Meisterhafte koordinierte Bewegung: Synchronisierung von Mehrachsen-Servosystemen

In der Welt der Industrieautomatisierung ist das Bewegen eines einzelnen Motors einfach. Die Koordination von drei oder mehr Achsen, die als eine Einheit arbeiten sollen, erfordert jedoch fortgeschrittene Steuerungsstrategien. Ob Sie nun eine maßgeschneiderte Portalachse oder einen Gelenkroboter bauen, koordinierte Bewegungen vereinfachen komplexe räumliche Berechnungen. Diese Technik ermöglicht es mehreren Gelenken, ihr Ziel gleichzeitig zu erreichen, wodurch gleichmäßige und vorhersehbare Maschinenwege sichergestellt werden.

Verständnis von Gelenk- vs. kartesischen Koordinatensystemen

Industrieroboter basieren meist auf rotierenden Gelenken. Jeder Motor bewegt sich zu einem bestimmten Winkelwert. Um die endgültige Werkzeugposition (X, Y, Z) zu ermitteln, führt die Steuerung die sogenannte „Vorwärtskinematik“ aus. Umgekehrt berechnet die „Rückwärtskinematik“ die Gelenkwinkel, die nötig sind, um einen bestimmten Punkt im Raum zu erreichen.

Beim Programmieren in Umgebungen wie Studio 5000 müssen Sie Ihr Koordinatensystem wählen. Lineare kartesische Systeme (X, Y, Z) sind für Einsteiger oft leichter zu handhaben. Sie ersparen komplexe trigonometrische Umrechnungen innerhalb Ihrer SPS-Logik.

Einrichtung eines Mehrachsen-Koordinationssystems

Die Einrichtung eines koordinierten Systems ist detaillierter als die herkömmliche Zahnrad- oder Nockensynchronisation. Zuerst müssen Sie Ihre Servoantriebe in einer „Koordinierten Einheit“ innerhalb Ihrer Bewegungsgruppe zusammenfassen. Dieses Softwareobjekt dient als Behälter für alle zugehörigen Achsen.

Der Assistent für das Koordinierte System ermöglicht es Ihnen, wichtige Parameter festzulegen. Sie können die Anzahl der Achsen, die Systemgeometrie und mechanische Versätze angeben. Außerdem müssen Sie Höchstgeschwindigkeiten und Beschleunigungsgrenzen für die gesamte Gruppe einstellen. So sorgt die langsamste Achse für die Gesamtzeit des Weges und verhindert mechanische Überlastungen.

Wichtige SPS-Logik für koordinierte Bewegungen

Zur Steuerung dieser Systeme verwenden Ingenieure spezielle Bewegungs-Koordinationsbefehle (MC). Im Gegensatz zu den üblichen Bewegungsachsen-Befehlen (MAM) betrachten diese Befehle das System als eine Einheit.

• MCLM (Lineare Bewegung): Bewegt den Werkzeugmittelpunkt auf einer geraden Linie zwischen zwei Koordinaten.

• MCCM (Kreisbewegung): Erzeugt präzise 2D- oder 3D-Bögen mit definiertem Radius oder Mittelpunkt.

• MCPM (Wegbewegung): Bewältigt komplexe Bahnen für SCARA- oder Delta-Robotergeometrien.

Wenn Sie das System anhalten müssen, ist ein Bewegungs-Koordinationsstopp (MCS) erforderlich. Dieser Befehl sorgt dafür, dass alle Achsen gleichzeitig abbremsen und die Wegintegrität auch beim Anhalten erhalten bleibt.

Vergleich von koordinierter und synchronisierter Bewegung

Viele Ingenieure verwechseln „Übersetzung“ mit „koordinierter Bewegung“. Bei der elektronischen Übersetzung folgt eine Achse einer anderen im festen Verhältnis. Bei der koordinierten Bewegung sind die Achsen jedoch nicht starr gekoppelt. Sie können eine einzelne Achse mit einem Standard-Bewegungsbefehl ansteuern, ohne die anderen zu beeinflussen.

Der Vorteil der koordinierten Bewegung liegt in der Zeitgleichheit. Die Steuerung passt automatisch die Geschwindigkeit jedes Motors an. Dadurch starten und stoppen alle Achsen genau gleichzeitig, unabhängig von der zurückzulegenden Strecke.

Perspektive des Autors: Warum Koordination wichtig ist

Nach meiner Erfahrung ist der Wandel hin zur koordinierten Bewegung ein Wendepunkt für den Selbstbau von Robotern und spezialisierte Fabrikautomatisierung. Früher brauchte man eine eigene Robotersteuerung, um gleichmäßige Bahnen zu erreichen. Heute übernehmen moderne SPS diese Berechnungen intern. Diese Verschmelzung von SPS- und Robotersteuerung senkt die Hardwarekosten und vereinfacht die Kommunikationsstruktur auf dem Werksgelände.