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Motion Control: atti di un convegno

MOTION CONTROL Moderazione a cura del Prof. Claudio Melchiorri Università di Bologna

Maurizio Tarozzi Global Technology Manager – Packaging Solutions B&R Automazione Industriale Dal processo produttivo al fine linea: dove la robotica incontra il motion control

Dal controllo di maccchina al controllo di linea Total Cost of Ownership (TCO) Evoluzione del processo Automazione

Il PROCESSO PRODUTTIVO Le linee produttive nel processo manifatturiero – Efficienza • Performance • Integrazione orizzontale e verticale • Sostenibilità • Energy saving • Safety • Security • OEE

Il PROCESSO PRODUTTIVO • Le linee produttive nel processo manifatturiero – Flessibilità • Cambio formato • Cambio prodotto • Riconfigurazione • Robotica

Il Motion Control • La crescente importanza del Motion Control – HW • Attuazione elettrica • Attuazione idraulica – SW • Posizionamento semplice • Camma elettronica • Controllo numerico • Controllo idraulico • Robotica a cinematiche variabili

• Soluzioni HW di attuazione – Elettrico • Corrente continua (DC) – Motore passo-passo – Motore a spazzole • Corrente alternata (AC) – Motore sincrono (brushless) – Motore asincrono Motion Control - Elettrico

• Soluzioni HW di attuazione – Idraulico • Pompe a portata fissa/variabile • Servoattuatore con valvola proporzionale Motion Control - Idraulico

• Necessità di una piattaforma moderna di automazione – SW di Motion astratto dalla piattaforma di controllo HW e dal sistema fisico di attuazione – Vasta disponibilità di soluzioni HW per le diverse esigenze di Motion Control – Rete ethernet real-time con protocollo aperto Motion Control

Motion Control - SW x 1 y 1 z 1 x 2 y 2 z 2 x 3 y 3 z 3 x 4 y 4 z 4 x 5 y 5 z 5 x 6 y 6 z 6 • Il SW nel Motion Control • Universalità nel controllo del Motion (Camme elettroniche, CNC, Robotica....) • Indipendenza dall‘attuatore • Gestione della logica macchina - I/O • Astrazione dall‘Hardware • Visualizzazione • Time to Market

• Il SW nel Motion Control – Il concetto di astrazione dall‘HW Motion Control - SW Codice utente PLCopen Generazione traiettoria Attuatori DC, Stepper, Idraulico Servo FU Motion Control CNC Robotica

• Esempio d’integrazione attraverso POWERLINK – 100.000 + assi installati nel 2010 Motion Control - HW

Esempio di MC integrato • Dividella Pharma Packaging Technology [Körber Medipak] • 450 axis (40 gruppi di assi con funzionalità di robotica) – 150 servomotori – 300 passo passo

• Linea per la lavorazione del vetro • Movimentazione di Robot • Taglio/Lavorazione • Foratura • Trasporto materiale • Processi paralleli Esempio di MC integrato

SAFETY e Motion Control

• SAFETY e Motion Control • SAFETY FUNCTIONS – STO Safe Torque Off – SBC Safe Brake Control – SOS Safe Operating Stop – SS1 Safe Stop 1 – SS2 Safe Stop 2 – SLS Safe Limited Speed – SDI Safe Direction – SLI Safe Limited Increment – SLP Safe Limited Position – Safe referencing SMART SAFE REACTION

• Safe Operating Stop  calcolo dell’errrore sul tempo di risposta – L’errore innesca un accelerazione di 10m/s 2 ad un asse fermo in coppia • Soluzione tradizionale cablata 80ms  32mm percorsi • SafeMC su POWERLINK 7ms  0.25mm percorsi – Distanza ridotta del 99.2%  130x – Energia dell’impatto ridottadel 99.2%  130x SMART SAFE REACTION

• Monitorare la velocit à al Tool Center Poing (TCP)  Informazioni di base – Il movimento del TCP di un robot implica il movimento di diversi assi. La sua velocit à è la risultante del movimento dei singoli giunti (dipende dalla cinematica del robot) – Pertanto monitorare in modo “ sicuro “ la velocit à degli assi sui giunti non è sufficiente, la velocit à risultante al TCP potrebbe superare la velocit à sui giunti SMART SAFE REACTION TCP chiude ilcentro dirotazione Braccio sportentedel robot

• Monitorare la velocit à sicura SLS del TCP e dei giunti di un robot è però fondamentale per garantire la sicurezza operativa del robot. • Tipicamente la velocit à al TCP non può superare i 250 mm/s SMART SAFE REACTION

• Permette una manutenzione sicura dell’impianto • Ottimizza la gestione del MC • Diminuisce il footprint • Aumenta la produttività della macchina SMART SAFE REACTION

Grazie per l’attenzione

“Controllo di mandrini brushless sensorless in deflussaggio spinto,con recupero di energia di frenatura” Autore: Andrea Mazzolani Drive & Automation Bonfiglioli Italia

Caratteristiche salienti di un applicazione Mandrino • Elevate velocità di rotazione • Rapidi e frequenti cicli di accelerazione e decelerazione permassimizzare la produttività della macchina • Controllo robusto su ampio range di inerzie del carico (direct drive) • Stabilità della velocità durante la lavorazione • Fermata del mandrino entro 10s in caso di emergenza/mancanza rete• Possibilità di controllare diversi mandrini con lo stesso drive

• Elevate velocità di rotazione •- controllo stabile anche in condizioni di forte deflussaggio dove i parametri di macchina variano notevolmente in funzione della frequenza. E’necessario massimizzarela tensione di uscita per sfruttare appieno le performace del motore in deflussaggio.Frequenza di uscita molto elevata 1kHz necessita quindi di elevata velocità diesecuzione del controllo di corrente • Rapidi e frequenti cicli di accelerazione e decelerazione •- possibilità di elevato sovraccarico e fine controllo della tensione di bus dc indecelerazione • Controllo robusto su ampio range di inerzie del carico •- anelli di regolazione di velocità\corrente robusti e auto-adattativi Caratteristiche salienti di un applicazione Mandrino - come si riflettono sull’algoritmo di controllo

• Stabilità della velocità durante la lavorazione - robustezza alle variazioni di carico; specialmente nelle lavorazioni di materiali morbidicome il legno, fluttuazioni di velocità si riflettono in difetti sulla superficie lavorata. • Fermata del mandrino entro 10s in caso di emergenza/mancanza rete - fine controllo della decelerazione soprattutto in caso di mancanza rete, dove occorre modulare la decelerazione in modo da permettere, indipendentementedall’inerzia dell’utensile utilizzato, la rigenerazione del mandrino per consentirneil controllo fino alla completa fermata. • Possibilità di controllare diversi mandrini con lo stesso drive •- tramite cambio data set si commuta fra diversi mandrini, inoltre nello specificoprogetto, i mandrini possono essere indifferentemente sincroni o asincroni;pertanto l’algoritmo di controllo è in grado di pilotare entrambi Caratteristiche salienti di un applicazione Mandrino - come si riflettono sull’algoritmo di controllo

Caratteristiche salienti del motore brushlesssensorless asse d asse q •Motore ad alta coppia specifica;• Struttura rotorica costruttivamentesemplice. A parita’ di Nspire, consente di avere testate piu’ corte e quindi minori perditerispetto agli avvolgimenti “distribuiti”. STATORE Avvolgimento concentrato ROTORE Rotore anisotropo a magneti permanentiannegati a singola barriera. (iPMSM)

Caratteristiche salienti del motore brushlesssensorless Il rotore a 6poli a magneti permanenti annegati presenta unamarcata anisotropia magnetica (viste le diverse riluttanze deicircuiti magnetici a cui si riferiscono, l’induttanza diretta ld equella in quadratura lq, sono fra loro diverse).Questo comporta, rispetto al rotore anisotropo, che laconversione elettromeccanica e quindi la coppia da essogenerata, risulti essere la somma delle due componenti: coppia elettrica e coppia di riluttanza .            rel e q d q d q d r, el m s, s, m s, l l i i i m          s s el i  m Nel funzionamento in deflussaggio il flusso rotorico generato dai magneti viene ridottoai fini di mantenere costante la tensione indotta sul motore, tale indebolimento causauna riduzione della coppia elettrica che nelle macchine a rotore anisotropo vienecompensata dall’aumento della coppia di riluttanza (poiché id 0 ed ld lq) asse d asse q

Caratteristica coppia/velocità del mandrino brushlesssensorless utilizzato 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 10000 g/m g/m 8.7 Nm

Caratteristica Potenza/Velocità del mandrinobrushless sensorless utilizzato 0 2 4 6 8 10 12 14 0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 kW rpm 10000 rpm 9.2 kW 12.5 kW

Controllo Sensorless Lo studio di controlli sensorless da molti anni è incentrato sul miglioramento delleperformance del controllo motore specialmente a bassi giri o da fermo per garantireprestazioni sempre più simili al funzionamento ad anello chiuso, lo sviluppo deiprincipali algoritmi è ormai ritenuto solido e affidabile. Completamente diverso è lo stato dell’arte delle soluzioni sensorless nell’ambito delcontrollo di motori ad elevata velocità ed in particolare in deflussaggio spinto, casisticaa cui le applicazioni mandrino appartengono e ne rappresentano l’ estremizzazioneessendo richiesti deflussaggio fino a 2 o 3 volte la velocità nominale con velocità dirotazione di oltre 24000giri/minuto e conseguenti frequenze di uscita di oltre 1200Hz. Per permettere il funzionamento in deflussaggio del mandrino si deve necessariamenteutilizzare un rotore anisotropo a magneti annegati; l’anisotropia è necessaria persfruttare la coppia di riluttanza che compensa la diminuzione di coppia dovutaall’indebolimento del campo magnetico nella zona di funzionamento in deflussaggio,inoltre i magneti annegati consentono di vincere le elevate forze centrifughe dovute airegimi di rotazione estremamente elevati, cosa non fattibile con magneti superficiali.

