Aktuální vydání

celé číslo

11

2020

Systémy řízení výroby a výrobních podniků

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

XPlanar: maximální flexibilita polohování s šesti stupni volnosti

Jezdce volně se vznášející nad plochou z dlaždic, které mohou být sestaveny do libovolného tvaru – to je převratný systém XPlanar od firmy Beckhoff s velkým potenciálem zjednodušení konstrukce výrobních strojů a zařízení. V tomto rozhovoru popisuje Uwe Prüßmeier, Senior Product Manager oddělení Drive Technology společnosti Beckhoff Automation, přínosy unikátního systému, který umožňuje přesné a dynamické polohování jezdců s výjimečnou flexibilitou.

 

Co charakterizuje nový pohonný systém XPlanar založený na principu „flying motion“ – vznášení se nad podkladovou plochou?

Systém XPlanar (obr. 1) je podobně jako lineární manipulační systém XTS více než jen pohonný systém – je to ucelené řešení navržené tak, aby byla manipulace s výrobky co nejflexibilnější. Ve srovnání s XTS však XPlanar přidává pohybu druhý rozměr a umožňuje jezdcům volně se vznášet nad plochou z dlaždic, navzájem se předjíždět, čekat ve vyrovnávacích zásobnících nebo je objíždět. Volně se vznášející jezdce mají další významné výhody: protože polohování je bezkontaktní, pohybují se velmi tiše a neopotřebovávají se.

 

Jaké funkce potřebné pro implementaci manipulačních úloh lze pomocí tohoto systému realizovat?

Tou základní je doprava produktu z jedné technologické stanice k druhé – z A do B, potom z B do C, z C do D a tak dále. Systém XPlanar však umožňuje, aby uspořádání těchto stanic nebylo nutně lineární a aby produkt mezi nimi nemusel být transportován v pevně dané sekvenci. To znamená, že daný produkt je dopravován jen k těm stanicím, kde na něm skutečně probíhají technologické operace. Druhý rozměr pohybu přináší do systému XPLanar nové funkce, včetně možnosti vyřazení individuálního jezdce z výrobního toku nebo vytvoření speciálních vyčkávacích zón pro optimalizaci technologické sekvence. Důležitá je také možnost předjetí pomalejšího jezdce rychlejším, protože tak je možné realizovat paralelní podprocesy potřebné pro urychlení celé výroby. Každý jezdec je řízen samostatně, jako jedna servoosa, ale všechny jezdce mohou být také, je-li to třeba, vzájemně přesně synchronizovány.

 

Jezdce se mohou pohybovat s šesti stupni volnosti. Jaké přednosti to přináší, zejména v technologických stanicích?

Jezdce se nejen mohou pohybovat k technologickým stanicím, ale mohou zajíždět i do nich. Mohou rovněž natáčet předmět, který nesou, ve všech třech osách (obr. 2). To usnadňuje například jeho prohlídku ze všech stran. Jezdce se totiž nejen mohou pohybovat v rovině, ale mohou se také v jistém omezeném rozsahu zvedat, spouštět nebo naklápět. Malé naklápění může například zabránit rozlití při prudkém rozjezdu jezdce, na němž je umístěna nádoba plná tekutiny.

 

Přestože systém XPlanar umožňuje realizovat složité pohyby, z pohledu uživatele se nastavuje a používá velmi jednoduše. Jak toho bylo dosaženo?

Už na začátku vývoje jsme se rozhodli, že systém má být vysoce integrovaný, aby uživatel mohl jen připojit dva kabely: jeden pro datovou komunikaci prostřednictvím sítě EtherCAT G a druhý napájecí. V důsledku toho jsou všechny ostatní funkce plně integrované v modulech. Systém je také mimořádně kompaktní z hlediska konstrukce: vzdálenost mezi pracovním povrchem plochých dlaždic a rámem jezdce, který se pohybuje nad ní, je 4 cm.

 

A stejně jednoduchý je výběr jednotlivých komponent systému XPlanar?

Ano. Systém se skládá ze základních komponent, plochých dlaždic o rozměrech 24 × 24 cm. Dlaždice je možné poskládat do jakékoliv plochy nebo dráhy. Kromě standardních dlaždic budou v budoucnu k dispozici rovněž dlaždice stejného tvaru a rozměrů, nad nimiž se budou moci jezdce otáčet v plném rozsahu, o 360°. Dostupné jezdce se liší jen svou velikostí, na níž závisí také jejich maximální nosnost (obr. 3). V současné době jsou k dispozici jezdce o rozměrech od 95 × 95 mm pro zatي‍enي do 0,4 kg do 275 × 275 mm pro zatي‍enي do 6 kg.

 

Klíčovou roli v usnadnění používání systému XPlanar hraje také software TwinCAT. Na co jste se zde zaměřili?

