Témakör:
Bonyolult mechanikát helyettesít a szoftver a Beckhoff XTS lineáris szállítórendszerében
A Beckhoff XTS lineáris szállítórendszere új lehetőség a kompakt és nagy dinamikájú berendezések megvalósítására. A gépészeti úton szinte megoldhatatlan, vagy jelentős ráfordítást igénylő mozgásvezérlési rendszerek szoftveresen kényelmesen és rugalmasan kivitelezhetők. Cikkünk az XTS lineáris szállítórendszer széles körű alkalmazási lehetőségeit mutatja be a Beckhoff kiállításokra készült bemutató-alkalmazásain keresztül.
Az XTS (eXtended Transport System) innovációs lehetőségei korántsem merülnek ki a komplex mozgásvezérlési feladatok megoldásában. A rendszer finoman skálázható optimalizálási lehetőségeket kínál például a geometriai kialakítás, a mozgatók száma és funkcionalitásai terén. A legegyszerűbb alkalmazási példa a mozgató pusztán lineáris mozgatása, vagy ennek XY asztallá kiterjesztése egy második mozgatóval. A moduláris kialakításnak köszönhetően a motormodulok és a vezetősínek segítségével egy folytonos lineáris pálya alakítható ki, amely igény szerint további mozgatókkal egészíthető ki. A TwinCAT funkcióblokkoknak és az integrált robotikának köszönhetően a funkcionalitás tovább növelhető több XTS-rendszer összekapcsolásával. Ha mindezen funkciókhoz gépállapot-ellenőrzést és objektumorientált programozást teszünk elérhetővé, akkor az eredmény egy rendkívül intelligens berendezés vagy gyártómodul, amely teljes mértékben megfelel az Ipar 4.0 elképzeléseinek (1. ábra).
Az „Ipar 4.0” XTS-bemutatóeszköz szemlélteti az innovatív gyártási folyamatokat. Az állapotfelügyeleti és energiaadatok a felhőben tárolódnak
Egyszerű mozgató és XY-asztalfunkciók
A nagy dinamikájú mozgásvezérlés és a mechanikus vezérlési funkciók szoftverrel történő megvalósítása révén az XTS még egy egyszerű lineáris mozgásvezérlés esetén is számos előnyt nyújt. Ellátja egy hagyományos, lineáris motorral vezérelt mozgató feladatát is, azonban annál sokkal egyszerűbben az adott alkalmazáshoz igazítható: egy vagy több motormodul alkalmazásával a megfelelő hossz kisebb erőfeszítéssel érhető el. Továbbá – szükség esetén – számos vezeték nélküli mozgató alkalmazására is lehetőség nyílik, ami nagymértékben javítja a rendszer rugalmasságát.
Az alábbiakban egy olyan példát láthatunk, amelyben minimális mechanikai erőfeszítés szükséges a rendkívül nagy dinamikájú mozgatások megvalósítására és azok XY-asztallá történő továbbfejlesztésére (2. ábra). Ennek demonstrálására egy mozgató modulra lineáris csapágyazással ellátott újabb mozgatót szereltünk, és az utóbbi vezetősínje 45°-os szöget zár be az előbbi pályájával. Ha a két mozgatómodult egy irányba és azonos sebességgel mozgatjuk, X-irányú elmozdulás valósítható meg. A mozgatómodulok egymáshoz képesti relatív elmozdulásával pedig Y-irányú mozgatás is történhet. Ezzel bármilyen típusú mozgatás megvalósítható, beleértve a körkörös mozgatásokat is, amely hasznos funkció lehet, ha például ragasztót kell felvinni egy felületre.
Itt tehát az XTS rendszerszintű előnyeit élvezhetjük: a szállítórendszer a telepítését követően azonnal használatba vehető. Mivel a teljesítményelektronika és az elmozdulásmérés az XTS-motormodulokba van integrálva, és a mozgatómodulok teljesen passzívnak tekinthetők, a mérőrendszer nem szorul kalibrálásra, és nincs szükség a hagyományos XY-asztalok esetében alkalmazott energialáncok használatára sem. Az eredmény egy rendkívül kompakt, strapabíró és nagy dinamikájú XY-mozgatórendszer. További mozgatókkal és a megfelelő kinematika kialakításával, hasonló módon valósíthatók meg az XYZ-mozgatások is.
