Điều khiển chuyển động vẫn là nền tảng của tự động hóa hiện đại

Điều khiển chuyển động chính xác đã trở thành một năng lực đặc trưng trong các hệ thống sản xuất tiên tiến. Từ dây chuyền đóng gói và xử lý bán dẫn đến các trạm lắp ráp robot, các trục dẫn động bằng servo hiện được kỳ vọng mang lại khả năng định vị lặp lại với độ phản hồi ở cấp độ mili giây.

Trong khi nhiều kỹ sư tự động hóa tập trung vào logic PLC và tích hợp mạng, việc điều khiển chuyển động thành công bắt đầu sớm hơn nhiều, với quá trình chạy thử và đưa vào vận hành đúng cách cho bộ truyền động, động cơ và chính trục cơ khí. Cấu hình tỷ lệ hoặc thiết lập chạy về gốc không chính xác có thể nhanh chóng dẫn đến lỗi định vị hoặc va chạm nghiêm trọng.

Dự án này trình bày cách đưa một nền tảng chuyển động một trục vào vận hành bằng bộ truyền động servo SBD của CMZ Sistemi Elettronici và các công cụ thiết lập tích hợp trước khi bắt đầu lập trình PLC.

Xây dựng trục cơ khí trước khi quan tâm đến phần mềm

Mọi dự án chuyển động đều bắt đầu từ phần cơ khí. Trong thiết lập này, trục tuyến tính sử dụng cụm vít me bi với hành trình khoảng 8,5 mm cho mỗi vòng quay của động cơ và hành trình hữu dụng xấp xỉ 450 mm.

Kích thước bàn trượt và hình học hành trình rất quan trọng vì hệ thống servo vốn không tự hiểu các giới hạn vật lý. Kỹ sư phải xác định cẩn thận các giới hạn đó trong quá trình thiết lập.

Phải luôn xác minh phạm vi hành trình vật lý của trục trước khi kích hoạt các chuỗi chuyển động tự động.

Vì sao các phép đo cơ khí lại quan trọng

Một trong những bước chạy thử thường bị bỏ qua nhất là xác minh quãng đường di chuyển trên mỗi vòng quay. Các kỹ sư chuyển động thường giả định giá trị tỷ lệ từ tài liệu kỹ thuật mà không xác nhận tỷ số truyền cơ khí thực tế.

Ngắt kết nối động cơ và xoay vít me bi thủ công một vòng hoàn chỉnh sẽ cung cấp cơ sở đáng tin cậy để xác định quãng đường di chuyển thực tế. Phép đo này sau đó trở nên thiết yếu trong quá trình thiết lập tỷ lệ cho trục.

Hệ thống servo không chỉ đơn thuần là một động cơ

Nền tảng chuyển động CMZ kết hợp ba thành phần thiết yếu: bộ truyền động servo SBD, động cơ servo có phản hồi từ bộ mã hóa, cùng hệ thống cáp nguồn và cáp phản hồi chuyên dụng.

Bộ truyền động hoạt động với nguồn điện một pha 230 VAC và bao gồm các đầu vào số có thể cấu hình cho chức năng chạy về gốc và tích hợp an toàn. Trong quá trình thử nghiệm, các kênh STO (Tắt mô-men xoắn an toàn) được nối trực tiếp với 24 VDC, mặc dù trong các hệ thống sản xuất, chúng thường được tích hợp với mạch dừng khẩn cấp và các biện pháp giảm thiểu rủi ro của máy.

Cáp phản hồi servo và giao tiếp với bộ mã hóa rất cần thiết để duy trì độ chính xác định vị vòng kín.

Không bao giờ được xem nhẹ kiến trúc an toàn

Hệ thống servo có thể tạo ra gia tốc lớn và phản hồi mô-men xoắn nhanh ngay cả trong các ứng dụng bàn thử nhỏ. Vì vậy, chức năng STO không chỉ là một mục cần đánh dấu để đáp ứng quy định. Đây là một lớp an toàn quan trọng của máy.

Nhiều nền tảng chuyển động công nghiệp tích hợp chức năng STO vào các kiến trúc an toàn lớn hơn, cùng với mô-đun an toàn công nghiệp và các mạch liên động máy phân tán.

Phần mềm chạy thử giúp đơn giản hóa cấu hình trục

CMZ sử dụng môi trường SDSetup để cấu hình servo, chẩn đoán và lập trình PLC tích hợp. Không giống nhiều bộ truyền động cấp cơ bản, nền tảng SBD cho phép kỹ sư thực thi trực tiếp các chương trình văn bản có cấu trúc trên chính bộ truyền động.

Giao tiếp trong quá trình chạy thử được thiết lập thông qua giao diện micro USB đơn giản, loại bỏ nhu cầu tích hợp EtherCAT hoặc PLC ngay lập tức.

