סקירה כללית של בקרת תנועה

בקרת תנועה, תת-תחום של אוטומציה, הפכה לנפוצה יותר ויותר בתעשיות בהן נדרשת מניפולציה מדויקת של תנועת המערכות המכניות.

מכיוון ששוק בקרת התנועה העולמי צפוי לצמוח ל-21.95 מיליארד דולר עד שנת 2031, אין זה מפתיע שיותר עסקים מיישמים מערכות בקרת תנועה שונות, כגון מנועי סרוו וכוננים.

מהי בקרת תנועה?

בקרת תנועה, המכונה גם "רובוטיקה" משמשת בתהליכים תעשייתיים כדי להזיז עומס מסוים בצורה מבוקרת. מערכות בקרת תנועה יכולות להשתמש בטכנולוגיית הפעלה פניאומטית, הידראולית או אלקטרומכנית.

הבחירה בסוג המפעיל (כלומר המכשיר המספק את האנרגיה להנעת העומס) מבוססת על דרישות הספק, מהירות, דיוק ועלות. מערכות אלקטרומכניות משמשות בדרך כלל ביישומים דיוק גבוה, הספק נמוך עד בינוני ויישומים במהירות גבוהה. מערכות אלו הן גמישות, יעילות וחסכוניות. מנועים הם המפעילים המשמשים במערכות אלקטרומכניות.

באמצעות האינטראקציה של שדות אלקטרומגנטיים, הם מייצרים כוח. מנועים אלה מספקים תנועה סיבובית או ליניארית. להלן ייצוג גרפי של מערכת סרוו טיפוסית:

מערכת מסוג זה היא מערכת משוב, המשמשת לשליטה במיקום, מהירות ו/או תאוצה. הבקר מכיל את האלגוריתמים לסגירת הלולאה הרצויה (בדרך כלל מיקום או מהירות) וגם לטפל בממשק המכונה עם כניסות/יציאות, מסופים וכו'.

הכונן או המגבר סוגרים את הלולאות הפנימיות (בדרך כלל מהירות או זרם) ומייצגים את ממיר ההספק החשמלי שמניע את המנוע בהתאם לאותות הייחוס של הבקר. המנוע יכול להיות מהסוג המוברש או ללא מברשות, סיבובי או ליניארי.

המנוע הוא המפעיל האלקטרומגנטי בפועל, שיוצר את הכוחות הנדרשים להנעת העומס. רכיבי משוב כגון טכומטרים, lvdts, מקודדים ורזולורים, מותקנים על המנוע ו/או העומס על מנת לסגור את לולאות הסרוו השונות.

ADVANCED מתכננים ויצרנים של Motion Controls כונני סרוו ומגברים לשימוש במערכות סרוו. כונני סרוו ומגברים נמצאים בשימוש נרחב במערכות בקרת תנועה שבהן נדרשת שליטה מדויקת על המיקום ו/או המהירות.

הכונן/מגבר פשוט מתרגם את אותות הייחוס בעלי אנרגיה נמוכה מהבקר לאותות בעלי אנרגיה גבוהה כדי לספק מתח וזרם של המנוע. במקרים מסוימים השימוש בכונן דיגיטלי מחליף את מערכת הבקר/הכונן או הבקר/מגבר.

אותות הפקודה מייצגים מומנט מנוע, מהירות או מיקום ויכולים להיות אנלוגיים או דיגיטליים באופיים. פקודת +/-10 VDC אנלוגית היא עדיין אות הייחוס הנפוץ ביותר, אך היא מפנה את מקומה במהירות לפקודות רשת דיגיטליות.

מהי ההיסטוריה של בקרת תנועה?

ה היסטוריה של טכנולוגיית בקרת תנועה נמתחת חזרה למהפכה התעשייתית, החלה בסביבות 1760. עידן זה היה עד להתקדמות משמעותית בטכנולוגיית המכונות שהניחה את הבסיס למערכות בקרת התנועה המתוחכמות שאנו רואים כיום. במהלך שנות ה-1700 וה-1800, עם התרחבות התעשיות, הצורך בקרת תנועה מעודנת גדל באופן אקספוננציאלי.