Controllo Sensorless Le principali tematiche che il controllo sensorless deverisolvere nel caso di macchina sincrona a magnetipermanenti ( iPMSM) sono: •Stima della posizione del campo magneticorotorico alla partenza, per garantire lamassimizzazione della coppia che ilcontrollo vettoriale del drive può sviluppare. •Corretto funzionamento in deflussaggio permassimizzare le coppie sviluppabili dal motore(sfruttamento della coppia di riluttanza).            rel e q d q d q d r, el m s, s, m s, l l i i i m          s s el i  m

Controllo Sensorless Fra i parametri di macchina l’ induttanza statorica Ls, direttamente dipendentedal flusso magnetico statorico, è fortemente influenzata nel funzionamento indeflussaggio e le sue variazioni avvengono con dinamiche proporzionali alleaccelerazioni mantenute in fase di deflussaggio. Le variazioni dell’induttanza statorica si traducono in una stima di velocitàrumorosa e quindi in una perdita di dinamica. Le strategie del controllo sviluppato sono atte a risolvere le problematiche sopraesposte, tipiche dei motori sincroni a rotore anisotropo a magneti annegati, maanche ad adattarsi al controllo di mandrini asincroni per garantirne l’applicabilitàin macchine in cui è richiesta la gestione di entrambe le tipologie di motore condrive unico.

Signal Flow Graph di un motore asincrono

Signal Flow Graph di una macchina sinrona PMSM

Schema di principio FOC sensorless M

Rigenerazione Le applicazioni mandrino sono tipicamente caratterizzate da frequenti cicli dilavoro con elevate velocità di rotazione e rapide accelerazioni e decelerazioni. Il sistema Drive+Spindle sviluppato nell’ambito del progetto EROD (Energy Reduction Oriented Device) visto il focus su nuove tecnologie orientate alrisparmio energetico applicabili alle macchine, ha portato oltre che alla scelta diprogettare un mandrino iPMSM ad alta efficienza, a sviluppare anche un semplicecontrollo rigenerativo che permette di stabilizzare la tensione del bus-dc erecuperare l’energia di frenatura durante le fasi di decelerazione.

Rigenerazione Per non aumentare in maniera significativa i costi di macchina e non complicare il lay-outcomplessivo, si è scelto di recuperare l’energia senza utilizzare una modulazione PWMche necessiterebbe di conoscere con precisione sia modulo che fase delle tensioni direte per l’opportuna sincronizzazione. L’inverter rigenerativo con l’utilizzo solo diinduttanza d’interfaccia rete riesce, tramite opportuni algoritmi, ad avere unasincronizzazione sensorless che permette la rigenerazione con due singoli impulsi aperiodo, limitando l’energia persa in fase di commutazione.

Soluzione sviluppata e relativi vantaggi •Elevato rendimento del motore 91% corrispondente ad un grado di efficienza 3(valore che soddisfa la normativa comunitaria 640 che sarà obbligatoria da gennaio2015) contro un rendimento tipico dell’85% di un mandrino sincrono di pari potenza • Mandrino 9.2kW iPMSM - 10000 rpm ; 500Hz ; 211V ; max vel. 20000rpm • Inverter trifase 11kW F OutMax=1600Hz •Il miglior rendimento del motore consente una maggior compattezza della macchinaaumentandone la rigidità torsionale (permettendo quindi la velocità di rotazionemaggiore anche con utensili di grosso diametro) •Raffreddamento semplificato (calore concentrato solo sullo statore) •La minor inerzia rotorica, rispetto ad un mandrino asincrono di pari prestazioni,consente un apprezzabile diminuzione di potenza richiesta nelle frequenti fasi diaccelerazione; inoltre il miglior rendimento del motore consente un più efficienterecupero di energia durante le fasi di decelerazione •La velocità di lavorazione degli utensili rimane costante al variare del caricomigliorando il risultato tecnologico della lavorazione.

Vantaggi della soluzione sviluppata •Vista la tensione nominale di 211V del mandrino, l’inverter non necessita di costosidispositivi di protezione da sovratensione (alla massima velocità di utilizzo 24000rpmin caso di fault dell’inverter il motore sincrono, venendo a mancare la corrente id chene indeboliva il flusso rotorico, svilupperebbe una tensione di 211 2.4=506V che nonprovocherebbe danni al bus-dc). •Nei centri di lavoro per legno, il mandrino viene tipicamente utilizzato su teste a 5assi che utilizzano contatti striscianti per addurre alimentazione ai vari motori che lamovimentano. Grazie allo sviluppo del controllo brushless sensorless non si devonopredisporre ulteriori contatti striscianti per rendere disponibile al drive i segnali difeedback di velocità. •Il sensorless sviluppato permette di controllare sia motori sincroni che asincroni, inquesto modo, con un unico drive si risolvono le tipiche esigenze delle macchine perlavorazione legno, che utilizzano mandrino ad alte prestazioni per operazioni difresatura, tenonatura, sgrossatura, taglio ecc.. ed un mandino asincrono a bassafrequenza per le forature.

Vantaggi della soluzione sviluppata •La soluzione elaborata per il recupero dell’energia di frenatura, caratterizzata dabrevi durate e picchi di notevole intensità, non necessita di filtri sinusoidali e didispositivi per misurare le tensioni di rete per sincronizzarsi, risultando economica edi semplice impiego e integrazione nel quadro elettrico.

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Il sincronismo tra drives per la movimentazione in applicazioni ad altissima precisione di posizionamento Relatore: Ing. Alberto Landoni

Casi esaminati • Linea di manutenzione treni ad alta velocità (TGV) • Linea di assemblaggio attrezzature aeronautiche

Requisito fondamentale • Sincronismo ad altissima precisione tra movimentazioni. – In questi casi la velocità e la dinamica non sono determinanti

Requisiti specifici delle applicazioni • Sincronismo tra stazioni e tra coppie di stazioni • Switch tra coppie di motori per funzioni diverse (movimento sollevamento e movimento rotazione) non richieste contemporaneamente

Punti determinanti • Feedback in grado di garantire le precisioni desiderate • Feedback in grado di garantire letture anche a bassissima velocità • Loop di regolazione ad alta banda passante • Colloquio sincrono tra i drive per la trasmissione dei riferimenti di posizione ( • Colloquio asincrono ad alta velocità per la supervisione delle funzionalità ( ) )

Feedback in grado di garantire le precisioni desiderate e letture anche a bassissima velocità • Encoder Sin/Cos da almeno 1024 sinusoidi giro – Ogni sinusoide viene campionata con 1024 campioni ottenendo una risoluzione equivalente ad un encoder incrementale da 1024 x 1024 = 1048576 counts/giro (262144 step/giro). – Conteggio di 8.7 counts per campionamento con rotazione ad 1RPM e chiusura del loop di posizionein 500 mS. – Trasmissione della posizione assoluta all’ accensione o su richiesta evitando la ricerca di zero meccanico.

