Dobór systemu serwonapędowego

Na co trzeba zwrócić uwagę wybierając serwosilnik? Jaka powinna być jego wielkość, aby w pełni wykorzystać jego możliwości i co zrobić, aby był kompatybilny z aplikacją? Jaki typ sterowania serwonapędem będzie najlepszy?

W poniższym artykule pojawią się odpowiedzi na te i inne pytania dotyczące wyboru serwonapędu. Przyjrzymy się mu również pod kątem właściwości mechanicznych i sposobu sterowania.

Dobór pod kątem właściwości mechanicznych

Najważniejszymi parametrami określającymi serwonapęd są powiązane ze sobą prędkość obrotowa, moment siły i moc. Zwykle prędkość serwonapędów wynosi 1500 – 3000 obr/min, znając maksymalną szybkość, z jaką ma być realizowany ruch mechanizmu, da się wyliczyć stopień przełożenia przekładni. Choć czasami w aplikacjach nie występują przekładnie to i tak dobór pod kątem prędkości przebiega w prosty sposób.

Wyliczając prędkość i przełożenie trzeba pamiętać o układzie kinematyki (choćbyprzy ruchu liniowym realizowanym przy użyciu śruby napędowej zawsze należy uwzględnić jej skok). Możliwości serwonapędu będą natomiast w pełni wykorzystane tylko wtedy, gdy zostanie dobrane takie przełożenie, które zapewni prędkość obrotową serwosilnika zbliżoną do prędkości znamionowej.

Ponadto wybór serwonapędu powinien być oparty o taki moment siły, aby umożliwiał pokonanie oporów stałych (tj. opór tarcia, opór wynikający z grawitacji) i zmiennych (to w istocie zmieniające się obciążenia serwosilnika). Drugi typ oporów powstaje w wyniku rozpędzenia i hamowania osi - im więc krótszy cykl czasu przy produkcji detalu chce się uzyskać, tym większy moment siły musi mieć serwonapęd. W tym celu należy zastosować przekładnie obniżającą prędkość lub użyć mniejszego i tańszego serwonapędu.

Poza znamionowym momentem siły dla serwonapędów zwykle wskazuje się również moment szczytowy. Jego chwilowe przeciążenie (praca z momentem siły większym od znamionowego) jest dozwolone tylko kiedy dopuszcza się pracę ruchem przerywanym, czyli praca/postój. Ważne jednak, aby potem serwonapęd mógł pracować z niskim momentem siły lub pozostał przez pewien czas w spoczynku. Wszystko zależy oczywiście od tego jak duże i ile trwało przeciążenie. Dla przykładu serwonapędy Astraada SRV mają zakres momentu siły od 0,64 Nm do 35 Nm, a Sanyo-Denki wynosi on od 0,64 Nm do 9,5 Nm.

Wybierając serwonapęd, warto również wziąć pod uwagę stosunek inercji obciążenia zredukowanego na wał silnika, do inercji wirnika serwosilnika. Zwykle stosunek ten nie może być większyniż 10:1, w innym razie serwonapęd będzie miał problemy z utrzymaniem prędkości i pozycji. Suma inercji obciążenia zredukowanych na wał silnika, powinna zostać wyznaczona i następnie porównana z danymi katalogowymi.

Istotnym parametrem w aplikacjach, gdzie jedna oś przesuwa inną oś jest jak najmniejsza masa serwosilnika, a także wymiary. Dobrym przykładem udanego projektu są serwosilniki firmy Sanyo-Denki. Konstruktorom udało się zmniejszyć ich długość o 30%, w stosunku do dostępnych obecnie i oferowanych przez innych producentów serwosilników.

Warto pamiętać o tym, że w wielu maszynach konieczne jest przeprowadzanie kalibracji, czyli ustalenie pozycji startowej. Aby nie trzeba było robić tego za każdym razem, kiedy zostanie wyłączone zasilanie, konieczne jest zainstalowanie enkodera z podtrzymaniem (tzw. enkoder absolutny). Nie tylko bowiem zapamięta pozycję po wyłączeniu zasilania, ale też będzie śledził ewentualne przemieszczenie osi podczas wyłączenia zasilania.

