Kaip servorajės varikliai ir variklių valdymo įrenginiai palaiko daugiagalių ašių koordinavimą?

Šiuolaikinėje pramonės automatizacijoje gebėjimas vienu metu koordinuoti kelias judėjimo ašis yra viena iš sudėtingiausių inžinierių kylančių užduočių. Ar tai būtų šešių ašių robotinis rankas, CNC apdirbimo centras arba didelės našumo pakavimo linija – kiekvienos ašies tikslumas ir sinchroniškumas turi būti be priekaištų. Šios galios širdyje yra servo varikliai ir variklių prievardžiai , kurie užtikrina uždarąją valdymo grandinę, realaus laiko reaktyvumą ir ryšių intelektą, reikalingus tam, kad daugiagalių ašių koordinavimas būtų ne tik įmanomas, bet ir patikimas bei pakartotinas gamybos mastu.

Norint suprasti, kaip servoriniai varikliai ir variklių valdymo įrenginiai (variklių pavaros) palaiko daugiagriačių ašių koordinavimą, reikia žvelgti toliau nei atskirų ašių našumas. Tai reiškia, kad reikia ištirti, kaip kiekvienas variklio valdymo įrenginys bendrauja su centrinio valdymo įrenginiu, kaip padėties ir greičio grįžtamojo ryšio signalai sinchronizuojami tarp visų ašių ir kaip sistemos architektūra leidžia tiksliai interpoliuoti judesius. Šiame straipsnyje išsamiai nagrinėjamos mechanizmų, ryšio protokolų ir inžinerijos principų sąveika, kurie leidžia servoriniams varikliams ir variklių valdymo įrenginiams veikti kaip vieninga, koordinuota judėjimo sistema, o ne kaip atskirų veikimo elementų rinkinys.

Uždarosios kilpos valdymo vaidmuo daugiagriačių ašių sistemose

Kodėl grįžtamasis ryšys yra koordinavimo pagrindas

Daugiaašė koordinacija visiškai priklauso nuo to, kad kiekviena ašis tiksliai žinotų savo padėtį kiekvieną akimirką. Servo varikliai ir jų valdymo įrenginiai tai pasiekia uždarosios kilpos valdymo būdu, kai aukštos raiškos enkoderis nuolat praneša variklio faktinę padėtį valdymo įrenginiui. Valdymo įrenginys palygina šiuos atgalinio ryšio duomenis su komanduota padėtimi ir realiuoju laiku atlieka taisymus, kad pašalintų bet kokias klaidas. Be šio atgalinio ryšio ciklo net mažiausi vienos ašies nuokrypiai susidėtų visoje sistemoje, dėl ko koordinuotas judėjimo kelias nukryptų ir galutinis rezultatas būtų netikslus.

Daugiaašiame aplinkoje kiekvienas servorinis variklis veikia savo uždarą kilpą nepriklausomai, tuo pat metu gaudamas sinchronizuotus įsakymus iš pagrindinio valdiklio. Ši dviguba atsakomybė – vietinė korekcija ir bendroji sinchronizacija – ir daro servomotorius bei servovaldiklius ypatingai tinkamais koordinuotam judėjimui. Palyginimui, žingsninis variklis veikia atvirąja kilpa ir negali patvirtinti savo tikrosios padėties, todėl jis netinka taikymams, kuriuose ašys turi tiksliai sekti viena kitą su submilimetrine tikslumu.

Čia svarbiausią vaidmenį vaidina koduoklio skiriamoji geba. Aukštesnės skiriamosios gebos koduokliai, pvz., 23 bitų optiniai koduokliai, suteikia daugiau nei aštuonis milijonus skaitmenų per vieną apsisukimą, todėl valdiklis gauna itin smulkų vaizdą apie variklio padėtį. Ši smulkmeniškumas leidžia valdikliui aptikti ir pataisyti net mažiausias padėties klaidas dar prieš tai, kol jos pradeda įtakoti koordinuotą judėjimo trajektoriją, kas yra būtina, kai kelios ašys turi kartu nubrėžti sudėtingą trajektoriją.