Loop di regolazione ad alta banda passante • Loop di corrente a: 83.3 mS (12 KHz) • Loop di velocità a: 250 mS ( 4 kHz) • Loop di posizione a: 500 mS ( 2 kHz) Rif. posizione + Reg. Posizione Encoder Reg. Velocità Reg. Corrente Motore d/dt - + + - -

I risultati ottenuti • Lunghezza del treno sollevato – Fino a 200 m • Peso del treno sollevato – 386 tonnellate • Numero di stazioni in sincronismo – 13 coppie di movimentazione) • Accuratezza di posizionamento tra un estremo e l’ altro = 1 mm

Tutta la gestione della potenza di movimentazione(drive+motore) è locale dove serve  (distribuita)

Comunicazione sincrona tra drives • 72 bit di dato • Alta velocità • Sincronizzazione tra i nodi • Singolo Master • Multiplo Slave

PhaseLockLoop Speed Loop RS485 SLAVE 2 System Jitter = +/- 2us PhaseLockLoop Speed Loop Speed Loop RS485 Synch.Tasks SLAVE 1 MASTER Sync. WithSpeed Loops la Sincronizzazione remota tra gli Slave

PL L Sy n c. BI T U SER D A T A R EF ER EN C E 1 (3 2 b it ) U SER D A T A R EF ER EN C E 2 (3 2 b it ) U SER D A T A R EF ER EN C E 3 (8 b it ) Synch Bit Virtual Master Reference Data Posizione, velocità,Accelerazione,Coppia Bit di Controllo osincronizzazione Posizione, velocità,Accelerazione,Coppia Struttura telegramma

250us RMINT Pos Task MasterPos Task SlaveRS485 Comms 500 uS Esempio con task Pos a 500us Il Master può anch’ esso comportarsi da Slave e quindi “rileggere” i dati da sè stesso emessi due cicli prima assicurando così il perfetto sincronismo tra i drives I dati sono disponibili per lo Slave il ciclo ancora successivo Il Master scrive i dati in un istante qualsiasi all’ interno dellla task Pos. I dati verranno trasferiti durante il ciclo successivo Impulso di sincronismo con errore max 35nS Dati Impulso di sincronismo con errore max 35nS Impulso di sincronismo con errore max 35nS Dati Dati

Comunicazione asincrona tra drives • Elevato volume di dati • Alta velocità

_Rx% _Rx% _Sx% _Sx% uP uP _Rx% _R _Sx _Sx% Comunic. FAST (1 mS) Comunic. SLOW (ogni N Fast) Comunicazione asincrona tra drives

I numeri di link (fast+slow) per ogni nodo parametri 32 bit per link parametri scambiati per nodo Mega bit/s

CTNet Impostazione grafica nessuna linea di configurazioneè richiesta dal programma

Funzionalità alza / ruota E’ possibile affrontare la necessità di due diverse movimentazioni non contemporanee esclusivamente prevedendo la lettura permanente (senza commutazioni) di tutti i feedback ed utilizzando solo 2 drives per stazione.Si commuta esclusivamente la potenza sui motori da controllare

Punti vincenti del controllo distribuito • Modularità • Drives vicino alla movimentazione • Connessione tramite rete di comunicazione autoconfigurante( • Feedback e segnali gestiti localmente • Posizioni per sincronizzazione tramite bus sincrono ( • Applicativi software semplificati ed ottimizzati per la specifica funzione ) )

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INTEGRAZIONE DI FUNZIONALITA’ DI MOTION E POWER CONTROL IN UNA PIATTAFORMA DI AUTOMAZIONE OTTIMIZZATA PER MACCHINE DI SERIE Ing. Adriano Chinello Direttore Tecnico Divisione Componenti per Automazione Gefran S.p.A.

 Software PLC standard (IEC 61131-3, PLCopen)  Software HMI di semplice gestione e manutenzione  Disponibilità librerie software ad alto valore aggiunto  Ambiente integrato per lo sviluppo del software applicativo  Architettura hardware ottimizzata (costo)  Prestazioni: produttività, ripetibilità, efficienza energetica Un caso specifico: full-electric injection moulding machine (FE IMM) Obiettivi automazione macchine di serie

 Passaggi precisi e ripetitivi tra modalità di controllo diverse (posizione – velocità – coppia – pressione) su singoli assi  Compresenza di processi molto diversi tra loro: - Motion control (ciclico + eventi) 250 ÷ 500 µs - I/O (ciclico) 2 ÷ 10 ms - Termoregolazione (ciclico) 50 ÷ 100 ms - HMI (eventi) 100 ms - Supervisione, SPC, ecc… (ciclico + eventi) bassa priorità Peculiarità applicative FE IMM

Modbus / CANopen I/O real-timecontrol Motionhigh-levelcontrol HMItask PLC / SPC / aux tasks Monitoring / data collection Analog Input Current Torque Speed Loop Position / AI Loop Speed / Torque Ref Optical internal link Powerhigh-levelcontrol GDnet / CANopen Power / Thermo Loop Remote I/O Servo rack Panel PC PowerController PressureSensor Architettura di sistema

www.cpubenchmark.net Panel PC: performance e costo CPU

 Limitazione picchi di assorbimento  Controllo power factor  Delocalizzazione anelli di termoregolazione con funzioni di controllo avanzato (soft-start, power / voltage feedback, …)  Efficienzaenergetica  Minori costi per filtri, ecc…  Migliori performance di regolazione  Attuatori anche non lineari (IR, SiC, …)  Maggiore vita utile degli attuatori Power control

 Alimentazione rack condivisa tra gli assi (recupero di energia con sovrapposizioni mirate)  Opzione front-end rigenerativo  Assi 3 – 120 kW  Controllo di posizione, velocità, coppia, su segnale analogico:ciclo 250 µs  Passaggio tra diverse modalità di controllo:step 250 µs CORE CPU AX I S1 AX I S2 AX I S3 AX I S4 AX I S… AX I S8 AC / DC Supply 3ph 400Vac C ( + ) D ( - ) M M M M M M Motion control

 Standard PLCopen  Programmazione di alto livello, indipendente dal fieldbus e dall’hardware  Function Block standard con add-on (maggiore flessibilità)  Function Block speciali con interfacce allineate allo standard PLC motion application library

1 - MC_MoveAbsolute P1 V1 Aborting 2 - MC_MoveAbsolute P2 V2 Blending Previous 3 - MC_MoveAbsolute P3 V3 Blending Previous 4 - MC_MoveAbsolute P4 V4 Blending Previous 5 - MC_AnalogControl PR5 Blending 6 - MC_AnalogControl PR6 Aborting 7 - MC_AnalogControl PR7 Aborting 8 - MC_Stop Aborting EXE1ABORT. EXE2BL. PREV. P2 P1 P3 t V1 V2 V, PR DONE1 V3 V4 EXE3BL. PREV. EXE4BL. PREV. DONE2 INCONTROL5 SWITCHOVER PR5 EXE6ABORT. EXE7ABORT. EXE8ABORT. PR6 PR7 INCONTROL6 INCONTROL7 DONE8 ANALOGINPUTTHRESHOLD P4 EXE5BLENDING  Controllo agevolmente realizzabile con serie di Function Block accodati  Switchover su posizione, pressione, …  Fasi del controllo precaricate sul drive Esempio: controllo asse iniezione

 Forza di chiusura stampo: 110 ton  Pressione di iniezione tipica: 1500 kgf/cm 2  Velocità asse iniezione: 800 mm/s  Tempo di accelerazione asse iniezione: 45 - 50 ms (0  800 mm/s)  Precisione controllo di posizione: 0,01 mm  Precisione controllo di pressione: ± 2 kgf/cm 2  Max overshoot di pressione + 50 kgf/cm 2 Principali caratteristiche di macchina

Test asse iniezione: accelerazione 47 ms 800 mm/s

Test asse iniezione: switchover

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Pacchetto software integrato per programmazione,simulazione e supervisione sistemi di palettizzazione utilizzantiassi con cinematica cartesiana o robot antropomorfi Relatore:Davide BurattiOcme S.r.l (PARMA) Università degli studi di Parma

La Storia Anni 60 Anni 90 Oggi

Le richieste del mercato • Elevate velocità di produzione• Grande variabilità dei formati e dei packaging• Tempi di cambio formato ridotti• Utilizzo di contenitori primari e secondari sempre più sottili e fragili Le caratteristiche del sistema di pallettizzazione • Manipolazione e movimentazione del prodotto veloce• Flessibilità del sistema• Riduzione dello stress meccanico sul prodotto• Riconfigurazione rapida e automatica

Le configurazioni

CPU PC Industriale Robot Manipolazione Robot presa Strato Azionamenti e servo motori L’architettura Hardware

Programmazione testuale Test su macchina reale

Programmazione grafica Simulazione

Programmazione Simulazione Supervisione Paradigma Model-View-Control Un unico modello rappresentativo della macchina reale Riuso del codice e consistenza del comportamento delle applicazioni Pacchetto software integrato

Scomposizione in oggetti del modello

Class Diagram semplificato relativo ai componenti base del modello

2 -Scomposizione in lotti Programmatore 1 - Definizione del layout 3 -Calcolo dei parametri

Caratteristichepaletta Caratteristichepacco Generazione automatica dei layout

Editing

Calcolo automatico dei parametri Definizione della sequenza dei lotti

Simulatore • Verifica dei programmi di pallettizzazione• Analisi di interferenza tra i manipolatori• Analisi di superamento extracorsa degli assi• Stima della velocità di produzione

Paradigma time driven Vs. Paradigma event driven Determinazione dell’intervallo di simulazione

Gestione dellacoda relativaagli arrestimediantesegment tree

Manipolatore 2 Manipolatore 1 Arresti Nastri d’ingresso Lotto in ingresso Strutturazione del Simulatore in FIFO

Supervisore • Monitoraggio della macchina• Intervento dell’operatore guidato• Riduzione al minimo dei tempi di fermo macchina.