• המאה ה-17: החלה המהפכה התעשייתית, שסימנה את ההתקדמות הראשונית בטכנולוגיית המכונות שתניח את הבסיס למערכות בקרת תנועה.
• שנות ה-1800: אוטומציה של המפעל נשלטה על ידי מנועים גולמיים הפועלים על מערכות רצועות וגלגלות. מקורות כוח גדולים, כגון גלגלי מים ומנועי קיטור, העבירו כוח מכני באמצעות רכבות הנעה אנכיות.
• שנות ה-1900: חידושי החשמל גברו, כאשר תומס אדיסון הציג את מחולל ה-DC בשנות ה-70 וניקולה טסלה היה חלוץ מנוע ה-AC בשנות ה-80. ההתקדמות של תחילת המאה ה-20 כללה מכשירי חשמל מונעים על ידי קווי הייצור הניידים וחלקים סטנדרטיים של הנרי פורד. בשנת 1927, הרולד בלאק חולל מהפכה במשוב שלילי במגברים, והשפיע על פיתוח מערכות בקרת תנועה פניאומטיות בשנות ה-30. באמצע המאה ה-20 אימוץ בקרת נגזרת פרופורציונלית-אינטגרלית (PID), ובסוף שנות ה-70 הציגו אפנון רוחב פעימה (PWM) ומנועי מגנט קבועים ללא מברשות.
• סוף המאה ה-20 עד היום: טכנולוגיות עיבוד אותות דיגיטליות (DSP) וטכנולוגיות מיתוג PWM שיפרו את הקומפקטיות והיעילות של מערכות בקרת תנועה. פרוטוקולי רשת כמו Profibus (1989) ו-DeviceNet (1994) נועדו לתקן את תקשורת האוטומציה. האימוץ של תקנים פתוחים כגון CANopen ו-Ethernet Power Link (EPL) שיפרו את אמינות המערכת והקישוריות.

מהם המרכיבים העיקריים של מערכת בקרת תנועה?

בקר

הבקר הוא ה"מוח" של מערכת סרוו. הוא אחראי על יצירת נתיבי התנועה ועל התגובה לשינויים בסביבה החיצונית. בקרים יכולים להיות משהו פשוט כמו מתג הפעלה/כיבוי או חוגה שנשלטת על ידי מפעיל.

הם יכולים גם להיות מורכבים כמו מחשב עם יכולת לשלוט באופן אקטיבי במספר צירי סרוו, כמו גם לפקח על I/O ולתחזק את כל התכנות עבור המכונה.

בדרך כלל, הבקר שולח אות לכונן; הכונן מספק כוח למנוע; והמשוב מהמנוע נשלח בחזרה לבקר ולכונן. משוב מהעומס מנותב גם לבקר. הבקר מנתח את המשוב ומתקן שגיאות על ידי עדכון האות למגבר. הבקר נחשב לחלק החכם של הסרוו, סוגר את לולאות המהירות ו/או המיקום בזמן שהמגבר סוגר את הלולאה הנוכחית.

עם זאת, מגברים רבים יסגרו את לולאות המהירות ו/או המיקום ויפחיתו דרישות חישוביות מהבקר.

צורות פיזיות של בקרים

בקרים מגיעים במגוון צורות שאנשים בוחרים בהתבסס על עלות, ביצועים, נוחות וקלות שימוש. רוב הבקרים נכנסים לקטגוריה של מיקרו-בקרים, PLCs ובקרי תנועה. כל אחד מהם מתואר להלן.

מיקרו-בקרים

זהו מחשב מסוג קטן ובעלות נמוכה המריץ תוכנית המאוחסנת בזיכרון לא נדיף. הגדרת מיקרו-בקר למערכת בדרך כלל דורשת מתכנת מנוסה, וסגירת לולאות כגון מיקום ומהירות יכולה להיות די קשה. לעתים קרובות, כאשר מתכננים מערכת סרוו באמצעות מיקרו-בקר, המגבר/הכונן יסגור את הלולאות הרצויות, בעוד שהמיקרו-בקר פשוט שולח פקודות מסוימות בחזרה למגבר. פקודות אלו עשויות להיות תלויות בכניסות למיקרו-בקר (חיישנים, מתגים וכו').

