Aktuální vydání

celé číslo

10

2019

Automatizace v chemii a petrochemii

Hladinoměry

celé číslo

Koordinované pohyby

Automa 9/2001

Dipl. Ing. Frank Jochim, Lenze, GmbH & Co KG, Hammeln

Koordinované pohyby

Stále rychlejší řídicí integrované obvody přinášejí stále více „inteligence“ do regulátoru pohonů. Implementací technologických funkcí do těchto obvodů udělala firma Lenze rozhodující krok ke zjednodušení automatizace výrobních strojů.

Vačkové řízení a PLC v regulátoru pohonu
Výrobní stroje musí v celkovém postupu zpracování výrobku vykonat mnoho kroků. Z požadavků na stálé snižování cen za kus plyne poptávka po stále rychlejších a flexibilnějších strojích. Zpočátku lze jejich rychlost zvyšovat tím, že se v nich používají stále rychlejší pohony. Brzy však konstruktér narazí na přirozené meze, dané momenty setrvačnosti pohybujících se dílů.

Obr. 1.

Aby bylo možné rychlost strojů dále zvyšovat, musí být zlepšena možnost koordinovat pohyby jednotlivých mechanismů, z nichž se stroj skládá. Když konstruktéři strojů na tento problém narazili, vyřešili jej tím, že pro lepší koordinaci pohybů vyvinuli mechanické kotoučové vačky, které jsou uspořádány na hlavním hřídeli. Křivka vačky přesně popisuje pohyb mechanismu. Sled pohybů, popř. i současné vykonávání pohybů v postupu výroby lze nastavit tím, že se mění vzájemné posunutí vačkových kotoučů na hlavním hřídeli. Také rychlost stroje se může jednoduše změnit tím, že se hlavní hřídel pohání rychleji nebo pomaleji.

Vačkové stroje mohou ve srovnání s klasickými stroji dosáhnout značně vyšší produktivity. Nevýhodou tohoto systému však je velmi komplikovaný mechanický systém. Ani výpočet vačkových kotoučů není snadný – je třeba brát v úvahu nejen trajektorii pohybu a rychlost, ale také zrychlení, neboť jeho prudké změny způsobují rychlé opotřebení mechanických dílů. Optimalizace stroje je nákladná, protože při změně uspořádání je nutné pro každý mechanismus stroje vyrobit nový vačkový kotouč. Kromě toho mají vačkové stroje extrémně dlouhou dobu přípravy při změně výroby – změna výroby znamená, že se vačkové kotouče musejí vyměnit. Na takových strojích se vyplatí vyrábět pouze velké výrobní dávky.

Aby bylo možné zvýšit flexibilitu strojů, byla vyvinuta tzv. elektronická vačka. Místo profilu vačky zde funguje soubor dat uložený v paměti řídicího obvodu. Stále rychlejší a výkonnější mikroprocesory a řídicí integrované obvody přinášejí do regulátorů pohonu stále více inteligence. Tak mohou regulátory pohonu přebírat i složité úkoly. Jestliže před několika roky musela koordinování pohonů zajistit nadřazená řídicí jednotka, může nyní tento úkol převzít i regulátor pohonu. Již dlouho není využíván celý výpočetní výkon řídicího integrovaného obvodu pouze pro regulaci motoru. Tak mohly být využity např. existující kapacity obvodu pro integrování jednotky PLC do regulátoru pohonu (tzv. Servo-PLC, Servo – Programmable Logic Controller). Mimo to mohou být v regulátoru pohonu uloženy celé datové soubory vztahující se k jednotlivým výrobkům.

Firma Lenze udělala implementováním technologických funkcí do regulátoru pohonu 9300 a vytvořením zařízení nazývaného „servo-vačka“ rozhodující krok ke zjednodušení automatizace strojů.

Pohyby moderních strojů, na nichž je použita „servo-vačka“ se již nekoordinují pomocí vyhodnocování stavových signálů a generování řídicích signálů. Nyní se mechanismy jednoduše koordinují pomocí tzv. řídicího úhlu. Na tento řídicí úhel jsou všechny pohony vyrovnány. Odpadá tak hlavní hřídel s hlavním pohonem, který je znám z mechanických koncepcí strojů. Hlavní hřídel je nahrazen decentralizovanými regulátory pohonu, které jsou propojeny do sítě přes datovou sběrnici CAN. Nákladná přesná mechanika vačkových rozvodů se tak stává zbytečnou.

V paměti řídicího obvodu lze uložit několik datových souborů s různými křivkami (až osm křivek), a proto je možné na jednom stroji vyrábět větší počet různých výrobků. Doby přípravy jsou minimální, protože při přechodu na jiný výrobek stačí přepnout uložená data. Změnit datovou sadu lze za dobu kratší než 1 ms.

Obr. 2.

