Serwosystemy - w kierunku wydajności i precyzji

MOC OBLICZENIOWA A MOŻLIWOŚCI RUCHU

Jednym z czynników, które wpływają na szybki wzrost możliwości nowoczesnych serwosystemów, jest postęp w dziedzinie cyfrowej obróbki danych. Układy elektroniki cyfrowej rozwijają się bardzo szybko, czego efektem jest powstawanie coraz bardziej zaawansowanych procesorów sygnałowych (DSP) oraz precyzyjnych czujników. Umożliwiają one dokładne śledzenie ruchów układów serwomechanicznych i błyskawiczne przekazywanie poleceń zwrotnych przy zachowaniu dotychczasowych kosztów omawianych urządzeń.

Dzisiejsze serwosystemy pozwalają na obsługę wszystkich trzech pętli napędowych w ramach sterownika CNC. Sterownik taki jest oparty o wydajne procesory DSP, z których każdy obsługuje po dwie osie mechanizmu. Źródłem sygnału zwrotnego są natomiast nowoczesne enkodery przeznaczone do tego typu zastosowań, których rozdzielczość osiąga wartości rzędu milionów punktów na obrót. Warunkiem wykorzystania tak precyzyjnych i szybkich elementów jest odpowiednie przekazywanie danych do sterownika CNC.

W tym celu stosuje się m.in. interfejsy oparte na połączeniach światłowodowych. Pozwalają one na transmisję dużych ilości danych, co konieczne jest w serwosystemach zawierających czujniki, elementy wykonawcze i moduły przetwarzające dane. Dodatkowo tego typu sieci komunikacyjne odporne są na zaburzenia elektromagnetyczne.

PROBLEMY Z KOMUNIKACJĄ ANALOGOWĄ

Zunifikowane mechanizmy komunikacji cyfrowej przeznaczone do serwosystemów, niezależnie czy oparte są o połączenia światłowodowe, czy miedziane, mają wiele zalet w stosunku do rozwiązań wykorzystujących komunikację analogową. Pozwalają redukować ryzyko otrzymania błędnych informacji i rozkazów, które mogłyby spowodować niepoprawne działanie urządzenia z serwosystemem.

Ewentualne błędy transmisji są szybko wykrywane i, jeśli nie mogą być skorygowane automatycznie, co najwyżej prowadzą do uruchomienia alarmu i zatrzymania maszyny. Przyjrzyjmy się teraz komunikacji analogowej – np. takiej, gdzie do regulacji prędkości obrotowej wykorzystuje się sygnał ±10V_DC, którego chwilowa wartość oznacza prędkość zadaną silnikowi. Na tym przykładzie zobrazować można, jak zastosowane przetworniki A/C i C/A wpływają na możliwości serwosystemów.

Zastosowanie 16-bitowego przetwornika C/A pozwala uzyskać rozdzielczość 65536 punktów w zakresie napięć od –10V_DC do +10V_DC. W przypadku maszyny, której silnik obraca się z prędkością 3000 obrotów na minutę i wykorzystywany jest do prowadzenia jej głowicy po linii prostej pomiędzy punktami rozmieszczonymi co 10mm, maksymalna prędkość ruchu wynosi 30m/min przy rozdzielczości na poziomie 1mm/min.

Biorąc pod uwagę, że wiele obecnie produkowanych przetworników stosowanych w serwowzmacniaczach ma rozdzielczość 14 bitów, dokładność ruchu przykładowego układu wynosi 4mm/min i jest już nieakceptowalna w omawianej sytuacji. Co więcej – nowoczesne wydajne maszyny osiągają wydajność 8-krotnie większą niż podana w przykładzie, co nie byłoby możliwe przy wykorzystaniu komunikacji analogowej.

Niezależnie czy w systemach komunikacja opiera się o sygnały analogowe, czy też stosowane są układy cyfrowego wzmacniania sygnałów, pętle regulacji prędkości i prądem silnika muszą być realizowane we wzmacniaczach, podczas gdy sterowanie pozycją musi odbywać się w układzie kontroli. Znacząco ogranicza to elastyczność konfiguracji takich urządzeń. Aby ją zwiększyć, konieczne byłoby poprowadzenie dodatkowych połączeń analogowych pomiędzy samym silnikiem a układem CNC, czego kosztem byłoby istotne skomplikowanie układu. Ponadto urządzenia cyfrowe, które komunikują się poprzez sygnały analogowe, są ograniczane przez procesy analogowo-cyfrowej i cyfrowo-analogowej konwersji, jaka zachodzi na obu końcach łączącego ich interfejsu.

Ich wpływ objawia się błędem skalowania, zmniejszoną rozdzielczością, ewentualnymi błędami stałymi oraz ograniczoną prędkością przesyłania informacji. W efekcie cały system nie może być szybszy ani bardziej dokładny, niż pozwalają na to zainstalowane przetworniki analogowo-cyfrowe.