Naším hlavním cílem bylo zajistit, aby uživatelé mohli pohyby snadno ovládat. V prostředí TwinCAT se jezdce objeví jako jednoduché servoosy schopné v principu pohybu s šesti stupni volnosti. Ovšem v mnoha případech taková flexibilita není třeba a z hlediska praxe není nezbytné využívat všech šest stupňů volnosti – určitě ne ve všech částech systému XPlanar. TwinCAT proto umožňuje zjednodušení. Dosahuje se ho tím, že každý jezdec je reprezentován jako jednorozměrná osa s volitelnou možností doplňkových pohybů: zvedání, naklápění nebo otáčení, které jsou dostupné, když jezdec dosáhne technologické stanice. To znamená, že v úvodu stačí stanovit požadovanou trajektorii na ploše dané dlaždicemi; to výrazně zjednodušuje provoz.

Jak důležitá je při implementaci složitých pohybů funkce TwinCAT Track Management?

Klíčovým faktorem pro výjimečnou flexibilitu systému XPlanar je to, že umožňuje dopravovat produkty po dráze, která není limitována na začátku definovanou jedinou trajektorií. Můžete definovat dodatečné trajektorie a jezdce se mohou přesunout na libovolnou z nich. Aby to pro uživatele zůstalo jednoduché i v případě, že se využívají vícenásobné trajektorie, má TwinCAT funkci pro jejich správu, Track Management – výjimečně uživatelsky přívětivý nástroj pro podporu složitých pohybových sekvencí, včetně schopnosti předjíždět pomalejší jezdce na stejné dráze nebo je akumulovat ve vyčkávacích zónách. K tomu umožňuje uživatelům definovat paralelní trajektorie, objížďky nebo dráhy přejezdu do jiných oblastí plochy XPlanar. Funkce Track Management umožňuje jezdcům prostřednictvím krátkých paralelních segmentů hladce přejíždět z jedné trajektorie na druhou. Vše je realizováno příkazem „změň trajektorii“, bez toho, že by se uživatel musel zabývat specifickými problémy spojování a rozdvojování drah a zabráněním kolizím.

Jezdce mohou být také polohovány s úplnou volností, bez nutnosti sledovat předem danou trajektorii. V tom případě je prostřednictvím funkce Track Management jezdec jednoduše odeslán na zadanou pozici na aktivní ploše systému XPlanar – opět bez nutnosti zabývat se rizikem kolizí s jinými jezdci.

 

Jaké výhody má z hlediska uživatele to, že se plocha systému XPlanar skládá z jednotlivých dlaždic?

Také zde je v centru pozornosti flexibilita. Z dlaždic je možné vytvořit libovolný tvar, a dokonce je lze montovat i na stěnu nebo na strop, takže systém XPlanar může být snadno nakonfigurován tak, aby perfektně vyhovoval požadavkům zadané úlohy (obr. 4). Například můžete vynechat místo pro technologické stanice nebo plochu definovat tak, aby objížděla výrobní zařízení. To znamená, že uživatel může navrhnout manipulační systém tak, aby optimalizoval náklady a současně omezil zástavbový prostor výrobní linky. Navíc je možné systém následně snadno modifikovat jednoduše tím, že se přidají další dlaždice – například když je třeba obsloužit další technologickou stanici nebo získat více místa pro optimalizaci pohybu v zatáčkách.

 

Jak může uživatel nejlépe využít potenciál inovací spojených se systémem XPlanar?

Systém XPlanar ukazuje konstruktérům strojů a zařízení nové cesty. Uživatelé si potřebují možnosti nového systému doslova osahat, a proto jsme na trh uvedli jednoduché zkušební sady, stejně jako jsme to udělali při uvedení systému XTS. Sady se skládají ze šesti až dvanácti dlaždic instalovaných v nosném rámu, čtyř jezdců a malého rozváděče s řídicím systémem, který zahrnuje průmyslové PC s předem nainstalovaným softwarem a všechny potřebné elektrické komponenty. Pro výrobce strojů je to ideální základ, na němž si mohou vyzkoušet systém XPlanar ve vlastním prostředí a využít jej v pozdějších projektech v praxi. Nabídka tohoto předem nakonfigurovaného systému navíc usnadňuje technikům podpory firmy Beckhoff zodpovídání otázek, které se mohou při implementaci vyskytnout.

Pro které průmyslové oblasti je systém XPlanar nejvhodnější a jaké jsou typické příklady použití?

