Wybór technologii w aplikacjach związanych ze sterowaniem ruchem często wiąże się z dużym stopniem złożoności, zwłaszcza w przypadku układów wieloosiowych. Poniżej przedstawiono pięć kluczowych zalet zastosowania serwonapędów wieloosiowych w automatyce.
Serwonapędy wieloosiowe – spojrzenie na projektowanie systemów sterowania ruchem
Decyzja o wyborze odpowiednich rozwiązań w zakresie sterowania ruchem lub projektowania maszyn niemal zawsze oznacza konieczność zmierzenia się z wysokim poziomem złożoności. Serwonapędy wieloosiowe pomagają ją ograniczyć, a jednocześnie poprawiają wydajność w takich obszarach jak: oszczędność miejsca, synchronizacja, efektywność energetyczna, skalowalność oraz obsługa danych.
Serwonapędy wieloosiowe zaczęły zyskiwać popularność na początku lat 90. XX wieku i od tamtej pory były stale udoskonalane, aby oferować coraz większe możliwości. Ich przewaga polega na tym, że w jednej, prostej w obsłudze obudowie można połączyć kilka osi, zamiast stosować osobne napędy jednoosiowe. W efekcie ograniczają złożoność projektową i zwiększają wydajność systemów.
1. Oszczędność miejsca
Oszczędność przestrzeni jest kluczowym aspektem w projektowaniu szaf sterowniczych do aplikacji serwo. W przypadku systemów wieloosiowych należy przewidzieć odpowiednie wentylatory oraz zachować rygorystyczne odstępy zgodnie z normami bezpieczeństwa. Wraz ze wzrostem złożoności systemów – większą liczbą połączeń i tras kablowych – nawet niewielka oszczędność miejsca może mieć znaczenie.
Dla przykładu: napęd trzyosiowy ma szerokość 70 mm. Dla porównania – najmniejsze modele napędów jednoosiowych mają szerokość 40 mm i wymagają dodatkowego 1 mm odstępu. Oznacza to, że napędzając trzy osie napędami o identycznej mocy znamionowej, projektant systemu może zaoszczędzić 52 mm szerokości, czyli 57% całkowitej przestrzeni, stosując rozwiązanie wieloosiowe. W aplikacjach obsługujących większą liczbę osi oszczędności te rosną wykładniczo.
2. Oszczędności kosztowe – okablowanie
Łączenie wielu osi w jednym serwonapędzie sprzyja nie tylko oszczędności miejsca, lecz także zmniejsza nakłady pracy przy budowie szafy. Wynika to z faktu, że serwonapędy wieloosiowe zazwyczaj korzystają ze wspólnej magistrali prądu stałego (DC bus). Upraszcza to zabezpieczenia obwodów zasilających oraz eliminuje konieczność stosowania zabezpieczeń dla każdej linii zasilającej oddzielne napędy jednoosiowe.
Komunikacja pomiędzy sterownikiem a napędem również jest prostsza – w rozwiązaniu wieloosiowym wystarczy jedna linia komunikacyjna, zamiast standardowego łączenia łańcuchowego w przypadku napędów jednoosiowych. Dodatkowo, przewody zasilania silników oraz przewody enkoderów mogą być prowadzone bliżej siebie, co poprawia porządek i estetykę instalacji.
Wszystkie te usprawnienia przekładają się na redukcję kosztów – mniejsza liczba przewodów, mniejsza złożoność, niższe koszty całkowite napędów.
3. Komunikacja i obsługa danych
Programowanie napędów wieloosiowych jest prostsze niż w przypadku wielu napędów jednoosiowych. Ponieważ wszystkie osie są obsługiwane przez jedno urządzenie, konfiguracja komunikacji jest mniej skomplikowana, a każdą oś można kontrolować indywidualnie.
Aktualizacje oprogramowania układowego (firmware) w systemach wieloosiowych są mniej uciążliwe, co ma szczególne znaczenie na etapie projektowania i testowania. W wielu przypadkach ogranicza to konieczność czasochłonnych czynności serwisowych oraz ułatwia dostęp do urządzeń.
4. Efektywność energetyczna
Napędy wieloosiowe oferują wyższą efektywność energetyczną dzięki wspólnej magistrali DC. W praktyce oznacza to, że energia odzyskana z silnika podczas hamowania może być wykorzystana przez inny silnik w fazie przyspieszania. W przypadku napędów jednoosiowych bez dodatkowych modyfikacji taka energia jest po prostu tracona.
W aplikacjach, gdzie często dochodzi do równoległej pracy silników o przeciwnych profilach ruchu, zastosowanie napędu wieloosiowego pozwala na znaczące ograniczenie strat energii, co przekłada się na wymierne oszczędności finansowe.
Dodatkowo, napędy wieloosiowe generują mniejsze straty mocy, co w dłuższej perspektywie również obniża koszty eksploatacji.
5. Skalowalność i modułowość
Napędy wieloosiowe umożliwiają łatwe skalowanie systemów. Jeden napęd może obsługiwać osie X, Y i Z, a dodatkowo istnieją technologie pozwalające na podłączenie wielu silników do jednej linii enkodera. Zmiana adresów węzłów umożliwia niezależne sterowanie każdym silnikiem w tej linii.
Dzięki temu projektanci mogą elastycznie rozmieszczać do trzech silników w różnych miejscach aplikacji, uzyskując dużą swobodę konfiguracyjną. Takie rozwiązania otwierają szerokie możliwości projektowania aplikacji na bazie jednego urządzenia.
Zastosowania
Z serwonapędów wieloosiowych korzystają m.in.:
-
obrabiarki CNC,
-
proste roboty,
-
maszyny pakujące,
-
prasy drukarskie,
-
systemy bramowe,
-
maszyny włókiennicze.
Każda aplikacja wymagająca ruchu w przestrzeni trójwymiarowej, zsynchronizowanego ruchu osi czy precyzyjnego sterowania w wielu punktach będzie wymagała zastosowania serwonapędów wieloosiowych. Jak omówiono powyżej, przewaga rozwiązań wieloosiowych nad napędami jednoosiowymi jest znacząca – zarówno pod względem funkcjonalności, jak i ekonomii eksploatacji.
