Zwiększenie wydajności kontroli ruchu układów bramowych z dwuosiowymi napędami COPLEY Plus.

Zwiększenie wydajności systemu z napędami COPLEY Plus

Osie połączone w układ bramowy, czyli takie, w których ruch jednej osi liniowej napędzany jest dwoma silnikami, odgrywają ważną rolę w różnych zastosowaniach, takich jak plotery frezujące i obrabiarki CNC, montaż, aplikacje pick-and-place i wiele innych. Wymagają one ścisłej koordynacji ruchu obu silników. Nawet małe rozbieżności we współbieżnym przemieszczaniu bramy przez silniki mogą powodować opory ruchu oraz naprężenia mechaniczne układu zmniejszające dokładność. Powoduje to nierównomierny ruch, a nawet może prowadzić do całkowitego zatrzymania bramy. Wyspecjalizowane napędy z wbudowanymi funkcjami kontroli ruchu układów bramowych mogą zapobiegać tym problemom przy jednoczesnym usprawnieniu procesu projektowania i uruchamiania układów wieloosiowych.

Zwiększenie wydajności systemu

Układy wieloosiowe są zwykle kontrolowane sterownikiem nadrzędnym (sterownik PLC lub kontroler ruchu) lub sterowaniem rozproszonym (w architekturze master-slave). Problem polega na tym, że obie te opcje wprowadzają opóźnienia sygnału sterującego. Dwuosiowe napędy silników zapewniają bardziej efektywne rozwiązanie. W napędzie Copley serii Plus sygnał sterujący jest przesyłany jednocześnie do obydwu osi przy opóźnieniach rzędu zaledwie kilkuset nanosekund. 

Zdjęcie 2-osiowego napędu Copley Xenus XE2-230-20

Istnieje kilka technik poprawienia dokładności pozycjonowania i minimalizowania oporów oraz zacięć w układach bramowych. Niżej zostaną one wymienione w kolejności rosnącej dokładności i skuteczności:

Metoda 1: Proste przekazywanie do obu napędów tych samych sygnałów sterujących lub synchronizacja timerów wewnętrznych (w przypadku kontroli napędów w sieci FieldBus) prowadzące do nakazania dojazdu obu silników do tej samej pozycji w tym samym czasie. Ta technika może być stosowana w przypadku niezależnych napędów silników. Nie jest ona skuteczna w aplikacjach wymagających wysokich prędkości lub dokładności. Napędy dwuosiowe zapewniają lepszą wydajność.

Metoda 2: Aby pozycje osi nadążały za sobą w mechanicznie luźnym układzie, można zastosować sprzężenie zwrotne krzyżowe. Błąd z osi 1. jest podawany do osi 2. powodując, że oś 2. zmienia prędkość w celu skoordynowania ruchu z osią 1. (patrz wideo poniżej). Rezultatem jest zwiększona dokładność i minimalne naprężenia układu. Technika ta może być stosowana ze sterowaniem scentralizowanym i rozproszonym, niemniej jednak obydwa wprowadzają opóźnienia. Sprzężenie krzyżowe bezpośrednio w napędzie dwuosiowym pozwala wewnętrznym algorytmom tuningu dopasować wydajność jednej osi do drugiej, jak pokazuje to poniższe nagranie.

Sprzężenie krzyżowe z 2-osiowym napędem Copley:

https://www.youtube.com/watch?v=XXc6s0l-tfo&t=602s

Metoda 3: W układach mechanicznie naprężonych, narażonych na zjawisko „walczących" osi, może być zastosowana równoległa kontrola prądów silników. Osie w sztywnych systemach bramowych z natury będą ze sobą konkurować z powodu błędu enkodera lub położenia mechanicznego, odczytywanego przez dwa napędy. Jest to szczególnie widoczne przy zwiększeniu członu całkującego regulatora, co może doprowadzić do wysterowania maksymalnego prądu gdy jedna oś jest popychana do przodu, a druga do tyłu.