Sviluppi Futuri:  Database centralizzato per programmi di paletizzazione • Archiviazione e consultazione• Riduzione tempi generazione nuovi programmi• Ottimizzazione processo interno  Estensione tool di programmazione a tutti i componenti dell’impianto • Simulazione e Programmazione • Flusso prodotto ( Trasporti ingresso) • Zona formazione ( Robot, manipolatori, tappeti ) • Zona palettizzazione ( Robot, palettizzatore classico ) • Unica interfaccia di programmazione • Analisi offline delle prestazioni• Riduzione tempi

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LA GENERALIZZAZIONE DEL FUNZIONAMENTO DI UNA TESTA ETICHETTATRICE PER IL SETTORE LABELLING GRAZIE ALLE INNOVATIVE FUNZIONALITA’ MOTION ED ALLE ELEVATE PERFORMANCE DEL NUOVO PLC COMPATTO DI ULTIMA GENERAZIONE E’ STATO POSSIBILE RIMPIAZZARE LA VECCHIA ELETTRONICA DEDICATA CON UN CONTROLLORE PROGRAMMABILE AD ELEVATE PERFORMANCE Relatore: Ing. Castioni Giuliano

Quando si parla di automazione industriale, è sempre molto difficile riuscire ageneralizzare l’hardware, ma soprattutto il software, per un’applicazione.Solitamente la parte hardware deve essere studiata insieme alla macchina e tutti icomponenti devono essere in grado di essere integrati fra loro. Per la parte softwareinvece vengono fornite delle librerie, pezzi di software preconfezionati, che aiutano ilsystem integrator a completare il lavoro in modo più rapido ed efficiente.In questo modo ogni applicazione, macchina, impianto viene personalizzata. SW HW

In questo caso, però, dopo uno studio del mercato dei costruttori di macchine per illabelling, abbiamo visto che, la tecnologia di un particolare pezzo, la testaetichettatrice, che serve per l’applicazione di etichette è praticamente uno standard.

RICHIESTE CLIENTI 1) Precisione di applicazione dell’ordine di +/- 1 mm. 2) Velocità di avanzamento prodotti dell’ordine di circa 90 mt/min. 3) Rampe di accelerazione e decelerazione impostabili separatamente. 4) Velocità regolabile durante il funzionamento. 7) OPZIONE: Possibilità di controllare l’avvolgitore di etichette. 5) Soluzione flessibile, “plc based”, quindi la possibilità di implementare ulteriori funzioni utilizzando sempre lo stesso hardware. 6) Gestione dell’intero processo tramite pannello

SOLUZIONE HARDWARE PLC TOUCH PANEL DRIVER USCITA IMPULSI Sensore fine etichetta Encoder rullo prodotti Sensore prodotto Ingressointerrupt Ingressointerrupt Ingresso encoder RS232 Rullo motorizzato L’encoder è letto dal plc tramite l’ingresso ad impulsi alla massima frequenza di 50KHz, mentre il sensore di fine etichetta ed il sensore diprodotto sono letti attraverso l’ingresso di interrupt. L’uscita ad impulsi del plc, invece, comanda il rullo motorizzato che trascina il nastro rilasciando così l’etichetta

SOLUZIONE HARDWARE Il servoazionamento del “rullo nastro vuoto”, comunica con il plc attraverso una porta RS232. In questo modo è possibile impostare i parametri di coppia e velocità interna che regolano il funzionamento di questa movimentazione, infatti… PLC TOUCH PANEL DRIVER USCITA IMPULSI Sensore fine etichetta Encoder rullo prodotti Sensore prodotto Ingressointerrupt Ingressointerrupt Ingresso encoder RS232 Rullo motorizzato RS232 DRIVER Rullo nastro vuoto

SOLUZIONE “RULLO NASTRO VUOTO” …uno dei problemi, era l’aumento ( e quindi il controllo ) dell’inerzia del “Rullo Nastro Vuoto”, che continuando ad aumentare di diametro esigeva, da parte del motore, uno sforzo sempre maggiore. Inoltre non si volevano utilizzare ingressi/uscite per il controllo del servoazionamento. Dalla figura a lato abbiamo ricavato T che è la forza costante impressa sul foglio. Come si vede dalla relazione all’aumentare del diametro dovrò aumentare la coppia del motore tenendo T costante. CM = Coppia motoreT = Forza costante impressa al foglioDp = Diametro partenza rullo T Dp CM Dp CM T 2 2 1   

Calcolando il numero di etichette che vengono espulse in un giro carta ottengo: p Dp C 1   dove Dp è il diametro di partenza, p è il passo dell’etichetta e C 1 sono il numero di etichette espulse il primo giro   s Dp p p D C 2 1 2      dove s è lo spessore della carta   s Dp p p D C 2 2 2 3      in generale   s i Dp p p D C i i ) 1 ( 2 1       

Esplicitando il numero di etichette espulse in funzione del numero di giri ottengo:         1 1 2 ... 0 3 2 1                    n s Dp n p is Dp p C C C C C n i i n   Infine esplicitando n ottengo:     s p C Dp p s p s Dp p s Dp p n n      2 4 2 2 2              Abbiamo così ottenuto il numero di giri in funzione delle etichette emesse. Utilizzando questo dato per calcolare il diametro del rullo possiamo sapere la coppia da applicare al motore per avere una forza di tiro costante.

SOLUZIONE SOFTWARE A livello software è stata creata un’infrastruttura che permette, inserendo deivalori, di calcolare i parametri necessari per il funzionamento della macchina.Ovviamente i valori inseriti saranno diversi a seconda della tipologia dimacchina implementata ed a seconda della meccanica di supporto. Nella figurasottostante è possibile vedere la function block che regola il funzionamentodella “testa etichettatrice”

SOLUZIONE SOFTWARE EncoderChannelNumber indica il numero di canale encoder sul quale siandranno a leggere gli impulsi. MotionchannelNumber indica il canale sul qualeusciranno gli impulsi del canale di controllo del rullo motorizzato.LabelStartPosition indica il numero di impulsi che la funzione attende per partirecon il posizionamento dell’etichetta. LabelStopPosition indica il numero diimpulsi che la funzione attende per finire il movimento

SOLUZIONE SOFTWARE InitialSpeed è un parametro variabile a seconda della velocità TargetSpeedimpostata, questo valore può passare da un minimo di 6Hz ad un massimodefinibile a seconda della struttura meccanica. TargetSpeed è la velocità diapplicazione etichetta anch’essa regolata dalla lettura dell’encoder. AccelTime eDecelTime sono i tempi di accelerazione e decelerazione impostabili perl’applicazione

SOLUZIONE SOFTWARE Infatti, questa applicazione prevede un tempo di accelerazione maggiorerispetto al tempo di decelerazione, in quanto in partenza il nastro porta etichettenon deve subire danni (strappi, rotture, etc..) mentre in fermata si deve fermarenel più breve tempo possibile, in quanto le etichette possono essere distanziatesul nastro anche di 3mm.

SOLUZIONE SOFTWARE Il profilo della movimentazione della testa sarà come quello mostrato in figura.Come si può notare sono appunto previste delle rampe di accelerazione edecelerazione diverse per i motivi visti precedentemente. Inoltre con un limitatotempo di partenza delle funzione ( circa 30 μ s ) si può garantire un elevato grado di precisione. Inoltre è possibile cambiare la velocità durante ilfunzionamento.

RICHIESTE CLIENTI SODDISFATTE 1) Precisione di applicazione dell’ordine di +/- 1 mm. 2) Velocità di avanzamento prodotti dell’ordine di circa 90 mt/min. 3) Rampe di accelerazione e decelerazione impostabili separatamente. 4) Velocità regolabile durante il funzionamento. 7) OPZIONE: Possibilità di controllare l’avvolgitore di etichette. 5) Soluzione flessibile, “plc based”, quindi la possibilità di implementare ulteriori funzioni utilizzando sempre lo stesso hardware. 6) Gestione dell’intero processo tramite pannello

SVILUPPI FUTURI OPZIONE: Possibilità di controllare due “teste etichettatrici” in modalità MASTER-SLAVE Sarà possibile controllare due teste etichettatrici in serie per fare in modo che se la prima ha bisogno di manutenzione oppure ha un guasto oppure sideve sostituire la bobina delle etichette parte automaticamente la secondatesta. Questo miglioramento porterà ad un annullamento dei tempi morti di produzione.

SVILUPPI FUTURI Implementazione di una soluzione per il “taglio al volo”. Il tipo di movimentazione della “testa etichettatrice” è molto simile alla movimentazione di macchine per il taglio al volo. Sostanzialmente abbiamosempre un sensore di start per la partenza, un tempo di attesa per farscorrere il prodotto da tagliare ( la lunghezza ), ed il taglio che può essereparagonato all’applicazione dell’etichetta.

