การควบคุมการเคลื่อนที่หลายแกนก้าวข้ามการซิงโครไนซ์เซอร์โวแบบเดิม

ผู้สร้างเครื่องจักรสมัยใหม่คาดหวังให้ระบบเซอร์โวทำได้มากกว่าการกำหนดตำแหน่งของแกนแต่ละแกนแยกกันมากขึ้นเรื่อย ๆ สายการบรรจุ เซลล์หุ่นยนต์ และระบบขนถ่ายวัสดุในปัจจุบันต้องการการเคลื่อนที่หลายแกนแบบซิงโครไนซ์ที่มีความแม่นยำสูงขึ้น วิถีการเคลื่อนที่ราบรื่นขึ้น และการเขียนโปรแกรมที่ง่ายขึ้น

ฟังก์ชันการเคลื่อนที่แบบประสานงานของ Rockwell Automation ภายใน Studio 5000 ช่วยตอบโจทย์นี้ด้วยการทำให้เซอร์โวได้สูงสุดหกแกนเคลื่อนที่ร่วมกันภายในระบบประสานงานเดียว แตกต่างจากเทคนิคการทดเกียร์หรือการใช้โปรไฟล์แคมแบบดั้งเดิม การเคลื่อนที่แบบประสานงานมุ่งเน้นการกำหนดตำแหน่งเชิงพื้นที่และการควบคุมวิถีการเคลื่อนที่ของหลายแกนพร้อมกัน

ความสามารถนี้มีคุณค่าเป็นพิเศษในงานขนถ่ายด้วยหุ่นยนต์ ระบบแกนพอร์ทัลความเร็วสูง และระบบการผลิตที่ยืดหยุ่น ซึ่งคุณภาพการเคลื่อนที่ส่งผลโดยตรงต่ออัตราการผลิตและความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์

รูปที่ 1 การเคลื่อนที่แบบประสานงานช่วยให้ระบบหุ่นยนต์ซิงโครไนซ์ข้อต่อเซอร์โวหลายจุดด้วยการควบคุมตำแหน่งที่ราบรื่น

เหตุใดการเคลื่อนที่แบบประสานงานจึงแตกต่างจากการทดเกียร์และโปรไฟล์แคม

วิธีการเคลื่อนที่แบบซิงโครไนซ์แบบดั้งเดิม เช่น การทดเกียร์อิเล็กทรอนิกส์และโปรไฟล์แคม มักจัดการความสัมพันธ์ระหว่างแกนหลักกับแกนตามเพียงหนึ่งหรือสองแกน การเคลื่อนที่แบบประสานงานขยายแนวคิดนี้ไปสู่การควบคุมเส้นทางแบบหลายแกนเต็มรูปแบบ

ในระบบประสานงาน แต่ละแกนจะเคลื่อนที่ไปยังปลายทางที่กำหนดไว้พร้อมรักษาจังหวะการถึงตำแหน่งให้ซิงโครไนซ์กัน ตัวควบคุมจะคำนวณการปรับความเร็วและความเร่งอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้ทุกแกนเคลื่อนที่เสร็จพร้อมกัน

สถาปัตยกรรมนี้ช่วยให้นักออกแบบเครื่องจักรสร้างการเคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกับหุ่นยนต์ได้ โดยไม่จำเป็นต้องใช้ตัวควบคุมหุ่นยนต์โดยเฉพาะ

พิกัดข้อต่อเทียบกับพิกัดคาร์ทีเซียน

หนึ่งในการตัดสินใจทางวิศวกรรมขั้นแรกคือการเลือกโมเดลการเคลื่อนที่ หุ่นยนต์แขนกลโดยทั่วไปทำงานด้วยพิกัดข้อต่อ ซึ่งมอเตอร์แต่ละตัวจะหมุนอย่างอิสระรอบแกนที่กำหนดไว้

อย่างไรก็ตาม ระบบแกนพอร์ทัลและระบบคาร์ทีเซียนจำนวนมากทำงานโดยตรงด้วยพิกัด X, Y และ Z วิธีนี้ทำให้การเขียนโปรแกรมง่ายขึ้น เนื่องจากตัวควบคุมจะคำนวณการเคลื่อนที่เชิงเส้นโดยตรง แทนการแปลงระหว่างพิกัดเครื่องมือกับตำแหน่งข้อต่อ

การเคลื่อนที่แบบประสานงานของ Studio 5000 รองรับทั้งสองแนวคิด แม้ว่าระบบคาร์ทีเซียนจะยังคงตั้งค่าและแก้ไขปัญหาได้ง่ายกว่าในระหว่างการทดสอบเดินเครื่อง

