Synchronisierte Bewegung für Servos und koordinierte Achsen in Rockwell-SPSen

Multi-Achsen-Bewegungssteuerung geht über traditionelle Servosynchronisation hinaus

Moderne Maschinenbauer erwarten zunehmend, dass Servosysteme mehr als nur die Positionierung einzelner Achsen bieten. Verpackungslinien, Roboterzellen und Materialflusssysteme verlangen heute synchronisierte Mehrachsenbewegungen mit höherer Präzision, sanfteren Trajektorien und vereinfachter Programmierung.

Die koordinierte Bewegungsfunktion von Rockwell Automation in Studio 5000 erfüllt diese Anforderungen, indem sie bis zu sechs Servoachsen innerhalb eines einzigen koordinierten Systems gemeinsam bewegen lässt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verzahnungs- oder Nockenverfahren konzentriert sich die koordinierte Bewegung auf die räumliche Positionierung und Trajektoriensteuerung über mehrere Achsen gleichzeitig.

Diese Fähigkeit wird besonders wertvoll in der Roboterhandhabung, bei Hochgeschwindigkeits-Portalen und flexiblen Fertigungssystemen, bei denen die Bewegungsqualität direkt den Durchsatz und die Produktkonsistenz beeinflusst.

Abbildung 1. Koordinierte Bewegung ermöglicht es Robotersystemen, mehrere Servogelenke mit sanfter Positionskontrolle zu synchronisieren.

Warum koordinierte Bewegung sich von Verzahnungen und Nockenprofilen unterscheidet

Traditionelle synchronisierte Bewegungsmethoden wie elektronische Verzahnungen und Nockenprofile steuern typischerweise Master-Follower-Beziehungen zwischen ein oder zwei Achsen. Koordinierte Bewegung erweitert dieses Konzept auf eine vollständige Mehrachsen-Pfadsteuerung.

In einem koordinierten System bewegt sich jede Achse auf ihr zugewiesenes Ziel zu, während die synchronisierte Ankunftszeit beibehalten wird. Der Controller berechnet kontinuierlich Geschwindigkeits- und Beschleunigungsanpassungen, sodass alle Achsen die Bewegung gemeinsam abschließen.

Diese Architektur ermöglicht Maschinenbauern, Roboter-ähnliche Bewegungen zu erzeugen, ohne einen dedizierten Robotercontroller zu benötigen.

Gelenkkoordinaten versus kartesische Koordinaten

Eine der ersten technischen Entscheidungen betrifft die Auswahl des Bewegungsmodells. Gelenkroboter arbeiten normalerweise mit Gelenkkoordinaten, bei denen jeder Motor unabhängig um eine definierte Achse rotiert.

Viele Portal- und kartesische Systeme arbeiten jedoch direkt in X-, Y- und Z-Koordinaten. Dies vereinfacht die Programmierung, da der Controller die lineare Bewegung direkt berechnet, anstatt zwischen Werkzeugkoordinaten und Gelenkpositionen umzuwandeln.

Studio 5000 unterstützt beide Konzepte der koordinierten Bewegung, wobei kartesische Systeme während der Inbetriebnahme einfacher zu konfigurieren und zu warten sind.

Aufbau der koordinierten Bewegungsumgebung

Die Konfiguration eines koordinierten Bewegungssystems erfordert mehr Vorbereitung als die Standard-Servosteuerung einzelner Achsen. Ingenieure müssen zunächst eine Bewegungsgruppe definieren, Servoachsen zuweisen und ein koordiniertes Systemobjekt in Studio 5000 erstellen.

Der Assistent für koordinierte Systeme ermöglicht die Konfiguration von Achsgeometrie, Versätzen, technischen Einheiten und Bewegungsgrenzen. Diese Parameter legen fest, wie der Controller Positionsbefehle im Servonetzwerk interpretiert.

Abbildung 2. Die Konfiguration der Bewegungsgruppe definiert Achsbeziehungen, Geometrie und das Verhalten des koordinierten Systems.

Viele OEMs kombinieren koordinierte Bewegung mit fortschrittlichen Servoplattformen und verteilten I/O-Architekturen, um die Skalierbarkeit der Maschine zu verbessern. Systeme, die auf Allen-Bradley ControlLogix-Controllern und modernen Servoantrieben basieren, nutzen zunehmend koordinierte Bewegung, um Roboter- und Portalapplikationen zu vereinfachen.

Kernbewegungsbefehle in Studio 5000

Die koordinierte Bewegungsumgebung von Rockwell basiert auf mehreren dedizierten Funktionsblöcken, die für die Trajektorienerzeugung über mehrere Achsen ausgelegt sind.