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Ing. Roberto LoceSolution Architect Motion Control Soluzioni motion in real timesu Ethernet standard

Il Motion Control gestito via rete HMI Rete Motion Control Motore PC Drive Feedback & I/O Anni ’80 – Interfacciamento analogico Anni ’90 – Interfacciamento tramite reti digitali Macchina HMI HMI Segnale analogico Motore PC PC Controllore Motion Drive Feedback & I/O Macchina Feedback & I/O Controllore Motion Reti Motion Control tradizionali– SERCOS I, II,III– PROFIbus– CanOpen– ServoWire– NyQuist/Firewire– LightBus – Le reti digitali eliminano fino a una dozzina di collegamenti fisici per ogni drive. – La configurazione del drive avviene attraverso il controllore motion – Il controllore riceve le informazioni di stato e diagnostica dal drive – Il loop di posizione ha performance maggiori – Minori costi nell’integrazione del sistema

Migrazione verso una rete di controllo unica • La tendenza emergente è di convergere verso una sola rete di controllo basata su Ethernet – Supporto per Motion, I/O ed HMI – Connessione a PC Workstation, IT, e WWW – Semplificazione della configurazione della rete – Semplificazione della manutenzione della rete – Semplificazione dell’integrazione del sistema – Incremento delle prestazioni – Riduzione dei costi • Ormai la corsa a nuove soluzioni basate su Ethernet in grado di gestire Motion Control ed I/O è iniziata: – EtherCat– PROFInet IRT V3– SERCOS III– PowerLink

Esempio: SERCOS Stato dell’arte: – Approvato come standard internazionale nel 1995 (la tecnologia risale a metà anni ’80) – Tipica comunicazione master-slave – Velocità fino a 16 MBd – Possibilità di inviare comandi e dati di configurazione (IDN) – Molto diffuso ed utilizzato in diverse applicazioni – Soluzione robusta, affidabile e semplice da implementare Motivi che portano al cambiamento: – Rete locale, specializzata per il motion control: non adatta ad interfacciarsi con il resto dell’IT di fabbrica – Tecnologia legata ad unico ASIC SERCON 816 – Velocità di comunicazione limitata – Topologia ad anello – SERCOS sta migrando verso soluzioni Ethernet (SERCOS III) – Alcune soluzioni Ethernet-based sono già sul mercato

Requisiti di una rete digitale per il Motion Control – Il determinismo , inteso come capacità di far arrivare un messaggio a destinazione in un intervallo di tempo massimo, è possibile ottenerlo solo evitando le collisioni. Per farlo ci sono tre approcci: • Utilizzare un protocollo a livello applicativo• Utilizzare switch e priorizzare i messaggi• Utilizzo di una schedulazione nella trasmissione dei telegrammi tramite hardware specifici. – Il sincronismo è chiaramente basilare in quanto per poter eseguire operazioni sincronizzate, tutti gli apparecchi devono avere la stessa valutazione del tempo. Il sincronismo può essere ottenuto in due modi: • Utilizzando un particolare telegramma a distanze temporali note che genera direttamente un impulso di sincronizzazione • Seguendo lo standard IEEE1588 precision time protocol – Il periodo di latenza è il vero e proprio ritardo dovuto alle tempistiche della trasmissione e sicuramente verrà sempre più ridotto dagli sviluppi tecnologici e dalla sempre maggiore velocità di Ethernet. Perchè una rete sia adatta ad applicazioni motion, deve avere delle caratteristiche molto stringenti per quanto riguarda il determinismo, il sincronismo ed il tempo di latenza.

Ethernet nel tempo è cambiata • Ethernet del 20 ° secolo – 10 Mega Baud– Half-Duplex– Distribuzione basata su hub– Collisioni nella comunicazione– Nessuna priorizzazione dei frame– Nessun servizio di sinconizzazione temporale – Bassa affidabilità della rete– Alti costi per nodo • Ethernet del 21 ° secolo – 100 Mega Baud “Fast Ethernet”– Full-Duplex  200 Mega Baud– Distribuzione basata su switch– Eliminate le collisioni– Priorizzazione dei telegrammi (QoS)– IEEE-1588 (Precision Clock Synchronization Protocol) – Dimostrata affidabilità per applicazioni industriali – Basso costo per nodo La tecnologia Ethernet attuale è adatta ad applicazioni industriali, è deterministica, è adatta al motion control.

Ethernet IEEE 802.3 e il TCP/UDP/IP • IEEE 802.3 è lo standard fisico di Ethernet definito nel 1985 da IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers • IP - Internet Protocol è il protocollo più utilizzato sulla rete Ethernet per attribuire gli indirizzi di nodo e di LAN o sub-net: – Formato di un IP Address: 32 Bit, suddivisi in 4 campi di 8 Bit– Ciascun campo è identificato da un numero intero (0-255): • Esempio: 131.150.186.10 • TCP - Transmission Control Protocol è il protocollo più utilizzato sulla rete Ethernet per il trasferimento dei dati anche su ampie aree geografiche al di fuori dei confini di una LAN (p.e.Internet) • UDP - User Datagram Protocol è un protocollo più semplice del TCP che permette una maggiore velocità di trasmissione, ma non il trasferimento dati al di fuori di una subnet

ODVA standard globale per una rete aperta – Time synchronization su EtherNet/IP • Precisione di 100ns • Basato su IEEE 1588 standard – Supporta Servo Drive e AC drives – Control to control, Sincronizzazione tra I drives appartenenti a controllori diversi – Drive to drive, pianificazione delle traiettorie locale(sul drive) Robust Global Standards Insure Multi-Vendor Interoperability

Master Slave Tm Ts Ts Tm Tm Tm Tm Ts Tm Tm Tm Tm Master System Time Slave System Time Regolazione frequenza clock slave: (Tm-Ts)/Sync Period Calcolo dell’offset sul sistema slave Time Offset: Tm-Ts Regolazione dell’offset di tempo nel clock dello slave dovuto alla comunicazione: (Tm-Ts)/2 Tm Master Time Stamp Ts Slave Time Stamp Time Time Un piccolo offset persiste tra i due clock dovuto al ritardo nella comunicazione Tm Tm Tm Tm Nuova regolazione della frequenza Lo standard IEEE-1588- CIP Sync

CIP Motion Single-Cycle Timing Model Drive Timer Events Controller Timer Events Drive Interrupt Service Drive-to-Control Connection (Input) Control-to-Drive Connection (Output) Controller Task Coarse Update Actual Position Cmd Position Coarse Update Period (1 msec) Drive Update Period 250 msec Motion Task Phase Offset ~330 msec 1 5 4 3 2 Input Traffic No Motion Traffic Output Traffic Motion Planner Motion Planner Il drive riceve il Il drive riceve il conteggio dal conteggio dal feedback e calcola feedback e calcola la posizione attuale la posizione attuale da spedire al da spedire al controllore. controllore. Il Drive incapsula Il Drive incapsula l’informazione nei l’informazione nei dati CIP Motion e dati CIP Motion e trasmette il trasmette il pacchetto via pacchetto via Ethernet. Ethernet. attuale ricevuta. attuale ricevuta. Il controllore riceve e Il controllore riceve e processa il processa il pacchetto Ethernet e pacchetto Ethernet e calcola il nuovo calcola il nuovo comando di comando di posizione sulla base posizione sulla base della posizione della posizione attuale ricevuta. attuale ricevuta. Ethernet. Ethernet. Il controllore Il controllore incapsula nel incapsula nel telegramma CIP telegramma CIP Motion i dati e Motion i dati e spedisce il spedisce il pacchetto via pacchetto via Ethernet. Ethernet. Il drive riceve e Il drive riceve e processa il pacchetto processa il pacchetto ethernet e calcola il ethernet e calcola il nuovo comando di nuovo comando di posizione per posizione per l’interpolazione fine. l’interpolazione fine.

