Điều khiển chuyển động đa trục vượt ra ngoài đồng bộ servo truyền thống

Các nhà chế tạo máy hiện đại ngày càng kỳ vọng hệ thống servo không chỉ đảm nhiệm việc định vị từng trục riêng lẻ. Các dây chuyền đóng gói, tế bào robot và hệ thống xử lý vật liệu hiện đòi hỏi chuyển động đa trục đồng bộ với độ chính xác cao hơn, quỹ đạo mượt mà hơn và khả năng lập trình đơn giản hơn.

Các chức năng chuyển động phối hợp của Rockwell Automation trong Studio 5000 đáp ứng yêu cầu này bằng cách cho phép tối đa sáu trục servo chuyển động cùng nhau trong một hệ thống phối hợp duy nhất. Khác với các kỹ thuật truyền động điện tử hoặc biên dạng cam truyền thống, chuyển động phối hợp tập trung vào việc định vị trong không gian và điều khiển quỹ đạo trên nhiều trục đồng thời.

Khả năng này ngày càng có giá trị trong các ứng dụng xử lý bằng robot, cổng trục tốc độ cao và hệ thống sản xuất linh hoạt, nơi chất lượng chuyển động ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và tính nhất quán của sản phẩm.

Hình 1. Chuyển động phối hợp cho phép các hệ thống robot đồng bộ nhiều khớp servo với khả năng điều khiển vị trí mượt mà.

Vì sao chuyển động phối hợp khác với truyền động điện tử và biên dạng cam

Các phương pháp chuyển động đồng bộ truyền thống như truyền động điện tử và biên dạng cam thường quản lý mối quan hệ giữa một trục chủ và một hoặc hai trục phụ thuộc. Chuyển động phối hợp mở rộng khái niệm đó thành khả năng điều khiển đường đi đa trục đầy đủ.

Trong một hệ thống phối hợp, mỗi trục di chuyển đến đích được giao đồng thời duy trì thời gian đến đồng bộ. Bộ điều khiển liên tục tính toán các điều chỉnh về vận tốc và gia tốc để tất cả các trục hoàn tất chuyển động cùng nhau.

Kiến trúc này cho phép các nhà thiết kế máy tạo ra chuyển động kiểu robot mà không cần bộ điều khiển robot chuyên dụng.

Tọa độ khớp so với tọa độ Descartes

Một trong những quyết định kỹ thuật đầu tiên là lựa chọn mô hình chuyển động. Robot khớp nối thường hoạt động bằng tọa độ khớp, trong đó mỗi động cơ quay độc lập quanh một trục xác định.

Tuy nhiên, nhiều hệ thống cổng trục và Descartes hoạt động trực tiếp theo tọa độ X, Y và Z. Điều này đơn giản hóa việc lập trình vì bộ điều khiển tính toán trực tiếp chuyển động tuyến tính thay vì chuyển đổi giữa tọa độ dụng cụ và vị trí khớp.

Chuyển động phối hợp trong Studio 5000 hỗ trợ cả hai khái niệm, mặc dù các hệ thống Descartes vẫn dễ cấu hình và xử lý sự cố hơn trong quá trình chạy thử và đưa vào vận hành.

Xây dựng môi trường chuyển động phối hợp

Việc cấu hình một hệ thống chuyển động phối hợp đòi hỏi nhiều bước chuẩn bị hơn so với điều khiển servo một trục tiêu chuẩn. Trước tiên, các kỹ sư phải xác định một nhóm chuyển động, gán các trục servo và tạo một đối tượng hệ thống phối hợp bên trong Studio 5000.

Trình hướng dẫn hệ thống phối hợp cho phép cấu hình hình học trục, độ lệch, đơn vị kỹ thuật và giới hạn chuyển động. Các tham số này xác định cách bộ điều khiển diễn giải các lệnh vị trí trên mạng servo.

Hình 2. Cấu hình nhóm chuyển động xác định mối quan hệ giữa các trục, hình học và hoạt động của hệ thống phối hợp.

Nhiều OEM kết hợp chuyển động phối hợp với các nền tảng servo tiên tiến và kiến trúc I/O phân tán để cải thiện khả năng mở rộng của máy. Các hệ thống được xây dựng trên nền tảng bộ điều khiển Allen-Bradley ControlLogix và bộ truyền động servo hiện đại ngày càng sử dụng chuyển động phối hợp để đơn giản hóa các ứng dụng robot và cổng trục.

Các lệnh chuyển động cốt lõi trong Studio 5000

Môi trường chuyển động phối hợp của Rockwell dựa trên một số khối hàm chuyên dụng được thiết kế để tạo quỹ đạo đa trục.

Chuyển động tuyến tính với MCLM

Lệnh Motion Coordinated Linear Move, hay MCLM, cung cấp chuyển động theo đường thẳng giữa các vị trí Descartes được xác định. Các kỹ sư chỉ định tọa độ X, Y và Z, còn bộ điều khiển tự động đồng bộ vận tốc của các trục.

