Il controllo del movimento multiasse supera la tradizionale sincronizzazione dei servomotori

I moderni costruttori di macchine si aspettano sempre più che i sistemi servo offrano più del semplice posizionamento di assi indipendenti. Le linee di confezionamento, le celle robotizzate e i sistemi di movimentazione dei materiali richiedono oggi movimenti sincronizzati su più assi, con maggiore precisione, traiettorie più fluide e una programmazione semplificata.

Le funzioni di movimento coordinato di Rockwell Automation, disponibili in Studio 5000, rispondono a questa esigenza consentendo a un massimo di sei assi servo di muoversi insieme all’interno di un unico sistema coordinato. A differenza delle tradizionali tecniche di ingranamento elettronico o di profilazione a camma, il movimento coordinato si concentra sul posizionamento spaziale e sul controllo della traiettoria di più assi contemporaneamente.

Questa funzionalità sta diventando particolarmente preziosa nella movimentazione robotizzata, nei gantry ad alta velocità e nei sistemi di produzione flessibili, dove la qualità del movimento influisce direttamente sulla produttività e sulla costanza del prodotto.

Figura 1. Il movimento coordinato consente ai sistemi robotizzati di sincronizzare più giunti servo con un controllo fluido della posizione.

Perché il movimento coordinato è diverso dall’ingranamento elettronico e dai profili a camma

I metodi tradizionali di sincronizzazione del movimento, come l’ingranamento elettronico e i profili a camma, gestiscono generalmente le relazioni master-seguace tra uno o due assi. Il movimento coordinato amplia questo concetto fino a ottenere un controllo completo del percorso su più assi.

In un sistema coordinato, ogni asse si muove verso la destinazione assegnata mantenendo sincronizzati i tempi di arrivo. Il controllore calcola continuamente le regolazioni della velocità e dell’accelerazione affinché tutti gli assi completino il movimento contemporaneamente.

Questa architettura consente ai progettisti di macchine di creare movimenti di tipo robotizzato senza dover ricorrere a un controllore robot dedicato.

Coordinate dei giunti e coordinate cartesiane

Una delle prime decisioni progettuali riguarda la selezione del modello di movimento. I robot articolati normalmente operano utilizzando coordinate dei giunti, in cui ogni motore ruota in modo indipendente attorno a un asse definito.

Molti sistemi a gantry e cartesiani, invece, operano direttamente nelle coordinate X, Y e Z. Questo semplifica la programmazione perché il controllore calcola direttamente il movimento lineare, invece di convertire tra le coordinate dell’utensile e le posizioni dei giunti.

Il movimento coordinato di Studio 5000 supporta entrambi i concetti, anche se i sistemi cartesiani rimangono più semplici da configurare e da diagnosticare durante la messa in servizio.

Creazione dell’ambiente per il movimento coordinato

La configurazione di un sistema di movimento coordinato richiede una preparazione maggiore rispetto al controllo servo standard a singolo asse. Gli ingegneri devono innanzitutto definire un gruppo di movimento, assegnare gli assi servo e creare un oggetto di sistema coordinato all’interno di Studio 5000.

La procedura guidata per il sistema coordinato consente di configurare la geometria degli assi, gli offset, le unità di misura e i limiti di movimento. Questi parametri stabiliscono il modo in cui il controllore interpreta i comandi di posizione attraverso la rete servo.

Figura 2. La configurazione del gruppo di movimento definisce le relazioni tra gli assi, la geometria e il comportamento del sistema coordinato.

Molti OEM combinano il movimento coordinato con piattaforme servo avanzate e architetture di I/O distribuite per migliorare la scalabilità delle macchine. I sistemi basati sui controllori Allen-Bradley ControlLogix e sui moderni azionamenti servo utilizzano sempre più il movimento coordinato per semplificare le applicazioni robotizzate e a gantry.

Istruzioni di movimento principali in Studio 5000

L’ambiente di movimento coordinato di Rockwell si basa su diversi blocchi funzione dedicati, progettati per la generazione di traiettorie su più assi.