Greičio ir sukimo momento kilpų palaikymas padedant tiksliai nustatyti padėtį

Varikliai su pozicijos valdymu ir jų valdymo įrenginiai paprastai veikia su trimis įdėtinėmis valdymo kilpomis: išorine pozicijos kilpa, vidurine greičio kilpa ir vidinės sukimo momento kilpa. Kiekviena kilpa veikia skirtingu atnaujinimo dažniu, o sukimo momento kilpa veikia greičiausiai – dažnai dešimtis kilohercų – kad užtikrintų, jog variklis nedelsiant reaguotų į apkrovos pokyčius. Ši kaskadinė struktūra reiškia, kad kai viena ašis patiria staigų apkrovos sutrikdymą, valdymo įrenginys kompensuoja jį per mikrosekundes, neleisdamas šiam sutrikdymui pažeisti koordinuoto judėjimo kelio.

Daugelio ašių taikymuose šis greitas sukimo momento atsakas ypač svarbus pagreitinimo ir lėtinimo fazėse, kai tarp ašių gali būti inercijos neatitikimų, dėl kurių viena ašis pradeda atsilikti nuo kitos. Gerai sureguliuoti varikliai su pozicijos valdymu ir jų valdymo įrenginiai šiuos perėjimus tvarko lygiai, dinamiškai keisdami sukimo momento išvestį, kad visos ašys liktų savo komanduojamuose judėjimo profiluose net ir labiausiai reikalaujančiomis sąlygomis.

Ryšio protokolai, leidžiantys realaus laiko sinchronizavimą

EtherCAT ir deterministinis tinklo laikymas

Kelių servorinių variklių ir variklių valdymo įrenginių sinchronizavimas per visą įrenginį labai priklauso nuo ryšio protokolo, kuris juos jungia prie judėjimo valdiklio. EtherCAT tapo vienu iš plačiausiai naudojamų šiam tikslui protokolų, nes jis užtikrina deterministinį, ciklo trukmės nuoseklų ryšį su atnaujinimo dažniu iki 250 mikrosekundžių. Daugiatakčiame sistemoje kiekvienas variklių valdymo įrenginys kiekviename ryšio cikle gauna savo padėties komandą tiksliai tuo pačiu metu, užtikrindamas, kad visos ašys pradėtų savo judėjimo atnaujinimus vienu metu.

Šis determinizmas skiria pramoninius lauko magistralės protokolus nuo standartinio Ethernet. Įprastoje tinkle paketų pristatymo laikas kinta neprognozuojamai, todėl skirtingi ašys gautų savo komandas šiek tiek skirtingais laiko momentais. Net kelios mikrosekundės svyravimai tarp ašių gali sukelti matomus kelio klaidų pasireiškimus aukšto greičio taikymuose. EtherCAT šią problemą pašalina naudodamas žiedinę topologiją, kur kiekvienas variklis perskaito ir įrašo savo duomenis, kai kadras praeina pro jį, o visas ciklas baigiamas tiksliai nustatytoje ir kartojamos trukmės laiko juostoje.

Servovarikliai ir variklių valdymo įrenginiai, suprojektuoti EtherCAT integracijai, apima įrangos sinchronizavimo funkcijas, pvz., paskirstytus laikrodžius, kurie suderina visų tinkle esančių variklių valdymo įrenginių vidinius laikmačius su nanosekundžių tikslumu. Šis laikrodžių suderinimas užtikrina, kad net jei ryšio ciklas sukeltų bet kokį delsą, visi variklių valdymo įrenginiai savo judėjimo atnaujinimus vykdytų tuo pačiu fizinio laiko momentu, taip išlaikydami tikslų tarp ašių sinchronizavimą visame judėjimo sekoje.

Kitos lauko magistralės parinktys ir jų kompromisiniai sprendimai

Nors EtherCAT yra lyderis aukštos našumo daugiapagalėse sistemose, varikliai su valdymo įtaisu ir jų valdikliai taip pat prieinami su kitų pramoninių protokolų palaikymu, įskaitant PROFINET, CANopen ir MECHATROLINK. Kiekvienas protokolas siūlo skirtingus kompromisus, susijusius su ciklo trukme, tinklo topologija ir valdiklių suderinamumu. Pavyzdžiui, CANopen gerai įsitvirtinęs paprastesnėse daugiapagalėse aplikacijose, kur priimtinos atnaujinimo dažnio reikšmės – keli milisekundės, o PROFINET IRT užtikrina deterministinį našumą, tinkamą vidutinio greičio koordinavimo užduotims.

