Synchronisierte Bewegung für Servos und koordinierte Achsen in Rockwell-SPSen

Mehrachsige Bewegungssteuerung geht über die traditionelle Servo-Synchronisierung hinaus

Moderne Maschinenbauer erwarten zunehmend, dass Servosysteme mehr leisten als die Positionierung einzelner Achsen. Verpackungslinien, Roboterzellen und Materialtransportsysteme erfordern heute synchronisierte mehrachsige Bewegungen mit höherer Präzision, gleichmäßigeren Bewegungsbahnen und vereinfachter Programmierung.

Die koordinierten Bewegungsfunktionen von Rockwell Automation in Studio 5000 erfüllen diese Anforderungen, indem sie ermöglichen, bis zu sechs Servoachsen innerhalb eines einzigen koordinierten Systems gemeinsam zu bewegen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Getriebe- oder Kurvenscheibenverfahren konzentriert sich die koordinierte Bewegung auf die räumliche Positionierung und Bewegungsbahnsteuerung mehrerer Achsen gleichzeitig.

Diese Fähigkeit wird besonders bei der Roboterhandhabung, bei Hochgeschwindigkeitsportalen und in flexiblen Fertigungssystemen zunehmend wertvoll, da die Bewegungsqualität direkten Einfluss auf Durchsatz und Produktkonsistenz hat.

Abbildung 1. Die koordinierte Bewegung ermöglicht es Robotersystemen, mehrere Servogelenke mit gleichmäßiger Positionssteuerung zu synchronisieren.

Warum sich die koordinierte Bewegung von Getriebe- und Kurvenprofilen unterscheidet

Herkömmliche Verfahren zur Bewegungssynchronisierung wie elektronische Getriebe und Kurvenprofile verwalten typischerweise Master-Follower-Beziehungen zwischen einer oder zwei Achsen. Die koordinierte Bewegung erweitert dieses Konzept auf eine vollständige Mehrachs-Bahnsteuerung.

In einem koordinierten System bewegt sich jede Achse auf ihr zugewiesenes Ziel zu, während die Synchronität der Ankunftszeit erhalten bleibt. Der Controller berechnet kontinuierlich Anpassungen von Geschwindigkeit und Beschleunigung, sodass alle Achsen die Bewegung gemeinsam abschließen.

Diese Architektur ermöglicht Maschinenentwicklern, Bewegungen nach Roboterart zu erzeugen, ohne einen dedizierten Robotercontroller zu benötigen.

Gelenkkoordinaten im Vergleich zu kartesischen Koordinaten

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

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

Die koordinierte Bewegung in Studio 5000 unterstützt beide Konzepte, wobei kartesische Systeme während der Inbetriebnahme weiterhin einfacher zu konfigurieren und zu diagnostizieren sind.

Aufbau der Umgebung für koordinierte Bewegungen

Die Konfiguration eines koordinierten Bewegungssystems erfordert mehr Vorbereitung als die standardmäßige Servosteuerung einer einzelnen Achse. Ingenieure müssen zunächst eine Bewegungsgruppe definieren, Servoachsen zuweisen und innerhalb von Studio 5000 ein Objekt für das koordinierte System erstellen.

Der Assistent für koordinierte Systeme ermöglicht die Konfiguration von Achsengeometrie, Offsets, 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 Bewegungen mit fortschrittlichen Servo-Plattformen und dezentralen I/O-Architekturen, um die Skalierbarkeit von Maschinen zu verbessern. Systeme auf Basis von Allen-Bradley-ControlLogix-Controllern und modernen Servoantrieben nutzen koordinierte Bewegungen zunehmend, um Roboter- und Portal-Anwendungen zu vereinfachen.

Zentrale Bewegungsanweisungen in Studio 5000

Die Umgebung für koordinierte Bewegungen von Rockwell basiert auf mehreren speziellen Funktionsblöcken zur Erzeugung mehrachsiger Bewegungsbahnen.

Lineare Bewegung mit MCLM

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

Diese Anweisung eignet sich besonders gut für Portalsysteme, bei denen sich Werkzeuge gleichmäßig zwischen Aufnahme- und Ablagepositionen bewegen müssen.