A mozgatók egymáshoz viszonyított mozgása alapján, két különbözően pozicionált lineáris vezetősínen elhelyezett mozgatót használva, viszonylag könnyű létrehozni egy XY pozicionáló asztalt. Ezt demonstrálja a képen látható bemutatóeszköz, amelyen az előtérben elhelyezett manuálisan irányítható pozicionáló asztal mozgását automatikusan követi a másik
Folyamatos lineáris hajtás moduláris felépítéssel
Az XTS moduláris felépítésének köszönhetően nem csupán az alkalmazás hosszának egyszerű bővítése érhető el, hanem zárt, folyamatos lineáris rendszer is kiépíthető 180 °-os ívben meghajlított modulokkal. Ezenkívül különféle ívelt motormodulok is rendelkezésre állnak, 22,5°-os belső- vagy külsőíves, valamint 45°-os külsőíves modulok, amelyek használatával gyakorlatilag bármilyen alakú útvonal kiépíthető. A 3. ábra például S alakú, a 4. ábra teljes kör alakú pályát mutat.
A mozgatók még kanyarodás közben is a vezérlő számítógép teljes irányítása alatt maradnak, azaz folyamatműveleteket még kitérőkbe is pozicionálhatunk. Ezen a módon a szállítórendszert optimálisan a gép konstrukciójához lehet igazítani. Az említett XY-asztal is egyfajta folytonos lineáris hajtású rendszernek tekinthető. Az alkalmazás kihasználhatja a mobil pozicionáló asztalokból fakadó előnyöket, tehát például ragasztási vagy csomagolóanyag-fülek lezárása is megvalósítható, miközben a munkadarab folyamatosan mozog az egyik megmunkáló állomástól a másikig.
A gépállapot-ellenőrző példa esetében az „S”alakú XTS az érzékelő és a motor közötti távolság alapján érzékeli azt a pillanatot, amikor az egyik golyó elhagyja a „kosarat” a két mozgató között
Az XTS-sel megvalósított pozicionáló körasztal is a számtalan alkalmazási lehetőség egyike. A jelenleg rendelkezésre álló motormodulok segítségével többféle átmérőjű teljes kör valósítható meg: 22,5°-os motormodulokból 1,6 m, 45°-os modulokból 70 cm átmérőjű körpálya állítható össze. Nehezebb tömegek szállítására alternatív vezetősínek állnak rendelkezésre, amint arra a 4. ábrán is láthatunk példát. Ráadásul a motormodulok – nagy dinamikájuknak köszönhetően – képesek akár 100 N erőt is kifejteni. Az XTS tovább bővíthető speciális, harmadik féltől származó vezetősínekkel magas hőmérsékletnek, agresszív vegyszereknek vagy erős szennyezésnek is ellenálló kivitelben.
Kiemelkedő funkciói ellenére az XTS egyáltalán nem túl költséges vagy bonyolult, még ha csak egy egyszerű körasztal megvalósítására is használjuk. Ha az egyik folyamatfeldolgozási lépés tovább tart, mint a többi, akkor a lassúbb munkaállomásból akár több is alkalmazható, és ezek szoftveresen a folyamatba integrálhatók. Ezáltal csekély ráfordítással jelentősen növelhető a gép teljesítménye. További kézzelfogható előnyök származnak az XTS nagy dinamikájából. A tapasztalatok szerint ugyanis, ha az átmérő meghaladja a 70 cm-t, és a kívánt ciklusidő 1 másodperc, a hagyományos forgatóasztalok rendkívül költségesek. További előnyt jelent, hogy az XTS-rendszerben kisebb tömeget kell mozgatni, aminek következtében a szükséges mechanikai alkatrészek száma és az energiafelhasználás is csökken.
