Roboty i maszyny CNC

Roboty i maszyny CNC

Archiwum
W maszynach CNC oraz robotach przemyslowych  jako czujniki polozenia dla petli polozeniowej stosuje sie selsyny czyli resolvery oraz optoelektroniczne impulsowe sensory kwadraturowe  takze z dodatkowym sygnalem Index.
Z silnikiem sprzezona jest tez pradniczka tachometryczna zamykajaca petle predkosciowa.  

W napedach elektrycznych stosuje sie silniki komutatorowe z magnesami stalymi, silniki asynchroniczne oraz silniki bezkomutatorowe pradu stalego BLDC czyli BrushLess Direct Current czyli bezszczotkowy pradu stalego. Ta nazwa jest bardzo mylaca bowiem jest to odrobine zmodyfikowany silnik synchroniczny tak ze jego napiecie liniowe nie jest sinusoidalne ale trapezowe co ulatwia konstrukcje ukladu sterujacego. Silniki BLDC zawsze maja wbudowane czujnika Halla ktore dostarczaja inverterowi sygnal do komutacji faz silnika. NB Rzeczywiste napiecie silnikow BLDC moze bardziej przypominiac znieksztalcona - przycieta  sinusoide niz trapez.    

Kazdy z silnikow ma swoje zalety i wady. Silnik komutatorowy ma zuzywajace sie komutator i szczotki. Jest za to latwy do sterowania. Moze byc sterowany tyrystorowym inwerterem komutowanym siecia.  Maja one duza forsowalnosc dynamiczna. Na stronach 260-263 "Serwomechanizmy obrabiarek sterowanych numerycznie", Jerzy Mierzejewski, WNT 1977 znajduja sie rysunki i tabela z parametrami komutatorowych silnikow DC firmy Porter USA, od ktorej kupilismy licencje. Najmniejszy silnik wazy 19kg najwiekszy 113kg. Nie sa to wiec male jednostki. Silniki sa przestarzale.  Silnik ze wspolczesnego katalogu jest ponad 30% lzejszy.

Silnik asynchroniczny jest najtanszy i calosciowo naljepszy ale uklad sterujacy jest bardzo skomplikowany.
Silnik synchroniczny BLDC jest latwy do sterowania ( mostek trojfazowy musi byc tranzystorowy lub wymuszenie komutowany tyrystorowy ) ale rowniez uzywa magnesow stalych. Im lepsze magnesy tym lepsze parametry silnika ale tez wyzsza cena. Dziedzina magnesow stalych caly czas sie rozwija i nikt nie powiedzial ostatniego slowa. Potencjalnie silnik synchroniczny lub BLDC moze byc lzejszy niz asynchroniczny, wszystko zalezy od energi uzytego magnesu stalego. Rozwijany przez silnik BLDC moment napedowy ma pulsacje w miejscach komutacji co jest mankamentem. Z kolei silnik synchroniczny sterowany fazami sinusoidalnymi ma gladki moment napedowy ale skomplikowany inverter. 

Obrabiarka CNC oprocz seromechanizmow ma jeszcze przekladnie bezluzowe i wyspecjalizowany mikrokomputer sterujacy serwomechanizmami na podstawie programu obrobki elementu.
W konstrukcji robota przemyslowego oprocz serwomechnizmow tak samo sa przekladnie oraz ramie i mikrokomputer.
W cenie kompletnej obrabiarki CNC i robota dominuje koszt kompletnych serwomechanizmow: silnik, pradniczka tacho, sensor polozenia i inverter
Bardzo wazna jest zdolnosc forsowania napedu bowiem moment bezwladnosci wirnika silnika dominuje w calym momencie bezwladnosci i szczytowa zdolnosc wyznacza rozmiar silnika i wage calosci. Stosujac tylko troche ciezszy silnik o tym samym momencie  rosnie nam masa calosci i wymagania na inwerter bez wiekszej zdolnosci dostarczania do procesu sily.

