حرکت همگام برای سرووها و محورهای هماهنگ در PLCهای راک‌ول

کنترل حرکت چندمحوره فراتر از همگام‌سازی سنتی سروو می‌رود

امروزه سازندگان ماشین‌آلات بیش‌ازپیش انتظار دارند سیستم‌های سروو چیزی فراتر از موقعیت‌یابی مستقل محورها ارائه دهند. خطوط بسته‌بندی، سلول‌های رباتیک و سیستم‌های جابه‌جایی مواد اکنون به حرکت همگام چندمحوره با دقت بیشتر، مسیرهای نرم‌تر و برنامه‌نویسی ساده‌تر نیاز دارند.

توابع حرکت هماهنگ Rockwell Automation در Studio 5000 با امکان حرکت هم‌زمان حداکثر شش محور سروو در قالب یک سیستم هماهنگ، این نیاز را برآورده می‌کنند. برخلاف روش‌های سنتی دنده‌ای یا کم‌گذاری، حرکت هماهنگ بر موقعیت‌یابی فضایی و کنترل مسیر در چندین محور به‌صورت هم‌زمان تمرکز دارد.

این قابلیت در جابه‌جایی رباتیک، گنتری‌های پرسرعت و سیستم‌های تولید انعطاف‌پذیر اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است؛ حوزه‌هایی که کیفیت حرکت مستقیماً بر نرخ تولید و یکنواختی محصول اثر می‌گذارد.

شکل ۱. حرکت هماهنگ به سیستم‌های رباتیک امکان می‌دهد چندین مفصل سروو را با کنترل موقعیتی نرم، همگام کنند.

تفاوت حرکت هماهنگ با دنده‌ای و پروفایل‌های کم

روش‌های سنتی حرکت همگام، مانند دنده‌بندی الکترونیکی و پروفایل‌های کم، معمولاً رابطه بین محور اصلی و محور پیرو را میان یک یا دو محور مدیریت می‌کنند. حرکت هماهنگ این مفهوم را به کنترل کامل مسیر در چندین محور گسترش می‌دهد.

در یک سیستم هماهنگ، هر محور به‌سمت مقصد تعیین‌شده خود حرکت می‌کند و هم‌زمانی رسیدن را حفظ می‌کند. کنترلر به‌طور پیوسته تنظیمات سرعت و شتاب را محاسبه می‌کند تا همه محورها حرکت را با هم به پایان برسانند.

این معماری به طراحان ماشین‌آلات اجازه می‌دهد بدون نیاز به کنترلر ربات اختصاصی، حرکت‌هایی مشابه ربات ایجاد کنند.

مختصات مفصلی در برابر مختصات دکارتی

یکی از نخستین تصمیم‌های مهندسی، انتخاب مدل حرکت است. ربات‌های مفصلی معمولاً با استفاده از مختصات مفصلی کار می‌کنند؛ در این روش هر موتور به‌طور مستقل حول یک محور مشخص می‌چرخد.

بااین‌حال، بسیاری از سیستم‌های گنتری و دکارتی مستقیماً با مختصات X، Y و Z کار می‌کنند. این روش برنامه‌نویسی را ساده‌تر می‌کند، زیرا کنترلر به‌جای تبدیل بین مختصات ابزار و موقعیت مفصل‌ها، حرکت خطی را مستقیماً محاسبه می‌کند.

حرکت هماهنگ Studio 5000 از هر دو مفهوم پشتیبانی می‌کند، هرچند پیکربندی و عیب‌یابی سیستم‌های دکارتی هنگام راه‌اندازی آسان‌تر است.

ایجاد محیط حرکت هماهنگ

پیکربندی یک سیستم حرکت هماهنگ به آماده‌سازی بیشتری نسبت به کنترل سرووی تک‌محوره استاندارد نیاز دارد. مهندسان ابتدا باید یک گروه حرکتی تعریف کنند، محورهای سروو را اختصاص دهند و یک شیء سیستم هماهنگ در Studio 5000 ایجاد کنند.

ویزارد سیستم هماهنگ امکان پیکربندی هندسه محورها، آفست‌ها، واحدهای مهندسی و محدودیت‌های حرکت را فراهم می‌کند. این پارامترها نحوه تفسیر فرمان‌های موقعیتی توسط کنترلر را در سراسر شبکه سروو تعیین می‌کنند.

شکل ۲. پیکربندی گروه حرکتی، روابط محورها، هندسه و رفتار سیستم هماهنگ را تعریف می‌کند.

بسیاری از سازندگان تجهیزات اصلی، حرکت هماهنگ را با پلتفرم‌های پیشرفته سروو و معماری‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده ترکیب می‌کنند تا مقیاس‌پذیری ماشین افزایش یابد. سیستم‌های مبتنی بر کنترلرهای Allen-Bradley ControlLogix و درایوهای سروو مدرن، بیش‌ازپیش از حرکت هماهنگ برای ساده‌سازی کاربردهای رباتیک و گنتری استفاده می‌کنند.

دستورهای اصلی حرکت در Studio 5000

محیط حرکت هماهنگ Rockwell به چندین بلوک تابع اختصاصی متکی است که برای تولید مسیر چندمحوره طراحی شده‌اند.

حرکت خطی با MCLM

دستور حرکت خطی هماهنگ، یا MCLM، حرکت مستقیم بین موقعیت‌های دکارتی تعریف‌شده را فراهم می‌کند. مهندسان مختصات X، Y و Z را تعیین می‌کنند و کنترلر به‌طور خودکار سرعت محور‌ها را هماهنگ می‌سازد.