Egy teljes kört alkotva, az XTS egy nehezebb munkadarabok számára megfelelő, testreszabott vezetősínnel ellátott körasztal megvalósítására alkalmas (a fenti képen vízzel töltött, 5 literes tartályok láthatók)
Komplex elrendezés, bonyolult mozgások
A nagy kihívást jelentő feladatok megoldásának egy másik módja több szállítórendszer összekapcsolása, amelyen belül az összekapcsolt XTS lineáris szállítórendszerek telepítési pozíciója szabadon megválasztható. Az 5. ábrán egy folytonos XTS-rendszer látható, amely két, egymáshoz képest merőlegesen elhelyezett lineáris XTS-t tartalmaz. Mindegyik mozgató egy szervotengelynek tekinthető, és a teljes rendszert egyetlen TwinCAT automatizálási szoftvert futtató Beckhoff ipari PC vezérli. Egy ilyen rendszer nagyon hatékonyan alkalmazható például termékválogatási feladatok megoldására, és a különböző termékekre való átállás is nagyon rugalmasan és gyorsan megvalósítható.
Több, különböző telepítési pozícióban elhelyezett XTS-rendszer összekapcsolása a hatékonyság további forrása. A fenti kép esetében egy dinamikus és nagyon rugalmas golyóválogató alkalmazás látható
Az XTS-sel kivitelezhető mozgásvezérlési funkciók messze túlmutatnak az egyszerű A-ból B-be történő mozgatás feladatán, és ezzel még csak nem is feltétlenül az említett komplex geometriai elrendezések megvalósítására gondoltunk. A további funkciók közé tartozik: a mozgatók automatikus irányváltása az összeütközés és a rángatás elkerülése érdekében, a kölcsönös szinkronizálás a csomagolási alkalmazások tartó és rázó műveletei során, valamint a már ismertetett XY-funkció. Ezek – számos más alkalmazásspecifikus funkcióval együtt – egyszerűen megvalósíthatók a TwinCAT automatizálási szoftver segítségével. A TwinCAT használatra kész mozgásvezérlő funkcióblokkjai rendkívül hatékony mérnöki munkát tesznek lehetővé. Gyakorlatilag minden mozgató ugyanúgy „példányosítható”, mint az objektumorientált programmodulok, amelyek az alapvető funkciók, mint például a dinamikus lépéskövetés és pozicionálás programozását egyszerű paraméterezéssé egyszerűsítik, a hatékony programszekvenciákon keresztül pedig rövidebb gépi ciklusidők megvalósítását teszik lehetővé.
Zökkenőmentes robotintegráció
A még összetettebb megmunkálási műveleteket igénylő alkalmazások részére – mint azt a 6. ábrán láthatjuk – az XTS lineáris szállítórendszer zökkenőmentesen integrálható a robotikával. A TwinCAT kinematikai transzformációi négy különböző szintet kínálnak fel erre a célra, amelyben a negyedik szint már hattengelyű, hexapod- és 5D-kinematikát is kezelni képes. Az mxAutomation könyvtárat használva a PLC-től közvetlenül küldhetünk parancsokat egy KR C4-vezérlővel felszerelt KUKA-robotnak. A TwinCAT-en keresztül a Stäubli-robotok is könnyen a rendszerbe integrálhatók.
A rendszer előnyös tulajdonságai egy kiválóan skálázható számítási teljesítménnyel rendelkező Beckhoff ipari PC-ből származnak, amely képes az XTS- és robotkinematikai folyamatokat egyetlen CPU-val feldolgozni. Ez egyszerűsíti a program kezelését és az alfolyamatok szinkronizálását. Nincs szükség a megszokott interfészre sem a szokásosan használt vezérlő és a robotvezérlő között, ami megkönnyíti a változók cseréjét.
