Synchronizacja ruchu serwomechanizmów i skoordynowanych osi w sterownikach PLC Rockwella

Sterowanie ruchem wieloosiowym wykracza poza tradycyjną synchronizację serwonapędów

Współcześni konstruktorzy maszyn coraz częściej oczekują od systemów serwo czegoś więcej niż niezależnego pozycjonowania osi. Linie pakujące, zrobotyzowane gniazda oraz systemy transportu materiałów wymagają obecnie zsynchronizowanego ruchu wieloosiowego o większej precyzji, płynniejszych trajektoriach i uproszczonym programowaniu.

Funkcje skoordynowanego ruchu firmy Rockwell Automation dostępne w środowisku Studio 5000 odpowiadają na te potrzeby, umożliwiając wspólny ruch nawet sześciu osi serwo w ramach jednego skoordynowanego systemu. W przeciwieństwie do tradycyjnych technik przekładni elektronicznej lub krzywek, ruch skoordynowany koncentruje się na pozycjonowaniu przestrzennym i jednoczesnym sterowaniu trajektorią wielu osi.

Możliwość ta staje się szczególnie cenna w zrobotyzowanym transporcie, szybkich suwnicach bramowych oraz elastycznych systemach produkcyjnych, w których jakość ruchu bezpośrednio wpływa na wydajność i powtarzalność produktu.

Rysunek 1. Skoordynowany ruch umożliwia systemom zrobotyzowanym synchronizację wielu przegubów serwo przy płynnym sterowaniu pozycją.

Czym ruch skoordynowany różni się od przekładni elektronicznej i profili krzywkowych

Tradycyjne metody synchronizacji ruchu, takie jak przekładnia elektroniczna i profile krzywkowe, zazwyczaj zarządzają relacjami nadrzędna–podążająca między jedną lub dwiema osiami. Ruch skoordynowany rozszerza tę koncepcję na pełne sterowanie ścieżką wieloosiową.

W systemie skoordynowanym każda oś porusza się do przypisanego celu, zachowując jednocześnie zsynchronizowany czas dotarcia. Sterownik nieustannie oblicza korekty prędkości i przyspieszenia, aby wszystkie osie zakończyły ruch równocześnie.

Taka architektura pozwala projektantom maszyn tworzyć ruch przypominający pracę robota bez konieczności stosowania dedykowanego sterownika robota.

Współrzędne przegubowe a współrzędne kartezjańskie

Jedna z pierwszych decyzji inżynierskich dotyczy wyboru modelu ruchu. Roboty przegubowe zwykle działają we współrzędnych przegubowych, w których każdy silnik obraca się niezależnie wokół określonej osi.

Wiele systemów bramowych i kartezjańskich działa jednak bezpośrednio we współrzędnych X, Y i Z. Upraszcza to programowanie, ponieważ sterownik oblicza ruch liniowy bezpośrednio, zamiast przeliczać współrzędne narzędzia na pozycje przegubów.

Skoordynowany ruch w Studio 5000 obsługuje oba podejścia, choć systemy kartezjańskie są łatwiejsze w konfiguracji i diagnostyce podczas uruchamiania.

Tworzenie środowiska ruchu skoordynowanego

Konfiguracja systemu ruchu skoordynowanego wymaga większego przygotowania niż standardowe sterowanie serwonapędem jednej osi. Inżynierowie muszą najpierw zdefiniować grupę ruchu, przypisać osie serwo i utworzyć obiekt systemu skoordynowanego w środowisku Studio 5000.

Kreator systemu skoordynowanego umożliwia konfigurację geometrii osi, przesunięć, jednostek inżynierskich i ograniczeń ruchu. Parametry te określają sposób interpretacji przez sterownik poleceń pozycjonowania w sieci serwonapędów.

Rysunek 2. Konfiguracja grupy ruchu definiuje zależności między osiami, geometrię i działanie systemu skoordynowanego.

Wielu producentów OEM łączy ruch skoordynowany z zaawansowanymi platformami serwo i rozproszonymi architekturami wejść/wyjść, aby zwiększyć skalowalność maszyn. Systemy oparte na sterownikach Allen-Bradley ControlLogix i nowoczesnych serwonapędach coraz częściej wykorzystują ruch skoordynowany do upraszczania aplikacji zrobotyzowanych i bramowych.

Podstawowe instrukcje ruchu w środowisku Studio 5000

Środowisko ruchu skoordynowanego firmy Rockwell korzysta z kilku dedykowanych bloków funkcyjnych przeznaczonych do generowania trajektorii wieloosiowych.

