Synchronizovaný pohyb serv a koordinovaných os v PLC Rockwell

Víceosé řízení pohybu překonává tradiční synchronizaci servopohonů

Moderní výrobci strojů stále častěji očekávají, že servosystémy zajistí více než izolované polohování jednotlivých os. Balicí linky, robotická pracoviště a systémy pro manipulaci s materiálem nyní vyžadují synchronizovaný víceosý pohyb s vyšší přesností, plynulejšími trajektoriemi a jednodušším programováním.

Koordinované pohybové funkce platformy Rockwell Automation v prostředí Studio 5000 tento požadavek řeší tím, že umožňují společný pohyb až šesti servopohonů v rámci jediného koordinovaného systému. Na rozdíl od tradičních metod elektronického převodu nebo vačkových profilů se koordinovaný pohyb zaměřuje na prostorové polohování a řízení trajektorie napříč více osami současně.

Tato schopnost je stále cennější zejména v oblasti robotické manipulace, vysokorychlostních portálových systémů a flexibilních výrobních systémů, kde kvalita pohybu přímo ovlivňuje průchodnost i konzistentní kvalitu výrobků.

Obrázek 1. Koordinovaný pohyb umožňuje robotickým systémům synchronizovat více servokloubů s plynulým polohováním.

Proč se koordinovaný pohyb liší od elektronického převodu a vačkových profilů

Tradiční metody synchronizovaného pohybu, jako jsou elektronický převod a vačkové profily, obvykle řídí vztah mezi řídicí a následnou osou u jedné nebo dvou os. Koordinovaný pohyb tento koncept rozšiřuje na úplné řízení dráhy více os.

V koordinovaném systému se každá osa pohybuje ke svému přiřazenému cíli a současně zachovává synchronizované načasování dojezdu. Řídicí systém průběžně vypočítává úpravy rychlosti a zrychlení tak, aby všechny osy dokončily pohyb současně.

Tato architektura umožňuje konstruktérům strojů vytvářet pohyby podobné robotickým bez nutnosti použití specializovaného řídicího systému robota.

Souřadnice kloubů versus kartézské souřadnice

Jedno z prvních konstrukčních rozhodnutí se týká volby modelu pohybu. Kloubové roboty běžně pracují v souřadnicích kloubů, kde se každý motor otáčí nezávisle kolem definované osy.

Mnoho portálových a kartézských systémů však pracuje přímo v souřadnicích X, Y a Z. To zjednodušuje programování, protože řídicí systém vypočítává lineární pohyb přímo, místo aby převáděl mezi souřadnicemi nástroje a polohami kloubů.

Koordinovaný pohyb v prostředí Studio 5000 podporuje oba koncepty, přičemž kartézské systémy se během uvádění do provozu stále snadněji konfigurují a diagnostikují.

Vytvoření prostředí pro koordinovaný pohyb

Konfigurace systému koordinovaného pohybu vyžaduje více přípravy než standardní řízení servopohonu s jedinou osou. Inženýři musí nejprve definovat skupinu pohybu, přiřadit servopohony a v prostředí Studio 5000 vytvořit objekt koordinovaného systému.

Průvodce koordinovaným systémem umožňuje nakonfigurovat geometrii os, posuny, technické jednotky a limity pohybu. Tyto parametry určují, jak bude řídicí systém interpretovat polohové příkazy v celé síti servopohonů.

Obrázek 2. Konfigurace skupiny pohybu definuje vztahy mezi osami, geometrii a chování koordinovaného systému.

Mnoho výrobců originálního vybavení kombinuje koordinovaný pohyb s pokročilými platformami servopohonů a distribuovanými architekturami I/O, aby zvýšili škálovatelnost strojů. Systémy založené na řídicích systémech Allen-Bradley ControlLogix a moderních servopohonech stále častěji využívají koordinovaný pohyb ke zjednodušení robotických a portálových aplikací.

Základní pohybové instrukce v prostředí Studio 5000

Prostředí koordinovaného pohybu Rockwell využívá několik specializovaných funkčních bloků určených pro generování trajektorií více os.