Movimento lineare con MCLM

L’istruzione Motion Coordinated Linear Move, o MCLM, consente un movimento rettilineo tra posizioni cartesiane definite. Gli ingegneri specificano le coordinate X, Y e Z, mentre il controllore sincronizza automaticamente le velocità degli assi.

Questa istruzione è particolarmente adatta ai sistemi a gantry, nei quali l’utensile deve spostarsi fluidamente tra le posizioni di prelievo e deposito.

Movimento circolare e basato sul percorso

L’istruzione Motion Coordinated Circular Move supporta traiettorie ad arco sia nello spazio 2D sia in quello 3D. La Motion Coordinated Path Move amplia ulteriormente le funzionalità supportando i percorsi dei robot articolati e profili di movimento avanzati.

Queste funzioni consentono ai costruttori di macchine di creare movimenti dell’utensile più fluidi, riducendo al contempo le variazioni brusche dell’accelerazione che possono danneggiare i sistemi meccanici.

Figura 3. L’istruzione MCLM sincronizza più assi servo durante il movimento lineare coordinato.

Dove il movimento coordinato offre il massimo valore

Una delle applicazioni più importanti del movimento coordinato rimane il gantry servo. In questi sistemi, tre assi perpendicolari lavorano insieme per posizionare l’utensile all’interno di ampi campi di lavoro.

A differenza dei robot articolati, i gantry operano generalmente direttamente nello spazio cartesiano, riducendo la complessità delle trasformazioni e semplificando la manutenzione.

Gli operatori possono spostare manualmente gli assi nella posizione desiderata, memorizzare i punti di coordinate e riutilizzarli durante il funzionamento automatico. Il risultato è un movimento fluido e ripetibile all’interno dell’intero campo di lavoro della macchina.

Figura 4. I gantry servo traggono vantaggio dal movimento coordinato perché tutti gli assi raggiungono contemporaneamente le posizioni obiettivo.

Il movimento coordinato continua inoltre a diffondersi nella robotica collaborativa, nell’assemblaggio automatizzato, nei sistemi di pallettizzazione e nelle apparecchiature per la movimentazione dei materiali nell’industria dei semiconduttori.

Il passaggio industriale verso un movimento definito dal software

Il settore dell’automazione sta progressivamente abbandonando i sistemi di movimento isolati e incentrati sull’hardware, orientandosi verso architetture di macchina definite dal software.

Le moderne piattaforme PLC combinano oggi controllo del movimento, visualizzazione, networking e sicurezza in ambienti di progettazione unificati. Questo riduce la complessità dell’integrazione e abbrevia i tempi di messa in servizio.

Fornitori come Rockwell, Siemens, Beckhoff e Mitsubishi Electric continuano a investire considerevolmente nella tecnologia del movimento sincronizzato, poiché i produttori richiedono sempre più sistemi di produzione flessibili e rapidamente riconfigurabili.

I costruttori di macchine che lavorano con architetture distribuite e automazione ad alta velocità spesso abbinano le piattaforme di movimento coordinato a sistemi PLC e PAC avanzati, per supportare applicazioni di movimento scalabili in più celle produttive.

Prospettiva ingegneristica

Il movimento coordinato non è più limitato alle grandi installazioni robotizzate. Grazie a processori PLC più veloci, reti servo integrate e strumenti software semplificati, questa tecnologia è diventata pratica per i comuni progetti di automazione industriale.

Per gli OEM e gli integratori di sistemi, il vero vantaggio non consiste semplicemente nel movimento sincronizzato. Il beneficio principale deriva dalla riduzione dell’impegno di programmazione e da un comportamento più prevedibile della macchina durante le operazioni complesse su più assi.

Man mano che i sistemi di produzione continuano a evolversi verso un’automazione modulare, è probabile che il movimento coordinato diventi un requisito standard anziché una funzionalità specialistica.

Autore: Daniel Mercer | Analista senior del controllo del movimento

Daniel Mercer vanta oltre 14 anni di esperienza nei sistemi di movimento industriale, nell’integrazione PLC e nella progettazione di applicazioni servo. Ha supportato progetti di automazione che coinvolgevano piattaforme Rockwell Automation, Siemens, Beckhoff Automation e Mitsubishi Electric nei settori del confezionamento, della robotica e della movimentazione dei materiali.