Motion Control

Serwonapędy składają się z następujących komponentów – silnika, serwowzmacniacza (napędu), sterownika i elementu sprzężenia zwrotnego, którym przeważnie jest enkoder. Sterownik i napęd współpracują ze sobą, aby wyznaczyć nastawy silnika – za to zazwyczaj odpowiada sterownik, a następnie zgodnie z nimi go wysterować, co jest zadaniem serwowzmacniacza.

Dokładniej rolą napędu jest wzmocnienie sygnału sterującego (wartości zadanej), który jest dostępny na wyjściu sterownika, do wartości wymaganej do zasilenia silnika. Za ostatnie w serwowzmacniaczu odpowiada przemiennik częstotliwości. W tej sekcji napędu przemienne napięcie wejściowe jest najpierw prostowane w mostku diodowym, a następnie wygładzane i przekształcane w falowniku w napięcie przemienne o zmiennej amplitudzie oraz częstotliwości, zasilające silnik.

Chociaż podział na zadania jest w serwonapędach wyraźny, producenci dążą do integrowania ich komponentów, łącząc na przykład funkcjonalność sterownika i napędu, oferując silniki z napędem czy zestawy: silnik z enkoderem, napędem, sterownikiem. Takie podejście zapewnia kompaktowość oraz ułatwia wybór. Z drugiej strony, dzięki różnorodności oferty dostawców serwonapędów, projektanci systemów sterowania ruchem zyskują większą dowolność w ich konfigurowaniu.

Systemy scentralizowane i rozproszone

Przykładowo popularna jest architektura scentralizowana, w której sterownik i serwowzmacniacze umieszczone są w szafie sterowniczej znajdującej się w odległości od silników. Te łączą się z szafą dwoma kablami – zasilającym oraz doprowadzającym sygnał sprzężenia zwrotnego. Decydując się na tę konfigurację, trzeba się zatem liczyć z komplikacjami w zakresie prowadzenia okablowania i wysokimi wymaganiami pod względem rozmiarów i chłodzenia szafy sterowniczej w razie, gdy system sterowania ruchem jest rozbudowany. Alternatywą jest architektura zdecentralizowana.

W tym przypadku serwowzmacniacze umieszcza się bliżej sterowanej maszyny. W systemach rozproszonych zwykle obliczenia trajektorii ruchu, o ile nie jest wymagane skoordynowanie wielu osi ruchu, są przeprowadzane lokalnie w napędzie. W takiej konfiguracji prowadzenie okablowania jest uproszczone, z czym wiąże się także większa niezawodność (mniej złączy, krótsze kable), a chłodzenie mniejszych szaf sterowniczych jest tańsze. Niestety nie zawsze możliwe jest umieszczenie napędów w pobliżu silników, na przykład gdy panują tam trudne warunki, jak wysoka temperatura lub dostępna przestrzeń jest ograniczona. W rozproszonych systemach korzysta się też z serwonapędów w postaci zintegrowanego zestawu silnik–napęd. Wprawdzie ich ograniczeniem jest mniejsza moc ze względu na konieczność ochrony układów elektronicznych serwowzmacniacza przed przegrzaniem, lecz z drugiej strony kompaktowość i modułowość to ich ważne zalety z punktu widzenia projektantów maszyn. Dalej podpowiadamy, na co warto zwrócić uwagę, kompletując serwonapędy i wybierając zintegrowane zestawy.

Kompletowanie serwonapędów – jak wybrać silnik?

Przed wybraniem silnika należy zapoznać się z wymaganiami aplikacji. Ważną kwestią jest m.in. dobranie właściwego stosunku bezwładności (inercji) obciążenia do bezwładności silnika. Przyjmuje się, że optymalna proporcja to 10:1 lub mniej, czyli że bezwładność silnika powinna stanowić co najmniej 1/10 bezwładności obciążenia. W praktyce spotyka się napędy, w których proporcji ta wynosi 5:1, 2:1 lub 1:1, a nawet mniej. Im mniejszy jest ten stosunek, tym wydajność silnika jest większa. Im dokładniej dopasowane są inercja obciążenia i bezwładność silnika, tym szybsza, płynniejsza i dokładniejsza jest także kontrola położenia tego pierwszego.

