اپلیکیشن Flying Shear و Rotary Cutter  مبتنی بر EtherCAT

چکیده

در دنیای صنعت امروز، کنترل دقیق حرکت ماشین‌آلات از اهمیت بالایی برخوردار است. تکنولوژی موشن کنترل، امکان حرکت همزمان، هماهنگ ، سرعت و دقت بالا را در محورهای مکانیکی فراهم می سازد و اساس بسیاری از سیستم‌های اتوماسیون پیشرفته، از جمله ماشین‌آلات CNC، ربات‌های صنعتی، دستگاه‌های بسته‌بندی و پرس‌های هیدرولیک را تشکیل می‌دهد.

با ورود تکنولوژی PLCهای نسل جدید FATEK سری MPLC، قابلیت‌های موشن کنترل به سطحی پیشرفته‌تر و انعطاف‌پذیرتر ارتقا یافته است و امکان پیاده‌سازی انواع پروفایل‌های حرکت، کنترل همزمان چند محور و همگام‌سازی سرووها را فراهم می‌سازد  موشن کنترل مبتنی بر EtherCAT به‌عنوان یکی از سریع‌ترین و دقیق‌ترین شبکه‌های صنعتی، بستر ایده‌آلی برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های پیشرفته‌ای مانند برش در حال حرکت و تیغه دوار  در کنترل موشن PLC (M-PLC) فراهم می‌سازد. در این مقاله، ابتدا معماری موشن کنترل EtherCAT تشریح شده، سپس اصول عملکرد برش در حال حرکت و تیغه دوار و مدل‌های کنترلی در MPLC و مزایای عملی آن‌ها بررسی می‌شود.

1. 1. مقدمه

در سیستم‌های برش سنتی، خط تولید باید برای انجام عملیات برش متوقف شود که این موضوع باعث کاهش بهره‌وری و افزایش استهلاک مکانیکی می‌شود. در مقابل، تکنیک‌های (Fly Shear)  برش در حال حرکت و تیغه دوار (Rotary Cutter) امکان برش پیوسته را بدون توقف خط فراهم می‌کنند. تحقق این قابلیت مستلزم:

• سنکرون‌سازی دقیق چند محور
• تبادل داده با تأخیر بسیار کم
• کنترل موقعیت و سرعت با دقت بالا

همه موارد در M-PLC + EtherCAT به‌صورت یکپارچه قابل دستیابی هستند.

 .2 موشن کنترل مبتنی بر EtherCAT

2.1  EtherCAT چیست؟

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) یک پروتکل اترنت صنعتی زمان واقعی است که با معماری پردازش یا انجام عملیات هم‌زمان، بدون توقف (Processing on the fly)، تأخیر تبادل داده را به کمترین زمان در حد میکروثانیه می‌رساند.

2.2 مزایای EtherCAT در موشن کنترل

• هم‌زمانی دقیق چند محور
• نرخ به‌روزرسانی بالا
• ارتباط مستقیم و سریع کنترلر با تجهیزات صنعتی از طریق فایل ESI (EtherCAT Slave Information)

2.3 معماری موشن کنترل EtherCAT در FATEK MPLC

در سیستم‌های موشن کنترل مدرن، چالش اصلی دستیابی به سنکرون‌سازی دقیق چند محور،و پاسخ زمانی بسیار سریع است. معماری موشن کنترل مبتنی بر EtherCAT با ترکیب یک Motion PLC (M-PLC) و درایوهای سروو متصل به‌صورت زمان واقعی، این نیازها را در ماشین‌آلات سرعت بالا برآورده می‌کند.

