การเคลื่อนไหวแบบซิงโครไนซ์สำหรับเซอร์โวและแกนที่ทำงานประสานกันใน PLC ของ Rockwell

การควบคุมการเคลื่อนไหวหลายแกนก้าวไปไกลกว่าการซิงโครไนซ์เซอร์โวแบบดั้งเดิม

ผู้สร้างเครื่องจักรสมัยใหม่คาดหวังให้ระบบเซอร์โวทำได้มากกว่าการกำหนดตำแหน่งของแต่ละแกนแยกจากกันมากขึ้นเรื่อย ๆ ปัจจุบันสายการบรรจุ เซลล์หุ่นยนต์ และระบบขนถ่ายวัสดุต่างต้องการการเคลื่อนไหวหลายแกนที่ซิงโครไนซ์กัน โดยมีความแม่นยำสูงขึ้น เส้นทางการเคลื่อนที่ราบรื่นขึ้น และโปรแกรมได้ง่ายขึ้น

ฟังก์ชันการเคลื่อนไหวแบบประสานงานของ Rockwell Automation ภายใน Studio 5000 ตอบโจทย์นี้ด้วยการทำให้เซอร์โวสูงสุดหกแกนเคลื่อนที่ร่วมกันภายในระบบประสานงานเดียว แตกต่างจากเทคนิคการใช้อัตราทดหรือแคมแบบดั้งเดิม การเคลื่อนไหวแบบประสานงานมุ่งเน้นการกำหนดตำแหน่งเชิงพื้นที่และการควบคุมเส้นทางการเคลื่อนที่ของหลายแกนพร้อมกัน

ความสามารถนี้มีคุณค่าอย่างยิ่งในงานหยิบจับด้วยหุ่นยนต์ ระบบแกนทรีความเร็วสูง และระบบการผลิตที่ยืดหยุ่น ซึ่งคุณภาพการเคลื่อนไหวส่งผลโดยตรงต่ออัตราการผลิตและความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์

รูปที่ 1 การเคลื่อนไหวแบบประสานงานช่วยให้ระบบหุ่นยนต์ซิงโครไนซ์ข้อต่อเซอร์โวหลายจุดด้วยการควบคุมตำแหน่งที่ราบรื่น

เหตุใดการเคลื่อนไหวแบบประสานงานจึงแตกต่างจากการใช้อัตราทดและโปรไฟล์แคม

วิธีการซิงโครไนซ์การเคลื่อนไหวแบบดั้งเดิม เช่น การใช้อัตราทดอิเล็กทรอนิกส์และโปรไฟล์แคม มักจัดการความสัมพันธ์ระหว่างแกนหลักกับแกนตามของแกนหนึ่งหรือสองแกน การเคลื่อนไหวแบบประสานงานขยายแนวคิดนี้ไปสู่การควบคุมเส้นทางของหลายแกนอย่างเต็มรูปแบบ

ในระบบประสานงาน แต่ละแกนจะเคลื่อนที่ไปยังจุดหมายที่กำหนดไว้ พร้อมรักษาจังหวะการไปถึงให้ซิงโครไนซ์กัน ตัวควบคุมจะคำนวณการปรับความเร็วและความเร่งอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้ทุกแกนเคลื่อนที่เสร็จพร้อมกัน

สถาปัตยกรรมนี้ช่วยให้นักออกแบบเครื่องจักรสร้างการเคลื่อนไหวลักษณะเดียวกับหุ่นยนต์ได้ โดยไม่ต้องใช้ตัวควบคุมหุ่นยนต์โดยเฉพาะ

พิกัดข้อต่อเทียบกับพิกัดคาร์ทีเซียน

หนึ่งในการตัดสินใจทางวิศวกรรมขั้นแรกคือการเลือกแบบจำลองการเคลื่อนไหว โดยปกติหุ่นยนต์แบบข้อต่อจะทำงานด้วยพิกัดข้อต่อ ซึ่งมอเตอร์แต่ละตัวจะหมุนอย่างอิสระรอบแกนที่กำหนดไว้

อย่างไรก็ตาม ระบบแกนทรีและระบบคาร์ทีเซียนจำนวนมากทำงานโดยตรงด้วยพิกัด X, Y และ Z วิธีนี้ทำให้การเขียนโปรแกรมง่ายขึ้น เพราะตัวควบคุมจะคำนวณการเคลื่อนที่เชิงเส้นโดยตรง แทนการแปลงระหว่างพิกัดเครื่องมือกับตำแหน่งข้อต่อ