Wazne jest uzycie w konstrukcji ruchomych elementow robota lekkich i wytrzymalych materialow. Sama konstrukcja obrabiarki czy chwytaka robota to osobne tematy.

Producent maszyn CNC czy robotow wcale nie musi produkowac napedow. Mozna je kupic gotowe ale to wlasnie ich produkcja jest najbardziej oplacalna.

Stan zaawansowania  energoelektroniki wyznaczany jest obecnie poziomem parametrow przelacznikow - aktywnych elementow polprzewodnikowych oraz ich cena. Juz przed wojna stosowane byly potezne prostowniki ze sterowaniem fazowym z ignitronami oraz mniejsze z gazowanymi lampami. Tyrystory zaczeto produkowac na przelomie lat piecdziesiatych i szescdziesiatych. Technologia produkcji tyrystorow jest prosta.  Obecnie tyrystory dominuja w zastosowaniach wielkiej mocy. Napiece blokowania przekracza 3kV a prad przewodzenia tysiace amper. Sa to jednak elementy bardzo wolne. Wada ich w systemie  komutacji wymuszonej jest uzycie kosztownych elementow komutacyjnych LC oraz duze straty dynamiczne w tyrystorach i snubberach RC co ogranicza zakres czestotliwosci modulacji PWM do 500Hz. Rowniez czestotliwosc modulacji PWM z tyrystorami wylaczalnymi GTO duzej mocy nie przekracza 1 KHz. Sterowanie tyrystorow GTO jest klopotliwe i driver bramki jest kosztowny. Wymagaja one tez drogich snubberow RCD. Nie jest to element do masowej energoelektroniki.
Popularny trojfazowy uklad czterokwadrantowego sterowania silnika pradu stalego DC wymaga 12 tyrystorow do pracy 6 pulsowej , szesciu do pracy 3 pulsowej i czterech  do pracy 2 pulsowej przy zasilaniu jednofazowym z transformatora z odczepem na uzwojeniu wtornym. . Uklad 6 pulsowy daje przyzwoite parametry i jest chetnie stosowany do napedow duzej i wielkiej mocy.  Szerokosc pasma czestotliwosci fazowego sterownika tyrystorowego ( czyli wzmacniacza mocy ) jest proporcjonalna do ilosci pulsow w okresie i czestotliwosci sieci zasilajacej. Mimo sporej ilosci tyrystorow sterownik jest dosc kompaktowy. Produkowane sa masowo elementy pozwalajace latwo i tanio wykonac elektronike sterujaca jak chocby miniaturowe bramkowe transformatory impulsowe czy scalone sterowniki fazowe.  
Tyrystorowe servonapedy z silnikami pradu stalego maja calkiem niezle parametry. Spora zaleta  jest ich wysoka  dynamiczna przeciazalnosc co jest bardzo cenne. "Wzmacniacze" tyrystorowe sa od lat  elementem katalogowym i konstruktor maszyny CNC czy robota przemyslowego niekoniecznie musi tez konstruowac "wzmacniacz" mocy czyli inverter.
 Mankamentem silnika komutatorowego DC  jest niewielka trwalosc komutatora i szczotek i niewielki przebieg miedzyremontowy obrabiarki co zle rzutuje na ekonomie ich uzywania.
Niemniej w maszynach CNC i robotach przemyslowych uklady tyrystorowe sa wypierane przez nowsze i lepsze rozwiazania z tranzystorami Darlingtona. Totez zajmijmy sie krotko tranzystorami mocy.