Náklady na vývoj a uvádění do provozu je možné snížit také pro to, že stroje mohou být řízeny i ručně. Je možné velmi rychle přezkoušet, zda jsou pohyby všech mechanismů vzájemně koordinovány a synchronizovány, nebo zda může nastat kolize. Pro tento postup stačí pouze připojit k hlavnímu pohonu (master) inkrementální snímač s rohatkou a západkou, tzv. zadávací kolečko. Tímto ručně ovládaným kolečkem lze velmi pomalu řídit celý stroj a jeho jednotlivé části vpřed a zpět. Když se kolečkem nepohybuje, zůstává stroj stát.

Aby stroj dosáhl co možná nejvyšší rychlosti taktování, je možné profily pohybu na každé ose navzájem posouvat. Tak je možné velmi jednoduše empiricky stanovit optimální synchronizaci pohybů. Stroj s mechanickými součástmi by se musel nejprve zastavit, pak by bylo třeba namontovat jiné vačkové kotouče a znovu testovat funkci. Při digitalizovaném řízení je možné realizovat pohyby ve všech osách pomocí přímého zadávání dat, ručním kolečkem nebo potenciometrem.

Zdvih pohonu (tj. rozsah pohybu) se může rovněž nastavit přímo, bez vytváření nového profilu pohybu, pomocí funkcí prodloužení a zkrácení. S touto koncepcí je možné zvýšit takt strojů až asi o 100 %.

Funkce PLC jsou nutné již jen pro monitorovací a zvláštní funkce. Zvláštní funkce mohou např. mechanismy, které se na výrobě určitého produktu nepodílejí, např. odsunout do bezpečné polohy nebo je odpojit od skupiny pohonů. Mechanismy, které právě nejsou potřebné, není nutné demontovat.

Jednoduchá tvorba křivky
Profily pohybu (obrysy vaček) lze velmi jednoduše vytvořit na PC pomocí softwarového nástroje Global Drive Control CamDesigner. Vačky se vytvářejí a optimalizují v grafickém prostředí. Přitom je každý profil pohybu vytvářen v kartézském souřadnicovém systému (osy X a Y). Vytvořené profily pohybu mohou být kdykoliv změněny a opravené hodnoty prostřednictvím sběrnice zadány do regulátoru.

Osa X je často definována v rozsahu od 0° do 360°. To znamená, že když se (virtuální) hlavní hřídel otočí jednou kolem své osy, je ukončen výrobní proces jednoho výrobku. V zásadě může být osa X a také Y definována v libovolných jednotkách a v libovolném dělení. Zadání profilu pohybu v CamDesigner je velmi jednoduché, protože se ručně zadávají jen skutečně relevantní části určitého profilu pohybu. Zbývající části křivky doplňuje Camdesigner automaticky. Využívá přitom metodu neuronových sítí.

Pro automatické generování profilu pohybu používá CamDesigner polynomy pátého stupně. Tím automaticky vznikají průběhy zrychlení bez rázů, což přispívá k omezení namáhání mechanické části. Každý vytvořený profil pohybu je možné dodatečně velmi jednoduše změnit stejným způsobem, jakým byly profily pohybu vytvořeny. Takto je možné pohyby strojů rychle a pohodlně optimalizovat.

Obr. 3.

Pomocí této koncepce už bylo vyřešeno mnoho aplikací, jako třeba u strojů na zpracování dřeva, balících strojů, strojů pro vázání knih, lakovacích zařízení, přičemž vždy bylo dosaženo snížení nákladů nebo zlepšení užitných vlastností.

Koordinace pomocí nadřízeného pohonu
V elektronických koncepcích strojů je jeden regulátor pohybu definován jako nadřízená jednotka (master), která přebírá funkci hlavního hřídele. Může se jím stát každý měnič firmy Lenze. Master kromě svých vlastních úkolů řízení pohybu vytváří virtuální osu X – hlavní hřídel. Osa X může být také vytvořena libovolným jiným systémem (třeba programovatelným generátorem řídicího úhlu nebo pomocí externího masteru). Osa X se souběžně (synchronizována s taktem) vysílá na všechny podřízené jednotky (slave), které se podle ní synchronizují. Stroje, jejichž pohyby byly dříve koordinovány přes PLC, mohou dosáhnout při použití elektronické vačky od Lenze zřetelně vyšších taktových rychlostí.

Výhody elektronické vačky
Náklady na vývoj a optimalizaci určitého stroje se mohou díky použití elektronické vačky zřetelně snížit, protože profily pohybů je možné snadno a velmi rychle změnit. Při vytváření profilu pohybu nevznikají v podstatě žádné čekací doby. Pomocí inteligentního a snadno ovládaného nástroje CamDesigner si může koncový zákazník sám jednoduše přizpůsobit profily pohybu a připravit stroj pro nové výrobky.

Funkce, které bylo možné s mechanickým vačkovým kotoučem řešit jen stěží, mohou být nyní realizovány podstatně jednodušeji: změna zdvihu pohonu, přesunutí pohybových profilů navzájem, přísuv materiálu apod.

Lenze
Antriebstechnik G.m.b.H.
ul. 17. listopadu 510
CZ - 549 41 Červený Kostelec
Tel.: 0441 - 467 111
Fax: 0441 - 467 166
E-mail: lenze@lenze.cz