การเคลื่อนไหวแบบประสานงานของ Studio 5000 รองรับทั้งสองแนวคิด แม้ว่าระบบคาร์ทีเซียนจะกำหนดค่าและแก้ไขปัญหาได้ง่ายกว่าในระหว่างการทดสอบเดินเครื่อง

การสร้างสภาพแวดล้อมสำหรับการเคลื่อนไหวแบบประสานงาน

การกำหนดค่าระบบการเคลื่อนไหวแบบประสานงานต้องเตรียมการมากกว่าการควบคุมเซอร์โวแกนเดียวแบบมาตรฐาน วิศวกรต้องกำหนดกลุ่มการเคลื่อนไหว กำหนดแกนเซอร์โว และสร้างออบเจ็กต์ระบบประสานงานภายใน Studio 5000 ก่อน

ตัวช่วยสร้างระบบประสานงานช่วยให้กำหนดค่าเรขาคณิตของแกน ออฟเซ็ต หน่วยทางวิศวกรรม และขีดจำกัดการเคลื่อนไหวได้ พารามิเตอร์เหล่านี้กำหนดวิธีที่ตัวควบคุมจะตีความคำสั่งกำหนดตำแหน่งผ่านเครือข่ายเซอร์โว

รูปที่ 2 การกำหนดค่ากลุ่มการเคลื่อนไหวระบุความสัมพันธ์ระหว่างแกน เรขาคณิต และพฤติกรรมของระบบประสานงาน

ผู้ผลิตเครื่องจักรหลายรายผสานการเคลื่อนไหวแบบประสานงานเข้ากับแพลตฟอร์มเซอร์โวขั้นสูงและสถาปัตยกรรม I/O แบบกระจาย เพื่อเพิ่มความสามารถในการขยายระบบ เครื่องจักรที่สร้างบนตัวควบคุม Allen-Bradley ControlLogix และ ไดรฟ์เซอร์โว สมัยใหม่ ใช้การเคลื่อนไหวแบบประสานงานมากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อทำให้การประยุกต์ใช้กับหุ่นยนต์และระบบแกนทรีง่ายขึ้น

คำสั่งการเคลื่อนไหวหลักภายใน Studio 5000

สภาพแวดล้อมการเคลื่อนไหวแบบประสานงานของ Rockwell อาศัยบล็อกฟังก์ชันเฉพาะหลายรายการที่ออกแบบมาสำหรับการสร้างเส้นทางการเคลื่อนที่หลายแกน

การเคลื่อนไหวเชิงเส้นด้วย MCLM

คำสั่ง Motion Coordinated Linear Move หรือ MCLM ช่วยให้เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงระหว่างตำแหน่งคาร์ทีเซียนที่กำหนดไว้ วิศวกรระบุพิกัด X, Y และ Z ขณะที่ตัวควบคุมจะซิงโครไนซ์ความเร็วของแต่ละแกนโดยอัตโนมัติ

คำสั่งนี้เหมาะอย่างยิ่งกับระบบแกนทรีที่อุปกรณ์ต้องเคลื่อนที่อย่างราบรื่นระหว่างตำแหน่งหยิบและวาง

การเคลื่อนไหวแบบวงกลมและตามเส้นทาง

คำสั่ง Motion Coordinated Circular Move รองรับเส้นทางการเคลื่อนที่ตามส่วนโค้งในพื้นที่ทั้งแบบ 2 มิติและ 3 มิติ ขณะเดียวกัน Motion Coordinated Path Move ยังเพิ่มขีดความสามารถด้วยการรองรับเส้นทางของหุ่นยนต์แบบข้อต่อและโปรไฟล์การเคลื่อนไหวขั้นสูง

ฟังก์ชันเหล่านี้ช่วยให้ผู้สร้างเครื่องจักรสร้างการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ที่ราบรื่นขึ้น พร้อมลดการเปลี่ยนแปลงความเร่งอย่างฉับพลันซึ่งอาจสร้างความเสียหายต่อระบบกลไก

รูปที่ 3 คำสั่ง MCLM ซิงโครไนซ์แกนเซอร์โวหลายแกนระหว่างการเคลื่อนที่เชิงเส้นแบบประสานงาน

การใช้งานที่ได้รับประโยชน์สูงสุดจากการเคลื่อนไหวแบบประสานงาน

หนึ่งในการใช้งานที่โดดเด่นที่สุดของการเคลื่อนไหวแบบประสานงานยังคงเป็นระบบแกนทรีเซอร์โว ในระบบเหล่านี้ แกนตั้งฉากสามแกนทำงานร่วมกันเพื่อกำหนดตำแหน่งอุปกรณ์ภายในพื้นที่ทำงานขนาดใหญ่