Koncern Motorola wprowadzil do masowej produkcji niezawodne ( tranzystory germanowe byly generalnie strasznie zawodne ) i tanie  germanowe tranzystory mocy w cienko zloconej obudowie TO3  typu 2N476 w 1956. Byly przeznaczone m.in do wzmacniaczy audio odbiornikow samochodowych. W 1960 roku koncern ten wprowadzil do produkcji pelnotranzystorowe , przenosne odbiorniki TV o ekranie 19 cali ! W stopniu odchylania poziomego uzyto jako przelacznika tranzystor o calkiem niezlych parametrach.  W Japonii krzemowe tranzystory mocy pojawily sie pod koniec lat piecdziesiatych. W 1962 roku koncern RCA podjal produkcje popularnego tranzystora mocy 2N3055 o  dosc miernych parametrach ( szybko spada z pradem ich wzmocnienie i bardzo slaba jest czestotliwosc Ft ) ale o bardzo duzym obszarze SOAR.  W 1969 roku Toshiba wypuscila niedrogie komplementarne tranzystory mocy typu 2SD424 i 2SB554 w obudowie TO3 o Uceo=180V , Ic=15A i Ptot=150W,  Ft=6Mhz umozliwiajace budowe znakomitych wzmacniaczy Audio. W zakresie pradow normalnej pracy sa dosc liniowe i szybkie. Znakomite parametry japonskich wzmacniaczy to nie zaden blef ale pochodna znakomitych tranzystorow ktore nie maja europejskich czy amerykanskich odpowiednikow. Szybko pojawily sie tez tranzystory wiekszej mocy.
Niedługo potem  pojawily sie  tranzystory do sieciowych  zasilaczy SMPS i odchylania poziomego kolorowych odbiornikow TV o duzej przekatnej ekranu. Koszt tranzystorow zmniejszono umieszczajac je z obudowach plastikowych TO220 , TOP3 i kolejnych obudowach izolowanych co eliminuje koniecznosc pracochlonnego montazu elementow izolacyjnych przy mocowaniu tranzystora do radiatora.  Uzycie tych obudow umozliwia  latwy automatyczny montaz i w efekcie obnizenie ceny gotowego wyrobu. Metalowa obudowa TO3 jest hermetyczna i niezawodna ale z wielu wzgledow jest droga,   niewygodna i klopotliwa.
Pod koniec lat siedemdziesiatych szeroko pojawily sie modulowe bipolarne tranzystory Darlingtona gdzie w jednej obudowie zmontowano kilka-kilkanascie-kilkadziesiat indywidulanych struktur tranzystorow mocy i rowolegla szybka diode. Koszt jednego ampera pradu kolektora Icm spadl ale nadal sa to drogie elementy. Jednak iloraz ceny jednego kilowata iloczynu Uce*Icm tranzystorow do jednej kilowatogodziny energii  spada dosc szybko ! Prognoza wiec dla popularyzacji energoelektroniki jest huraoptymistyczna.  
Dostepne sa moduly z dwoma tranzystorami tworzace jedna galaz mostka oraz moduly trojfazowe. Modul taki montujemy mechanicznie na specjalnie odlanym dla rodziny inverterow  radiatorze tworzacych element obudowy kompletnego urzadzenia. Stosujac 6 dyskretnych tranzystorow stosujemy grupowe ich mocowanie / izolowanie  do radiatora.