این دستور به‌ویژه در سیستم‌های گنتری عملکرد خوبی دارد؛ جایی که ابزار باید به‌نرمی بین موقعیت‌های برداشتن و قراردادن حرکت کند.

حرکت دایره‌ای و مبتنی بر مسیر

دستور حرکت دایره‌ای هماهنگ، از مسیرهای قوسی در فضای دوبعدی و سه‌بعدی پشتیبانی می‌کند. در همین حال، حرکت مسیر هماهنگ با پشتیبانی از مسیرهای ربات‌های مفصلی و پروفایل‌های پیشرفته حرکت، قابلیت‌ها را بیش‌ازپیش گسترش می‌دهد.

این توابع به سازندگان ماشین‌آلات امکان می‌دهند حرکت ابزار را نرم‌تر کنند و در عین حال تغییرات ناگهانی شتاب را که ممکن است به سیستم‌های مکانیکی آسیب برسانند، کاهش دهند.

شکل ۳. دستور MCLM چندین محور سروو را هنگام حرکت خطی هماهنگ، همگام می‌کند.

مهم‌ترین کاربردهای حرکت هماهنگ

یکی از مهم‌ترین کاربردهای حرکت هماهنگ همچنان گنتری سروو است. در این سیستم‌ها، سه محور عمود بر هم برای موقعیت‌دهی ابزار در محدوده‌های کاری بزرگ با یکدیگر همکاری می‌کنند.

گنتری‌ها برخلاف ربات‌های مفصلی، معمولاً مستقیماً در فضای دکارتی کار می‌کنند؛ بنابراین پیچیدگی تبدیل کاهش می‌یابد و تعمیر و نگهداری ساده‌تر می‌شود.

اپراتورها می‌توانند محورها را به‌صورت دستی به موقعیت مناسب حرکت دهند، نقاط مختصاتی را ذخیره کنند و در حین کارکرد خودکار دوباره از آن موقعیت‌ها استفاده کنند. نتیجه، حرکتی نرم و تکرارپذیر در سراسر محدوده کاری ماشین است.

شکل ۴. گنتری‌های سروو از حرکت هماهنگ بهره می‌برند، زیرا همه محورها هم‌زمان به موقعیت‌های هدف می‌رسند.

حرکت هماهنگ همچنین در رباتیک مشارکتی، مونتاژ خودکار، سیستم‌های پالت‌گذاری و تجهیزات جابه‌جایی مواد در صنعت نیمه‌رسانا نیز به‌طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

گرایش صنعتی به‌سوی حرکت تعریف‌شده با نرم‌افزار

صنعت گسترده اتوماسیون به‌تدریج از سیستم‌های حرکتی مستقل و سخت‌افزارمحور به‌سوی معماری‌های ماشین تعریف‌شده با نرم‌افزار حرکت می‌کند.

پلتفرم‌های مدرن PLC اکنون کنترل حرکت، نمایش بصری، شبکه‌سازی و ایمنی را در محیط‌های مهندسی یکپارچه ترکیب می‌کنند. این امر پیچیدگی یکپارچه‌سازی را کاهش می‌دهد و زمان راه‌اندازی را کوتاه‌تر می‌کند.

تأمین‌کنندگانی مانند Rockwell، Siemens، Beckhoff و Mitsubishi Electric همچنان سرمایه‌گذاری گسترده‌ای در فناوری حرکت همگام انجام می‌دهند، زیرا تولیدکنندگان بیش‌ازپیش به سیستم‌های تولید انعطاف‌پذیری نیاز دارند که بتوانند به‌سرعت پیکربندی مجدد شوند.

سازندگان ماشین‌آلاتی که با معماری‌های توزیع‌شده و اتوماسیون پرسرعت کار می‌کنند، اغلب پلتفرم‌های حرکت هماهنگ را با سیستم‌های PLC و PAC پیشرفته ترکیب می‌کنند تا از کاربردهای حرکتی مقیاس‌پذیر در چندین سلول تولیدی پشتیبانی کنند.

دیدگاه مهندسی

حرکت هماهنگ دیگر به نصب‌های رباتیک بزرگ محدود نیست. این فناوری به‌لطف پردازنده‌های سریع‌تر PLC، شبکه‌های سرووی یکپارچه و ابزارهای نرم‌افزاری ساده‌تر، برای پروژه‌های رایج اتوماسیون صنعتی نیز کاربردی شده است.

برای سازندگان تجهیزات اصلی و یکپارچه‌سازان سیستم، مزیت واقعی فقط حرکت همگام نیست. مزیت بزرگ‌تر، کاهش حجم برنامه‌نویسی و رفتار قابل‌پیش‌بینی‌تر ماشین هنگام اجرای عملیات پیچیده چندمحوره است.

با ادامه تحول سیستم‌های تولید به‌سوی اتوماسیون ماژولار، حرکت هماهنگ احتمالاً به‌جای یک قابلیت تخصصی، به یک انتظار استاندارد تبدیل خواهد شد.

نویسنده: Daniel Mercer | تحلیلگر ارشد کنترل حرکت

Daniel Mercer بیش از ۱۴ سال تجربه در زمینه سیستم‌های حرکت صنعتی، یکپارچه‌سازی PLC و مهندسی کاربردهای سروو دارد. او از پروژه‌های اتوماسیون مبتنی بر پلتفرم‌های Rockwell Automation، Siemens، Beckhoff Automation و Mitsubishi Electric در صنایع بسته‌بندی، رباتیک و جابه‌جایی مواد پشتیبانی کرده است.