Targeting del riferimento di posizione usando il Time Stamp Trasmettere il riferimento di posizione con il Time Stamp permette al drive di drive di calcolare Trasmettere il riferimento di posizione con il Time Stamp permette al drive di drive di calcolare una traiettoria per trovarsi nella posizione giusta al tempo stabilito. una traiettoria per trovarsi nella posizione giusta al tempo stabilito. Motion Task Drive Controller Target Time = Tctr1 + 2 CUP Tctr1 187.5 usec 1 msec CUP Tctr2 Tctr2 Drive Task Fine Interpolation Polynomial Target Time Target Command Position Last Target Time Last Command Position Motion Task Drive Task

EtherNet/IP con CIP Sync • 100ns time synchronization per dispositivi su EtherNet/IP • time stamp per allarmi ed eventi • Time stamp di Dati e inputs • Sequenze di eventi • Time scheduled Outputs • Attuazione sincronizzata • Aquisizione sincronizzata • Integrazione del sistema informativo Permette una vera architettura distribuita Distributed Registration Scheduled Output Safety I/O Servo Drive With Local Path Planner Distributed Aux Feedback Automation Controller With or without Motion Planner Standard Ethernet Switch

Quality of Service (QoS) • CIP Sync implementa il Quality of Service – 802.1Q tagged frames on Ethernet: nel telegramma viene inserito uno specifico campo (tag) che identifica la priorità del messaggio rispetto ad altri datieventualmente accodati. Assicura la consegna puntuale dei messaggi a priorità piùelevata Ethernet Switch Distributed I/O Messages CIP Motion™ Drive message Other Devices Messages 1588 PTP Messages Traffic Type Priority Time Sync 7 (Highest) Motion 6 I/O 5 Other 4 (Lowest)

EtherNet/IP con CIP Motion CIP Motion™ fornisce una rete flessibile e un’interfaccia comune a una grande varietà di dispositivi motion control. – Tipi di drive: • Volts / Hertz o Drive a frequenza variabile • Drive a controllo vettoriale ad anello chiuso • Servoazionamenti – Tipi di controllo: • P – Controllo di posizione • V – Controllo di velocità • T – Controllo di coppia • N – Solo feedback Gli utilizzatori possono trarre vantaggio da un set di interfacce comuni ed indipendenti dalla tecnologia drive adottata. Motion Profiles Time Sync IEEE 1588 Data Link Layer

Possibilità offerte da CIP Motion • Control to drive – Controllo ad anello aperto e chiuso • Control to control – Sincronizzazione fra i drive appartenenti a controllori diversi • Drive to drive – Pianificazione delle traiettorie locale (sul drive) EtherNet/IP

• 100Mbps fast Ethernet per alte prestazioni • La priorizzazione dei frame assicura la corretta temporizzazione delle informazioni motion • Tempo di sincronizzazione di 100ns • Drive loop di 125us • Standard EtherNet • Provata affidabilità industriale Alte prestazioni con Ethernet standard Servo Drive Scalable Automation Controllers Registration Scheduled Output Safety I/O Frequency Converter Standard I/O Vision Business System HMI Aux Feedback Robots Standard Ethernet Switches Pneumatic Valves Utilizzando la tecnologia Ethernet standard si raggiungono alte prestazioni nel controllo dei Drives

Supporto di differenti topologie Topologia a stella – Supporta la sostituzione e la riprogrammazione automatica on-line di un drive senza disturbare il funzionamento degli altri. – Supporta l’aggiunta on-line di nuovi drives. – E’ una topologia interessante quando i drives sono localizzati centralmente vicino allo switch.

Tecnologia con Embedded Switch Copyright © 2008 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. Permette una topologia lineare o ad anello della rete EtherNet/IP – Gli oggetti in EtherNet/IP con switch integrato possono collegarsi in “daisy-chain” agli apparecchi vicini – o completare l’anello per ottenere un’alta disponibilità. Lineare • Questa configurazione permette di estendere notevolmente la lunghezza dell’applicazione • A differenza della configurazione a stella, non richiede di collegare ogni apparecchio ad un unico switch. Ad anello • E’ una rete in grado di tollerare unsingolo guasto • La configurazione ad anello nonrichiede hardware aggiuntivo peressere implementata L’alta disponibilità della comunicazione permette di aumentare la produttività delle macchine L’alta disponibilità della comunicazione permette di aumentare la produttività delle macchine

Application Real-time data exchange TCP UDP IP Media Access Control CSMA/CD Ethernet Application Real-time data exchange TCP UDP IP Media Access Control CSMA/CD Ethernet Application TCP UDP IP Media Access Control CSMA/CD Ethernet Standard-Data Realtime-data Realtime S o ft w a re H a rd w a re Standard Ethernet TCP/IPEthernet/IP, Modbus/TCP Bypassing of layer 3 & 4Powerlink, Profinet V2 Real-Time Data Exchangein HardwareSERCOS III, EtherCAT,Profinet V3 Differenti approcci nelle soluzioni Motion Control Ethernet-based Performance delle diverse soluzioni Ethernet-based

Comparazione fra soluzioni non-standard e standard – L’utilizzo di componenti Standard Ethernet (es. chips, switches e routers) riduce I costi totali del sistema grazie alla grande disponibilità commerciale e ai grandi volumi in gioco. – La rete non ha necessità di essere schedulata, semplificando così la configurazione e lo start-up. – Le dimensioni dei pacchetti scambiati ed il loro contenuto può essere modificato in maniera dinamica. – Qualunque apparecchiatura conforme a Ethernet IEEE 802.3 può far parte della rete senza particolari switch o gateways. – Compatibile con topologie standard Ethernet come la stella e la trunk/line dropline – Un upgrade delle performances verso le velocità di 1 Gigabit/sec e 10 Gigabit/sec risulta semplice sia per l’utente che per il fornitore dell’apparecchiatura. – Con alcuni accorgimenti (es. Selettori rotativi per impostare le ultime tre cifre dell’indirizzo IP) c’è poi la possibilità di implementare funzionalità già presenti su altre reti che implementano CIP come l’ADR (Automatic Device Reconfiguration). – CIP motion è pensato per gestire allo stesso modo qualunque apparecchiatura che sia predisposta per il collegamento via Ethernet/IP. – Problemi di interoperabilità con apparecchi, tools, servizi standard Ethernet – Problemi nell’implementazione delle possibilità future offerte da ethernet standard – Complessità nella configurazione della rete – es. Configurazione dei time slot. – Modificare il contenuto o la lunghezza del telegramma oppure aggiungere o togliere nodidinamicamente risulta molto difficoltoso se non impossibile NON STANDARD STANDARD

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Motion Control-SW Modulare per macchine Motion Centric Antonio MarraSchneider Electric Italia SpA

Oggi D o ma n d a

Unwinding Thermoforming Product filling Product filling 2 Sealing and Cutting Stacking Cartoning Multipacking TREND: MODULARITA’

Food Dairy Beverage Pharma- ceutical Personal Care Home Care Tissue and Paper Tobacco Other Uno sguardo al mercato

- I consumatori richiedonomaggiore convenienza - I produttori sempre maggioreefficienza - L‘attenzione dei consumatori,attratta dalle novità, richiedediversificazioni del Package - Velocità, meccatronica,innovazione tecnologica,consentono sempre nuoveforme di confezionamento Food Dairy Beverage Pharma- ceutical Personal Care Home Care Tissue and Paper Tobacco Other OEM vs Mercato M1

Food Dairy Beverage Pharma- ceutical Personal Care Home Care Tissue and Paper Tobacco Other - Prezzo (riduzione dei costi) - Brevi tempi di consegna - Alta Flessibilità - Rispetto di Normative e validazioni (FDA, GAMP…) - Qualità. - „Personalizzazione“ del prodotto - .……………. OEM vs End User

Costi di Sviluppo nell‘ingegneria del SWSource: Bender, Glas, Kohen, McKinsey Come posso gestireil SW?

- Modularità del SW- Standardizzazione delle interfacce

Modularità, Standardizzazione, sono termini molto interessanti ma……. Cosa faccio?Dove posso trovare aiuto?Quanto mi costa?Quanto rimango flessibile?Quanto riesco ad essere indipendente? I miei prodotti perdono “unicità”?

Modularità SW Proprietà del SW che misura quanto questo è composto in parti separate chiamate “ Moduli” . Ogni modulo genera una funzionalità per uno specifico scopo e comunica con gli altri attraverso un’interfaccia per produrre un comportamento generale desiderato. La modularità serve per semplificare lo sviluppo, il test, la riutilizzabilità e la manutenzione di programmi digrosse dimensioni, che vedono coinvolti più sviluppatori.

Modularità SW: Caratteristiche  Suddivisione del programma in singoli moduli  Indipendenza dei moduli  Interazione minima di ciascun modulo con il mondo esterno  Facile validazione dei moduli come entità isolate  Dichiarazione esplicita delle interfacce mediante le quali i moduli comunicano tra loro

Interfaccia L’interfaccia è il punto, l'area o la superficie sulla quale due entità qualitativamente differenti si incontrano. Viene spesso usato in associazione ad un dispositivo fisicoo virtuale . Ogni entità espone una sua ”faccia”, con il suo particolare protocollo di comunicazione.

Modularità Interfaccia di comando e comunicazione 1 2 3 3 2 1

Qual è il problema? 3 2 1 ……………………….. Al crescere dei moduli crescono le interfacce, quindi lacomplessità della gestione.

Interfaccia Standard Cercare di definire i comandi e leinformazioni (dati) comuni di ogni modulo differenziandoli da quelli caratteristici . Mantenere i vantaggi della modularità cercando di semplificare la loro gestione. Dati e comandi comuni Dati e comandi Caratteristici

Abbiamo parlato: 1. Modularità 2. Standardizzazione dell’interfaccia E come affrontiamo lo sviluppo SW?