Jeśli natomiast nie są to kwestie najważniejsze, bezwładność silnika może stanowić nawet 1/100 bezwładności obciążenia. Nierzadkie są także proporcje większe niż 100:1. Generalnie jednak im ten stosunek jest większy, tym trudniejsze jest strojenie układu regulacji. Zbyt mała wartość tego współczynnika może się natomiast wiązać z koniecznością użycia dużego, ciężkiego, a przez to przeważnie też droższego silnika. Zatem wybór optymalnej wartości stosunku bezwładności obciążenia do inercji silnika wymaga uwzględniania specyfiki aplikacji.

Mając do wyboru kilka silników, które zapewniają odpowiedni stosunek inercji, przed podjęciem ostatecznej decyzji sprawdzić trzeba, czy dany model zapewni również wystarczającą prędkość i odpowiedni moment obrotowy. W tym celu przeanalizować należy charakterystykę silnika, która określa wzajemną zależność obydwu tych wielkości. Informacje odczytane z tego wykresu trzeba odnieść do wymogów aplikacji, które mogą być opisane na przykład krzywymi profilów ruchu: prędkości oraz momentu obrotowego w funkcji czasu. Często spotykany jest profil trapezowy.

Silniki w serwonapędach Popularne typy silników w systemach sterowania ruchem to: skokowe, szczotkowe i bezszczotkowe prądu stałego (najpopularniejsze) oraz asynchroniczne prądu przemiennego. Pierwsze mogą pracować z pełnym momentem w stanie spoczynku, a zarazem charakteryzuje je przystępny rozmiar i waga. Niestety im większa prędkość, tym ich moment napędowy jest mniejszy. Maksymalna prędkość sięga kilku tysięcy obr./min przy bardzo małym momencie obrotowym, moc tego typu silników wynosi natomiast do kilkuset watów. Do ich wad zalicza się również wytwarzanie hałasu oraz wibracje. Niepożądane są szczególnie te ostatnie, wpływające na żywotność mechanicznych komponentów systemu. Żeby ograniczyć drgania, stosuje się specjalne techniki sterowania i korzysta z amortyzatorów. Środki te jednak nie rozwiązują problemu drgań całkowicie. Szczotkowe silniki prądu stałego sprawdzają się w szerokim zakresie aplikacji, od pozycjonowania po regulację prędkości i momentu obrotowego. Dostępne są w wersjach o mocach rzędu kilku kW i prędkościach przekraczających kilka tysięcy obr./min. Pracują równo i cicho. Słabym punktem tego typu silników są szczotki, które z czasem zużywają się, przez co muszą być okresowo wymieniane. Ich pracy towarzyszy też zjawisko powstawania łuku elektrycznego. Wadą szczotkowych silników DC jest także mały moment obrotowy w stosunku do ich wymiarów oraz wagi. Do najważniejszych zalet silników bezszczotkowych DC zalicza się: równą i cichą pracę i to, że nie wymagają mechanicznej komutacji. Ich maksymalna prędkość przekracza kilkadziesiąt tysięcy obr./min. Wytwarzają duży moment obrotowy, a przy tym ich wymiary i waga są akceptowalne w większości zastosowań. Niestety są droższe, ponieważ w celu uzyskania większego momentu obrotowego elementy ich konstrukcji są wykonane z magnesów ziem rzadkich (na przykład neodymowych lub samaro-kobaltowych). Ponadto, ponieważ komutacja silników tego typu jest realizowana elektronicznie, wymagają bardziej skomplikowanych i droższych wzmacniaczy. Z kolei dzięki prostej konstrukcji zaletą silników asynchronicznych jest długa żywotność i stosunkowo niski koszt. Rzadko są one stosowane w pozycjonowaniu, natomiast coraz częściej w aplikacjach z regulowaną prędkością i momentem obrotowym.