PLCs

בסוף שנות ה-60, בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות (PLC) שימשו לראשונה כדי לחסל את הבלגן של חוטים ופתרון בעיות בלהות הקשורים למעגלי ממסר עוקבים. PLCs יכולים לתפוס את מקומם של ממסרים מכניים, אשר להם משך חיים מוגבל. בקרים אלה יקרים יותר ממיקרו-בקרים, אבל יש סיבה טובה.

ל-PLC יש מעבד וזיכרון המאפשרים לתכנת, לשמור ולבצע פקודות. יש לו גם מתלה וחריצי I/O כך שניתן להוסיף מודולי I/O ל-PLC לפי הצורך. המודולים עשויים להוסיף תכונות כגון מונים במהירות גבוהה, שעוני זמן אמת או יכולות בקרת סרוו.

היתרונות של PLCs כוללים יכולת הרחבה ועמידות בפני סביבות קשות. המחיר בדרך כלל נמוך מזה של בקרי תנועה.

בקרי תנועה

בקרי תנועה בנויים במיוחד לשליטה בתנועה (ומכאן השם). לכן פקודות וקלט/פלט הם ספציפיים לצרכים של אלה בתעשיית התנועה. בניגוד לאחרים, בקרי תנועה הם לרוב מבוססי PC, מה שמאפשר ממשק משתמש גרפי. בדרך כלל, ישנן תכונות מתקדמות המאפשרות קלות כוונון, חישת תנועה ופונקציות אחרות. בקר תנועה, באופן כללי, יעשה את החיים שלך קלים יותר מ-PLC או מיקרו-בקר. בגלל התכונות הנוספות, הם בדרך כלל יקרים יותר.

פקודה

הפקודה היא האות שנשלח מהבקר לכונן הסרוו.

כונני סרוו דיגיטליים ניתנים לשליטה ברשתות שונות לרבות CANopen, Ethernet, EtherCAT, Ethernet Powerlink, Synqnet, USB, RS232 ועוד רבים נוספים המאפשרים לשלוט במנוע על ידי חיבור המגבר ישירות (או כמעט ישירות) למחשב. לאותות רשת יש את היתרון ביכולת לתקשר יותר מאשר רק את פקודת הפלט, כולל מצב קלט/פלט, מצב כונן, מידע מיקום ועוד.

כונני סרוו אנלוגיים נשלטים עם +/-10V אותות אנלוגיים ואותות PWM וכיוון.

כונן סרוו

ה כונן סרוו הוא המקשר בין הבקר והמנוע. מכונים גם מגברי סרוו, תפקידם לתרגם את אותות הייחוס באנרגיה נמוכה מהבקר לאותות הספק באנרגיה גבוהה למנוע. במקור, כוננים היו פשוט שלב הכוח שאפשר לבקר להניע מנוע. הם התחילו את דרכם כדגמי רבע יחיד שהניעו מנועים מוברשים. מאוחר יותר הם שילבו ארבע יכולות ריבוע ויכולת להפעיל מנועים ללא מברשות. ארבעה רבעים פירושם היכולת גם להניע וגם לחדש מנוע בשני הכיוונים.

המגמה הנוכחית היא להוסיף עוד תכונות ויכולות לכוננים. כיום ניתן לצפות שהכוננים יטפלו בכל המשוב של המערכת, כולל מקודדים, רזולורים ומדדי טכומטר, כמו גם מתגי גבול וחיישנים אחרים. כוננים מתבקשים גם לסגור את לולאת המומנט, לולאת המהירות ולולאת המיקום ומקבלים את האחריות ליצירת נתיב. כאשר הקו בין הבקר לכונן מיטשטש, הכונן יקבל על עצמו רבות מפונקציות הבקרה המורכבות יותר שבעבר היו התחום הבלעדי של הבקר.

העתיד של טכנולוגיית ההנעה ימשיך להתבסס על הדרישות של תעשיית בקרת התנועה. דרישות אלו כוללות:

• רוחב פס גבוה יותר להגדלת תפוקת הייצור
• בקרת מהירות ומיקום מוגברת כדי לאפשר ייצור מורכב וממוזער יותר
• יכולת מוגברת של רשת לתאם צירים הדוק בתוך מכונה ולתאם מכונות בתוך מפעל
• פעולה פשוטה, ידידותית ואוניברסלית

מָנוֹעַ

ה מנוע סרוו ממירה את הזרם והמתח המגיעים מהכונן לתנועה מכנית. רוב המנועים הם סוגים סיבוביים אך זמינים גם מנועים ליניאריים. ישנם סוגים רבים של מנועים שניתן להשתמש בהם ביישומי סרוו.