A robotika közvetlen integrációjával a hagyományos PC-alapú technológiába a TwinCAT automatizálási szoftver egyszerűsített tervezési folyamatot és minimális feldolgozási ciklust eredményez
Az XTS – intelligens Ipar 4.0 modulként – egyedi termékre szabott mozgatást tesz lehetővé
Kitűnő innovációs lehetőséget kínálva, az XTS arra törekszik, hogy a termelési folyamatokat hatékonyabbá és – mindenekelőtt – rugalmasabbá tegye. Már csak egyedül ebből az okból is ideális eszköz az XTS az Ipar 4.0 követelményei szempontjából (7. ábra). A közelebbi vizsgálat ezt még világosabbá teszi: egy hagyományos csomagolási vagy összeszerelési folyamatban a termékeket egy futószalag továbbítja, és közben többször kell megfogni, felismerni és a lehetőségek szerint elemezni azokat. Az olyan „érzékeny” ágazatokban, mint a gyógyszer- vagy élelmiszeripar, ezek megvalósításához rendkívül sok mechanikai komponensre és érzékelőre van szükség. Ezzel szemben az XTS lehetővé teszi, hogy egy terméket csak egyszer kelljen megfogni és felvenni, majd azt a teljes folyamaton keresztül ugyanaz a mozgató továbbítja. Ennek megfelelően a vezérlőprogram pontosan „tudja”, hogy az adott terméknek mi a pozíciója, és a termelési folyamat milyen állapotában van.
Az XTS a feldolgozásra szánt terméket általában a teljes folyamaton végigviszi ugyanannak a mozgatónak a segítségével. A folyamat során a mozgató szoftvermodelljével a termék a TwinCAT-ben mindig egyértelműen azonosítható
Mindezt a TwinCAT objektumorientált programozási paradigmája támogatja, amely minden egyes mozgatónak egy szoftverentitást és egy objektumot feleltet meg. Ezen a közvetlen megfeleltetésen alapulva ez az „intelligens és önszervező gyártmány”, amelyet az Ipar 4.0 „jövőképként” definiál, lényegében már most is megvalósítható. Azáltal, hogy a TwinCAT minden mozgatót egy szoftverobjektum egy példányaként kezeli, nem csupán az adott folyamat egyes lépései, hanem például a minőségi adatok és hibaüzenetek is nagyon könnyen követhetők és dokumentálhatók. Ezek az információk akár közvetlenül a gyártási folyamatban is felhasználhatók. Ha például hiba történik az ételcsomagolási folyamat sterilizációs lépése közben, az érintett csomagot, amely a mozgató objektum alapján egyértelműen azonosítható, anélkül lehet végigvinni az egész folyamaton, hogy bármilyen további gyártási feladat (pl. nyomtatás vagy töltés) végrehajtódna rajta. A folyamat végén az üres csomagolást pedig egyszerűen ki lehet selejtezni felesleges segédanyag vagy töltőtartalom pazarlása nélkül. A folyamat vezérlése minden mozgatót egyedileg, a többitől függetlenül kezel: például amint az előző mozgató elhagyta a feldolgozás valamelyik állomását, a következő mozgató feldolgozása aktiválódik.
Számos kiegészítő rendszeradatot már integráltunk az XTS-be, amelyek segítségével hatékonyabb folyamatkezelés érhető el. Például a 3. ábrán látható sebességszabályozó demórendszer esetén a mozgatókra szerelt szenzorzászlók és a motormodulok közötti távolságot folyamatosan monitorozzuk. Ennek az adatnak az alapján a szoftver képes érzékelni, ha a mozgató súlya megváltozott, azaz, például, ha egy golyó kiesik a tálcából a túl nagy sebesség miatt. Ezt az információt sokféle módon lehet feldolgozni attól függően, hogy a feldolgozandó munkadarab a mozgatón van-e, megfelelő súlyú-e a termék a megmunkálás után, túl sok vagy éppen túl kevés ragasztó került a munkadarabra. Az információból fontos további adatok is nyerhetők, például a vezetősínre került szennyeződés felismerésére, csapágyak, kerekek és egyéb komponensek meghibásodásának figyelésére is lehetőség nyílik.
BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 9940
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.beckhoff.hu
