Jak przygotować maszynę na Przemysł 4.0?

Z tego artykułu dowiesz się:

  • Jakie produkty zostały wykorzystane podczas budowy frezarki Astraada CNC
  • Jak przebiegał proces tworzenia projektu
  • W jaki sposób działa program sterujący w tej aplikacji

 

Aby móc lepiej zrozumieć możliwości naszych produktów, postanowiliśmy wczuć się w rolę klientów, a dokładniej producentów maszyn i zbudować na bazie produktów z oferty ASTOR trójosiową frezarkę CNC.

 

Podczas budowy frezarki Astraada CNC użyliśmy następujących produktów:

  • sterownik zintegrowany Astraada One z licencją CODESYS Softmotion CNC, EthernetIP i OPC UA,
  • serwonapędy Astraada SRV 0.2 kW w wersji EtherCAT,
  • miernik zużycia energii Comodis,
  • switch Astraada NET i modem Astraada GSM,
  • oprogramowanie InTouch Machine Edition,
  • dostęp do chmury Wonderware InSight.

Urządzenie oprócz swojej podstawowej funkcjonalności miało wpisywać się w ideę Przemysłu 4.0, wymieniając informacje z poszczególnymi warstwami zarządzania produkcją i umożliwiając tworzenie spersonalizowanych wyrobów.

 

Schemat funkcjonalny frezarki

 

Naszym głównym celem była praktyczna weryfikacja funkcjonalności sprzętu i zastosowanie rozwiązań, które pozwoliłyby naszym klientom na budowanie innowacyjnych maszyn. Projekt prowadzony był pod kątem przygotowania wizualizacji i systemu sterowania serwonapędami, dlatego postanowiliśmy, że skorzystamy z gotowej mechaniki i na jej bazie powstanie obrabiarka. Taka decyzja pozwoliła oszczędzić mnóstwo czasu, który musiałby być poświęcony na projektowanie, zamawianie elementów, montaż itp.

/

Nie obyło się oczywiście bez modyfikacji, ale były to raczej niewielkie zmiany, przykładowo rozstaw otworów montażowych nie pasował do silników i musieliśmy przygotować odpowiednie przejściówki.

 

Frezarka została wyposażona w 6 krańcówek mechanicznych, które zabezpieczają maszynę przed błędami programistycznymi i niekontrolowanym ruchem poza fizyczny zakres poszczególnych osi. Wszystkie krańcówki podłączone są bezpośrednio do odpowiednich serwowzmacniaczy Astraada SRV i działają niezależnie od siebie, przez co są bardziej niezawodne. Mogą być aktywowane jedynie wtedy, gdy oś porusza się w odpowiednią stronę, np. dolny wyłącznik pionowej osi Z zatrzyma silnik napędzający śrubę jedynie wtedy, gdy wrzeciono będzie poruszać się w kierunku stołu obrabiarki.

/

200-watowe ekonomiczne serwosilniki Astraada SRV użyte do budowy frezarki posiadają enkodery absolutne, wraz z podtrzymaniem bateryjnym zamontowanym w okablowaniu pozwalają na zapamiętanie pozycji napędu nawet po odłączeniu zasilania. Takie rozwiązanie wyklucza konieczność czasochłonnego bazowania po każdorazowym odłączeniu prądu od frezarki. Jednak co jeśli trzeba będzie odpiąć silnik w celach serwisowych? Oczywiście w takim wypadku utracimy pozycję i trzeba będzie ponownie spozycjonować obrabiarkę. W tym celu na ramie obrabiarki zamontowane zostały 3 transoptory – każdy wpięty do oddzielnego serwowzmacniacza. Po aktywacji systemu bazowania każda z osi jedzie w odpowiednim kierunku. Gdy transoptor wykryje barierę – to znaczy, że każda z osi XYZ znalazła się w odpowiednim położeniu i jest to punkt startowy, dla którego należy przyjąć pozycję 0, 0, 0.