Zwykle aplikacje posiadają serwosilniki o odporności środowiskowej IP65. Czasami jednak trzeba zastosować wyższy stopień odporności. W serwonapędach Sanyo-Denki wynosi on na przykład IP67. Jeśli chodzi o temperaturę pracy sprawa wygląda podobnie. Najczęściej zakres oscyluje w granicach od 0 do 45°C. Wyższy mają choćby serwowzmacniacze Sanyo-Denki - od 0°C do aż 55°C

Czasami warto też rozważyć zastosowanie zewnętrznego rezystora do rozpraszania energii i hamulca statycznego. Zwłaszcza w aplikacjach, które kumulują dużą ilość energii, takich jak na przykład wykonujących ruch w górę i w dół. Rezystor umożliwi odprowadzenie nadmiaru energii z serwonapedu. Z kolei hamulec pozwoli na zaoszczędzenie energii, a także w przypadku utraty zasilania zablokowanie mechaniki. Co pozwoli zabezpieczyć narządzie i uchronić detal przed uszkodzeniem, które mogłoby się pojawić po jego nagłym opadnięciu w momencie awarii zasilania maszyny.

Dobór pod kątem sposobu sterowania

Pracą serwonapędu można sterować na kilka sposobów. Wszystko zależy od jego możliwości i potrzeb danej aplikacji. Do najpopularniejszych należą:

• sterowanie sygnałem analogowym,
• sterowanie sygnałami „impulsy + kierunek”,
• uruchamianie wcześniej zdefiniowanych ruchów, zapisanych w pamięci serwowzmacniacza,
• kontrola za pomocą łącza komunikacyjnego.

Przy silnikach krokowych stosuje się zwykle sterowanie poprzez zadawanie impulsów i kierunku ruchu. Sterowniki serii VersaMax Micro lub Horner APG są dobrym przykładem sterowników generujących sygnał dla serwonapędu za pomocą szybkich wejść. Mają nie tylko standardowe wejścia i wyjścia, ale też wyjścia generujące szybkie impulsy. Dodatkowo mają możliwość płynnego rozpędzania i hamowania osi (programowo realizują tzw. rampę).

Warto w tym miejscu dodać, że wspomniane dwa sposoby sterowania, czyli przez sygnał analogowy i „impulsy + kierunek” realizuje serwonapęd Astraada SRV w wersji Standard lub seria RS3 (3E Model) produkcji Sanyo-Denki.

Sterowanie za pomocą pamięci serwowzmacniacza to tani i prosty sposób na uruchamianie ruchów. Wystarczy tylko zaprogramować pozycje jakie chce się osiągnąć. Przełączniki albo prosty sterownik z wejściem i wyjściem dwustanowym pozwolą na wybór numeru ruchu i na jego uruchomienie. Wyjścia serwonapędu wykorzystuje się natomiast do uzyskania informacji na temat tego czy ruch jest w trakcie realizacji, czy się zakończył i można zadecydować o przejściu do następnej fazy cyklu produkcyjnego. Co istotne prędkości oraz przyspieszenia dla poszczególnych ruchów mogą być stałe lub też można je zmieniać. Bez problemu uda się to zrobić wykorzystując do tego łącze szeregowe i protokołu Modbus RTU (tak jest w przypadku serwonapędów Astraada SRV w wersji Standard).

Przykładem sterowania serwonapędem za pomocą magistrali komunikacyjnej jest zadawanie parametrów ruchu z użyciem protokołu Modbus RTU. Jego wadą jest wolne łącze i protokół. Automatycy mający większe potrzeby wolą korzystać z lepszego łącza komunikacyjnego jakim jest EtherCAT. W tym wypadku potrzebny będzie też sterownik z portem EtherCAT Master. Sieć komunikacyjna EtherCAT jest niezwykle szybka i wykorzystywana jest zarówno do sterowania pojedynczym serwonapędem, jak i rozproszonym wieloosiowym układem. Polecanym sterownikiem jest Astraada ONE, a serwonapędem wyposażonym w port EtherCAT – Astraada SRV w wersji EtherCAT lub seria RS2 (Advanced Model) firmy Sanyo-Denki. Stosujący rozległe maszyny wiedzą, że dobrze mieć możliwość rozproszenia serwonapędów na danym obszarze. Pozwala to uniknąć plątaniny długich kabli - do następnego serwonapędu trzeba doprowadzić tylko jeden kabel komunikacyjny i zasilanie.