การสร้างสภาพแวดล้อมสำหรับการเคลื่อนที่แบบประสานงาน

การกำหนดค่าระบบการเคลื่อนที่แบบประสานงานต้องเตรียมการมากกว่าการควบคุมเซอร์โวแกนเดี่ยวแบบมาตรฐาน วิศวกรต้องกำหนดกลุ่มการเคลื่อนที่ กำหนดแกนเซอร์โว และสร้างออบเจ็กต์ระบบประสานงานภายใน Studio 5000 ก่อน

ตัวช่วยสร้างระบบประสานงานช่วยให้กำหนดค่าเรขาคณิตของแกน ออฟเซ็ต หน่วยทางวิศวกรรม และขีดจำกัดการเคลื่อนที่ได้ พารามิเตอร์เหล่านี้กำหนดวิธีที่ตัวควบคุมตีความคำสั่งตำแหน่งทั่วทั้งเครือข่ายเซอร์โว

รูปที่ 2 การกำหนดค่ากลุ่มการเคลื่อนที่ช่วยกำหนดความสัมพันธ์ของแกน เรขาคณิต และพฤติกรรมของระบบประสานงาน

ผู้ผลิตเครื่องจักรแบบ OEM จำนวนมากผสานการเคลื่อนที่แบบประสานงานเข้ากับแพลตฟอร์มเซอร์โวขั้นสูงและสถาปัตยกรรม I/O แบบกระจาย เพื่อเพิ่มความสามารถในการขยายระบบ เครื่องจักรที่สร้างบนตัวควบคุม Allen-Bradley ControlLogix และ ไดรฟ์เซอร์โว รุ่นใหม่ ใช้การเคลื่อนที่แบบประสานงานมากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อทำให้การใช้งานหุ่นยนต์และแกนพอร์ทัลง่ายขึ้น

คำสั่งการเคลื่อนที่หลักภายใน Studio 5000

สภาพแวดล้อมการเคลื่อนที่แบบประสานงานของ Rockwell อาศัยบล็อกฟังก์ชันเฉพาะหลายรายการที่ออกแบบมาสำหรับการสร้างวิถีการเคลื่อนที่หลายแกน

การเคลื่อนที่เชิงเส้นด้วย MCLM

คำสั่ง Motion Coordinated Linear Move หรือ MCLM ช่วยให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงระหว่างตำแหน่งคาร์ทีเซียนที่กำหนดไว้ วิศวกรระบุพิกัด X, Y และ Z ขณะที่ตัวควบคุมจะซิงโครไนซ์ความเร็วของแกนโดยอัตโนมัติ

คำสั่งนี้เหมาะอย่างยิ่งกับระบบแกนพอร์ทัลที่เครื่องมือจำเป็นต้องเคลื่อนที่อย่างราบรื่นระหว่างตำแหน่งหยิบและวาง

การเคลื่อนที่แบบวงกลมและแบบอิงเส้นทาง

คำสั่ง Motion Coordinated Circular Move รองรับวิถีการเคลื่อนที่ตามส่วนโค้งทั้งในพื้นที่ 2D และ 3D ขณะเดียวกัน Motion Coordinated Path Move ยังขยายขีดความสามารถเพิ่มเติมด้วยการรองรับเส้นทางของหุ่นยนต์แขนกลและโปรไฟล์การเคลื่อนที่ขั้นสูง

ฟังก์ชันเหล่านี้ช่วยให้ผู้สร้างเครื่องจักรสร้างการเคลื่อนที่ของเครื่องมือที่ราบรื่นขึ้น พร้อมลดการเปลี่ยนแปลงความเร่งอย่างฉับพลันซึ่งอาจสร้างความเสียหายต่อระบบกลไก

รูปที่ 3 คำสั่ง MCLM ซิงโครไนซ์เซอร์โวหลายแกนระหว่างการเคลื่อนที่เชิงเส้นแบบประสานงาน

การใช้งานที่การเคลื่อนที่แบบประสานงานสร้างคุณค่าได้มากที่สุด

หนึ่งในการใช้งานที่โดดเด่นที่สุดของการเคลื่อนที่แบบประสานงานยังคงเป็นแกนพอร์ทัลเซอร์โว ระบบเหล่านี้ใช้แกนตั้งฉากกันสามแกนทำงานร่วมกันเพื่อกำหนดตำแหน่งเครื่องมือครอบคลุมพื้นที่ทำงานขนาดใหญ่

แตกต่างจากหุ่นยนต์แขนกล แกนพอร์ทัลมักทำงานโดยตรงในพื้นที่คาร์ทีเซียน ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของการแปลงพิกัดและทำให้การบำรุงรักษาง่ายขึ้น