הרשימה הבאה של סוגי מנועים נמצאים בדרך כלל ביישומי סרוו.

שלב בודד

למנועים חד פאזיים יש שני חוטי חשמל והם קלים מאוד להתקנה. מנועים בקטגוריה זו יכולים לכלול מנועים מוברשים, עומסים אינדוקטיביים וסלילי קול. מגברים המיועדים למנועים מוברשים משמשים בדרך כלל להנעת עומסים חד פאזיים למרות שרוב הכוננים התלת פאזיים של AMC יכולים להפעיל גם מנועים אלה.

מִברֶשֶׁת

המנוע החד פאזי הנפוץ ביותר. המברשות הן צורה של תנועה מכנית המכוונת את הזרם לסלילים הנכונים בזמן הנכון.

מפעיל ליניארי

מפעילים ליניאריים משתמשים במנוע סיבובי המחובר לתיבת הילוכים כדי להזיז ציר ליניארי פנימה והחוצה. המנוע במפעיל הוא לעתים קרובות מנוע מוברש.

סליל קולי

סליל קולי דומה מבחינה רעיונית לרמקול שמע. התנועה היא ליניארית ומוגבלת בדרך כלל לתנועה של פחות מ-0.5 אינץ' (13 מ"מ). יישומי סליל קול רבים דורשים כונן סרוו בעל ביצועים גבוהים ADVANCED בקרות תנועה היא לרוב הבחירה הראשונה.

מיסב מגנטי

מיסבים מגנטיים מרחפים פיר מסתובב על כרית מגנטית הנשלטת באמצעות סרוו. הם משמשים כאשר נדרש חיכוך נמוך או כאשר מהירויות הציר גבוהות מדי עבור מיסבים קונבנציונליים. מיסבים מגנטיים משתמשים באלקטרומגנטים כדי להרחיק את הציר המסתובב כך ששום דבר לא נוגע בו פיזית. מערכת מיסבים מגנטית טיפוסית תדרוש 4 או 5 כוננים - x ו- y בכל צד של הציר המסתובב ומסב דחף אופציונלי כדי למנוע מהציר לצוף פנימה והחוצה. דרישות הביצועים עבור הכוננים יכולות להיות גבוהות במיוחד בשל האופי הדינמי של המערכת.

עומס אינדוקטיבי

עומסים אינדוקטיביים משמשים לעתים קרובות על ידי אוניברסיטאות ומדענים כדי ליצור שדות מגנטיים עבור הניסויים שלהם. ADVANCED כוננים של Motion Controls שלטו בהצלחה בעומסים אינדוקטיביים עם השראות של פחות מ-80uH עד למעלה מ-1H (1,000,000uH) של השראות. ישנם שיקולים מיוחדים לאנרגיה המאוחסנת במשרן גדול, ומחלקת התמיכה הטכנית שלנו תשמח לדון בהם לגבי הפרויקט שלך.

תלת פאזי

רוטרי ללא מברשות

למנועי סרוו ללא מברשות מגנט קבוע יש צפיפות הספק גבוהה יותר, פיזור חום טוב יותר ודורשים פחות תחזוקה מאשר למנועים מוברשים. מנועים חסרי מברשת עשויים להיות קצת יותר קשים להגדרה בגלל החיווט המוגבר, כך שהקו הדיגיטלי שלנו מקל על העניינים על ידי אוטומציה של תהליך המעבר.

ליניארי

המבנה של מנוע ליניארי זהה למנוע סיבובי אך נפתח והשתטח. הגדרת כונן למנוע לינארי זהה להגדרת כונן למנוע סיבובי. מנועים לינאריים משמשים ביישומי הנעה ישירה שבהם דרישות המהירות והדיוק הן יותר ממה שמנוע סיבובי ובורג כדורי יכולים לספק.