Produkcje komplementarnych tranzystorow V-FET duzej mocy technologia LSI rozpoczeto w koncernie Sony w  1975 roku dyskwalifikujac Europe i USA. Tranzystory z kanalem N typu 2SK82 oraz z kanalem P typu 2SJ28 maja  Uds max  240V , Idm 10A. a moc strat wynosi 95W. Rdson wynosi dla typow N/P odpowiednio 0.6 / 0.9  Ohm. Technologia produkcji V-Fet  jest klopotliwa a uzysk produkcyjny niewielki i stad wysoka cena tranzystorow. Nie rokuja one dobrze na przyszlosc.   
Produkowane tranzystory mocy Mosfet zawieraja pasozytnicza antyrownolegla diode o kiepskich parametrach dynamicznych. Tym gorsza im wyzsze jest napiecie maksymalne Uds  tranzystora. Aby uniemozliwic dzialanie tej pasozytniczej diodzie w szereg z tranzystorem Mosfet daje sie diode. Konieczne jest takze uzycie ultraszybkiej diody antyrownoleglej klucza. Wszystko to powoduje ze tranzystor Mosfet mimo znakomitych parametrow dynamicznych w wysokonapieciowych inverterach nie jest zbyt popularny. W zastosowaniach niskonapieciowych tranzystory Mosfet sa znakomitym rozwiazaniem. Tranzystory te produkuje sie na liniach produkcyjnych na ktorych dawniej produkowano mikroprocesory i uklady peryferyjne. Poniewaz produkcja ukladow mikroelektronicznych dynamicznie sie rozwija to sila rzeczy tranzystory Mosfet beda taniec i beda mialy coraz lepsze parametry.

Francuski koncern Thomson Semiconductors jest w stosunku do amerykanskiego Intela czy Motoroli opozniony z 5-6 lat. My na progu lat osiemdziesiatych gdy zaczynal sie kryzys opoznieni bylismy około 8 lat a wiec sytuacja byla w pewnej mierze podobna.  W katalogu na rok 1985 Thomson nie ma jeszcze tranzystorow Mosfet mocy co jest ilustracja podanego zapoznienia. Thomson oferuje w obudowie modulowej ISOTOP tranzystory Darlingtona z ultraszybka dioda antyrownolegla ESM6045 o Uceo=450V i Icm=50A. Obudowa ta jest izolowana i moze byc do PCB montowana automatycznie. W obudowie TO3 oferuje Darlingtona BUV74A o parametrach 600V/36A. Tranzystory maja przyzwoite wzmocnienie i sa niskostratne dynamicznie bowiem maja czas opadania tf okolo 100ns. Z tranzystorami tymi mozna wykonac kompaktowy inweter zakresu mocy jaki jest stosowany w maszynach CNC i robotach.
W srubowej obudowie TO83 stosowanej zazwyczaj do tyrystorow, najmocniejszy tranzystor to ESM3005 i ma zdolnosc 500V/120A. Aby na bazie tego tranzystora zrobic Darlingtona potrzeba kolejnego tranzystora i diody. Jest to wiec wyrob zupelnie niepraktyczny i chybiony.
Thomson oferuje uklad scalony UAA4003 w obudowie DIL16 do sterowania wysokonapieciowych Darlingtonow w inverterach. Nie jest to jeszcze uklad w pelni dorosly.
O ile na rysunkach konkretnych przedmiotow w katalogu sa wskazane zestawy ukladow scalonych do ich konstrukcji to w dziedzinie energoelektroniki nie ma niczego konkretnego.

Urzadzenia energoelektroniczne nie sa jeszcze masowo produkowane. Do czasu podjecia masowej produkcji energoelektroniki projektanci beda musieli projektowac drivery kluczy mocy korzystajac ze standardowych podzespolow i ukladow scalonych.  Pozniej masowo beda produkowane gotowe monolityczne drivery a pozniej montowane razem z przelacznikami. Naklad pracy na zaprojektowanie urzadzania znacznie spadnie i sprowadzi sie do wykonania programu na sterujacy procesor DSP. Z pewnoscia zestandaryzowany zostanie protokol komunikacyjny z napedami co dalej ulatwi projektowanie kompletnych systemow automatyki.   
 