 

Do sterowania ruchem serwonapędów wykorzystany został zintegrowany 7” sterownik PLC Astraada One DC2007. Komunikuje się on z serwonapędami za pośrednictwem protokołu komunikacyjnego EtherCAT. Serwonapędowe wzmacniacze posiadają po dwa wbudowane porty (wejściowy i wyjściowy), więc do budowy sieci nie potrzeba dodatkowych switchy. Skuteczność działania EtherCAT potwierdzona jest świetnymi wynikami czasu wymiany informacji, umożliwiając sterowanie silnikami w „czasie rzeczywistym”. Jest to możliwe dzięki metodzie transmisji danych – ramka przesłana przez węzeł typu master przechodzi przez wszystkie węzły typu slave, które przetwarzają ją w locie. Informacja odbierana jest przez wszystkie węzły w sieci, gdzie każdy z nich najpierw sprawdza, czy znajdują się w nim dane bezpośrednio dla niego. Jeżeli tak, to odczytuje dedykowany fragment, a następnie wstawia swoją odpowiedź i przekazuje informację dalej. Gdy wiadomość dotrze do ostatniego urządzenia, ramka zostaje zawrócona do punktu wyjściowego.

/

Sterownik PLC Astraada One działa w środowisku Codesys dedykowanym dla producentów maszyn. Umożliwia ono przygotowanie logiki programu, wizualizacji, a także – dzięki licencji Softmotion CNC – synchronicznej pracy serwonapędów. W aplikacji sterującej użyliśmy wbudowanych w Codesysa bibliotek SM3.Basic i SM3.CNC. Aby móc z nich skorzystać na fizycznym sterowniku, należy kupić licencję Softmotion CNC lub zamówić bezpłatny plik z licencją demo. W przypadku, gdy korzystamy z wirtualnych osi, do testów spokojnie wystarczy wbudowany symulator.

 

Architektura systemu sterowania obrabiarki oparta o sterowniki PLC Astraada One, licencję softmotion i serwonapędy Astraada SRV.

 

Działanie samego programu sterującego serwonapędami można podzielić na kilka głównych etapów:

  • zezwolenie na załączenie poszczególnych osi obrabiarki,
  • otwarcie programu G-Code z poziomu wbudowanego edytora lub skorzystanie z bloku funkcyjnego dekodera – jeśli korzystamy z zewnętrznego pliku .cnc,
  • wygenerowanie trajektorii ruchu w układzie kartezjańskim – zamiany ciągłej ścieżki (programu G-Code) na dyskretną dzięki blokowi funkcyjnemu interpolatora,
  • przeliczenie współrzędnych kartezjańskich z interpolatora na współrzędne osiowe zgodne z modelem kinematycznym frezarki,
  • uruchomienie i kontrola ruchu jednoczesnej pracy trzech serwonapędów.

Wbudowany w Codesysa edytor G-Code dedykowany jest do tworzenia powtarzalnych programów nie wymagających zmian. W naszej aplikacji postanowiliśmy w nietypowy sposób wykorzystać tę funkcjonalność i użyć jej do grawerowania personalizowanych napisów. Do tego celu stworzyliśmy bazę liter zapisanych w G-Code. Użytkownik, wpisując np. imię i nazwisko z poziomu panelu sterownika, automatycznie generuje sekwencję grawerowania poszczególnych liter – tak, aby finalnie otrzymać żądany tekst (np. Jan Kowalski) na grawerowanym materiale.

 

Wbudowany w Codesysa edytor G-Code

 

Tworzenie pliku .cnc z programem dla obrabiarki najczęściej jednak odbywa się z poziomu oprogramowania CAD/CAM, gdzie na bazie projektu detalu oraz wymiarów prefabrykatu generowana jest ścieżka G-Code. Tak przygotowany plik można wysłać do sterownika PLC Astraada One za pośrednictwem FTP. Po uruchomieniu programu obrabiarki, użytkownik na ekranie dotykowego panelu ma możliwość wyświetlenia aktualnej pozycji narzędzia skrawającego i wizualizację całego procesu obróbki. Pozwala to m.in. na wizualną kontrolę poprawności procesu skrawania.