ต่างจากหุ่นยนต์แบบข้อต่อ ระบบแกนทรีมักทำงานโดยตรงในพื้นที่คาร์ทีเซียน จึงลดความซับซ้อนของการแปลงพิกัดและทำให้การบำรุงรักษาง่ายขึ้น

ผู้ปฏิบัติงานสามารถขยับแกนด้วยตนเองให้เข้าตำแหน่ง บันทึกจุดพิกัด และนำตำแหน่งเหล่านั้นกลับมาใช้ระหว่างการทำงานอัตโนมัติ ผลลัพธ์คือการเคลื่อนที่ที่ราบรื่นและทำซ้ำได้ทั่วทั้งพื้นที่ทำงานของเครื่องจักร

รูปที่ 4 ระบบแกนทรีเซอร์โวได้รับประโยชน์จากการเคลื่อนไหวแบบประสานงาน เพราะทุกแกนจะไปถึงตำแหน่งเป้าหมายพร้อมกัน

การเคลื่อนไหวแบบประสานงานยังขยายไปสู่หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน การประกอบอัตโนมัติ ระบบจัดเรียงสินค้าบนพาเลต และอุปกรณ์ขนถ่ายวัสดุสำหรับเซมิคอนดักเตอร์อย่างต่อเนื่อง

การเปลี่ยนผ่านของอุตสาหกรรมไปสู่การเคลื่อนไหวที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์

อุตสาหกรรมระบบอัตโนมัติโดยรวมกำลังเปลี่ยนจากระบบการเคลื่อนไหวที่เน้นฮาร์ดแวร์และแยกส่วน ไปสู่สถาปัตยกรรมเครื่องจักรที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์อย่างต่อเนื่อง

แพลตฟอร์ม PLC สมัยใหม่ผสานการควบคุมการเคลื่อนไหว การแสดงผล การสื่อสารเครือข่าย และความปลอดภัยไว้ในสภาพแวดล้อมทางวิศวกรรมแบบรวมศูนย์ ช่วยลดความซับซ้อนในการผสานระบบและลดระยะเวลาการทดสอบเดินเครื่อง

ผู้ผลิตอย่าง Rockwell, Siemens, Beckhoff และ Mitsubishi Electric ยังคงลงทุนอย่างมากในเทคโนโลยีการเคลื่อนไหวแบบซิงโครไนซ์ เนื่องจากผู้ผลิตต้องการระบบการผลิตที่ยืดหยุ่นและสามารถปรับเปลี่ยนการทำงานได้อย่างรวดเร็วมากขึ้น

ผู้สร้างเครื่องจักรที่ทำงานกับสถาปัตยกรรมแบบกระจายและระบบอัตโนมัติความเร็วสูง มักจับคู่แพลตฟอร์มการเคลื่อนไหวแบบประสานงานกับ ระบบ PLC และ PAC ขั้นสูง เพื่อรองรับการใช้งานด้านการเคลื่อนไหวที่ขยายได้ในเซลล์การผลิตหลายเซลล์

มุมมองทางวิศวกรรม

การเคลื่อนไหวแบบประสานงานไม่ได้จำกัดอยู่เพียงการติดตั้งหุ่นยนต์ขนาดใหญ่อีกต่อไป เทคโนโลยีนี้ใช้งานได้จริงกับโครงการระบบอัตโนมัติในภาคอุตสาหกรรมทั่วไป เนื่องจากโปรเซสเซอร์ PLC ที่เร็วขึ้น เครือข่ายเซอร์โวแบบผสานรวม และเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่ใช้งานง่ายขึ้น

สำหรับผู้ผลิตเครื่องจักรและผู้ผสานรวมระบบ ข้อได้เปรียบที่แท้จริงไม่ได้มีเพียงการเคลื่อนไหวที่ซิงโครไนซ์กัน ประโยชน์ที่สำคัญกว่าคือการลดภาระในการเขียนโปรแกรมและทำให้พฤติกรรมของเครื่องจักรระหว่างการทำงานหลายแกนที่ซับซ้อนคาดการณ์ได้มากขึ้น

เมื่อระบบการผลิตยังคงพัฒนาไปสู่ระบบอัตโนมัติแบบโมดูลาร์ การเคลื่อนไหวแบบประสานงานมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นความคาดหวังมาตรฐาน แทนที่จะเป็นฟังก์ชันเฉพาะทาง

ผู้เขียน: Daniel Mercer | นักวิเคราะห์อาวุโสด้านการควบคุมการเคลื่อนไหว

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