שיקולי טעינה

שיקולי העומס צריכים לכלול את האובייקט שמזיזים, את החלקים הנעים במכונה וכל דבר שעלול לגרום לאי יציבות לא רצויים כגון צימודים והשפעות אחוריות. לכל המסה הכוללת של החלקים הנעים במכונה יש אינרציות שישתקפו על המנוע. נקודות חיכוך כמו משלבים ליניאריים וממיסבים יוסיפו לעומס המנוע. צימודים גמישים יוסיפו רזוננסים שיש לקחת בחשבון.

מָשׁוֹב

במערכות בקרה מודרניות, נעשה שימוש בהתקני משוב כדי להבטיח שהמנוע או העומס יגיעו למיקום או למהירות הפקודה. מגברי ובקרי סרוו משתמשים במשוב הזה כדי לקבוע כמה זרם להעביר למנוע בכל עת, בהתבסס על מיקומו ומהירותו הנוכחיים לעומת היכן שהוא צריך להיות. ישנם שני סוגים עיקריים של משוב, מוחלט ויחסי (הידוע גם בשם 'אינקרמנטלי').

משוב מוחלט

התקנים אבסולוטיים מספקים מיקום סופי בטווח מוגדר בעת הפעלת ההפעלה (כלומר ללא שגרת ביות).

משוב יחסי (מצטבר)

התקנים אלה מספקים רק עדכוני מיקום מצטברים. על מנת לדעת את מיקום המנוע או העומס, יש להשתמש במשוב אינקרמנטלי בשילוב עם סוג כלשהו של משוב מוחלט (מתג גבול, למשל) כדי לקבוע את המיקום ההתחלתי. ברגע שהמיקום ההתחלתי ידוע, משוב יחסי יכול לספק מידע על מיקום לאורך כל טווח התנועה.

בתוך שני סוגי משוב כלליים אלה, ישנם התקני משוב רבים ושונים. להלן כמה מהמכשירים הנפוצים ביותר בבקרת תנועה.

סוגי משוב

מקודד נצב

מקודדים הם מכשיר משוב המיקום הנפוץ ביותר בבקרת תנועה. מקודדים ליניאריים יכולים להגיע לרזולוציות של תת-מיקרון ולמקודדים סיבוביים יכולים להיות רזולוציות העולה על 100,000 ספירות לכל סיבוב. אלו מכשירי משוב יחסי.

מקודד סינוסואידי

מקודדים סינוסואידיים משתמשים בגלי סינוס במקום הגלים המרובעים הנראים במקודדים ריבועיים. זה מאפשר אינטרפולציה של ספירות מקודד ביניים ליותר מ-1024 פעמים. רזולוציות של למעלה מ-4 מיליון ספירות לכל רזולוציה אפשריות. אלו מכשירי משוב יחסי.

מקודד סינוסואידי מוחלט

אלה משתמשים באותם מקודדים סינוסואידיים כמו לעיל בנוסף להתקן מכני או מעגל חשמלי שיכולים לשמור על מידע מיקום מוחלט על פני אלפים רבים של סיבובים. מכשירים אלו מעבירים את מידע המיקום על פני פרוטוקול טורי כגון: Hiperface^®, נגמר ב^® ו-BiSS.

חיישני אולם

זהו משוב ברזולוציה נמוכה שלעיתים קרובות הכרחי לבקרת התמורה. זה יכול לשמש גם עבור משוב מהירות במהירויות גבוהות יותר. אלה מספקים 6 יחידות של משוב מוחלט בתוך כל מחזור חשמלי.

פותר

רזולובר הוא בעצם שנאי סיבובי. משוב זה מסוגל לקבל רזולוציות מעל 16 ביט. רזולוורים הם המשוב הנבחר עבור טמפרטורה גבוהה וסביבת רטט גבוהה. אלה מספקים משוב מוחלט בתוך מהפכה אחת.

מהן הפונקציות העיקריות של בקרת תנועה?

לבקרת תנועה יש שבע פונקציות עיקריות. נדון בהם בפירוט להלן.

בקרת מהירות

בקרת מהירות היא פונקציה בסיסית בתוך מערכות בקרת תנועה, המאפשרת למכונות לנהל את מהירות התנועה במדויק.

בקרה זו היא חיונית ביישומים שבהם יש צורך במהירות עקבית ומבוקרת, כגון מסועים או ויסות מהירות מאוורר במערכות HVAC.