BŁĘDY SPOWODOWANE ZABURZENIAMI ELEKTROMAGNETYCZNYMI

Nie można zapominać, że komunikacja analogowa jest także bardziej podatna na błędy spowodowane zaburzeniami elektromagnetycznymi pochodzącymi z otoczenia. Objawiają się one jako błędne polecenia lub odczyty pozycji. Typowy poziom zaburzeń, jaki występuje w zakładach przemysłowych, powoduje zmiany sygnału w kablach komunikacyjnych na poziomie 10mV.

W przypadku omawianego wcześniej przykładu wartość ta odpowiada błędowi 30mm/min. Oznacza to, że w takich przypadkach konieczne jest zastosowanie dużego ekranowania kabli komunikacyjnych, tak aby możliwa była dokładna komunikacja analogowa.

DOKŁADNOŚĆ A ZUŻYCIE ENERGII

Obecnie dostępne serwosystemy połączone ze sterownikami CNC przewyższają parametrami nawet kilkukrotnie dawniej oferowane rozwiązania. Czas trwania pętli kontroli prądu może trwać nieco ponad 30µs, a pętli ustalania pozycji – 250µs. Są to wartości, które w praktyce w zupełności wystarczają do większości zastosowań.

Wykorzystanie systemu komunikacji o bardzo krótkich czasach reakcji objawia się zmniejszeniem błędów podczas szybkich ruchów lub znaczącym zwiększeniem płynności ruchów w przypadku niewielkich silników o wysokim momencie obrotowym.

Co więcej – duża dokładność ruchów ma także wpływ na zmniejszenie zużycia energii. Większa precyzja pozwala na przyspieszenie procesów przemysłowych, a więc przy zachowaniu identycznych woluminów produkcyjnych – na ich skrócenie. Krótszy czas pracy to nie jedyny sposób na oszczędność energii.

W nowoczesnych serwomechanizmach stosuje się także systemy odzyskiwania energii w trakcie spowalniania obrotu silnika. Aby dodatkowo zmniejszyć jej zużycie, w serwosystemach coraz częściej stosuje się podzespoły zaprojektowane z myślą o oszczędności energetycznej.

REDUKCJA ZŁOŻONOŚCI

Kolejnym usprawnieniem, z jakiego korzystają producenci serwomechanizmów, jest multipleksowanie danych, dzięki czemu możliwa jest ich transmisja za pomocą jednego połączenia (kabla).

Przykładowo jeden światłowód można wykorzystać na transmisję danych nawet do ośmiu wzmacniaczy, co znacząco zmniejsza liczbę połączeń potrzebnych w systemie. Aby skorzystać z multipleksowania, konieczne jest użycie odpowiednich zintegrowanych wzmacniaczy, które umożliwiają sterowanie kilkoma serwosilnikami jednocześnie. Zastosowanie tej koncepcji umożliwia znaczną redukcję kosztów.

WYKORZYSTANIE ENKODERÓW

Na rozwój technologii serwomechanizmów bardzo duży wpływ mają postępy w technice konstrukcji enkoderów. Wzrost precyzji tych elementów odgrywa ogromną rolę nie tylko we wzroście dokładności pozycjonowania silnika, ale również w osiąganiu wysokiej precyzji sterowania ruchami. Ich zastosowanie pozwala również uczynić ruchy wykonywane przez serwomechanizm bardziej płynnymi.

Aby skorzystać z opisywanych zalet nowoczesnych enkoderów, konieczne jest zastosowanie sprawnej komunikacji cyfrowej. Przykładowo – przy wykorzystaniu klasycznych metod komunikacji, przełączanie pomiędzy stanem niskim sygnału a stanem wysokim lub w drugą stronę trwa około 75ns. Tak więc, aby transmisja przebiegała bezbłędnie, konieczne jest przekazywanie danych pochodzących z enkodera nie wolniej niż raz na 150ns.

Oznacza to, że w przypadku silnika, który może obracać się z prędkością 5 tys. obrotów na minutę, omawiany sposób transmisji pozwala na przesyłanie około 80 tys. impulsów na obrót. O ile wartość ta może wydawać się duża, to należy zwrócić uwagę na fakt, że dla uzyskania płynnego ruchu należałoby przekazywać 10 impulsów dotyczących regulacji prędkości na każdy impuls określający pozycję.

W związku z powyższym 80 tys. impulsów może nie wystarczyć do wykonywania płynnych ruchów już przy niezbyt wyrafinowanych operacjach. Problem ten na razie nie dotyka cyfrowej komunikacji szeregowej, która umożliwia przesył do 16 mln impulsów na obrót.