Možnosti jeho využití ve výrobních linkách jsou téměř neomezené. Jediným omezením je, aby hmotnost a rozměry přepravovaného předmětu nepřesáhly maximální hodnoty, které je jezdec schopen uvézt. Tam, kde je to splněno, mohou uživatelé ocenit všechny možnosti tohoto vysoce flexibilního transportního systému. Zvláště zajímavý je tento systém pro obory se speciálními požadavky na hygienu a možnosti sanitace, pro provozy, kde nesmí dojít ke znečištění okolního prostředí, a tam, kde je požadována malá hlučnost. To je především případ potravinářského a farmaceutického průmyslu, stejně jako laboratoří nebo oborů, kde se pracuje s va­kuem, jako je například výroba polovodičových součástek. Uživatelé z dvou posledně jmenovaných oborů ocení také to, že se vznášející se jezdce pohybují bez abraze a neznečisťují okolní prostředí. Podle požadavků dané úlohy mohou uživatelé dlaždice zakrýt plastovou fólií nebo fólií z korozivzdorné oceli, popřípadě tenkou skleněnou deskou, To usnadňuje čištění bez nebezpečí ulpívání nečistot mezi dlaždicemi.

 

Systém XPlanar byl poprvé představen na veletrhu SPS IPC Drives v Norimberku v listopadu 2018. Jakou zpětnou vazbu máte od návštěvníků veletrhů a dalších zájemců o tuto inovaci?

Exponát vyvolal mezi návštěvníky velkou pozornost; zrodilo se také mnoho nápadů, jak jej využít, protože mnoho uživatelů už léta hledá flexibilní řešení, které by umožnilo v jejich závodech vyřešit specifické problémy při transportu výrobků. Zde je příklad z potravinářství: při výrobě vysoce kvalitních pralinek má povrch čokolády vždy drobné odchylky v odstínu. Z hlediska kvality to není žádný problém, jen je žádoucí, aby v jedné krabici měly stejné pralinky stejný odstín. Ovšem při výrobě 100 pralinek za minutu je výběr čokolád o stejném odstínu prostřednictvím konvenčních metod těžko realizovatelný. Může to vyžadovat využití několika robotů pick and place, které budou pralinky třídit, a takové řešení je náročné na čas i zabraný prostor, je nákladné a snižuje propustnost výrobní linky. Problém je možné mnohem efektivněji vyřešit individuálně řízenými jezdci pohybujícími se na společné ploše. Jezdce přepravující jednotlivé pralinky je mohou na konci výrobní linky mnohem snáze třídit podle jejich odstínu. Nebo mohou přepravovat celé krabičky. Každý jezdec automaticky přijede k tomu místu, kde stroj právě vyrobil pralinku požadovaného odstínu, a pralinka je vložena do krabičky. Systémy navržené podle obou těchto přístupů mohou být realizovány mnohem rychleji, a co je důležité, s menšími požadavky na prostor zástavby, než má například uvedené řešení s roboty.

 

Existují další příklady, kde se využije velká flexibilita systému XPlanar?

Už jsme dostali specifický požadavek z oblasti automatizace provozu laboratoří, kde mají velký zájem o zvýšení flexibility analýz. U většiny vzorků se zkoumá obsah stejných sloučenin, ale pro individualizovanou diagnostiku je třeba realizovat i méně běžné analýzy. Ovšem také u hromadně prováděných analýz nabízí XPlanar výhodu snadné extrakce jednotlivých vzorků; nese to s sebou i zvýšení kvality tím, že je možné vzorek snadno propustit nebo vyměnit konkrétní vzorky například při srovnání. Podobný požadavek přišel i z kosmetického průmyslu. Například v jednom konkrétním případě je třeba plnit stejné voňavky do různých lahviček, vybraných podle požadavků zákazníků. Jednotlivé lahvičky s parfémy jsou potom individuálně označeny a zabaleny.

 

Jak se liší užití systémů XPlanar a XTS?

Hlavní rozdíl je v tom, že jezdce systému XPlanar nepotřebují mechanické vedení, takže systém je z hlediska pohybu výrazně flexibilnější. Mechanické vedení systému XTS však může být i výhodou. Na rozdíl od vazby tvořené magnetickou silou u jezdců systému XPlanar umožňuje vodicí kolejnice dosáhnout větší dynamiky pohybu a rychlejšího pohybu v zatáčkách, zvláště v těch ostrých, a to i při zatížení. Specifika dané úlohy určují, který z uvedených dvou systémů je lepší volbou. Shrnuto, systémy XPlanar a XTS se navzájem výborně doplňují.

 (Rozhovor vedl Stefan Ziegler z oddělení správy redakce PR společnosti Beck­hoff Automation.)

 

(Beckhoff Automation)

Obr. 1. Systém XPlanar: volně levitující jezdce nad dlaždicemi, řídicí systém a software

Obr. 2. Jezdce se mohou pohybovat se šesti stupni volnosti

Obr. 3. Dostupné jezdce se liší jen svou velikostí, na níž závisí také jejich maximální nosnost

Obr. 4. Z dlaždic lze skládat různé tvary dráhy

Obr. 5. Příklady použití systému XPlanar – výroba elektroniky, potravinářství, laboratorní analýzy