היכולת להתאים את המהירות בצורה חלקה ומדויקת מבטיחה ביצועים ויעילות מיטביים בתהליכים אוטומטיים.

בקרת מיקום (נקודה לנקודה).

בקרת מיקום, המכונה לעתים קרובות בקרת נקודה לנקודה, כוללת העברה של מכשיר או רכיב ממיקום ספציפי אחד לאחר בתוך חלל מוגדר מראש. פונקציה זו היא קריטית בתעשיות שבהן הדיוק הוא בעל חשיבות עליונה, כגון רובוטיקה ועיבוד שבבי CNC.

מערכות בקרת מיקום משתמשות בשיטות שונות לחישוב מסלולי תנועה, כולל פרופילים משולשים, טרפזיים ופרופילים של עקומת S. כל אחד מהפרופילים הללו מציע מאפיינים שונים:

• פרופילים משולשים משמשים בדרך כלל לתנועות פשוטות וישירות.
• פרופילים טרפזים מציגים שלבי האצה והאטה, מה שהופך אותם למתאימים לפעולות מורכבות יותר.
• פרופילי S-Curve מוסיפים עליות וירידות הדרגתיות במהירות בתחילת ובסוף התנועה, משפרים את החלקות ומפחיתים את הלחץ המכני על המערכת.

בקרת לחץ/כוח

בקרת לחץ או כוח חיונית ביישומים שבהם מכונות חייבות לקיים אינטראקציה מדויקת עם עומסים ורמות התנגדות משתנות. פונקציה זו מאפשרת למערכות להתאים את הכוח המופעל באופן דינמי, תוך הבטחת ביצועים מיטביים מבלי לפגוע במוצרים או במכונות.

בקרה כזו היא חיונית בתעשיות כמו ייצור, בהן פסי ייצור דורשים כוח מדויק כדי להרכיב חלקים ללא שגיאות. מנועי סרוו וחיישני משוב מתקדמים מנטרים ומכוונים את הכוח באופן רציף, תוך שמירה על האיזון בין יעילות ודיוק.

בקרת עכבה

בקרת עכבה חיונית במיוחד ברובוטיקה, שבה מכונות מקיימות אינטראקציה עם סביבות דינמיות. סוג בקרה זה נועד להתאים את העכבה המכנית של הרובוט, כלומר קשיחות ושיכוך, בזמן אמת.

על ידי אפנון גורמים אלו, רובוטים יכולים להסתגל ביעילות למאפיינים הפיזיים של האובייקטים איתם הם מתקשרים, ולשפר את יכולתם לבצע משימות מורכבות כמו הרכבה, אריזה או אפילו ניתוחים עדינים. בקרת עכבה עוסקת לא רק בהפעלת כוח ישיר אלא גם כרוכה בהתאמות ניואנסיות כדי להבטיח אינטראקציות חלקות ובטוחות בין רובוטים וסביבות התפעול שלהם.

בקרת נתיב

בקרת נתיבים היא חלק בלתי נפרד מהבטחה שמערכת תנועה יכולה לעקוב במדויק אחר מסלול או מסלול מוגדרים מראש. פונקציה זו חיונית ביישומים בהם יש לשלוט במדויק על התנועה בין מספר נקודות, כגון במכונות חיתוך או כאשר משתמשים בזרועות רובוטיות בקווי ייצור.

בקרת נתיב משתמשת באלגוריתמים מתוחכמים שלא רק מכתיבים את המסלול אלא גם מייעלים את התנועה למהירות ויעילות, מפחיתים בלאי של רכיבים מכניים ומגדילים את אמינות המערכת הכוללת.

בקרת טלטלה

בקרת טלטלה מתייחסת לקצב השינוי של התאוצה, שהוא גורם קריטי בפעולה חלקה של מכונות. מזעור הטלטלות חיוני להפחתת הלחץ המכני והימנעות מנזק הן למוצר והן למכונה.

פונקציית בקרה זו חשובה במיוחד במערכות שבהן ציוד נע במהירויות גבוהות או נושא רכיבים עדינים. על ידי החלקת מעברים בהאצה והאטה, בקרת טפטופים מבטיחה תוחלת חיים ארוכה יותר של חלקים מכניים ומשפרת את הבטיחות בתהליכים אוטומטיים.