Protokolo pasirinkimas veikia ne tik sinchronizavimo kokybę, bet ir sistemos architektūros sudėtingumą. Inžinieriai, parenkantys servorinius variklius ir variklių valdymo įrenginius naujai daugiagreičiui įrengimui, turi atsižvelgti į valdiklio natyvią protokolų palaikymo galimybę, koordinuojamų ašių skaičių, reikalaujamą atnaujinimo dažnį bei įmonėje esančią laidų infrastruktūrą. Teisingas šio pasirinkimo atlikimas projektavimo etape padeda išvengti brangių vėlesnių perdaromųjų darbų ir užtikrina, kad sistema galėtų būti išplėsta pridedant papildomas ašis ateityje.

Interpoliacijos režimai ir koordinuoto kelio vykdymas

Tiesinė ir apskritiminė interpoliacija per ašis

Daugiaašė koordinacija nėra tiesiog kiekvienos ašies nepriklausomo judėjimo į tikslinę poziciją. Daugumoje tikrųjų programų ašys turi judėti kartu palei apibrėžtą trajektoriją — tiesią liniją, lanką ar sudėtingą spline kreivę — kur judėjimo santykis tarp ašių nuolat keičiasi visame judėjimo procese. Tai vadinama interpoliacija, ir tai yra viena iš pagrindinių funkcijų, kurią turi palaikyti servoriniai varikliai ir variklių valdymo įrenginiai, kad būtų įmanoma tikroji daugiaašė koordinacija.

Tiesinėje interpoliacijoje judėjimo valdiklis apskaičiuoja reikiamą greičio santykį tarp ašių taip, kad visos ašys vienu metu pasiektų tikslinę poziciją, tuo pačiu braukdamos tiesią liniją bendroje judėjimo erdvėje. Dviejų ašių sistemoje, kur įrankis juda įstrižai, tai reiškia, kad X ir Y ašys turi pagreitinti, judėti ir sulėtinti tiksliai suderintu santykiu. Varikliai su valdymo įtaisais tai vykdo priimdami pozicijos komandas, kurios jau koduoja interpoliuotą trajektoriją, o kiekviename ryšio cikle atnaujindami savo pozicijos tikslus, kad tiksliai sektų nustatytą kelią.

Apskritiminė interpoliacija išplėčia šią sąvoką taikydama ją lankams ir apskritimams, reikalaudama, kad valdiklis nuolat perskaičiuotų kiekvienos ašies greičio komponentus, kai judėjimo kryptis keičiama. Kuo greitesnis judėjimas ir kuo mažesnis lankas, tuo sudėtingesnė tampa interpoliacija. Šiomis sąlygomis, ypač taikymuose, tokiuose kaip lazerinė pjovimo ar tikslus šlifavimas, kur kontūro tikslumas tiesiogiai veikia gaminio kokybę, būtini aukštos našumo servoriniai varikliai ir variklių valdymo įrenginiai su greitais ryšio ciklais ir maža uždelstamuoju laiku, kad būtų išlaikyta kelio tikslumas.

Elektroninis pavaros perdavimas ir kamlaukų profiliai

Toliau nei interpoliuoto kelio sekimas, servorajtukai ir variklių valdymo įrenginiai palaiko daugiakomponenčių ašių koordinavimą naudojant elektroninį pavaros perdavimą ir elektroninius krumpliaratius. Elektroninis pavaros perdavimas leidžia vienai ašiai sekti kitą ašį nustatyta santykiu, efektyviai pakeisdami mechaninį pavaros perdavimą programinės įrangos apibrėžtu ryšiu. Tai plačiai naudojama spausdinimo, perdirbimo ir vyniojimo taikymuose, kur sekančioji ašis turi tiksliai sekti vedančiąją ašį nustatytu greičio santykiu, kuris gali būti keičiamas skrydžio metu be mašinos sustabdymo.

