Sterowanie ruchem wieloosiowym wykracza poza tradycyjną synchronizację serwonapędów

Współcześni konstruktorzy maszyn coraz częściej oczekują, że systemy serwonapędowe będą oferować więcej niż niezależne pozycjonowanie osi. Linie pakujące, stanowiska zrobotyzowane i 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 serwonapędowych w ramach jednego skoordynowanego systemu. W przeciwieństwie do tradycyjnych technik przekładni elektronicznej lub krzywek, skoordynowany ruch koncentruje się na pozycjonowaniu przestrzennym i sterowaniu trajektorią wielu osi jednocześnie.

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

Rysunek 1. Skoordynowany ruch umożliwia systemom zrobotyzowanym synchronizację wielu przegubów serwonapędowych przy zachowaniu płynnego sterowania położeniem.

Czym skoordynowany ruch różni się od przekładni elektronicznej i profili krzywkowych

Tradycyjne metody synchronizacji ruchu, takie jak przekładnia elektroniczna i profile krzywkowe, zazwyczaj zarządzają relacjami nadrzędny–podążający między jedną lub dwiema osiami. Skoordynowany ruch rozszerza tę koncepcję na pełne sterowanie ścieżką wielu osi.

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

Taka architektura umożliwia konstruktorom maszyn tworzenie ruchów przypominających pracę robota bez konieczności stosowania dedykowanego sterownika robota.

Współrzędne przegubowe a współrzędne kartezjańskie

Jedną z pierwszych decyzji inżynierskich jest wybór 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 bezpośrednio oblicza ruch liniowy, zamiast przeliczać współrzędne narzędzia na położenia przegubów.

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

Tworzenie środowiska skoordynowanego ruchu

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

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

Rysunek 2. Konfiguracja grupy ruchu określa zależności między osiami, geometrię i sposób działania systemu skoordynowanego.

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

Podstawowe instrukcje ruchu w Studio 5000

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

Ruch liniowy z użyciem MCLM

Instrukcja Motion Coordinated Linear Move, czyli MCLM, zapewnia ruch po linii prostej między zdefiniowanymi położeniami 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 po ścieżce

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

Funkcje te umożliwiają konstruktorom maszyn tworzenie płynniejszego ruchu oprzyrządowania przy jednoczesnym ograniczeniu gwałtownych zmian przyspieszenia, które mogą uszkadzać układy mechaniczne.

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

Gdzie skoordynowany ruch zapewnia największe korzyści

Jednym z najważniejszych zastosowań skoordynowanego ruchu pozostaje bramownica serwonapędowa. W takich systemach trzy prostopadłe osie współpracują ze sobą, aby pozycjonować oprzyrządowanie w dużej przestrzeni roboczej.

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

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

Rysunek 4. Bramownice serwonapędowe korzystają ze skoordynowanego ruchu, ponieważ wszystkie osie jednocześnie osiągają położenia docelowe.

Skoordynowany ruch znajduje również coraz szersze zastosowanie w robotyce współpracującej, zautomatyzowanym montażu, systemach paletyzacji oraz urządzeniach do transportu materiałów w przemyśle półprzewodników.

Przemysłowe przejście na ruch definiowany programowo

Cała branża automatyki stopniowo odchodzi od odizolowanych, sprzętowo zorientowanych 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 technologie zsynchronizowanego ruchu, ponieważ producenci maszyn coraz częściej wymagają elastycznych systemów produkcyjnych, które można szybko rekonfigurować.

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

Perspektywa inżynierska

Skoordynowany ruch nie jest już ograniczony do dużych instalacji robotycznych. Dzięki szybszym procesorom PLC, zintegrowanym sieciom serwonapędów i uproszczonym narzędziom programowym technologia ta stała się praktycznym rozwiązaniem dla typowych projektów automatyki przemysłowej.

Dla producentów OEM i integratorów systemów prawdziwa korzyść nie polega wyłącznie na synchronizacji ruchu. Większe znaczenie ma ograniczenie nakładu pracy przy programowaniu oraz bardziej przewidywalne zachowanie maszyny podczas złożonych operacji wieloosiowych.

W miarę jak systemy produkcyjne będą ewoluować w kierunku modułowej automatyki, skoordynowany ruch 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 sterowników PLC i inżynierii aplikacji serwonapędowych. Wspierał projekty automatyzacji wykorzystujące platformy Rockwell Automation, Siemens, Beckhoff Automation i Mitsubishi Electric w branżach pakowania, robotyki oraz transportu materiałów.