גיר אלקטרוני / פרופיל מצלמות

גיר אלקטרוני ופרופיל פקה הן טכניקות מתקדמות המשמשות לסנכרון התנועה של חלקים שונים במכונה. פונקציות אלו מאפשרות שליטה מדויקת על הדינמיקה של המכונה, ומאפשרות תנועות מורכבות החיוניות בקווי ייצור מסונכרנים או בכלי מכונות מרובי צירים.

גיר אלקטרוני מחקה הילוכים מכניים מסורתיים אך עם גמישות רבה יותר וללא צורך במגע פיזי, ובכך מפחית בלאי מכני. פרופיל פקה, בינתיים, כרוך בתכנות בקר התנועה כך שיעקוב אחר פרופיל פקה, דבר שימושי במיוחד ביישומים הדורשים תנועות חוזרות ומדויקות.

פרופילי תנועה

המטרה של כל מערכות הסרוו היא להזיז סוג כלשהו של עומס. האופן שבו מועבר העומס ידוע כפרופיל התנועה. פרופיל תנועה יכול להיות פשוט כמו תנועה מנקודה A לנקודה B על ציר בודד, או שהוא עשוי להיות מהלך מורכב שבו צירים מרובים צריכים לנוע בדיוק בתיאום.

פרופיל לדוגמה מוצג באיור 1. המרחק הכולל שעבר, D, נמצא על ידי חישוב השטח מתחת לעקומה. T הוא הזמן הכולל הנדרש למעבר. השיפוע של עקומת המהירות מייצג את התאוצה או האטה באותו רגע מסוים. ישנם מספר סוגים של פרופילי תנועה המשמשים עם מערכות בקרת סרוו. המשמשים ביותר הם מהירות קבועה, טרפז, ו S-Curve פרופילי תנועה.

דברים שכדאי לזכור:

• מהירות פרופורציונלית ל-1/T
• האצה פרופורציונלית ל-1/T²
• הספק (שיא) פרופורציונלי ל-1/T³

ההשלכות של נקודת התבליט האחרונה הן עמוקות. למשל אם יש לכם מערכת קיימת ואתם רוצים שהמהלכים יסתיימו פי שניים מהר יותר, המערכת תדרוש פי 8 כוח!

מהירות קבועה

פרופיל תנועה זה שומר על מהירות קבועה בין נקודות (ראה איור 2א). זהו פרופיל התנועה הבסיסי ביותר מכיוון שמשתמשים רק בפקודת מהירות.

מהירות קבועה תשמש במשהו כמו מסוע או מאוורר.

מכונות מיקום מדויק אינן משתמשות בפרופיל המהירות הקבועה מכיוון שמכונה בעולם האמיתי אינה יכולה לשנות מהירות באופן מיידי. יהיה עיכוב זמן שישתנה עם שינויים בעומס ובמערכת. באיור 2B, הקו המקווקו מייצג את נתיב המהירות בפועל שיעבור העומס. Ta ו-Td מייצגים את הזמן הנדרש כדי להאיץ ולהאט. זמנים אלו עשויים להשתנות בהתאם לתנודות בעומס.

טרפז

פרופיל התנועה הטרפז משופע את עקומת המהירות כדי ליצור קצבי תאוצה והאטה צפויים. פרופיל תנועה טרפז מוצג באיור 3. הזמן להאיץ ולהאט הוא מדויק וניתן לחזור עליו. Ta ו-Td עדיין קיימים, אך כעת הם מוגדרים ערכים במקום ערכים אקראיים.

• אם ta = td = T/3 עבור פרופיל מהלך טרפז, ההספק הכולל בשימוש הוא מינימום
• שגיאת Overshoot עדיין קיימת עבור מהלך טרפז, אך שגיאה זו זניחה עבור מערכות רבות.
• מכונות דיוק גבוה יותר דורשות פרופיל תנועה שונה.

S-Curve

פרופיל תנועת S-curve מאפשר שינוי הדרגתי בתאוצה. זה עוזר לצמצם או לבטל את הבעיות שנגרמו כתוצאה מחריגה, והתוצאה היא הרבה פחות רעידות מכניות שנראות על ידי המערכת. נקודות התאוצה המינימליות מתרחשות בתחילת ובסוף תקופת התאוצה, בעוד שההאצה המקסימלית מתרחשת בין שתי נקודות אלו. זה נותן פרופיל תנועה מהיר, מדויק וחלק.