Elektroniniai krumplių profiliai tai dar labiau išplėčia, nustatydami netiesinį ryšį tarp pagrindinės ašies padėties ir sekančiosios ašies padėties, kuris saugomas kaip atitikmenų lentelė arba matematinė funkcija variklyje ar valdiklyje. Kai pagrindinė ašis juda, sekančioji ašis vykdo sudėtingą judėjimo profilį, kurio būtų neįmanoma pasiekti naudojant fizinį krumplį. Pakankamai didelės apdorojimo galios ir atminties turintys servoriniai varikliai ir variklių valdikliai gali vykdyti šiuos krumplių profilius maksimaliu greičiu vienu metu palaikydami savo uždarosios kilpos padėties valdymą, leisdami kurti itin lankstų mašinų konstrukciją, kurią galima perkonfigūruoti tik programinės įrangos pagalba.

Daugiaašių mašinų sistemos architektūros svarstymai

Centrinė prieš išsklaidytąją valdymo architektūrą

Tai, kaip servorajai varikliai ir variklių valdymo įrenginiai yra organizuojami mašinos valdymo architektūroje, labai paveikia daugiagalių ašių koordinavimo kokybę. Centrualizuotoje architektūroje vienas judėjimo valdiklis atlieka visus interpoliacijos skaičiavimus ir per lauko autobuso tinklą siunčia pozicijos komandas kiekvienam variklių valdymo įrenginiui. Šis požiūris suteikia valdikliui pilną matomumą visų ašių atžvilgiu ir leidžia paprastai įgyvendinti sudėtingus koordinuotų judėjimų profilius, tačiau keliamos didelės reikalavimai valdiklio apdorojimo galiai ir tinklo ryšio greičiui.

Pasiskirstytoje architektūroje daugiau intelekto perduodama į atskirus variklius su pozicijos valdymu ir jų variklių valdiklius. Kiekvienas valdiklis gali apdoroti savo interpoliacijos segmentą arba vykdyti iš anksto įkeltą judėjimo programą, o centrinis valdiklis pateikia tik aukšto lygio koordinavimo signalus. Tai sumažina reikiamą ryšio juostos plotį ir gali pagerinti gedimų atsparumą, nes vieno valdiklio gedimas nebūtinai sustabdo visos sistemos veikimą. Šiuolaikiniai varikliai su pozicijos valdymu ir jų valdikliai vis dažniau palaiko abi šias architektūras, suteikdami mašinų gamintojams lankstumo pasirinkti tą požiūrį, kuris geriausiai atitinka jų taikomųjų sprendimų reikalavimus.

Derinimas ir paleidimas siekiant suderinto našumo

Net ir labiausiai pajėgūs servorajtukai ir variklių valdymo įrenginiai negali užtikrinti gerų daugiapračių koordinavimo rezultatų, jei jie netinkamai sureguliuoti. Kiekvienas ašis turi savo mechanines savybes — inerciją, trintį, lankstumą ir rezonanso dažnius, — kurias būtina atsižvelgti nustatant variklių valdymo įrenginių valdymo kontūro parametrus. Jei viena ašis sureguliuota per agresyviai, o kita – per konservatyviai, abi ašys vienodai komandų profilį įvykdys skirtingai, dėl to kyla kelio klaidų ir galima mechaninė įtampa sąnariuose ar jungtyse tarp ašių.

Šiuolaikiniai servoriniai varikliai ir variklių valdymo įrenginiai turi automatinio derinimo funkcijas, kurios išmatuoja mechaninę apkrovą ir automatiškai apskaičiuoja pradinius valdymo kontūro parametrus. Šios automatinio derinimo procedūros žymiai sumažina įdiegimo laiką daugiagalių mašinų atveju, tačiau paprastai jas sekia rankomis atliekamas tikslus derinimas, kad būtų optimizuota našumas konkrečioms mašinos vykdysimoms judėjimo trajektorijoms. Inžinieriai visada turėtų patikrinti koordinuotos trajektorijos tikslumą realiomis gamybos sąlygomis, o ne tik statinėmis ar lėto judėjimo bandymų sąlygomis, nes dinaminiai reiškiniai pasireiškia tik pilnu darbo greičiu.

