните клетки и системите за обработка на материали вече изискват синхронизирано многоосово движение с по-висока прецизност, по-плавни траектории и опростено програмиране.

Функциите за координирано движение на Rockwell Automation в Studio 5000 отговарят на това изискване, като позволяват до шест сервооси да се движат заедно в рамките на една координирана система. За разлика от традиционните техники със зъбни предавки или камови профили, координираното движение се фокусира върху пространственото позициониране и управлението на траекторията на няколко оси едновременно.

Тази възможност става особено ценна при роботизирано манипулиране, високоскоростни портални системи и гъвкави производствени системи, където качеството на движението пряко влияе върху производителността и постоянството на продукта.

Фигура 1. Координираното движение позволява на роботизираните системи да синхронизират множество серво стави с плавно позиционно управление.

Защо координираното движение се различава от зъбните предавки и камовите профили

Традиционните методи за синхронизирано движение, като електронни зъбни предавки и камови профили, обикновено управляват отношенията между водеща и следваща ос при една или две оси. Координираното движение разширява тази концепция до пълно управление на траекторията на множество оси.

В координирана система всяка ос се движи към зададената си крайна позиция, като същевременно поддържа синхронизиран момент на пристигане. Контролерът непрекъснато изчислява корекции на скоростта и ускорението, така че всички оси да завършат движението едновременно.

Тази архитектура позволява на конструкторите на машини да създават движение в роботизиран стил, без да е необходим специализиран роботизиран контролер.

Координати на ставите спрямо декартови координати

Едно от първите инженерни решения е изборът на модел на движение. Артикулираните роботи обикновено работят с координати на ставите, при които всеки двигател се върти независимо около определена ос.

Много портални и декартови системи обаче работят директно с координати X, Y и Z. Това опростява програмирането, тъй като контролерът изчислява линейното движение директно, вместо да преобразува между координатите на инструмента и позициите на ставите.

Координираното движение в Studio 5000 поддържа и двата подхода, макар че декартовите системи остават по-лесни за конфигуриране и отстраняване на неизправности по време на пускане в експлоатация.

Изграждане на средата за координирано движение

Конфигурирането на система за координирано движение изисква повече подготовка от стандартното управление на серво система с една ос. Инженерите трябва първо да дефинират група за движение, да зададат сервоосите и да създадат обект на координирана система в Studio 5000.

Съветникът за координирана система позволява конфигуриране на геометрията на осите, отместванията, инженерните единици и ограниченията на движението. Тези параметри определят начина, по който контролерът интерпретира командите за позициониране в серво мрежата.

Фигура 2. Конфигурацията на групата за движение определя взаимовръзките между осите, геометрията и поведението на координираната система.

Много производители на оригинално оборудване комбинират координирано движение с усъвършенствани серво платформи и разпределени I/O архитектури, за да подобрят мащабируемостта на машините. Системите, изградени около контролери Allen-Bradley ControlLogix и съвременни серво задвижвания, все по-често използват координирано движение за опростяване на роботизирани и портални приложения.

Основни инструкции за движение в Studio 5000

Средата за координирано движение на Rockwell разчита на няколко специализирани функционални блока, предназначени за генериране на траектории с множество оси.

Линейно движение с MCLM

Инструкцията Motion Coordinated Linear Move, или MCLM, осигурява движение по права линия между зададени декартови позиции. Инженерите задават координатите X, Y и Z, а контролерът автоматично синхронизира скоростите на осите.

Тази инструкция е особено подходяща за портални системи, при които инструментът трябва да се движи плавно между позициите за вземане и поставяне.

Кръгово движение и движение по траектория

Инструкцията Motion Coordinated Circular Move поддържа траектории по дъга в двумерно и тримерно пространство. Междувременно Motion Coordinated Path Move разширява възможностите допълнително, като поддържа траектории на артикулирани роботи и усъвършенствани профили на движение.

Тези функции позволяват на производителите на машини да създават по-плавно движение на инструментите, като същевременно намаляват резките промени в ускорението, които могат да повредят механичните системи.

Фигура 3. Инструкцията MCLM синхронизира множество сервооси по време на координирано линейно движение.

Къде координираното движение носи най-голяма стойност

Едно от най-силните приложения на координираното движение остава серво порталната система. В тези системи три перпендикулярни оси работят заедно, за да позиционират инструмента в голям работен обхват.

За разлика от артикулираните роботи, порталните системи обикновено работят директно в декартово пространство, което намалява сложността на преобразуванията и опростява поддръжката.

Операторите могат ръчно да придвижат осите до нужната позиция, да запаметят координатни точки и да използват повторно тези позиции при автоматична работа. Резултатът е плавно и повторяемо движение в целия работен обхват на машината.

Фигура 4. Серво порталните системи се възползват от координираното движение, тъй като всички оси достигат целевите позиции едновременно.

Координираното движение продължава да се разширява и в колаборативната роботика, автоматизираното сглобяване, палетизиращите системи и оборудването за обработка на материали в полупроводниковата промишленост.

Индустриалният преход към софтуерно дефинирано движение

По-широката индустрия за автоматизация постепенно се отдалечава от изолирани системи за управление на движението, ориентирани към хардуера, и преминава към софтуерно дефинирани архитектури на машините.

Съвременните PLC платформи вече обединяват управлението на движението, визуализацията, мрежовата свързаност и безопасността в единни инженерни среди. Това намалява сложността на интеграцията и съкращава времето за пускане в експлоатация.

Производители като Rockwell, Siemens, Beckhoff и Mitsubishi Electric продължават да инвестират значително в технологии за синхронизирано движение, тъй като производителите все по-често се нуждаят от гъвкави производствени системи, способни на бързо преконфигуриране.

Производителите на машини, работещи с разпределени архитектури и високоскоростна автоматизация, често комбинират платформите за координирано движение с усъвършенствани PLC и PAC системи, за да поддържат мащабируеми приложения за управление на движението в множество производствени клетки.

Инженерна гледна точка

Координираното движение вече не се ограничава до големи роботизирани инсталации. Благодарение на по-бързите PLC процесори, интегрираните серво мрежи и опростените софтуерни инструменти технологията стана практична за стандартни проекти в индустриалната автоматизация.

За производителите на оригинално оборудване и системните интегратори истинското предимство не е просто синхронизираното движение. По-голямата полза идва от намаленото програмно натоварване и по-предвидимото поведение на машината при сложни многоосови операции.

С продължаващото развитие на производствените системи към модулна автоматизация координираното движение вероятно ще се превърне в стандартно очакване, а не в специализирана функция.

Автор: Daniel Mercer | Старши анализатор по управление на движението

Daniel Mercer има над 14 години опит в индустриалните системи за управление на движението, PLC интеграцията и инженерингa на серво приложения. Той е подпомагал проекти за автоматизация, включващи платформи на Rockwell Automation, Siemens, Beckhoff Automation и Mitsubishi Electric в отраслите на опаковането, роботиката и обработката на материали.