חישובי מומנט והספק

החל מפרופיל המהירות, ניתן לגזור את פרופיל המומנט על ידי לקיחת הנגזרת של המהירות. שיפוע חיובי בפרופיל המהירות יהיה מומנט חיובי ושיפוע שלילי יהיה מומנט שלילי. תלילות השיפוע תואמת את גודל המומנט.

בשלב הבא ניתן לגזור את עקומת הכוח על ידי הכפלת עקומת המהירות עם עקומת המומנט (מומנט x מהירות = הספק).

עיצוב מערכת

המידע בתוך שלושת הפרופילים הללו הוא הבסיס לתכנון המערכת.

• מפרופילי המהירות והמומנט אתה יכול לצמצם את בחירת המנוע שלך לדגמים המסוגלים לספק את המומנט והמהירות הנדרשים
  • בהתבסס על נתוני המנוע (Kt - קבוע מומנט, Kv - קבוע מתח, התנגדות מנוע Rm) תוכל לקבוע את דרישות הזרם והמתח של המערכת
    • משיא המומנט ניתן לחשב את שיא הזרם (I). I = T / Kt
    • ממהירות השיא ניתן לחשב את שיא המתח (V). V = מהירות * Kv + I * Rm
• כאשר דרישות הזרם והמתח ידועות, תוכל לבחור כונן סרוו

 

עוד משוואות

• מומנט הוא פרופורציונלי לזרם.
• מומנט*מהירות = כוח
• KT = קבוע מומנט (lb-in/A)
• מומנט RMS חשוב משיקולי אספקה ותרמיים.

מהם היישומים של בקרת תנועה?

שמונה תעשיות מרכזיות המשתמשות בקרת תנועה ויישומים שלהן כוללים:

• ייצור: מערכות בקרת תנועה מייעלות קווי ייצור, משפרות את הדיוק בתהליכי ההרכבה ומצמצמות את זמן ההשבתה עקב שגיאות מכניות.
• רובוטיקה: ברובוטיקה, בקרת תנועה חיונית כדי לאפשר תנועות מדויקות ביישומים החל מאוטומציה תעשייתית ועד רובוטים שירותים בתחום הבריאות.
• תעופה וחלל: בשימוש עבור מערכות מיקום וניווט, בקרת תנועה מבטיחה טיפול ופריסה מדויקת של רכיבים בחללית ובמטוסים.
• רכב: מיישמת בקרת תנועה בקווי ייצור אוטומטיים, ומבטיחה שחלקים מורכבים בדיוק רב המשפר את איכות הרכב הכוללת.
• בידור: טכנולוגיות בקרת תנועה משמשות באנימטרוניקה ואפקטים מיוחדים ליצירת תנועות ריאליסטיות בסרטים ובפארקי שעשועים.
• שירותי בריאות: קריטי לרובוטים כירורגיים וציוד אבחון, מתן בקרה מדויקת המשפרת את התוצאות של הליכים רפואיים.
• אריזה: מבטיח טיפול מהיר ומדויק בסחורות, המשפר את יעילות האריזה ומפחית בזבוז חומרים.
• הַדפָּסָה: מערכות בקרת תנועה שומרות על פלט ברזולוציה גבוהה על ידי שליטה בתנועות המדויקות של ראשי הדפסה, דבר חיוני להשגת הדפסות באיכות גבוהה.

שורה תחתונה

בקרת התנועה היא עצומה ומתפתחת כל הזמן. כמו חברות כמו Advanced Motion Controls מובילות את הדרך בפיתוח של רכיבי בקרת תנועה כמו כונני סרוו ו בקרי סרוו, התעשייה ממשיכה לחדש, לשפר את הדיוק, היעילות והרבגוניות ביישומים שונים.

התקדמות זו מבטיחה להניע התקדמות נוספת באוטומציה, רובוטיקה וייצור, ולעצב את העתיד של תעשיות רבות.

מספיק עם התיאוריה בואו נראה את הדברים האלה במכונות אמיתיות!