Dobór pod kątem możliwości programowych

W tekście wspomniano już o układach mających proste sterowniki PLC i znacznie bardziej zaawansowanych bazujących na sterowaniu poprzez sieć EtherCAT. Te drugie wyposaża się w licencję SoftMotion, pozwalającą na programowanie w języku PLCopen. Jest on obecnie standardem w programowaniu serwonapędów. Ponadto licencje te pozwalają na sterowanie wieloma osiami w zsynchronizowany sposób. Pisane programu zgodnego z PLCopen to ułatwienie dla programisty – może korzystać wtedy z gotowych, przemyślanych bloków funkcyjnych. Dodatkowo jest już rozpowszechniony, stosują go rożni producenci serwonapędow więc dla programisty nie będzie raczej czymś nowym. Wykorzystując ten standard oprogramowania można na przykład wydać polecenie ruchów synchronicznych wykonywanych na podstawie sprzężenia nadążnego i elektrycznych krzywek CAM.

Licencja „SoftMotion + CNC”stanowi z kolei rozwinięcie wspomnianej licencji oprogramowania. Wykorzystuje się ją do pisania programów, które bazują na G-CODE. Do tego ułatwia i upraszcza prace programistyczne, ponieważ bierze pod uwagę kinematykę maszyny. Ruch o trajektorii łuku wymaga wydania tylko jednego polecenia programowego w znormalizowanym języku G-CODE. Żeby nie pisać programu w języku G-CODE można również spróbować skorzystać z gotowych rozwiązań generujących kody na podstawie rysunku technicznego.

Typy aplikacji jako przykładowe zastosowania

Do czego stosowane są w praktyce rożne typy serwonapędów i jak wykorzystywane są sposoby sterowania? Dobre przykłady z pewnością pomogą w lepszym rozeznaniu w temacie.

Aplikacja, która stosuje sterowanie prędkością przy użyciu sygnału analogowego to choćby napęd taśmociągu lub wózka mający obciążenie zmienne. Klasyczny silnik sterowany przetwornicą częstotliwości, z dużą dozą prawdopodobieństwa, byłby w tym wypadku nieskuteczny przy dużych zmianach obciążenia. Serwonapęd wyposażony w sprzężenie zwrotne może za to, nieustannie dopasowywać się do panujących w danym momencie warunków i umożliwia utrzymywanie stałej prędkości.

Sterowanie sygnałem analogowym sprawdza się również przy dociskaniu elementów, wciskaniu czy dokręcaniu itp. Wcześniejsze uzyskanie danych na temat momentu siły albo ustalenie prędkości srewonapędu pozwala na zapis w serwozmacniaczu i wybór odpowiednich wartości poprzez zewnętrzny sygnał. Zmiana i wydawanie poleceń jest też możliwe z wykorzystaniem protokołu Modbus RTU.

Sterowanie pozycją przez pozycjonera odbywa się za pomocą metody „sygnały impulsy + kierunek” lub po wybraniu wcześniej zaprogramowanej w serwonapędzie pozycji. W Astraada SRV nazywa się to sterowaniem PtP. Warto w tym miejscu dodać, że łącze EtherCAT i sterownik np. Astraada ONE umożliwiają bardziej zaawansowane sterowanie pozycją – stosuje się je na przykład przy zlecaniu rozwijania materiału czy zatrzymywaniu i cięciu na wybraną długość. Jednak ciecie w locie wymaga użycia dodatkowo licencji SoftMotion, bo w takich aplikacjach konieczne jest zagwarantowanie sprzężenia między osiami.

Przy gwintowaniu, skośnym frezowaniu, frezowaniu krawędzi po łukach, a także dla dojazdu na określone na płaszczyźnie lub w przestrzeni punkty, gdzie istotna jest trajektoria ruchu również niezbędne będzie zastosowanie dodatkowej licencji SoftMotion. Tam gdzie realizowane są zmienne trajektorie (np. wycinanie niepowtarzalnych kształtów) możliwe, że potrzebna będzie jeszcze bardziej rozbudowana licencja taka jak „SoftMotion + CNC”.

Polecamy: Profil firmy ASTOR na Staleo.pl 


Źródło: ASTOR