Vibracijos slopinimo filtrai, įmontuoti į servomotorus ir variklių valdymo blokus, yra dar vienas svarbus daugiagalių sistemų derinimo įrankis. Mechaniniai rezonansai mašinos konstrukcijoje gali sukelti vienos ašies svyravimus, kurie tada per bendrus konstrukcinius elementus sutrikdo gretimas ašis. Valdymo bloke esantys įdubos filtrai ir žemo dažnio filtrai gali slopinti šiuos rezonansus be reikšmingo padėties valdymo kilpos juostos pločio sumažėjimo, leisdami sistemai pasiekti tiek didelę standumą, tiek sklandų koordinuotą judėjimą.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kas daro servomotorus ir variklių valdymo blokus geriau nei žingsniuojamuosius variklius daugiagalių sistemų koordinavimui?

Servo varikliai ir variklių valdymo įrenginiai naudoja uždarą kilpą, kad nuolat tikrintų ir taisyti padėtį, kas yra būtina, kai kelios ašys turi tiksliai sekti viena kitą. Žingsniniai varikliai veikia atviroje kilpoje ir negali patvirtinti savo faktinės padėties, todėl jie linkę prarasti žingsnius veikiant apkrovai. Daugiaašėse aplikacijose vieno žingsnio praradimas vienoje ašyje gali sukelti viso koordinuoto judėjimo trajektorijos nukrypimą, todėl reikalaujančioms koordinavimo užduotims standartinis pasirinkimas yra servo varikliai ir variklių valdymo įrenginiai.

Kaip EtherCAT pagerina daugiaašį sinchronizavimą palyginti su senesniais protokolais?

EtherCAT užtikrina deterministinį ryšį su ciklo trukmėmis iki 250 mikrosekundžių ir platinamąjį laikrodžių sinchronizavimą, tikslų iki nanosekundžių. Tai užtikrina, kad visi tinklo servomotorai ir variklių valdymo įrenginiai vienu metu gautų savo padėties komandas ir vykdytų judėjimo atnaujinimus, pašalinant laiko netikslumus (jitter), kurie būdingi senesniems protokolams. Rezultatas – geresnis tarp ašių sinchronizavimas ir tiksleresnė judėjimo trajektorija, ypač didelėmis greičiais, kai net nedidelės laiko skirtumų reikšmės sukelia matomus kontūro klaidų reiškinius.

Ar servomotorai ir variklių valdymo įrenginiai gali valdyti tiek padėties, tiek sukimo momento valdymą daugiaašiame sistemoje?

Taip. Servo varikliai ir variklių valdymo įrenginiai paprastai palaiko kelis valdymo režimus — padėties, greičio ir sukimo momento — ir gali dinamiškai perjungti tarp jų pagal judėjimo valdiklio komandas. Daugiapakopėse sistemose kai kurios ašys gali veikti padėties režimu, o kitos — sukimo momento režimu, priklausomai nuo taikymo srities. Pavyzdžiui, įtempimo valdymo taikymo srityje vyniojamosios ašies variklis gali veikti sukimo momento režimu, o padavimo ašies variklis — padėties režimu; servo varikliai ir jų valdymo įrenginiai derina savo išėjimus, kad visame procese būtų palaikomas nuolatinis medžiagos įtempimas.

Kiek ašių servo varikliai ir variklių valdymo įrenginiai gali koordinuoti vienu metu?

Ašių, kurias servomotorai ir variklių valdymo įrenginiai gali sinchronizuoti vienu metu, skaičius priklauso nuo judėjimo valdiklio apdorojimo galios ir ryšio tinklo pralaidumo. Šiuolaikinėse EtherCAT pagrindu veikiančiose sistemose įprasta sinchronizuoti 16, 32 ar net daugiau ašių viename sinchronizuotame tinkle, kai visos ašys gauna komandas per tą patį ryšio ciklą. Praktinis ribojimas dažniausiai nustatomas remiantis judėjimo profilių sudėtingumu ir valdiklio interpoliacijos galimybėmis, o ne pačiais servomotorais ir variklių valdymo įrenginiais, kurie yra suprojektuoti taip, kad jų našumas būtų proporcingas sistemos architektūrai.