 

Aplikacja sterująca i wizualizacja trajektorii przejazdu narzędzia

 

Zbudowana przez nas obrabiarka została wyposażona w bezprzewodowy system pomiaru energii Comodis. Zamontowany na przewodzie zasilającym przekładnik prądowy zbiera informacje o aktualnym poborze prądu i przesyła go do kontrolera komunikującego z się ze sterownikiem PLC Astraada One za pośrednictwem protokołu Modbus TCP. Takie rozwiązanie pozwala na połączenie w jeden system wielu rozproszonych mierników i zarządzanie nimi z poziomu wbudowanego interfejsu webowego. Zebrane informacje pozwalają m.in. na dokładne wyznaczenie kosztów związanych z obróbką pojedynczego detalu, uruchomienie trybu oszczędzania energii, a także detekcję usterek związanych ze zwiększonym zużyciem poboru prądu, takich jak np. zwiększone tarcie w łożyskach czy uszkodzenie silnika.

/

Przebieg wybranych zmiennych jak np. ilość wykonanych programów, czas pracy frezarki, dostępność czy zużycie energii można śledzić na wykresach w Wonderware InSight. Agregacja danych w chmurze Wonderware możliwa jest dzięki gateway’owi w postaci oprogramowania InTouch Machine Edition (ITME) zainstalowanemu na komputerze PC. ITME łączy się ze PLC Astraada One po dedykowanym protokole komunikacyjnym Codesys (COSYS) i przesyła co sekundę wybrane zmienne do chmury Wonderware. Webowy konfigurator umożliwia przygotowanie dowolnego raportu np. w postaci przebiegu zmiennej w czasie, krzywej narastającej czy wykresu Gantta.

/

Dodatkowo sterownik ma wgraną licencję OPC UA, co umożliwia zaciągnięcie danych bezpośrednio z PLC do systemu MES czy ERP np. w celu sprawdzenia wydajności pracy oraz zwrotne wprowadzanie zmian sterowania maszyną produkcyjną w oparciu o stany magazynowe półproduktów.

 

Komunikacja maszyn z systemami nadrzędnymi poprzez protokół OPCUA

 

Aplikacja sterująca frezarką przygotowana jest w technologii Responsive Web Design (RWD). Powyższa funkcjonalność pozwoliła na stworzenie wizualizacji, idealnie dopasowanej do ekranów urządzeń mobilnych. RWD pozwoliło na przygotowanie dwóch wersji wizualizacji – dedykowanej na monitory o wysokiej rozdzielczości oraz urządzenia mobilne.

/

Jeśli jesteś producentem maszyn i szukasz rozwiązań, które pozwolą na podniesienie funkcjonalności Twoich produktów lub jesteś pracownikiem naukowym i szukasz stanowiska dydaktycznego dedykowanego do budowy i programowania maszyn, skontaktuj się z nami i umów na spotkanie, na którym będziemy mogli na żywo zaprezentować możliwości obrabiarki i szerzej omówić jej funkcjonalność. Do sprzętu udostępnimy Ci edytowalną wersję aplikacji, którą swobodnie można modyfikować i dopasować do indywidualnych potrzeb.

/

Do załadunku i rozładunku frezarki Astraada CNC wybrano robota Epson SCARA T3

Robot – jako gotowe urządzenie – został zamontowany, zaprogramowany do obsługi frezarki i uruchomiony w ciągu zaledwie kilku godzin. Jest to robot Epson SCARA o udźwigu 3 kg i zasięgu 400 mm. Robot T3 posiada zintegrowany kontroler, który komunikuje się ze sterownikiem Astraada za pomocą protokołu EtherNet/IP.

/

Zadaniem Epson T3 jest pobranie z magazynku nieobrobionego detalu spozycjonowanego za pomocą siłownika pneumatycznego. Do przenoszenia detalu wykorzystano pneumatyczny chwytak szczękowy o skoku 32 mm. Następnie nieobrobiony detal umieszczony zostaje w gnieździe w przestrzeni roboczej frezarki. Kolejny siłownik pneumatyczny pozycjonuje detal niwelując możliwość jego przemieszczenia się, wówczas robot opuszcza przestrzeń roboczą frezarki i wysyła sygnał zezwalający na proces obróbki.

 

Wraz z zakończeniem grawerowania, wysyłany jest sygnał informujący o zwolnieniu detalu i zezwalający na ponowny wjazd robota w przestrzeń roboczą frezarki. Robot T3 chwyta detal, wyjmuje go z gniazda i przenosi go w miejsce odłożenia, skąd element transportowany jest w miejsce wydawania gotowego produktu – poza przestrzenią pracy robota.

 




Opublikuj

Twój adres email nie zostanie opublikowany.