Processo Modalità Operative Moduli „Meccatronici“ Diagnostica Gestione Errori

Definire uno standard di interfaccia tra i diversi moduli SW Definire uno standard di interfaccia tra i diversi moduli SW

Modulo Meccatronico Asse Controls (asse in coppia, stato, errori, coerenza dati…) Manual Mode Homing Mode 1. Init Asse 2. Gestore della Potenza (abilitazione) 3. Gestore degli Errori 4. Gestore delle Modalità Operative 5. Logger eventi 6. Homing 7. Jog 8. Camming /Posizionamento / Endless (con inizializzazione) 9. Gestione del Freno 10. Scambio segnali IN/OUT Automatic Mode Torque Positioning Cammming Endless

Automation Modules Mechatronic Modules Esempi di moduli SW IntelligentLineShaft Robotic Multi Belt Unwinder Vertical Sealing Flying Shear Smart Infeed Error Handler Machine State Control Contactor Contrfol Sequence Control Logger Axis Fonte: SE, PacDrive TemplateLib

Interfaccia Standard e Modularità Ovvero: Concentrarsi su parti di SW che forniscono alla macchina il vero valore aggiunto. Bisogna per forza ogni volta reinventare la ruota?

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Doppio manipolatore per pasta Case History Ricciarelli S.p.A. F. Divella S.p.A.

Il contesto Il pastificio Divella risale al 1890, anno in cui il fondatore, Francesco Divella costruisce il primo molino per la macinazione del grano. L'impiantoè di piccole dimensioni ma dotato di una robusta macina in pietra franceseche è diventata il simbolo della azienda: la produzione di pasta è limitata a1000 Kg. Oggi Divella detiene il 9% di quota del mercato italianomacinando quotidianamente 1500 tonnellate di grano duro e producendo900 tonnellate di pasta al giorno . Nata come “ Garibaldo Ricciarelli” nel 1843 – all’epoca come produttrice di trafile per la pasta - da oltre 150 anni il marchio storico “Ricciarelli” èriconosciuto in tutto il mondo come sinonimo di qualità e garanzia nelconfezionamento, con una posizione di leadership mondiale nel settore delpackaging, sia in termini di completezza di gamma che di avanguardiatecnologica dei suoi prodotti.

La macchina Ran241V è un’ incartonatrice per sacchetti di pasta corta che permette diinscatolare fino a 240 confezioni al minuto. Per le sue potenzialità si presta ad essere installata inlinee di processo in pastifici che hanno esigenzedi produzioni elevate e continuative. Ricciarelli hainstallato 5 Ran241V presso il pastificio F. DivellaS.p.A. a Rutigliano (BA) per una capacitàproduttiva teorica di 30 tonnellate pasta l’ora. Incartonatrice Ran241V

Una volta riempiti icartoni vengonointrodotti nelmodulo “chiusuracartone” che sioccupa dellachiusura con colla onastro adesivo. Il “magazzino” cartoni è il modulo dove l’operatoremacchina pone i cartoni piani ancora da aprire. Il modulo di “alimentazione sacchetti” ècostituito da due nastri di trasporto motorizzatiche ricevono i sacchetti dalle confezionatrici amonte. Il modulo di “manipolazione strato” sioccupa di formare le file di sacchetti e diportarli sotto i due manipolatori che liaspirano e li depongono nei cartoni. Il modulo ”prelievo e apertura cartone” preleva icartoni dal magazzino, li apre e li porta sotto i duemanipolatori per il riempimento. Ran241V:moduli macchina

Caratteristica di Ran241V è quella di poter ricevere leconfezioni da due macchine confezionatrici indipendenti edi avere un unico magazzino cartoni da gestire e un unicomodulo di chiusura cartone (incollatore/nastratore). Il formato che meglio permette di sfruttare lepotenzialità della macchina è il cartone da24 sacchetti: sei strati in base 4 (cioè stratodi 4 pacchi). Con un’ alimentazione di 240 sacchetti al minuto si hanno in uscita dallamacchina 10 cartoni al minuto. Flusso prodotti

Architettura preesistente In passato l’architettura di base dell’incartonatrice Ran241V era costituita da elettronica dedicata sviluppata all’interno di Ricciarelli. La necessità di gestire un doppio manipolatore obbligava ad utilizzare un’elettronica di commercio creando un sistema “spurio” al quale andava aggiunta una terza variabile costituita dall’interfaccia uomo-macchina. Il sistema quindi era composto da tre tipi diversi di elettronica, ognuno con un proprio sistema di sviluppo e programmazione ed un proprio protocollo di comunicazione. Evoluzione dell’elettronica Architettura attuale Con il sistema Simotion, Ricciarelli è riuscita ad integrare le funzioni base della macchina, il controllo dei manipolatori e l’interfaccia uomo-macchina all’interno di un’unica struttura. Non è più necessario interfacciarsi con il dispositivo di controllo del manipolatore essendo adesso parte del sistema. Ciò permette di averne pieno controllo in fase di sviluppo e di avere la possibilità di monitorare tutte le variabili e gli oggetti tecnologici in fase di test. Ora tutta l’intelligenza, dal motion control alla logica della macchina, è racchiusa in unico punto. Nella Compact Flash della cpu sono racchiusi tutti i dati del progetto, i codici e le parametrizzazioni degli assi e degli azionamenti HMI controllo manipolatore elettronica dedicata controllo manipolatore HMI automazione macchina

SIMOTION D435 SINAMICS S120 MOTORI ASINCRONI MOTORI BRUSHLESS ENGINEERING STATION HMI TP 177B ET200S ETHERNET PROFIBUS Manipolatore 1 Manipolatore 2 Apertura Cartone Nastri alimentazione Input/Output Interfaccia Operatore Programmazione Assistenza HMI TP 177B ENGINEERING STATION Cpu SI Azionamenti Lay out elettronica ETHERNET Prelievo Cartone Formazione Strato

MOTORI ASINCRONI MOTORI BRUSHLESS Unico drive per qualsiasi motorizzazione – Riduzione della componentistica e delle parti di ricambio – Drive a doppio canale per la gestione simultanea di motori asincroni e brushless Sistema azionamenti Sinamics S120 Sistema a DC-BUS con alimentatore rigenerativo per ottimizzazione bilancio energetico all’interno del sistema assi e recupero in rete dell’energia altrimenti dissipata sulle resistenze di frenatura

IP 67 IP 20 Connessione encoder via Drive-CLiQ – Riduzione dei tempi di cablaggio e errori Targhetta Elettronica – Autolettura della targhetta motori– Verifica motore in fase di sostituzione Drive-CLiQ Connessione digitale tra il trasduttore di posizione e gli azionamenti Connessione assi-motore

SIMOTION D435 STO (Safety Torque Off): protezione contro partenzeinaspettate del motore – Gli impulsi di pilotaggio degli IGBT sono disabilitati in sicurezza – Nessuna apparecchiatura di switching per la verifica di assenza di coppia ed eliminazione di contattori a monte e valle del drive – Possibile arresto specifico per ogni gruppo di drive– Il circuito intermedio (DC bus) può rimanere attivo Unico software – Unico software sia per la programmazione che per le funzioni di sicurezza Safety Integrated

SIMOTION D435 Funzionalità Motion Control ed Oggetti Tecnologici camme digitali, funzioni di posizionamento, interpolazione 3 D per differenti cinematiche, controllo di temperatura, PID,… Funzionalità PLC Linguaggi di programmazione MCC (Motion Control Chart); KOP/FUP (ladder logic) e ST (Testo Strutturato) secondo IE 61311-3 Messa in servizio e manutenzione unico progetto software integrato, Compact Flash contenete i dati di progetto, parametrizzazione assi, oscilloscopio integrato e web server Scout: software macchina Simotion D435 Tutta l’automazione della cartonatrice-riempitrice è gestita da un’unica cpu.

Il doppio manipolatore Doppio manipolatore a braccio articolato sul piano xz.