Profil ruchu a charakterystyka silnika

W jego przypadku moment obrotowy na początku ma największą wartość, która jest wymagana, aby pokonać tarcie i wprawić w ruch nieruchome do tej pory obciążenie. Po osiągnięciu przez nie docelowej prędkości moment powinien być utrzymywany na określonym poziomie, potrzebnym do pokonania tarcia i podtrzymania wymaganej szybkości. By zatrzymać obciążenie, wytwarzany jest moment hamujący. Nie musi on już być tak duży, jak moment wytwarzany przy rozpędzaniu, gdyż w zatrzymaniu obciążenia pomaga tarcie. Na podstawie profilu ruchu wyznaczyć można dwie wielkości kluczowe przy wyborze odpowiedniego silnika: maksymalny oraz średni moment obrotowy.

Z kolei na charakterystyce momentu obrotowego silnika w funkcji jego prędkości wyróżnia się dwa obszary pracy: ciągłej oraz chwilowej. Z wykresu tego można oprócz tego odczytać kilka ważnych wielkości. Jedna z nich to znamionowy moment obrotowy. Jest to największy moment, jaki silnik wytwarza w sposób ciągły, przy prędkości znamionowej, ograniczony stopniem nagrzewania się silnika. Prędkość znamionowa natomiast to największa szybkość, przy której możliwy jest do uzyskania znamionowy moment obrotowy. Silnik może się co prawda obracać z prędkością większą niż znamionowa, jednak im szybsze obroty, tym mniejszy moment obrotowy wytwarza.

Jak nie przewymiarować silnika?

Jeśli wymagana kombinacja momentu obrotowego i prędkości wypada w obszarze pracy ciągłej silnika, oznacza to, że zapewnia on obydwie te wielkości przez cały czas pracy. Nie trzeba się zarazem obawiać, że może się wówczas przegrzewać. Jeżeli natomiast wymagana kombinacja momentu obrotowego i prędkości wypada w drugim obszarze pracy silnika, może je zapewnić jedynie przez określony czas. Po jego upływie zacznie się przegrzewać. Taki stan przeważnie aktywuje jego zabezpieczenia. Nie oznacza to jednak, że z tego modelu powinno się od razu zrezygnować. Jeżeli bowiem moment ten jest potrzebny tylko przez krótki czas, na przykład w czasie rozpędzania albo hamowania maszyny, taki silnik również może się w konkretnym zastosowaniu sprawdzić.

Podsumowując, jeżeli średni moment obrotowy wymagany w danym zastosowaniu wypada w obszarze pracy ciągłej, silnik został dobrany poprawnie. Jeśli z kolei maksymalny potrzebny moment obrotowy wypadnie w tym zakresie pracy, silnik z dużym prawdopodobieństwem przewymiarowano. Lepiej, jeśli maksymalny moment obrotowy jest osiągany chwilowo.

Wybór serwowzmacniacza

Po wybraniu silnika następnym krokiem jest wybór serwowzmacniacza. Na pozór może wydawać się to kwestią jedynie dopasowania napięcia oraz prądu wyjściowego napędu do wymagań silnika – maksymalne napięcie, prąd ciągły oraz prąd szczytowy muszą być wystarczające do wytworzenia oczekiwanej mocy mechanicznej. Istnieje jednak wiele czynników poza nimi, które należy wziąć pod uwagę, aby zapewnić satysfakcjonującą współpracę tych komponentów systemu sterowania ruchem. Dalej przedstawiamy te ważne w większości aplikacji.

Jeżeli chodzi o typ silnika, serwowzmacniacze można łączyć z dowolnym pracującym w układzie ze sprzężeniem zwrotnym. W serwosystemach korzysta się z silników skokowych, szczotkowych oraz bezszczotkowych prądu stałego (najczęściej) i asynchronicznych prądu przemiennego (patrz: ramka).

Kolejna kwestia to typ komutacji. Jest on uwarunkowany typem silnika i wrażliwością aplikacji na tętnienia momentu. Przykładowo w bezszczotkowych silnikach prądu stałego jest to jedna z dwóch metod: sześciostopniowa albo sinusoidalna. W pierwszej z nich klucze tranzystorowe przełączające prąd do poszczególnych uzwojeń silnika są sterowane przebiegami prostokątnymi, a w drugiej – przebiegiem sinusoidalnym. Zaletą komutacji pierwszego typu jest łatwość realizacji, a wadą – mniejsza dokładność sterowania oraz większe pulsacje momentu obrotowego, zwłaszcza przy małych prędkościach.