EWOLUCJA MECHANICZNA

Ewolucja serwosystemów nie koncentruje się jedynie na zmianach interfejsów komunikacyjnych, ale także w pewnym stopniu na modyfikacjach mechanizmów mechanicznych i stosowanych w nich materiałów. Produkowane urządzenia mają coraz lepszą wydajność przy malejących rozmiarach, są szybsze i pozwalają na uzyskiwanie większych momentów siły.

Modyfikacjom podlegają materiały magnetyczne, kształty rotorów, a coraz więcej serwonapędów wykonywanych jest w wodoszczelnych obudowach. Producenci sięgają po magnesy neodymowe i starają się tak projektować serwosilniki, aby zminimalizować wahania momentu siły.

Ponadto niekiedy stosuje się także chłodzenie wodą, które umożliwia zwiększenie maksymalnego momentu nawet o połowę w stosunku do momentu nominalnego. Dzięki temu twórcy maszyn mogą tworzyć silne urządzenia z wykorzystaniem niewielkich podzespołów, które wykonują bardzo płynne ruchy nawet przy najniższych prędkościach.

OPROGRAMOWANIE

Aby serwonapęd działał poprawnie, konieczne jest także użycie odpowiedniego oprogramowania. Nowoczesne programy nie tylko sterują działaniem urządzenia, ale pozwalają na jego dostrajanie, a nawet na diagnostykę. Wprowadzenie oprogramowania serwomechanizmu do sterownika CNC umożliwia mu inter akcje z programem wykonawczym i integrację kontroli wszystkich osi urządzenia naraz. To natomiast może prowadzić do wzrostu precyzji jednoczesnego działania wielu serwomechanizmów, co przyczynia się do wzrostu stabilności całego procesu. Dzięki temu możliwa jest szybka synchronizacja urządzeń z pominięciem mechanizmów kontroli zawartych w CNC.

Dużą rolę odgrywać mogą również wspomniane funkcje diagnostyczne. Dzięki integracji oprogramowania serwomechanizmu z CNC dane diagnostyczne przesyłane mogą być razem z danymi operacyjnymi i przetwarzane przez procesor kontrolera. Pozwala to np. na wyświetlanie wszystkich użytecznych informacji bezpośrednio na wyświetlaczu kontrolera CNC, bez potrzeby określania znaczenia szeregu diod umieszczonych na obudowie samego serwomechanizmu.

Producenci oferują także pakiety oprogramowania, które instalowane są na komputerach osobistych (tzw. PC based). Komunikacja pomiędzy komputerem a urządzeniem CNC prowadzona jest przez sieć Ethernet (często modyfikowaną w celu zapewnienia transmisji typu real time), a pozyskiwane informacje diagnostyczne są wyświetlane na monitorze. Oprogramowanie to pozwala także na zdalne regulowanie pracy sterownika i całego serwonapędu np. za pomocą prostych w obsłudze kreatorów.

ROZWÓJ RYNKU

Rosnące możliwości serwonapędów przy ich malejących cenach sprawiają, że stają się one coraz bardziej konkurencyjne w stosunku do klasycznych napędów AC i DC. Możliwość precyzyjnej kontroli wykonywanych ruchów zachęca nabywców, dzięki czemu wartość światowego rynku serwonapędów wzrosła ostatnio do około 7 mld dolarów, a one same odpowiadają za dużą część sprzedaży wszystkich systemów kontroli ruchu na świecie. Co prawda serwonapędy nadal kojarzone są przez wielu projektantów z urządzeniami drogimi i skomplikowanymi, które na dodatek wymagają specjalistów do instalacji, jednakże te same cele, którymi kiedyś kierowano się, wybierając napędy AC, wskazują obecnie na serwomechanizmy.

Nowoczesne serwonapędy to urządzenia proste w instalacji i regulacji, które wcale nie wymagają bardziej złożonych projektów maszyn. Bardzo ważny dla rozwoju omawianych urządzeń jest też spadek cen. Badająca rynek firma IMS podaje, że przez ostatnie 5 lat koszt zakupu i instalacji serwomechanizmów spadł o 30%. Wynika to po części z corocznego spadku cen układów elektronicznych, ale także z faktu, że wiele serwonapędów pozbawionych zostało niektórych zaawansowanych funkcji. Nie umniejszyło to możliwości ich zastosowania w prostych aplikacjach, ale pozwoliło obniżyć ceny.

Poza tym serwonapędy charakteryzują się szeregiem zalet w stosunku do klasycznych napędów AC. Pozwalają na bardziej dynamiczną pracę, szybszy rozruch i zatrzymanie, a także charakteryzują się bardziej płynnymi ruchami. Ponadto są one zazwyczaj mniejsze niż napędy AC, co niekiedy jest istotnym czynnikiem decydującym o wyborze danego rozwiązania.

Marcin Karbowniczek