Lineární pohyb pomocí MCLM

Instrukce Motion Coordinated Linear Move neboli MCLM zajišťuje přímočarý pohyb mezi definovanými kartézskými polohami. Inženýři zadávají souřadnice X, Y a Z, zatímco řídicí systém automaticky synchronizuje rychlosti os.

Tato instrukce se zvláště dobře uplatňuje v portálových systémech, kde se nástroj musí plynule pohybovat mezi místy odběru a uložení.

Kruhový pohyb a pohyb po dráze

Instrukce Motion Coordinated Circular Move podporuje trajektorie založené na obloucích ve 2D i 3D prostoru. Motion Coordinated Path Move mezitím rozšiřuje možnosti o podporu drah kloubových robotů a pokročilých pohybových profilů.

Tyto funkce umožňují výrobcům strojů vytvářet plynulejší pohyby nástrojů a současně omezovat náhlé změny zrychlení, které mohou poškodit mechanické systémy.

Obrázek 3. Instrukce MCLM synchronizuje více servopohonů během koordinovaného lineárního pohybu.

Kde koordinovaný pohyb přináší největší hodnotu

Jednou z nejvýznamnějších aplikací koordinovaného pohybu zůstává servopoháněný portálový systém. V těchto systémech spolupracují tři kolmé osy a polohují nástroj nad rozsáhlým pracovním prostorem.

Na rozdíl od kloubových robotů portálové systémy obvykle pracují přímo v kartézském prostoru, což snižuje složitost transformací a zjednodušuje údržbu.

Obsluha může osy ručně najíždět do polohy, ukládat souřadnicové body a znovu tyto polohy využívat během automatického provozu. Výsledkem je plynulý a opakovatelný pohyb v celém pracovním prostoru stroje.

Obrázek 4. Portálové systémy se servopohony těží z koordinovaného pohybu, protože všechny osy dosahují cílových poloh současně.

Koordinovaný pohyb se dále rozšiřuje také do oblasti kolaborativní robotiky, automatizované montáže, paletizačních systémů a zařízení pro manipulaci s materiálem v polovodičovém průmyslu.

Průmyslový posun k pohybu definovanému softwarem

Širší odvětví automatizace se postupně odklání od izolovaných pohybových systémů zaměřených na hardware a přechází k softwarově definovaným architekturám strojů.

Moderní platformy PLC nyní kombinují řízení pohybu, vizualizaci, komunikaci a bezpečnost do jednotných inženýrských prostředí. To snižuje složitost integrace a zkracuje dobu uvádění do provozu.

Dodavatelé včetně společností Rockwell, Siemens, Beckhoff a Mitsubishi Electric pokračují ve významných investicích do technologií synchronizovaného pohybu, protože výrobci stále více vyžadují flexibilní výrobní systémy schopné rychlé rekonfigurace.

Výrobci strojů pracující s distribuovanými architekturami a vysokorychlostní automatizací často kombinují platformy koordinovaného pohybu s pokročilými systémy PLC a PAC, aby podporovali škálovatelné pohybové aplikace napříč více výrobními pracovišti.

Pohled z hlediska konstrukce

Koordinovaný pohyb již není omezen na rozsáhlé robotické instalace. Díky rychlejším procesorům PLC, integrovaným sítím servopohonů a zjednodušeným softwarovým nástrojům se tato technologie stala praktickou pro běžné projekty průmyslové automatizace.

Pro výrobce originálního vybavení a systémové integrátory nepředstavuje hlavní výhodu pouze synchronizovaný pohyb. Větší přínos spočívá ve snížení nároků na programování a předvídatelnějším chování stroje během složitých víceosých operací.

Vzhledem k tomu, že se výrobní systémy nadále vyvíjejí směrem k modulární automatizaci, stane se koordinovaný pohyb pravděpodobně standardním očekáváním, nikoli specializovanou funkcí.

Autor: Daniel Mercer | hlavní analytik řízení pohybu

Daniel Mercer má více než 14 let zkušeností s průmyslovými pohybovými systémy, integrací PLC a konstrukcí servopohonových aplikací. Podílel se na automatizačních projektech využívajících platformy Rockwell Automation, Siemens, Beckhoff Automation a Mitsubishi Electric v odvětvích balení, robotiky a manipulace s materiálem.