Ruch liniowy za pomocą MCLM

Instrukcja Motion Coordinated Linear Move, czyli MCLM, zapewnia ruch po linii prostej między zdefiniowanymi pozycjami kartezjańskimi. Inżynierowie określają współrzędne X, Y i Z, a sterownik automatycznie synchronizuje prędkości osi.

Instrukcja ta sprawdza się szczególnie dobrze w systemach bramowych, w których oprzyrządowanie musi płynnie przemieszczać się między punktami pobierania i odkładania.

Ruch po łuku i ruch oparty na ścieżce

Instrukcja Motion Coordinated Circular Move obsługuje trajektorie po łuku w przestrzeni 2D i 3D. Z kolei Motion Coordinated Path Move rozszerza te możliwości, obsługując ścieżki robotów przegubowych i zaawansowane profile ruchu.

Funkcje te umożliwiają konstruktorom maszyn tworzenie płynniejszego ruchu oprzyrządowania, ograniczając jednocześnie gwałtowne zmiany przyspieszenia, które mogą uszkadzać układy mechaniczne.

Rysunek 3. Instrukcja MCLM synchronizuje wiele osi serwo podczas skoordynowanego ruchu liniowego.

Gdzie ruch skoordynowany przynosi największe korzyści

Jednym z najważniejszych zastosowań ruchu skoordynowanego pozostaje suwnica bramowa serwo. W tych systemach trzy prostopadłe osie współpracują ze sobą, aby pozycjonować oprzyrządowanie w dużej przestrzeni roboczej.

W przeciwieństwie do robotów przegubowych suwnice zwykle działają bezpośrednio w przestrzeni kartezjańskiej, co ogranicza złożoność transformacji i upraszcza konserwację.

Operatorzy mogą ręcznie przemieszczać osie do odpowiednich pozycji, zapisywać punkty współrzędnych i ponownie wykorzystywać te pozycje podczas pracy automatycznej. Rezultatem jest płynny i powtarzalny ruch w całej przestrzeni roboczej maszyny.

Rysunek 4. Suwnice bramowe serwo korzystają z ruchu skoordynowanego, ponieważ wszystkie osie docierają do pozycji docelowych jednocześnie.

Ruch skoordynowany znajduje również coraz szersze zastosowanie w robotyce współpracującej, zautomatyzowanym montażu, systemach paletyzacji oraz urządzeniach do transportu materiałów półprzewodnikowych.

Przemysłowe przejście w kierunku ruchu definiowanego programowo

Cała branża automatyki stopniowo odchodzi od odizolowanych, sprzętowo-centrycznych systemów ruchu na rzecz definiowanych programowo architektur maszyn.

Nowoczesne platformy PLC łączą obecnie sterowanie ruchem, wizualizację, komunikację sieciową i bezpieczeństwo w ujednoliconych środowiskach inżynierskich. Ogranicza to złożoność integracji i skraca czas uruchamiania.

Producenci tacy jak Rockwell, Siemens, Beckhoff i Mitsubishi Electric nadal intensywnie inwestują w technologię ruchu zsynchronizowanego, ponieważ producenci coraz częściej potrzebują elastycznych systemów produkcyjnych zdolnych do szybkiej rekonfiguracji.

Konstruktorzy maszyn pracujący z architekturami rozproszonymi i automatyką dużej szybkości często łączą platformy ruchu skoordynowanego z zaawansowanymi systemami PLC i PAC, aby obsługiwać skalowalne aplikacje ruchu w wielu gniazdach produkcyjnych.

Perspektywa inżynierska

Ruch skoordynowany nie jest już ograniczony do dużych instalacji zrobotyzowanych. Dzięki szybszym procesorom PLC, zintegrowanym sieciom serwo i uproszczonym narzędziom programistycznym technologia ta stała się praktyczna również w typowych projektach automatyki przemysłowej.

Dla producentów OEM i integratorów systemów prawdziwą zaletą nie jest wyłącznie zsynchronizowany ruch. Większe korzyści wynikają z ograniczenia nakładu pracy na programowanie i bardziej przewidywalnego zachowania maszyny podczas złożonych operacji wieloosiowych.

W miarę jak systemy produkcyjne będą nadal ewoluować w kierunku modułowej automatyki, ruch skoordynowany prawdopodobnie stanie się standardowym oczekiwaniem, a nie wyspecjalizowaną funkcją.

Autor: Daniel Mercer | Starszy analityk systemów sterowania ruchem

Daniel Mercer ma ponad 14 lat doświadczenia w dziedzinie przemysłowych systemów ruchu, integracji PLC i projektowania aplikacji serwo. Wspierał projekty automatyki wykorzystujące platformy Rockwell Automation, Siemens, Beckhoff Automation i Mitsubishi Electric w branżach pakowania, robotyki oraz transportu materiałów.