PLCهای سری M (MPLC) از برند FATEK با معماری دو هسته ای و پردازش مستقل بخش موشن، توانایی کنترل همزمان تا 16 محور EtherCAT موشن و در مجموع تا 24 محور ترکیبی با pulse positioning) را دارند. این PLCها شامل توابع پیشرفته مانند اینترپولاسیون خطی، دایره‌ای، منحنیS  و بادامک الکترونیکی  (Electronic Cam) می‌باشند و از زبان گرافیکی موشن فلو برای تنظیم مسیرهای حرکتی بصری پشتیبانی می‌کنند مزیت مهم این معماری آن است که عملکرد کنترل موشن به‌صورت مستقل از زمان اسکن برنامه منطق PLC اجرا می‌شود؛ بنابراین حتی در کاربردهای پیچیده، دقت و پایداری حرکت حفظ می‌شود.

3. پیاده‌سازی موشن کنترل

3.1  اجزای سیستم

• PLC موشن
• سروودرایو و سرووموتور
• انکودر  مستر
• توابع CAM الکترونیکی

 3.2 منطق برنامه‌نویسی

در PLC، مراحل زیر پیاده‌سازی می‌شود:

• فعال‌سازی Electronic Cam
• انتخاب پروفایل
• همگام‌سازی محورها
• مدیریت خطا و شرایط ایمن

4.مفهوم Fly Shear

.4.1 تعریف Fly Shear

Fly Shear روشی برای برش مواد پیوسته (ورق، لوله، پروفیل) است که در آن تیغه برش هم‌زمان با حرکت خط تولید شتاب گرفته، هم‌سرعت می‌شود، برش را انجام می‌دهد و سپس به موقعیت اولیه بازمی‌گردد.

4.2اصول عملکرد

• محور مستر: محور حرکت ماده (Conveyor / Feed Axis)
• محور اسلیو: محور تیغه برش
• تطبیق سرعت و موقعیت در بازه برش

 

5.کاربرد(Flying Shear) برش در حال حرکت

در Flying Shear، تیغه برش با سرعت نوار تولید هم‌سرعت می‌شود، عمل برش را انجام می‌دهد و سپس از خط جدا می‌شود؛ بدون توقف خط تولید.

5.1ویژگی کلیدی:
✔ همگام‌سازی دقیق سرعت و موقعیت
✔ حذف توقف خط
✔ افزایش بهره‌وری

5.2 پروفایل سرعت در Flying Shear

• افزایش سرعت محور برش
• هم‌سرعت شدن با نوار
• انجام برش
• کاهش سرعت و بازگشت

این پروفایل معمولاً با Electronic Cam یا Motion Profile در PLC پیاده‌سازی می‌شود.

5.3 پیاده‌سازی Fly Shear در M-PLC

• استفاده از Electronic Cam (E-CAM)
• تعریف Cam Table بین محور مستر و محور برش
• تنظیم کنترل سنکرون محور اسیلو براساس مرجع موقعیت و سرعت مستر
• تعریف کلاچ گیری و کورس حرکت

.6  مفهوم Rotary Cutter

6.1 تعریف Rotary Cutter

Rotary Cutter نوعی سیستم برش دوار است که معمولاً شامل تیغه گردان می‌باشد و برای برش پیوسته فیلم، کاغذ، فویل و مواد رول‌شونده استفاده می‌شود.

6.3 الگوریتم کنترلی Rotary Cutter

• محور مستر: حرکت خطی ماده
• محور اسلیو: محور زاویه‌ای تیغه
• نسبت حرکت خطی به زاویه‌ای توسط Cam Profile تعیین می‌شود

6.2 تفاوت Rotary Cutter با Fly Shear

ویژگی	Fly Shear	Rotary Cutter
نوع تیغه	خطی	دوار
حرکت	رفت و برگشتی	چرخشی
کاربرد	ورق، پروفیل	فیلم، کاغذ
کنترل	Cam خطی	Cam زاویه‌ای

 

 

7. نقش پروفایل Cam در برش در حال حرکت وتیغه دوار

7.1 تعریف پروفایل CAM

پروفایل Cam یک جدول ریاضی است که رابطه موقعیت یا سرعت محور اسلیو را نسبت به محور مستر تعریف می‌کند. این رابطه معمولاً به‌صورت یک جدول X–Y یا منحنی پیوسته پیاده‌سازی می‌گردد.