ผู้ปฏิบัติงานสามารถขยับแกนแบบแมนนวลไปยังตำแหน่งที่ต้องการ บันทึกจุดพิกัด และนำตำแหน่งเหล่านั้นกลับมาใช้ซ้ำระหว่างการทำงานอัตโนมัติ ผลลัพธ์คือการเคลื่อนที่ที่ราบรื่นและทำซ้ำได้ทั่วทั้งขอบเขตการทำงานของเครื่องจักร

รูปที่ 4 แกนพอร์ทัลเซอร์โวได้รับประโยชน์จากการเคลื่อนที่แบบประสานงาน เนื่องจากทุกแกนจะถึงตำแหน่งเป้าหมายพร้อมกัน

การเคลื่อนที่แบบประสานงานยังคงขยายไปสู่หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน การประกอบอัตโนมัติ ระบบจัดเรียงสินค้าบนพาเลต และอุปกรณ์ขนถ่ายวัสดุสำหรับเซมิคอนดักเตอร์

การเปลี่ยนแปลงของอุตสาหกรรมสู่การเคลื่อนที่ที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์

อุตสาหกรรมระบบอัตโนมัติในวงกว้างกำลังค่อย ๆ เปลี่ยนจากระบบการเคลื่อนที่ที่แยกส่วนและเน้นฮาร์ดแวร์ ไปสู่สถาปัตยกรรมเครื่องจักรที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์

แพลตฟอร์ม PLC สมัยใหม่ผสานการควบคุมการเคลื่อนที่ การแสดงผล การเชื่อมต่อเครือข่าย และระบบความปลอดภัยไว้ในสภาพแวดล้อมทางวิศวกรรมแบบรวมศูนย์ ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการผสานระบบและย่นระยะเวลาการทดสอบเดินเครื่อง

ผู้ผลิตอย่าง Rockwell, Siemens, Beckhoff และ Mitsubishi Electric ยังคงลงทุนอย่างมากในเทคโนโลยีการเคลื่อนที่แบบซิงโครไนซ์ เนื่องจากผู้ผลิตต้องการระบบการผลิตที่ยืดหยุ่นและสามารถปรับเปลี่ยนการกำหนดค่าได้อย่างรวดเร็วมากขึ้นเรื่อย ๆ

ผู้สร้างเครื่องจักรที่ทำงานกับสถาปัตยกรรมแบบกระจายและระบบอัตโนมัติความเร็วสูง มักจับคู่แพลตฟอร์มการเคลื่อนที่แบบประสานงานกับ ระบบ PLC และ PAC ขั้นสูง เพื่อรองรับการใช้งานการเคลื่อนที่ที่ขยายขนาดได้ในเซลล์การผลิตหลายแห่ง

มุมมองทางวิศวกรรม

การเคลื่อนที่แบบประสานงานไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะการติดตั้งระบบหุ่นยนต์ขนาดใหญ่อีกต่อไป เทคโนโลยีนี้ใช้งานได้จริงกับโครงการระบบอัตโนมัติในภาคอุตสาหกรรมทั่วไปมากขึ้น ด้วยโปรเซสเซอร์ PLC ที่เร็วขึ้น เครือข่ายเซอร์โวแบบผสานรวม และเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่ใช้งานง่ายขึ้น

สำหรับผู้ผลิตเครื่องจักรแบบ OEM และผู้รวมระบบ ข้อได้เปรียบที่แท้จริงไม่ได้อยู่ที่การเคลื่อนที่แบบซิงโครไนซ์เพียงอย่างเดียว ประโยชน์ที่สำคัญกว่าคือการลดภาระในการเขียนโปรแกรม และทำให้พฤติกรรมของเครื่องจักรระหว่างการทำงานหลายแกนที่ซับซ้อนคาดการณ์ได้มากขึ้น

ในขณะที่ระบบการผลิตยังคงพัฒนาไปสู่ระบบอัตโนมัติแบบโมดูลาร์ การเคลื่อนที่แบบประสานงานมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นสิ่งที่ทุกคนคาดหวังให้มี แทนที่จะเป็นฟังก์ชันเฉพาะทาง

ผู้เขียน: Daniel Mercer | นักวิเคราะห์อาวุโสด้านการควบคุมการเคลื่อนที่

Daniel Mercer มีประสบการณ์มากกว่า 14 ปีในด้านระบบการเคลื่อนที่อุตสาหกรรม การผสานรวม PLC และวิศวกรรมการใช้งานเซอร์โว เขาให้การสนับสนุนโครงการระบบอัตโนมัติที่ใช้แพลตฟอร์มของ Rockwell Automation, Siemens, Beckhoff Automation และ Mitsubishi Electric ในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์ หุ่นยนต์ และการขนถ่ายวัสดุ