Sterowanie ruchem w systemie SoftCNC

Coraz częściej w maszynach produkcyjnych wykorzystywane są roboty przemysłowe, które realizują szerokie spektrum zadań. Znajdują one zastosowanie w aplikacjach obejmujących zarówno proste manipulowanie przedmiotami, jak i skomplikowane czynności, takie jak spawanie. Głównym kryterium w tego typu aplikacjach nie jest już geometryczna zgodność ścieżki ruchu, lecz powtarzalna precyzja dla punktów końcowych oraz dynamika ruchu.

Zmiany w świecie CNC

Rosnący stopień automatyzacji, obejmujący wszystkie dziedziny przemysłu, w połączeniu z większym stopniem komplikacji linii produkcyjnych, coraz częściej zaciera granicę pomiędzy maszyną „klasyczną” a CNC. Producenci maszyn nie chcą już prostego sterownika, lecz chcą mieć kompletną platformę dla automatyzacji maszyn, która obejmuje napędy, sterowanie ruchem i ścieżką, wizualizację oraz pracę w sieci wszystkich komponentów. Sterownik ścieżki z funkcją CNC staje się więc integralną częścią systemu automatyki.

Firma B&R połączyła te komponenty w jeden system. Platforma SoftCNC jest wbudowana w system operacyjny czasu rzeczywistego w sterowniku PLC, dzięki czemu spełnione są wymagania nawet dla najbardziej skomplikowanych zadań. Platforma SoftCNC została już wdrożona w różnych zastosowaniach, takich jak klasyczne frezarki, centra obróbcze ram drzwi i okien, cięcie palnikiem, plazmą, laserem lub strumieniem wody, obróbka szkła, maszyny do lutowania selektywnego oraz maszyny do nakładania i dozowania powłok uszczelniających.

Co decyduje o tak niezwykłej wszechstronności SoftCNC? Po pierwsze system operacyjny czasu rzeczywistego stanowi środowisko, niezbędne do wykonywania bardzo precyzyjnych zadań pozycjonowania. Czas cyklu CNC, wynoszący 400 µs, pozwala na uzyskanie precyzji ścieżki w zakresie submikronowym. Generowane pozycje zadane są przesyłane bez żadnych opóźnień, bezpośrednio do napędów, przez sieć Ethernet POWERLINK. Co więcej, w systemie można wykorzystać praktycznie nieograniczoną liczbę wejść/wyjść.

Elastyczna architektura systemu i duża liczba funkcji umożliwiają dopasowanie maszyny do określonych wymagań klienta. Innym istotnym aspektem jest fakt, że bieżący poziom techniczny rozwiązania automatyki może być zawarty w warstwie aplikacyjnej, a nie wbudowany bezpośrednio w rdzeń systemu CNC, co jest najczęściej spotykanym rozwiązaniem w produktach innych firm.

SoftCNC zawiera obszerną listę funkcji. Programy i procedury ruchu są zapisywane zgodnie z normą DIN 66025. Podział na programy główne i podprogramy pozwala na łatwe zarządzanie programami CNC. Użyteczne funkcje zostały dodane do funkcji podstawowych, określonych w normie. Rozszerzone techniki programowania pozwalają na użycie elementów z języków wysokiego poziomu, takich jak pętle, instrukcje warunkowe i rozgałęzienia. Dane z programów aplikacyjnych w PLC są przesyłane przez wydajny interfejs. Różne funkcje dostępu pozwalają na kontrolowanie wykonywania programu w czasie rzeczywistym. Promień narzędzia lub punkty końcowe odcinków ścieżki, można zmienić podczas wykonywania programu, a wybrane informacje są dostępne synchronicznie do przebiegu ścieżki.

Funkcje dynamiczne

Możliwość wpływu na dynamikę ścieżki (tj. na takie parametry, jak prędkość ścieżki, przyspieszenie oraz zryw) jest szczególnie istotna w przypadku stosowania sterowania ścieżką w pewnych obszarach technologii. Parametry ścieżki zmieniane są wówczas podczas wykonywania programu lub następuje automatyczna regulacja, zgodnie z promieniem lub krzywizną ścieżki.