• X (Master Position): موقعیت نوار، یا انکودر مرجع
• Y (Slave Position): موقعیت محور برش، تیغه یا عملگر

کنترلر با حرکت Master، به‌صورت زمان واقعی مقدار متناظر Slave را محاسبه و اجرا می‌کند. این روش اساس بسیاری از کاربردهای موشن کنترل پیشرفته است.

7.2 انواع پروفایل Cam

• Linear
• S-Curve
• Polynomial (تعریف موقعیت، سرعت و شتاب محور بر اساس یک تابع چندجمله‌ای)
• User Defined

8. مزایا و امکانات استفاده از FatekM-PLC در کاربردهای موشن کنترل

• پردازش مستقیم موشن مستقل از cpu
• تغییر سریع طول برش
• مناسب برای ماشین‌آلات  سرعت بالا
• توابع اختصاصی Motion Control در MPLC

• حرکت محور به موقعیت مشخص با سرعت و شتاب قابل تنظیم
• حرکت خطی همزمان بین دو یا چند محور
• حرکت دایره‌ای یا منحنی پیچیده با کنترل همزمان چند محور
• پروفایل تولید حرکت هماهنگ و متناسب بین محور اصلی و فرعی
• هماهنگ‌سازی محورهای موازی برای سیستم‌های جرثقیل، نوار نقاله یا اسپری چند محور

• کنترل همزمان چند محور با پشتیبانی از S-curve، اینترپولیشن (درونیابی) خطی و دایره‌ای،حلقوی و سه بعدی
• تعریف پروفایل‌های CAM الکترونیکی با با نمودار و توابع
• توابع کنترل محورهای سنکرون پیشرفته تا 16 محور
• ابزار گرافیکی موشن فلو برای طراحی بصری مسیر حرکت و سنکرون سازی محورها بدون پیچیدگی
• همگامسازی پارامترهای محور در زمان واقعی با کمترین تاخیر
• مدهای کنترل سرعت،  موقعیت و گشتاور
• فرایند کلا چ گیری حالت سنکرون و درگیری نرم و بدون ضربه
• تعریف سرعت جاگ در جهت مثبت و منفی
• توابع هومینگ برای برگشت به نقطه مرجع
• ضرایب دنده متغیر محور مستر و اسلیو
• هماهنگی بین EtherCAT و کنترل پالس پوزیشن در یک سیستم واحد
• پشتیبانی از اتصال انواع برندهای سروو درایو جهت کنترل EtherCAT
  این امکانات باعث افزایش انعطاف‌پذیری در طراحی و توسعه برنامه‌های کنترلی می‌شوند

9. کاربردهای صنعتی

• ماشین‌های بسته‌بندی (Packaging)
• خطوط برش ورق فلزی
• دستگاه‌های رول‌فرمینگ
• صنایع چاپ و لیبل
• ماشین‌آلات کاغذ و فیلم پلاستیکی

نتیجه‌گیری

ترکیب EtherCAT + M-PLC  یک راهکار قدرتمند برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های پیشرفته برش پیوسته مانند Fly Shear و Rotary Cutter فراهم می‌سازد. با استفاده از توابع Cam و Gear در MPLC، می‌توان برش‌هایی با دقت بالا، حداقل تنش مکانیکی و حداکثر بهره‌وری تولید ایجاد کرد. این معماری به‌ویژه در ماشین‌آلات سرعت بالا، یک مزیت رقابتی کلیدی محسوب می‌شود.

منابع

1. EtherCAT Technology Group – Motion Control Documentation
2. FATEK Automation – M-PLC Motion Control Manual
3. Beckhoff – Flying Shear & Rotary Cutting Applications
4. IEEE Industrial Electronics Magazine – Motion Control over EtherCAT