Lệnh này đặc biệt phù hợp với các hệ thống cổng trục, trong đó dụng cụ cần di chuyển mượt mà giữa các vị trí gắp và đặt.

Chuyển động theo đường tròn và theo quỹ đạo

Lệnh Motion Coordinated Circular Move hỗ trợ các quỹ đạo dạng cung trong không gian 2D và 3D. Trong khi đó, Motion Coordinated Path Move mở rộng khả năng hơn nữa bằng cách hỗ trợ các đường đi của robot khớp nối và các biên dạng chuyển động nâng cao.

Các chức năng này cho phép nhà chế tạo máy tạo ra chuyển động của dụng cụ mượt mà hơn, đồng thời giảm những thay đổi gia tốc đột ngột có thể gây hư hỏng cho các hệ thống cơ khí.

Hình 3. Lệnh MCLM đồng bộ nhiều trục servo trong quá trình chuyển động tuyến tính phối hợp.

Những lĩnh vực mang lại nhiều giá trị nhất cho chuyển động phối hợp

Một trong những ứng dụng mạnh mẽ nhất của chuyển động phối hợp vẫn là cổng trục servo. Trong các hệ thống này, ba trục vuông góc phối hợp với nhau để định vị dụng cụ trên vùng làm việc lớn.

Khác với robot khớp nối, cổng trục thường hoạt động trực tiếp trong không gian Descartes, giúp giảm độ phức tạp của phép biến đổi và đơn giản hóa công tác bảo trì.

Người vận hành có thể chạy thử thủ công các trục đến vị trí mong muốn, lưu các điểm tọa độ và sử dụng lại những vị trí đó trong quá trình vận hành tự động. Kết quả là chuyển động mượt mà và lặp lại ổn định trên toàn bộ vùng làm việc của máy.

Hình 4. Cổng trục servo hưởng lợi từ chuyển động phối hợp vì tất cả các trục đến vị trí mục tiêu đồng thời.

Chuyển động phối hợp cũng tiếp tục mở rộng sang robot cộng tác, lắp ráp tự động, hệ thống xếp pallet và thiết bị xử lý vật liệu bán dẫn.

Sự chuyển dịch công nghiệp hướng tới chuyển động được định nghĩa bằng phần mềm

Ngành tự động hóa nói chung đang từng bước chuyển từ các hệ thống chuyển động tách biệt, lấy phần cứng làm trung tâm sang các kiến trúc máy được định nghĩa bằng phần mềm.

Các nền tảng PLC hiện đại hiện kết hợp điều khiển chuyển động, trực quan hóa, kết nối mạng và an toàn trong các môi trường kỹ thuật hợp nhất. Điều này làm giảm độ phức tạp khi tích hợp và rút ngắn thời gian chạy thử, đưa máy vào vận hành.

Các nhà cung cấp như Rockwell, Siemens, Beckhoff và Mitsubishi Electric tiếp tục đầu tư mạnh vào công nghệ chuyển động đồng bộ vì các nhà sản xuất ngày càng cần những hệ thống sản xuất linh hoạt, có khả năng tái cấu hình nhanh chóng.

Các nhà chế tạo máy làm việc với kiến trúc phân tán và hệ thống tự động hóa tốc độ cao thường kết hợp nền tảng chuyển động phối hợp với các hệ thống PLC và PAC tiên tiến để hỗ trợ các ứng dụng chuyển động có khả năng mở rộng trên nhiều tế bào sản xuất.

Góc nhìn kỹ thuật

Chuyển động phối hợp không còn bị giới hạn trong các hệ thống robot quy mô lớn. Nhờ bộ xử lý PLC nhanh hơn, mạng servo tích hợp và các công cụ phần mềm đơn giản hơn, công nghệ này đã trở nên thiết thực đối với các dự án tự động hóa công nghiệp phổ biến.

Đối với các OEM và nhà tích hợp hệ thống, lợi ích thực sự không chỉ nằm ở chuyển động đồng bộ. Lợi ích lớn hơn đến từ việc giảm khối lượng lập trình và tạo ra hoạt động máy dễ dự đoán hơn trong các thao tác đa trục phức tạp.

Khi các hệ thống sản xuất tiếp tục phát triển theo hướng tự động hóa mô-đun, chuyển động phối hợp có thể sẽ trở thành một yêu cầu tiêu chuẩn thay vì một tính năng chuyên biệt.

Tác giả: Daniel Mercer | Chuyên viên phân tích điều khiển chuyển động cấp cao

Daniel Mercer có hơn 14 năm kinh nghiệm trong các hệ thống chuyển động công nghiệp, tích hợp PLC và kỹ thuật ứng dụng servo. Ông đã hỗ trợ các dự án tự động hóa sử dụng nền tảng của Rockwell Automation, Siemens, Beckhoff Automation và Mitsubishi Electric trong các ngành đóng gói, robot và xử lý vật liệu.