Kreis- und bahnbasierte Bewegungen

Die Anweisung Motion Coordinated Circular Move unterstützt bogenförmige Bewegungsbahnen im zwei- und dreidimensionalen Raum. Motion Coordinated Path Move erweitert die Möglichkeiten noch weiter, indem sie Roboterbahnen mit Gelenken und fortschrittliche Bewegungsprofile unterstützt.

Mit diesen Funktionen können Maschinenbauer gleichmäßigere Werkzeugbewegungen erzeugen und gleichzeitig abrupte Beschleunigungsänderungen reduzieren, die mechanische Systeme beschädigen können.

Abbildung 3. Die MCLM-Anweisung synchronisiert mehrere Servoachsen während einer koordinierten linearen Bewegung.

Wo koordinierte Bewegungen den größten Nutzen bieten

Eine der wichtigsten Anwendungen für koordinierte Bewegungen bleibt das Servoportal. In diesen Systemen arbeiten drei senkrecht zueinander angeordnete Achsen zusammen, um Werkzeuge innerhalb großer Arbeitsbereiche zu positionieren.

Im Gegensatz zu Gelenkrobotern arbeiten Portale gewöhnlich direkt im kartesischen Raum, wodurch die Komplexität von Koordinatentransformationen reduziert und die Wartung vereinfacht wird.

Bediener können Achsen manuell in Position fahren, Koordinatenpunkte speichern und diese Positionen während des Automatikbetriebs wiederverwenden. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige und reproduzierbare Bewegung über den gesamten Arbeitsbereich der Maschine.

Abbildung 4. Servoportale profitieren von koordinierten Bewegungen, da alle Achsen gleichzeitig ihre Zielpositionen erreichen.

Koordinierte Bewegungen finden außerdem zunehmend Anwendung in der kollaborativen Robotik, der automatisierten Montage, Palettieranlagen und Anlagen zur Materialhandhabung in der Halbleiterindustrie.

Der industrielle Wandel hin zu softwaredefinierten Bewegungen

Die gesamte Automatisierungsbranche bewegt sich stetig weg von isolierten, hardwarezentrierten Bewegungssystemen und hin zu softwaredefinierten Maschinenarchitekturen.

Moderne SPS-Plattformen vereinen heute Bewegungssteuerung, Visualisierung, Vernetzung und Sicherheit in einheitlichen Engineering-Umgebungen. Dadurch werden die Integrationskomplexität reduziert und die Inbetriebnahmezeiten verkürzt.

Anbieter wie Rockwell, Siemens, Beckhoff und Mitsubishi Electric investieren weiterhin intensiv in die Technologie für synchronisierte Bewegungen, da Hersteller zunehmend flexible Produktionssysteme benötigen, die sich schnell umkonfigurieren lassen.

Maschinenbauer, die mit dezentralen Architekturen und Hochgeschwindigkeitsautomatisierung arbeiten, kombinieren Plattformen für koordinierte Bewegungen häufig mit fortschrittlichen SPS- und PAC-Systemen, um skalierbare Bewegungsanwendungen über mehrere Produktionszellen hinweg zu unterstützen.

Aus Sicht der Entwicklung

Koordinierte Bewegungen sind nicht mehr auf große Roboterinstallationen beschränkt. Dank schnellerer SPS-Prozessoren, integrierter Servonetzwerke und vereinfachter Softwarewerkzeuge ist die Technologie für gängige industrielle Automatisierungsprojekte praktikabel geworden.

Für OEMs und Systemintegratoren liegt der tatsächliche Vorteil nicht allein in der synchronisierten Bewegung. Der größere Nutzen besteht in einem geringeren Programmieraufwand und einem besser vorhersehbaren Maschinenverhalten bei komplexen mehrachsigen Abläufen.

Da sich Fertigungssysteme weiterhin in Richtung modularer Automatisierung entwickeln, wird die koordinierte Bewegung wahrscheinlich zu einer Standardanforderung und nicht zu einer speziellen Funktion werden.

Autor: Daniel Mercer | Senior-Analyst für Bewegungssteuerung

Daniel Mercer verfügt über mehr als 14 Jahre Erfahrung mit industriellen Bewegungssystemen, SPS-Integration und der Entwicklung von Servo-Anwendungen. Er hat Automatisierungsprojekte mit Plattformen von Rockwell Automation, Siemens, Beckhoff Automation und Mitsubishi Electric in den Branchen Verpackung, Robotik und Materialtransport unterstützt.