Sprzężenie zwrotne

To, co wyróżnia serwonapędy, to praca w zamkniętej pętli sterowania ze sprzężeniem zwrotnym. W związku z tym wymagany jest element pomiarowy, który będzie mierzył wartość danej wielkości, porównywaną z wartością zadaną w celu obliczenia błędu i wyznaczenia na jej podstawie sygnału sterującego. Tym może być czujnik Halla, resolwer albo enkoder, przy czym najpopularniejsze są przetworniki ostatniego typu (patrz: ramka). Niezależnie jednak od tego, jaki rodzaj sensora jest wykorzystywany, serwowzmacniacz musi być z nim kompatybilny, żeby odebrać i przetworzyć jego sygnał, jeżeli odpowiada za to zamiast sterownika.

Serwonapędy są wykorzystywane, gdy wymagana jest regulacja położenia, prędkości albo momentu obrotowego – ten ostatni jest najczęściej kontrolowanym parametrem silnika albo różnych kombinacji tych trzech wielkości. Wymagana jest więc realizacja odpowiednich pętli sterowania, które pozwolą na ich monitorowanie oraz korygowanie.

Czym się różni resolwer od enkodera Elementem pomiarowym w pętli sprzężenia zwrotnego w serwonapędach mogą być przetworniki ruchu różnego typu. Najpopularniejsze są przetworniki kąta obrotu. Te ostatnie to przeważnie: resolwery, enkodery inkrementalne albo enkodery absolutne. Resolwery to przetworniki indukcyjne, w których napięcie indukowane w uzwojeniach stojana jest proporcjonalne do kąta obrotu wirnika. Dostarczają sygnału analogowego, dlatego rozdzielczość pomiaru zależy w ich przypadku od rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego. Resolwery charakteryzuje większa wytrzymałość na trudne warunki otoczenia (wysokie temperatury, wibracje, zapylenie), lecz mniejsza dokładność pomiaru w porównaniu do enkoderów. Enkodery to przetworniki optyczne, w których promienie świetlne przechodzą przez szczeliny w zamontowanej na obrotowym wale tarczy szklanej lub wykonanej z tworzywa sztucznego i padają na fotodetektor. Ten przetwarza impulsy świetlne na sygnał elektryczny. W przypadku enkoderów inkrementalnych bezpośrednio jest śledzony jedynie ruch przyrostowy. Pozycja bezwzględna jest określana za pomocą dodatkowego fotoelementu, który odbiera impuls świetlny raz przy każdym obrocie. Jeżeli jednak zasilanie zostanie odłączone, wszystkie informacje są tracone. W enkoderach drugiego rodzaju szczeliny na tarczy są rozmieszczone w taki sposób, żeby wynik pomiaru miał postać słowa kodowego, zazwyczaj w kodzie Graya, odpowiadającego konkretnemu położeniu wału. Po wyłączeniu zasilania enkoder absolutny zachowuje informację o pozycji, nawet jeżeli w tym czasie uległa ona zmianie. Zatem po ponownym uruchomieniu urządzenia aktualne położenie wału zawsze może być poprawnie odczytane. Dzięki temu maszyny z napędami z enkoderami absolutnymi nie wymagają bazowania po włączeniu zasilania. Enkodery absolutne dzieli się na: jedno- i wieloobrotowe, które mierzą oprócz kąta obrotu również liczbę obrotów. Popularne rozwiązanie pośrednie stanowią enkodery inkrementalne z bateryjnym podtrzymaniem wartości.