Lineare Bewegung mit MCLM

Der Befehl Motion Coordinated Linear Move (MCLM) ermöglicht eine geradlinige Bewegung zwischen definierten kartesischen Positionen. Ingenieure geben X-, Y- und Z-Koordinaten vor, während der Controller automatisch die Achsgeschwindigkeiten synchronisiert.

Dieser Befehl eignet sich besonders gut für Portalsysteme, bei denen Werkzeuge sanft zwischen Pick-and-Place-Positionen bewegt werden müssen.

Kreis- und pfadbasierte Bewegung

Der Befehl Motion Coordinated Circular Move unterstützt bogenförmige Trajektorien sowohl im 2D- als auch im 3D-Raum. Der Befehl Motion Coordinated Path Move erweitert die Möglichkeiten weiter, indem er Pfade für Gelenkroboter und fortgeschrittene Bewegungsprofile unterstützt.

Diese Funktionen ermöglichen Maschinenbauern, Werkzeugbewegungen zu glätten und abrupte Beschleunigungsänderungen zu reduzieren, die mechanische Systeme beschädigen können.

Abbildung 3. Der MCLM-Befehl synchronisiert mehrere Servoachsen während der koordinierten linearen Bewegung.

Wo koordinierte Bewegung den größten Nutzen bringt

Eine der stärksten Anwendungen für koordinierte Bewegung bleibt das Servo-Portal. In diesen Systemen arbeiten drei senkrecht zueinander stehende Achsen zusammen, um Werkzeuge über große Arbeitsbereiche zu positionieren.

Im Gegensatz zu Gelenkrobotern arbeiten Portale meist direkt im kartesischen Raum, was die Transformationskomplexität reduziert und die Wartung vereinfacht.

Bediener können Achsen manuell in Position fahren, Koordinatenpunkte speichern und diese Positionen während des automatischen Betriebs wiederverwenden. Das Ergebnis ist eine sanfte und reproduzierbare Bewegung über den gesamten Maschinenarbeitsbereich.

Abbildung 4. Servo-Portale profitieren von koordinierter Bewegung, da alle Achsen gleichzeitig die Zielpositionen erreichen.

Koordinierte Bewegung breitet sich auch zunehmend in kollaborativer Robotik, automatischer Montage, Palettierungssystemen und Halbleitermaterialhandhabung aus.

Der industrielle Wandel hin zu softwaredefinierter Bewegung

Die Automatisierungsbranche bewegt sich zunehmend von isolierten, hardwarezentrierten Bewegungssystemen hin zu softwaredefinierten Maschinenarchitekturen.

Moderne SPS-Plattformen kombinieren Bewegungssteuerung, Visualisierung, Vernetzung und Sicherheit in einheitlichen Engineering-Umgebungen. Dies reduziert die Integrationskomplexität und verkürzt die Inbetriebnahmezeit.

Hersteller wie Rockwell, Siemens, Beckhoff und Mitsubishi Electric investieren weiterhin stark in synchronisierte Bewegungstechnologie, da Hersteller zunehmend flexible Produktionssysteme mit schneller Umrüstbarkeit benötigen.

Maschinenbauer, die mit verteilten Architekturen und Hochgeschwindigkeitsautomatisierung arbeiten, kombinieren koordinierte Bewegungsplattformen oft mit fortschrittlichen SPS- und PAC-Systemen, um skalierbare Bewegungsanwendungen über mehrere Produktionszellen hinweg zu unterstützen.

Ingenieursperspektive

Koordinierte Bewegung ist nicht mehr auf große Roboteranlagen beschränkt. Die Technologie ist dank schnellerer SPS-Prozessoren, integrierter Servonetzwerke und vereinfachter Softwaretools für den Mainstream der industriellen Automatisierung praktikabel geworden.

Für OEMs und Systemintegratoren liegt der eigentliche Vorteil nicht nur in der synchronisierten Bewegung. Der größere Nutzen ergibt sich aus reduziertem Programmieraufwand und vorhersehbarerem Maschinenverhalten bei komplexen Mehrachsenoperationen.

Da sich Fertigungssysteme weiter in Richtung modularer Automatisierung entwickeln, wird koordinierte Bewegung wahrscheinlich eher zur Standarderwartung als zu einer spezialisierten Funktion.

Autor: Daniel Mercer | Senior Motion Control Analyst

Daniel Mercer verfügt über mehr als 14 Jahre Erfahrung in industriellen Bewegungssystemen, SPS-Integration und Servoapplikationsentwicklung. Er hat Automatisierungsprojekte mit Rockwell Automation, Siemens, Beckhoff Automation und Mitsubishi Electric in den Bereichen Verpackung, Robotik und Materialhandling unterstützt.