Nie zaleca sie przekraczania w inverterze 60-70% napiecia Uceo tranzystorow , oczywiscie z uwzglednieniem przepiec komutacyjnych na rozproszonych  indukcyjnosciach polaczen. Mimo teoretycznej mozliwosci praca z napieciem powyzej 100% Uceo (ale ponizej Ucbo) nie jest stosowana. Po stronie zasilania sieciowego dane sa warystory a czesto przy niedopuszczalnym wzroscie napiecia zasilania zdejmowane jest sterowanie tranzystorow chroniac jej przed zniszczeniem.  Parametry dynamiczne kluczy psuja sie wraz z wydzielana moca strat i temperatura. Najbardziej zawodnymi i wrazliwymi na temperature elementami sa jednak  kondensatory elektrolityczne ! Utrata pojemnosci malego kondensatora lokalnego  prostownika drivera klucza mocy moze spowodowac ciezkie uszkodzenie calosci.  Powinno to sklaniac do sprawnego ewakuowania wytwarzanego ciepla.  Sila rzeczy nie mozna normalnie wykorzystac maksymalnego pradu kluczy. Do granic dynamicznego obszaru SOA kluczy mocy zblizamy sie tylko w sytuacjach awaryjnych. Konstrukcja invertera winna zapobiegac kaskadowemu uszkodzeniu kolejnych kluczy mocy. W znanych inverterach z tranzystorami bipolarnymi nie sa stosowane snubbery RLCD celem dynamicznego odciazenia tranzystorow. To technologia ma dostarczyc  szybkie tranzystory i diody a sterowanie ich ma byc odpowiednie. To jest sposob minimalizacji strat mocy w kluczach. Wazne jest aby sterowanie do driverow kluczy podac gdy drivert maja juz poprawne zasilanie i zdjac zanim ich  zasilanie zacznie spadac.
Integrowanie kolejnych funkcjonalnosci pozwala na bardziej systemowe podejscie do calych zadan.

 Urzadzeniem energoelektronicznym jest inverter sterujacy silniki DC lub AC  w maszynie CNC czy robocie przemyslowym.
Sterowane napedy uzywane sa takze  w:
systemach transportowych
maszynach pakujacych
maszynach konfekcjonujacych
maszynach papierniczych
maszynach produkcji tekstylnej
maszynach poligraficznych
dzwigach
liniach montazowych
centrach obrobczych
potokach walcowniczych
przetworstwie tworzyw sztucznych

Maszyny z serwonapedami nie mecza sie, nie choruja i nie urlopuja. Jeden robot przemyslowy malujacy karoserie samochodow zastepuje az 5 pracownikow !
Produkcja elektroniki profesjonalnej jest bardzo wysoko rentowna i stwarza doskonale perspektywy rozwojowe kraju producenta.
Doskonale w tej dziedzinie radzi sobie nasz polnocny sasiad.