Sterowanie momentem

W trybie regulacji momentu obrotowego pracą silnika steruje pętla prądowa. Ponieważ moment obrotowy jest wprost proporcjonalny do prądu, sterownik na podstawie informacji o tym ostatnim pozyskuje informację o aktualnym momencie silnika. Tę wartość rzeczywistą następnie porównuje z wartością zadaną tej wielkości i dalej na tej podstawie wyznacza sygnał sterujący, który stosownie zmienia prąd dostarczany do silnika. Sterowanie momentem jest zwykle realizowane w pętli z regulatorem PI. Warto w tym miejscu dodać, że moment obrotowy determinuje przyspieszenie silnika, które z kolei wpływa na prędkość i położenie. Dlatego pętla sterowania prądem jest w serwonapędach standardem. Poza tym kontrola momentu obrotowego jest wymagana w takich aplikacjach, jak sterowanie nawijaniem, w którym należy utrzymywać stałe naprężenie wstęgi materiału podczas jej nawijania, gdy w miarę jak zwiększa się średnica rolki materiału, rośnie jej obciążenie i bezwładność, czy formowanie wtryskowe, w którym do formy powinna być przykładana stała siła docisku.

Serwonapędy w formowaniu opakowań i sterowaniu taśmociągami Serwonapędy są częścią maszyn do pionowego formowania opakowań z tworzyw sztucznych, ich napełniania i zgrzewania. W tym przypadku są wykorzystywane do precyzyjnego wyciągania z zasobnika rolkowego oraz podawania folii, która ma być formowana cieplnie, napełniana określoną dawką produktu, a następnie zgrzewana, cięta i przenoszona przez przenośnik rozładowujący. Zgrzewanie w celu uszczelnienia dolnej części opakowania odbywa się absolutnymi ruchami serwomechanizmu, równocześnie uszczelniającego górną część opakowania, które zostało napełnione. Następnie w sposób skoordynowany ostrze wykonuje ruch, aby odciąć materiał, uwalniając kolejne napełnione opakowanie. Dalej napełniona torebka spada na pas wyjściowy i jest transportowana na stanowisko pakowania w pudełka. Sewronapędy znajdują też zastosowanie w intralogistyce, w sterowaniu przenośnikami. Przykładem są zadania, które polegają na wielokrotnym powtarzaniu pojedynczego kroku, którego efektem jest na przykład przebycie drogi o określonej długości, składającego się z etapu przyspieszania, potem przemieszczania się ze stałą prędkością i na koniec zwalniania. W ten sposób można sterować na przykład taśmociągiem, który przesuwa się o określony odcinek i hamuje, a wtedy wykonywana jest jakaś akcja, na przykład robot przekłada towar do opakowań ustawionych na taśmie. Jeżeli zastosowane zostanie sprzężenie zwrotne, serwonapęd zapewni stałą wydajność przy zmiennym obciążeniu.

Regulacja prędkości

Jeżeli w danym systemie sterowania ruchem wymagane jest utrzymanie zadanej szybkości, nawet przy zmianie obciążenia serwonapęd pracuje w trybie regulacji prędkości. W takim przypadku kontrolowane oraz regulowane jest napięcie dostarczane do silnika. Jednocześnie, ponieważ zmiana prędkości silnika, w celu przyspieszenia lub spowolnienia, wymaga zwiększenia lub zmniejszenia momentu obrotowego, zatem w trybie regulacji prędkości wymagana jest też praca w pętla prądowej. Informacje o aktualnej prędkości pozyskiwane są z enkodera albo resolwera. Na ich podstawie wyznaczana jest różnica pomiędzy rzeczywistą a docelową wartością tej wielkości, co z kolei umożliwia obliczenie prądu (momentu obrotowego) wymaganego do skorygowania tej odchyłki prędkości silnika. Sterowanie nią jest też przeważnie realizowane w pętli z regulatorem PI.

Przykłady aplikacji, w których serwonapędy pracują w trybie kontroli prędkości, to: sterowanie przenośnikami, dozowanie i procesy obróbki, jak szlifowanie, czy polerowanie, w których obciążenie silnika jest zmienne, ale jego prędkość musi być utrzymywana przez cały proces.

