Mechatronické prvky ve stavbě strojů

Elektronicky řízené pohony vykonávají programové příkazy automatizačního systému ve vlastních výrobních a přepravních procesech, a tím se stávají mechatronickým řešením pohonu. Každý elektronicky regulovaný pohon tím ve stroji nebo zařízení představuje určitý mechatronický subsystém.

Zaostřeno na pohonné funkce ve stroji

Regulovaný pohon ve stroji nebo zařízení není samoúčelný, ale plní zcela konkrétní úkol. Může to přitom být například přesné nastavování polohy, kontinuální posuv materiálu nebo navíjení a odvíjení materiálu z rolí. Tento úkol je v praxi realizován součinností softwaru pro řízení pohybu, výkonné větve z měniče frekvence a motoru a také dalších pasivních součástí pohonné techniky. Mechanická energie motoru je přenášena pomocí převodů, vřeten, ozubených řemenů nebo hřídelí do výrobního procesu.

Z této souhry softwaru, pohonu a mechaniky vzniká klasický mechatronický systém, v němž software řídí mechaniku a obě tyto části pracují v úzké vzájemné souhře. Tento systém představuje nyní víc než pouhé nastavování otáček hřídele motoru, ale stává se komplexní realizací úplné funkce stroje. Z tohoto důvodů je nezbytné opustit pohled na součásti, založený na jednoduchých vztazích mezi výrobky, a místo toho těsně propojit konstrukční návrh s příslušnými funkcemi stroje.

Řízení pohybu

Funkce pro řízení pohybu jsou systematicky popsány a standardizovány jen v několika málo strojírenských oborech, například ve stavbě obráběcích strojů. V mnoha jiných odvětvích průmyslu vznikají spíše řemeslně tak, že každý nový případ je opět řešen od začátku. Využitím vhodného stavebnicového systému (který obsahuje také softwarové prvky pro řízení pohybu) a efektivní metodiky návrhu je možné náklady na realizování určité funkce stroje významně zredukovat.

První krok ke zvýšení efektivnosti může spočívat v tom, že každý aplikační případ již není považován za unikát, ale různé případy aplikací jsou klasifikovány společně. Z tohoto důvodu firma Lenze analyzovala velký počet vyřešených aplikací a seskupila je do katalogu ve formě dvanácti rozličných aplikačních řešení. Každá z těchto pohonných úloh přitom popisuje:

• funkci ve stroji;
• typické aplikace;
• typické okrajové podmínky;
• principiální volbu výrobků pro tuto pohonnou úlohu, přičemž je často třeba rozlišovat aplikace se středními a vysokými požadavky.

Popis se přitom záměrně orientuje na svět strojírenství, přidržuje se také jeho názvosloví a způsobu zobrazování. Výsledkem práce je první systematický podklad, který nabízí velmi dobrou orientaci, sloužící k další podpoře mechatroniky ve strojírenství.Popis se přitom záměrně orientuje na svět strojírenství, přidržuje se také jeho názvosloví a způsobu zobrazování. Výsledkem práce je první systematický podklad, který nabízí velmi dobrou orientaci, sloužící k další podpoře mechatroniky ve strojírenství.

Mechatronická stavebnice pohonů

Předpokladem pro řešení množství strojírenských aplikací je stavebnice, jejíž prvky lze navzájem kombinovat. Tyto prvky je možné shrnout následujícím způsobem:

• stavebnice převodovek, která může být opět kombinována s různými motory (třífázovými motory a servomotory);
• třífázové a synchronní servomotory pro nejrůznější dynamické požadavky, s možností dodatečného vybavení nejrůznějšími měřiči polohy (resolver, enkodér), brzdou a cizím ventilátorem;
• měniče frekvence v příslušných výkonových třídách, buď pro jednotlivé osy, nebo jako prvky víceosého systému se společným napájením;
• bezpečnostní moduly pro realizaci různých bezpečnostních funkcí, integrovaných v pohonu;
• softwarové moduly pro regulaci pohonů v různých třídách užitných vlastností (regulace U/f, vektorová regulace bez zpětné vazby, servoregulace se zpětnou vazbou;
• softwarové moduly pro řízení pohybů konkrétního řešení pohonu;
• komunikační moduly pro spojení s nadřazenou řídicí technikou.

Firma Lenze například svou novou konstrukční řadou L-force Servo Drives 9400 vytvořila takovou stavebnici, jejímž cílem je poskytnout pro mnoho aplikací přesně padnoucí řešení na bázi možných kombinací hardwarových a softwarových bloků.

Průběžná konstrukční metoda

Také při sestavování konkrétních funkcí stroje ze stavebnice musí proběhnout několikastupňový konstrukční proces:

• kvantifikovaný popis úlohy pohonu (údaje o hmotách, kterými má pohon pohybovat, spolu s údaji o rychlosti a přesnosti pohybu);
• odvození volby výrobků a jejich výkonových údajů (výkon pohonu, volby systému pohonu, volba jednotlivých základních součástí jako typu motoru nebo systému zpětné vazby na motoru);
• konfigurování softwaru (sestavení ze základních bloků pro regulaci pohonů, řízení pohybů, technologické aplikace) a nastavení parametrů;
• uvedení stroje do provozu.

• správa a zpracování dat všech pohonů ve stroji nebo zařízení. Vhodná navigace musí zajistit přímý přístup na jednotlivý pohon a s ním spojené nástroje a prostředí obsluhy;
• integrace nástrojů a prostředí obsluhy přizpůsobených konkrétnímu úkolu, které přitom dovolují orientaci o funkcích pohonu ve stroji;
• průběžná údržba dat, která zamezí vícenásobným zadáním a dvojznačnostem;
• výkonné nástroje pro diagnostiku a uvádění do provozu, které zajišťují spolehlivou podporu v následující fázi, při níž je nutné řešení přenést do stroje a tam uchovat.

Snadné používání

Obě dosud uvedené cesty (mechatronická stavebnice výrobků a nástroj pro průběžné konstrukční zpracování úkolu) jsou však pouze základnou pro poslední a nejdůležitější bod – a tím je jednoduchost. Všechny procesy musejí být utvářeny tak, aby individuální náklady na projektování, volbu výrobků, instalaci a uvádění do provozu byly nízké, přitom ale tyto úkoly bylo možné provádět s vysokou produktivitou a spolehlivostí.

V popředí koncepce řešení pohonů nestojí nyní individuální výrobek (měnič, motor, převody), ale účel a úkoly stroje, pro nějž je hledáno řešení. Z toho již lze provést předběžnou volbu potřebných výrobků. V této fázi již mohou být vymezeny otázky volby a konfigurace výrobků, včetně stanovení jejich funkcí, čímž lze výrazně redukovat náklady na jejich zodpovězení. Tato cesta celkově snižuje složitost návrhu, protože jsou zpracovávány pouze informace, které jsou pro konkrétní úkol skutečně nutné.

Vlastní součásti jsou koncipovány tak, aby je bylo možné rychle a snadno použít. Dají se snadno naučit a intuitivně obsluhovat. Také zde je výsledkem zvýšení produktivity.

Celé stroje musejí pracovat produktivněji. Tím stoupá stupeň automatizace a počet elektronicky regulovaných obvodů. Pohonným a automatizačním systémem L-force vypracovala firma Lenze řešení, které stupňuje nejen produktivitu výrobců strojů, ale také výkonnost jejich strojů a zařízení. Mechatronická řešení tím lze realizovat rychleji a spolehlivěji.

Dr. Edwin Kiel

Lenze

www.lenze.cz

pesekp@lenze.cz