Chạy thử qua USB là cách nhanh chóng để xác nhận hoạt động của bộ truyền động trước khi bắt đầu tích hợp mạng.

Xác minh trạng thái điện trước khi kiểm tra chuyển động

Trước khi ra lệnh chuyển động, kỹ sư nên xác nhận các chỉ số điện áp bus, trạng thái STO và chức năng của đầu vào số trong môi trường phần mềm. Chỉ báo STO hoạt động bình thường cùng tín hiệu phản hồi nhanh từ công tắc chạy về gốc xác nhận rằng cả các phân hệ an toàn và I/O đều đang hoạt động.

Các bước xác thực này có vẻ đơn giản, nhưng thường giúp phát hiện lỗi cực tính dây dẫn hoặc vấn đề nối đất trước khi thực hiện lệnh chuyển động đầu tiên.

Chức năng chẩn đoán của bộ truyền động cung cấp khả năng quan sát tức thời trạng thái an toàn và giao tiếp trong quá trình khởi động.

Thiết lập tỷ lệ cho trục quyết định độ chính xác chuyển động thực tế

Mục Axis Scaling có thể được xem là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình chạy thử. Cấu hình này xác định cách các gia số của bộ mã hóa được chuyển đổi thành quãng đường di chuyển thực tế.

Trong ví dụ CMZ, giá trị mặc định 8000 gia số trên mỗi vòng quay được sử dụng để thử nghiệm. Kỹ sư có thể ra lệnh cho trục thực hiện các chuyển động tương đối và xác minh rằng quãng đường thực tế khớp với độ dịch chuyển cơ khí dự kiến.

Giá trị tỷ lệ không chính xác có thể gây ra lỗi định vị đủ lớn để làm hỏng các trục tuyến tính.

Chiến lược chạy về gốc xác định độ ổn định của điểm tham chiếu

Cấu hình chạy về gốc thiết lập điểm gốc tham chiếu cho mọi lệnh chuyển động sau đó. Trong dự án này, phương pháp chạy về gốc -27 di chuyển về phía công tắc, đảo chiều và chạy chậm cho đến khi công tắc nhả ra, sau đó xác định vị trí hiện tại là 0.

Chiến lược này cải thiện độ lặp lại vì điểm tham chiếu được thiết lập khi công tắc nhả ra thay vì khi bị tác động.

Cấu hình chạy về gốc đúng cách giúp ngăn hiện tượng trôi vị trí tích lũy trong các chu kỳ chuyển động lặp lại.

Bộ truyền động servo đang trở thành bộ điều khiển chuyển động độc lập

Một xu hướng quan trọng trong tự động hóa công nghiệp là mức độ thông minh ngày càng tăng bên trong chính các bộ truyền động servo. Các nền tảng chuyển động hiện đại ngày càng tích hợp điều khiển chuyển động, chẩn đoán, an toàn và chức năng PLC tích hợp vào một thiết bị duy nhất.

Sự chuyển dịch này làm giảm độ phức tạp của tủ điện và cho phép xây dựng các kiến trúc nhỏ gọn hơn cho những máy có quy mô nhỏ. Khi đánh giá các nền tảng chuyển động trong tương lai, kỹ sư ngày càng so sánh khả năng logic tích hợp cùng với hiệu suất mô-men xoắn và tốc độ.

Các ứng dụng liên quan đến đóng gói, hệ thống phân bước và các trạm tự động hóa nhỏ gọn ngày càng dựa vào các giải pháp chuyển động tích hợp tương tự những giải pháp được sử dụng trong hệ thống bộ truyền động servo hiện đại.

Góc nhìn kỹ thuật

Bài học giá trị nhất từ quá trình chạy thử này là độ tin cậy của chuyển động được thiết lập từ rất lâu trước khi bắt đầu sản xuất. Những kỹ sư bỏ qua việc xác thực cẩn thận thiết lập tỷ lệ hoặc logic chạy về gốc phù hợp thường phải mất nhiều thời gian hơn đáng kể để xử lý sự thiếu ổn định về sau.

Từ góc độ tích hợp hệ thống, quá trình chạy thử servo nên được thực hiện với mức độ chặt chẽ tương đương với việc xây dựng kiến trúc mạng hoặc xác thực PLC. Cơ cấu chính xác và cấu hình phần mềm chuẩn xác phải phối hợp với nhau như một hệ thống thống nhất.

Tác giả: Marcus Ellison | Chuyên viên phân tích hệ thống chuyển động

Marcus Ellison có hơn 12 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và tích hợp chuyển động servo. Nền tảng chuyên môn của ông bao gồm các dự án chạy thử liên quan đến nền tảng chuyển động Siemens, hệ thống Beckhoff EtherCAT và kiến trúc servo Rockwell tại các cơ sở đóng gói, xử lý vật liệu và sản xuất theo quy trình.