Pozycjonowanie

Serwonapędy mogą również działać w trybie pozycjonowania, co pozwala silnikowi przemieścić ładunek do określonej lokalizacji, albo względem miejsca początkowego, albo w oparciu na jego położeniu bezwzględnym. Aby zrealizować tryb regulacji położenia w serwosystemach, zwykle wymagane jest skorzystanie z trzech pętli sterowania: momentem obrotowym, prędkością i położeniem. Wynika to stąd, że prędkość silnika powinna być monitorowana, żeby można było wyznaczyć jego położenie, zaś moment obrotowy powinien być monitorowany w celu określenia, ile prądu potrzebuje silnik, by osiągnąć zadaną pozycję, bez niedoregulowania lub przeregulowania. Pętla regulacji położenia działa zazwyczaj w oparciu na regulatorze PI albo PID.

W pętli pozycjonowania, na podstawie zadanej pozycji, która jest porównywana z informacją o aktualnym położeniu, pozyskiwaną dzięki sprzężeniu zwrotnemu, jest wyznaczany sygnał różnicy, będący z kolei wartością zadaną dla pętli regulacji prędkości. W niej natomiast ta wartość zestawiana jest z rzeczywistą wartością prędkości zmierzoną przez komponent sprzężenia zwrotnego. Wyznaczona w taki sposób różnica staje się wartością zadaną w pętli regulacji momentu. Pętle te są zatem w sobie zagnieżdżone.

Zagnieżdżanie pętli, ich strojenie i pasmo przenoszenia

Gdy występuje więcej niż jedna pętla sterowania, są one łączone kaskadowo. Sterowanie prądem jest najbardziej wewnętrzną pętlą, natomiast pętla sterowania prędkością jest dodawana wokół pętli prądowej. Pętla kontroli położenia jest dodawana wokół pętli prędkości, stając się najbardziej zewnętrzną. Strojenie odbywa się w kolejności od wewnętrznej do zewnętrznej pętli, zatem najpierw dostrajana jest pętla prądowa, potem pętla regulacji prędkości, a jako ostania pętla regulacji położenia. Wiele zaawansowanych serwowzmacniaczy może przełączać się między trybami sterowania "w locie" – na przykład przechodząc z trybu prędkości do trybu momentu obrotowego podczas pracy systemu, bez jego destabilizowania czy zatrzymywania.

Warto tu dodać, że chociaż zadaniem każdej pętli jest kontrolowanie innego aspektu pracy silnika, wszystkie one charakteryzują się wspólnym parametrem: pasmem przenoszenia. Szerokość pasma przenoszenia, inaczej czas odpowiedzi systemu, jest miarą tego, jak szybko reaguje na zmieniające się polecenie wejściowe. Innymi słowy, szerokość pasma przenoszenia pętli sterowania określa, jak szybko serowsystem jest w stanie odpowiedzieć na zmianę kontrolowanego parametru: momentu obrotowego, prędkości albo pozycji.

W przypadku zagnieżdżenia pętli konieczne jest, aby odpowiedź pętli wewnętrznej była szybsza niż odpowiedź pętli zewnętrznej, w przeciwnym razie pętla wewnętrzna będzie miała niewielki wpływ lub nie będzie miała żadnego efektu. Generalnie przyjmuje się zasadę, że najlepiej, aby pętla wewnętrzna miała pasmo przenoszenia od 5 do 10 razy większe niż pętla zewnętrzna. Oznacza to, że w typowym serwonapędzie pasmo przenoszenia pętli prądu powinno być 5‒10 razy większa od pasma przenoszenia pętli prędkości, zaś pasmo przenoszenia pętli prędkości musi być od 5 do 10 razy większe od analogicznego parametru pętli położenia.