Metoda 4: Bezpośrednia korekta enkodera, która może poprawić powtarzalność pozycji, zwiększyć dokładność i znacząco zredukować naprężenia mechaniczne układu z powodu błędu pozycji.

Przy prawidłowym dopasowaniu techniki do aplikacji, powyższe zabiegi mogą być bardzo skuteczne. Niestety równoczesne wykonanie kilku z nich może być trudne technicznie. Aby uprościć implementację takiego sterowania, we wszystkich napędach linii Copley Plus z procesorami FPGA, dostępna jest funkcja korekty enkodera.

Tabele korekcji błędów

Jakość kontroli pozycjonowania, jaką może osiągnąć serwonapęd, jest ograniczona rozdzielczością i dokładnością danych odczytanych z enkodera. Błędy enkodera można podzielić na błędy wewnętrzne wprowadzone podczas jego produkcji i montażu (np. błędy tarczy kodującej, nieliniowości elektroniki, brak osiowości mechanicznej itp.) i błędy podczas instalacji (np. nieosiowy montaż, brak równoległości prowadzenia itp.). Metodą korekcji tego jest pomiar błędów enkodera i wygenerowanie tabel wartości kompensujących, które napęd może zastosować, aby je skorygować w czasie rzeczywistym. Jest to metoda zaimplementowana w napędach Copley.

Tabela kompensująca jest plikiem w formacie binarnym, który jest przesyłany do wewnętrznego systemu plików dwuosiowego napędu Copley. Plik ten składa się z krótkiej sekcji nagłówka, po której podawana jest lista przesunięć (offsetów), które zostaną dodane do informacji o pozycji odczytanych z enkodera. Wynikowe wartości (pozycja z enkodera plus offset) zostaną użyte zamiast danych odczytanych bezpośrednio z enkodera. Dzięki temu napęd może kompensować znane błędy w danych pozycji enkodera. Regulacja położenia jest interpolowana liniowo z zawartości pliku, a wynik jest dodawany do pierwotnej pozycji z kodera.

Tabela korekcji błędów może znacznie zmniejszyć błąd pozycji. Na przykład oś liniowa o skoku 350 mm, która miała powtarzalność +/- 2 µm, ale dokładność na całym skoku ponad 130um, została skompensowana tak, że dokładność była zgodna z powtarzalnością +/- 2 µm. Jednak, aby było to skuteczne, częstotliwość aktualizacji funkcji błędu musi odpowiadać prędkości układu. Chociaż technika ta może być używana ze scentralizowanym lub rozproszonym sterowaniem, architektury te wprowadzają opóźnienia komunikacyjne. W napędach dwuosiowych Copley korekcja błędów enkodera jest wykonywana od razu w firmware napędu. W rezultacie sprzężenie zwrotne jest korygowane w czasie aktualizacji pętli pozycji, czyli 250 µs.

Przeprowadzenie korekcji błędów w napędzie dwuosiowym przynosi kolejną korzyść, polegającą na zastosowaniu korekcji błędów do obu osi z opóxnieniem do kilkuset pikosekund. W rezultacie układ sterowany napędem dwuosiowym wykazuje mniejsze drgania i ma krótszy czas odpowiedzi niż przy sterowaniu z PLC lub rozproszonym.

Bramowe układy przeniesienia ruchu odgrywają istotną rolę w wielu różnych zastosowaniach, a techniki opisane powyżej mogą znacząco wpłynąć na ich wydajność. Korzystając z wbudowanych funkcji napędów Copley Plus, popartych narzędziami zaimplementowanymi w oprogramowaniu konfiguracyjnym napędów Copley Controls, producenci maszyn i integratorzy mogą małym nakładem czasu i pracy osiągnąć wysoką wydajność układu kontroli ruchu, co pozwala skoncentrować wysiłki ich myśli inżynieryjnej na tych funkcjach produktu, które zwiększają jego konkurencyjność na rynku.

Dean Crumlish
Applications and Product Manager
Copley Controls - Division of Analogic Corporation

tłum. Multiprojekt Automatyka