Dodatkowe funkcje można odnaleźć w obszarze kompensacji średnicy narzędzia. Punkty, w których następuje gwałtowne przełamanie ścieżki, wcięcia i wierzchołki, nie muszą wiązać się z zatrzymaniem ścieżki, co np. w przypadku maszyny do cięcia plazmą doprowadziłoby do poważnych uszkodzeń obrabianego przedmiotu. Są one natomiast automatycznie korygowane, zgodnie ze specyfikacją użytkownika.

Zintegrowana funkcja wstępnego przetwarzania – Look Ahead – zapewnia stale zoptymalizowaną prędkość ścieżki. Jest to szczególnie istotne, gdy dana ścieżka ma tendencję do częstych zmian przyspieszenia, co może powodować drgania maszyny.

Czasami małe „oszukanie” zasad fizyki poprawia jakość procesu. W pewnych warunkach można przeregulować wartości graniczne osi dynamicznej, by osiągnąć lepsze efekty. Ilustruje to przykład. Urządzenia do cięcia są automatycznie ustawiane stycznie do ścieżki. Jeśli przejście między dwoma elementami ścieżki ma zbyt duży kąt, a narzędzie porusza się zbyt prędko, nie może być wystarczająco szybko przestawione. Prędkość ścieżki musiałaby zostać zmniejszona. Spowodowałoby to znaczne zmniejszenie jakości cięcia. Niezbędne staje się przeregulowanie wartości granicznych dla osi stycznej. Tymczasowy błąd położenia osi ma mniejszy wpływ na jakość cięcia niż zmniejszona prędkość.

Inne przydatne funkcje to swobodny obrót płaszczyzny roboczej w przestrzeni (3D) i korekta nachylenia osi maszyny. Możliwe jest też dostrojenie narzędzi kompensujące nierówności płaszczyzny roboczej. Korekta nachylenia jest przydatna, gdy ustawienie kąta prostego między osiami współrzędnych jest mechanicznie niemożliwe lub zbyt trudne. SoftCNC przekształca program obróbczy tak, że rzeczywista ścieżka odpowiada ścieżce idealnego układu kwadratowego.

SoftCNC udostępnia też funkcje korekcji na poziomie osi. Obejmują one kompensację błędu skoku śruby oraz luzu. Funkcje te pozwalają na uzyskanie dużej precyzji ścieżki, nawet dla maszyn, które są mechanicznie mniej precyzyjne.

Więcej niż CNC

Wszystkie omówione funkcje mogą znaleźć zastosowanie także poza obszarem CNC. Maszyny są coraz częściej wyposażone w zespoły o funkcjach robotów lub w roboty przemysłowe, np. do podawania lub odbierania obrabianych detali. Dlatego idea sterowania całym rozwiązaniem automatyki z użyciem jednolitego systemu nie jest wcale bezzasadna.
SoftCNC ma interfejsy pozwalające na opis kinematyki struktury mechanicznej. Dostępne są dwa szczególnie istotne przekształcenia. Pierwsze to kinematyka odwrotna (inaczej transformacja odwrotna), a drugie to kinematyka prosta (inaczej transformacja prosta).
Położenie w przestrzeni (położenie i orientacja), dzięki przekształceniu prostemu, jest obliczane z wykorzystaniem danych o kątach przegubów robota. Przekształcenie odwrotne stanowi odwrotność – obliczenie kątów przegubów następuje na podstawie położenia w przestrzeni.
Zasada ta pozwala na wykorzystanie układów CNC do sterowania robotami. Specjalne właściwości SoftCNC przynoszą korzyści w bardzo wielu aplikacjach. Przykładowo, jeśli seria linii prostych jest zastępowana dowolnymi krzywymi, zintegrowana funkcja Look Ahead pozwala zapewnić optymalną prędkość ścieżki.
SoftCNC obsługuje funkcje przekształceń dla sześcioosiowych, przegubowych ramion robotów oraz systemów SCARA. Programowanie wygląda tak samo, jak w przypadku standardowych programów CNC, należy jednak opisać sześć osi. Osie X, Y i Z określają położenie w przestrzeni, a osie A, B i C określają orientację (np. kąty Eulera). W przyszłości będzie możliwe wykorzystanie innych języków programowania do opisu ruchów robota.

dr Gernot Bachler
B&R Automatyka Przemysłowa Sp. z o.o.
ul. Strzeszyńska 33, 60-479 Poznań
tel. 61 846 05 00, fax 61 846 05 01
e-mail: office.pl@br-automation.com
www.br-automation.com