Serwonapędy w druku 3D Druk 3D jest techniką coraz bardziej zyskującą na popularności. Ma wielorakie zastosowanie. Jednym z nich jest szybkie prototypowanie – wykonanie prototypu projektu na drukarce 3D pozwala oszczędzić czas i inne zasoby, w przeciwnym razie poświęcone na wykonanie na przykład części maszyny do jednorazowego użytku, zwykle testów. Poza tym druk 3D ma zastosowanie w produkcji, głównie części trudnych do wykonania innymi metodami, jak przykładowo pustych w środku, niemożliwych do wykonania jako tradycyjne odlewy, czy przedmiotów o niestandardowych kształtach. Druk 3D to również narzędzie dla hobbystów. Istnieje kilka odmian metod drukowania 3D. Generalnie jednak wydruki wykonywane tą techniką powstają warstwa po warstwie z materiału dozowanego z dyszy drukarki według projektu w pliku z zapisaną sekwencją ruchów, opracowaną na podstawie modelu 3D przedmiotu. Materiał jest podgrzewany i topi się, a po opuszczeniu dyszy szybko się schładza i twardnieje. Pierwsza warstwa wydruku jest nanoszona na platformę roboczą drukarki, która czasami jest podgrzewana, dzięki czemu materiał się do niej przykleja. Wykonując kolejne warstwy, dysza porusza się w dwuosiowej płaszczyźnie. Po wykonaniu kolejnej warstwy platforma jest obniżana. Elementy wystające są umieszczane na podporach, które podtrzymują materiał podczas stygnięcia, a potem są usuwane. Ruch dyszy w poziomie i pionowe przemieszczanie platformy roboczej muszą być skoordynowane i precyzyjne. Materiał jest wprawdzie dozowany w bardzo małych ilościach, lecz jeżeli nie będzie dochowana odpowiednia odległość między dyszą i platformą, warstwy nie będą miały oczekiwanej grubości albo nie będzie ona jednorodna w obrębie całej warstwy. Pogorszy to jakość wydruku. By do tego nie dopuścić, w drukarkach 3D wykorzystuje się sterowanie silnikami napędzającymi dyszę oraz platformę roboczą w pętli zamkniętej, w oparciu na serwonapędach. Poza tym wykorzystuje się je w sterowaniu mechanizmem dozowania. Należy go przykładowo zatrzymać, gdy dysza przesuwa się nad szczeliną w warstwie, jak i podczas opuszczania platformy roboczej. Przepływ materiału musi być również regulowany w zależności od tego, w jaki sposób przemieszcza się głowica – przykładowo podczas wykonywania skrętu prędkość napędu dyszy trzeba zmniejszyć, aby ograniczyć ilość dozowanego materiału. W przeciwnym razie w narożniku powstałoby zgrubienie. Serwonapędy poza tym są wykorzystywane do koordynowania systemów z wieloma dyszami drukującymi, używanych do tworzenia pojedynczych części z różnych materiałów lub kolorów.

Napędy z wejściami analogowymi i cyfrowymi

Napędy klasyfikuje się również ze względu na typ wejść, na te z wejściami analogowymi, dawniej najpowszechniejsze, oraz z wejściami cyfrowymi, które obecnie dominują na rynku. Jeśli chodzi o pierwsze, na ich wejście ze sterownika podawane są sygnały ±10 V, które pozwalają na sterowanie prędkością lub momentem silnika. Sygnał +10 V oznacza maksymalną prędkość (lub moment) w kierunku do przodu, a sygnał –10 V maksymalną prędkość (lub moment) w kierunku wstecznym. Sygnał 0 V nakazuje zatrzymanie, a inne napięcia oznaczają prędkości (albo momenty) między pełnym rozruchem do przodu a pełnym wstecz, proporcjonalne do poziomu sygnału na wejściu serwowzmacniacza.

W przeciwieństwie do napędów z wejściami cyfrowymi w tych z analogowymi zwykle nie są przeprowadzane żadne obliczenia. Jest to korzystne ze względu na czas reakcji. Oprócz tego strojenie jest prostsze, ponieważ wartości wzmocnienia oraz inne parametry są ustawiane potencjometrami. Charakteryzuje je także duża precyzja regulacji, nawet przy znacznych zmianach obciążenia silnika, zaś w przypadku komutacji sinusoidalnej zapewniają płynny ruch również przy małych prędkościach. Ich ważne zalety to także niski koszt oraz łatwość konfiguracji.

Napędy drugiego typu przeważnie korzystają z komunikacji w sieciach przemysłowych i są wyposażone w procesor, a informacje zwrotne przyjmują od różnych komponentów w pętli sprzężenia zwrotnego, jak tachometry, resolwery, enkodery i różnego rodzaju przełączniki i sensory. Oprócz sterowania momentem, prędkością i położeniem, realizują również bardziej zaawansowane funkcje, jak generowanie ścieżek, za które tradycyjnie odpowiada sterownik maszyny. Generalnie zapewniają również płynniejsze przyspieszanie i zwalnianie silnika, i większy moment trzymania. Warto dodać, że są to przeważnie napędy uniwersalne, mające również wejścia analogowe. Są strojone programowo, w tym automatycznie.