Liderem w dziedzinie robotow z napedem elektrycznym stala sie na lata szwedzka ASEA wypuszczajac w 1974 roku  5 osiowego  robota IRB-6 mogacego przenosic przedmioty o masie 6 kg. Konstrukcja  mechaniczna tego robota jest bardzo wysoko oceniana nawet obecnie.  Naped stanowily silniki pradu stalego sterowane z  mostkow mocy H wykonanych na japonskich tranzystorach bipolarnych Toshiby zasilanych napieciem tylko 48Vdc z trojfazowego prostownika pojemnosciowego z transformatorem sieciowym. Wyjsciowy prad maksymalny dochodzi do 30A. Czestotliwosc modulacji PWM jest niewielka i slychac ciche szumienie silnikow.Wewnetrzny kaskadowy regulator pradu silnika  byl oczywiscie analogowy. W tamtym czasie norma w maszynach CNC I i II generacji  byly raczej sterowniki
tyrystorowe. Male napiecie zasilajace tranzystorowy mostek  mocy limituje poziom mocy drivera. Szczegolowo budowe driverow omowiono w opracowaniu autora. Konstrukcja byla bardzo nowoczesna.  Silnik wyposazony byl w analogowe Tacho a pomiaru polozenia dokonywano resolverem. Rozdzielczosc pomiaru wynosila zaledwie 256 pozycji  na obrot. Uzwojenia SIN i COS statora resolvera zasilano przesunietymi w fazie sygnalami quasi prostokatnymi, kwadraturowymi o czestotliwosci 2kHz. Z uwagi na znaczne znieksztalcenie sygnalow sygnal wyjsciowy z wirnika resolvera podano na filtr dolnoprzepustowy a dalej na komparator i system do pomiaru przesuniecia fazy. Zasade dzialania takiego klasycznego systemu z resolverem,  identycznego do stosowanego w maszynach CNC  zawiera dostepna  ksiazka "Serwomechanizmy obrabiarek sterowanych numerycznie", Jerzy Mierzejewski , WNT Warszawa. Komputer sterujacy wszystkimi osiami robota wykonano na procesorze Intel 8008 bowiem tylko taki byl dostepny w 1972 roku, w czasie opracowywania systemu. Popularny procesor 8080 pojawil sie bowiem dopiero w 1974 roku. System ma 8 kb pamieci i czterocyfrowy wyswietlacz oraz prosta klawiature . Z tego wzgledu oprogramowanie wspomagajace uzytkownika  jest ubogie a zaprogramowanie robota jest pracochlonne i uciazliwe oraz wymaga wysokich kwalifikacji. Po zaprogramowaniu robot dziala bezawaryjnie calymi latami.
Poniewaz wydajnosc tego komputera jest znikoma to konstrukcja programu i sprzetu jest genialna. Kolejny system S2 wykonany na wydajnym procesorze Motorola 68000 wypuszczono w 1981 roku. Programowanie  jest już latwe a system posiada Joystick ktorym mozna sterowac ruchami robota  i projektowac trajektorie jego ruchu  W najnowszym systemie  S3 z 1986 roku zastosowano juz silniki AC co znow jest rozwiazaniem rewolucyjnym.  Warto zwrocic uwage ze uklad (bez procesora DSP lub bardzo szybkiego mikrokontrollera) do sterowania invertera silnika synchronicznego lub BLDC wspolpracujacy z resolverem jest wzglednie prosty. Silniki AC sa  lzejsze , tansze i bardziej niezawodne. Inverter do silnika AC ma 6 kluczy mocy zamiast 4 uzywanych do sterowania  silnika DC. Za szwedzkim  liderem podazaly pozostałe koncerny swiatowe.

Chociaz IRB-6 byl pierwszym robotem elektrycznym to roboty z napedem hydraulicznym uzywane byly juz 10 lat wczesniej. Naped hydrauliczny oprocz wielu zalet ma tez bardzo powazne wady. Nie mozna robotow hydraulicznych uzywac do spawania ani do wykonywania czynnosci tam gdzie wymagana jest wysoka czystosc.

System elektroniczny  robota przemyslowego nie rozni sie w zasadzie od systemu maszyn CNC.
Firmy szwedzkie nie produkuja mikroprocesorow ani ukladow mikroelektronicznych ale nie stoi to wcale na przeszkodzie produkowaniu znakomitych, drogich i poszukiwanych urzadzen. Myslac optymistycznie o przyszlosci Polski trzeba stawiac na energoelektronike i w ogole na elektronike profesjonalna.
W systemach sterujacych robotami przemyslowymi spotyka sie takze komercyjne mikrokomputery. W 1972 roku nie bylo jednak mikrokomputera o pozadanych wlasnosciach, wymiarze  i cenie. 

Praca robotow przemyslowych i maszyn CNC zastepuje ciezka i niewdzieczna fizyczna prace ludzie. Roboty musza byc konkurencyjne cenowo do pracy ludzkiej. Cena nowego robota o udzwigu kikunastu kilogramow wynosi ponad 100 tysiecy dolarow. O jakiej tu mozna mowic konkurencji skoro place Polakow wynosza 20 czarnorynkowych dolarow.
W katalogu CEMI nie ma zadnego elementu ktory mozna stosowac jak klucz w energoelektronice bowiem w czasie kryzysu on sie nie rozwija.