Na czym polega autostrojenie?

Strojenie serwosystemów to złożony i iteracyjny proces. Zazwyczaj wymaga strojenia kilku pętli sterowania, czyli dobrania nastaw regulatorów przez wyznaczenie współczynników wzmocnienia dla członów proporcjonalnego, całkującego i różniczkującego, jak również nierzadko dodatkowych parametrów, na przykład dla pętli sprzężenia w przód.

Chociaż strojenie ręczne przez lata było dominującą metodą, obecnie większość serownapędów ma już zaimplementowane funkcje autostrojenia. Początkowo, gdy taka funkcjonalność dopiero zaczęła się upowszechniać, najlepiej sprawdzała się w najprostszych aplikacjach, w miarę jednak postępu w dziedzinie algorytmów oraz mocy obliczeniowej, nastąpił w tym zakresie znaczący postęp. Dzięki temu obecnie nawet najbardziej zaawansowane systemy sterowania ruchem wykorzystując tę funkcję, mogą być konfigurowane przy minimalnym wysiłku ze strony użytkownika.

W praktyce automatyczne strojenie opiera się na tych samych zasadach, co strojenie ręczne – napęd wzbudza podłączony silnik na różnych częstotliwościach, aby określić bezwładność i reakcję systemu, a następnie wyznacza i ustawia odpowiednie wzmocnienia układów regulacji, żeby zapewnić stabilne sterowanie. Przydatną funkcją jest poza tym strojenie adaptacyjne. W tym przypadku napęd w tle ciągle, stosownie do potrzeb, koryguje nastawy, żeby skompensować zmienność obciążenia podczas pracy systemu.

Komunikacja, bezpieczeństwo funkcjonalne

Serwonapędy są wyposażane w różne interfejsy komunikacyjne, od podstawowych złączy szeregowych, jak RS485, po bardziej zaawansowane protokoły, sieci fieldbus albo Ethernetu. Wybór interfejsu komunikacyjnego jest przede wszystkim determinowany wymaganą szybkością transmisji, zależy również od tego, czy napędy będą pracować w konfiguracji master-slave, a często od wymagań sterownika.

Poza tym w maszynach wymagane jest obecnie wdrożenie bezpieczeństwa funkcjonalnego, co jest regulowane przez normy bezpieczeństwa EN/IEC 62061 czy EN/ISO 13849-1. Żeby zapewnić zgodność z tymi przepisami, w napędach integrowane są funkcje bezpieczeństwa, takie jak Safe Torque Off (STO) i Safe Stop 1 (SS1).

Serwonapędy – przykładowe aplikacje

Serwonapędy są przykładowo wykorzystywane do precyzyjnego pozycjonowania w stołach XY. Sterowanie ruchem obejmuje zwykle dwie lub więcej osi, z wykorzystaniem interpolacji liniowej lub kołowej. W przykładowej realizacji do stołu podłączone mogą być dwa silniki odpowiadające za przemieszczenie przedmiotu w kierunkach X i Y. Są one sterowane przez serwowzmacniacz, a ruch i interpolacje są obliczane przez sterownik ze specjalnym modułem, w którym na podstawie danych o obrabianym przedmiocie opracowywane są ścieżki ruchu. Dodatkowo w sterownikach implementowane są funkcje, które w planowaniu ruchu biorą pod uwagę takie czynniki, jak tarcie, wibracje, co jest elementem strategii zapobiegania przedwczesnemu zużyciu i awariom na takim stanowisku. Inne przykłady aplikacji serwonapędów w przemyśle to: maszyny do pionowego formowania opakowań z tworzyw sztucznych, sterowanie przenośnikami i sterowanie komponentami drukarek 3D. Szerzej przedstawiamy je w ramkach.

Monika Jaworowska