L’incartonatrice Ran241V prevede un doppio manipolatore. Ogni manipolatore ha un braccio articolato a dueassi per eseguire movimenti di “pick and place” sul piano xz e riceve le confezioni da un proprio nastro dialimentazione.Il primo dei due manipolatori riempie la metà del cartone presente nella sua stazione, il secondo manipolatorecompleta il riempimento del cartone presente nella propria stazione.Il ciclo di lavoro del manipolatore è il seguente: attesa dello strato da prelevare, prelievo dello strato,esecuzione del percorso di deposito, rilascio dello strato nel cartone e esecuzione del percorso di ritorno.Queste funzioni di handling sono gestite da Simotion D grazie ad un’apposita libreria: l’operatore inseriscesull’interfaccia uomo-macchina i punti chiave della traiettoria e il sistema calcola i punti della traiettoria del polsodel manipolatore a cui corrispondono, in funzione della meccanica utilizzata, i movimenti dei motori. Grazie a funzioni standard si possono definire i profili di moto tramite interpolazione di punti in un sistemacartesiano con aree specifiche per i raccordi tra diversi profili e cambio al volo del profilo.Anche i limiti dinamici degli assi (quali accelerazione e jerk) sono parametrizzabili e possono essere utilizzatiper il calcolo del profilo di velocitàIl sistema permette anche di modulare la velocità lungo il percorsoper migliorare le prestazioni del manipolatore. Il doppio manipolatore R2 R3 P1 P2 P3 P4

Nel formato standard dei cartoni si raggiungono velocità di 120 confezioni al minuto per nastro dialimentazione e quindi per manipolatore.Il manipolatore deve eseguire in due secondi: calcolo della traiettoria di andata, esecuzionetraiettoria, deposito dello strato nel cartone, calcolo traiettoria di ritorno, esecuzione traiettoria diritorno, prelievo dello strato. Le traiettorie vengono sempre calcolate prima di essere eseguite poiché ogni deposito è ad unaquota diversa da quello precedente. Il doppio manipolatore

• Unico ambiente software per la programmazione e assistenza • Uniformità dell’architettura elettronica • Riduzione dei tempi di sviluppo, progettazione e messa in servizio

Grazie per l’attenzione

PROFINET IO Isocrono Applicazione per centri di lavoro a Controllo Numerico Ing. Giulio DelBono – Electro Engineering srl (BS)

PROFINET IO è un protocollo Real-Time Ethernet noto e definito negli standardIEC61158 e IEC61784PROFINET IO ISOCRONO si affida ad hardware dedicato (ASIC) sul quale è implementato anche il Precision Time Protocol, IEEE-1588 standard, per garantireincertezza 1µs su tempi ciclo di 250µs. Parma, 26 maggio 2011 2/20

Aderenza allo standard ProfiDrive IEC 61800-7-3 annex “C” (mapping to ProfiNET) ProfiDrive Application model Controllo Centralizzato in Classe 4 • Necessario per applicazioni sumacchine utensili dove sonopesantemente coinvolte sequenze dilavorazioni coordinate su più drives • Ottenibile con il più stringente deiprotocolli Profinet IO Isocrono: IRT “top” (topology: bassa flessibilità di configurazione, altissima precisionedeterministica nello scambio dati) Parma, 26 maggio 2011 3/20

Soluzione ELECTRO ENGINEERING Scheda di controllo centrale basata su PC104 (IO-controller): CPU104+ e CP1604 (ERTEC based) Attuatori del comando (IO-devices):svariate CU320-2PNDP + CBE20 (ognuna capace di pilotare 6 drive in “ servo mode” della serie S120 Solution Line ) Gruppo azionamenti “booksize” conalimentatore centrale rigenerativo in rete CBE20 option board Safety level: Safe Stop 2 (SS2) Category 2 according to EN 60204-1 Parma, 26 maggio 2011 4/20

Software application nell’IO-Controller: Basato sul Linux kernel 2.6.30 + patch RTAI 3.8.1 Dialogo dell’applicazione proprietaria con la scheda Siemens CP1604 mediante “IO-base.lib” e drivers compilati con supporto RTAI in ambiente Debian Parma, 26 maggio 2011 5/20 Accesso ai dati ciclici ed aciclici Scrittura / lettura di parametri mediante PAP (parameters access point) secondo lo standard ProfiDrive: ApplicationRelation stabilite tra Controller e P-device In modo iscocrono real time (IRT)

Software application nell’IO-Controller: Sincronizzazione dei processi Parma, 26 maggio 2011 6/20 Grazie al determinismo di RTAI è possibile agganciarsi con basso jitter allaCallback “STARTOP” generata alla fine ogni scambio ciclico IRT ed elaborarei dati in ingresso per preparare quelli in uscita.

Presentata come novità mondialenello stand Siemensdurante la fiera BI-MU nel 2008 Soluzione innovativa proposta da Buffoli ed Electro Engineering Pat. Nr: BS2006A000014 Caratteristiche: • Elettromandrino con avanzamento a cannotto asostentamento idrostatico (20000 rpm)• Unità compatta su carro a croce XY (corse da300mm e 350mm)• Tempo cambio utensile -c2c- ridotto: 2,5s• Braccio cambio utensile a motorizzazione diretta• Encoder assoluti (no set-assi) Parma, 26 maggio 2011 7/20

Monocenter: struttura connessioni Parma, 26 maggio 2011 8/20

Prima Applicazione: “Monocenter” per Fiera BIMU 2008 • 8 assi “servo” (di cui una morsa rotante in continuo con motore “coppia” con encoder a 27bit EnDat) • 2 Controllori CNC Electro Engineering + CN 840Dsl 730.2 PN Siemens accoppiati mediante PN-PN coupler • Cambio utensile con mot. diretta e porta utensili integrati nell’unità sinistra (1.1) • Interpolazioni su 4 assi: Z-X-Y-A Ampliamento 2010:unità destra (1.3) “Recesso” • Mandrino + Avanzamento + Recesso• Filettature monoutensile, maschiature rigide, fresature e torniture • +3 assi servo (Z-M-R) semplicemente aggiungendo un IO-device (CU320) incoda agli altri Parma, 26 maggio 2011 9/20

Dominio di Sync ed occupazione della banda disponibile per IRT top 1) Definizione dei ruoli 2) Definizione del tipo di sincronismo(IRT top) 3) Calcolo della banda IRT occupata su base ciclica di 1ms (45.7 µs) Parma, 26 maggio 2011 10/20

• Tavola (motore torque) verticale 6 stazioni doppie• 12 unità di lavorazione doppie• Tempo ciclo per 2 pezzi: 2sec. • Totale: 18 assi “servo” in un’unica rete PROFINET_IRT_top • 1 IO controller CP1604 + 4 IO devices CU320 con CBE20 Caratteristiche: Parma, 26 maggio 2011 11/20

Dominio di Sync IRT_top: Rispetto al precedente caso la bandaoccupata sale a 86.8 µs (su ciclo di 1ms): 18 moduli servo gestiti col Telegramma ProfiDrive 116 (application class 4 +DSC): 11 word PZD INput + 19 word PZD OUTput (PZD=Prozessdaten) 4 CU con Telegramma 390 1 alimentatore con Telegramma 370 Parma, 26 maggio 2011 12/20

t. posizionamento del settore di 60°: 0,25s Motore “coppia”: Siemens 1FW6150 Encoder: Heidenhain RCN729 EnDat 2.2, 29bit/giro Utilizzo di rampe ad “S”, limitazione del jerk •elevata dinamica•elevata precisione di ripetibilità•non necessari elementi meccanici di trasmissione Parma, 26 maggio 2011 13/20

• Tavola verticale a 12 stazioni singole• 10 unità di lavorazione con rotazione pezzo• 3 unità fresatura X-Y-Z con elettromandrini Jager da 30000rpm• 3 unità tastatura Post Process con sonde Marposs per controllo qualità e compensazione automatica sulla lavorazione • Gateway Profinet – Profibus (Siemens IE-PB link) • Totale: 29 assi “servo” in un’unica rete PROFINET mista IRT_top e RT • 1 IO controller CP1604 + 6 IO devices CU320 con CBE20 + 3 IO devices RT Combiver F5 + 1 accoppiatore reti Caratteristiche: Topologia ProfiNET: Parma, 26 maggio 2011 14/20

Buffoli “562”: Configurazione Hardware progetto Step7 Dominio IRT Dominio RT IO-controller Parma, 26 maggio 2011 15/20

Dominio di Sync ed occupazione della banda disponibile per IRT top Totale IRT: 123.6 µs (su ciclo di 1ms): 26 moduli servo gestiti col Telegramma ProfiDrive 116 3 moduli RT (no sync) KEB-combivert F5 : scambiate 8 PZD IN e 8 PZD OUT per ognuno 6 CU con Telegramma 390 1 alim. con Telegramma 370 1 IE-PBlink (no sync) trasparente che diventa Master ProfiBus per PC Marposs P7ME ; dati scambiati: 24 PZD IN e 21 PZD OUT Parma, 26 maggio 2011 16/20

• Integrazione con la rete aziendale e servizi TCP/IP (teleassistenza) • Diagnostica estesa di ogni componente• Mix di HW di produttori diversi (gsdml conforme)• coesistenza di I/O, drives, webcams, safety, dispositivi wireless e molto altro • Cablaggio semplificato perché diversi componenti PROFINET IO con prestazionidifferenti convivono nella stessa rete • Proxy verso altre reti (IOLink, ASi, ProfiBus….) • Ridondanza ad anello (MRP domain)• Scalabilità in tutte le direzioni  Prestazioni  Ridondanza  Gestione della rete Possibilità offerte da ProfiNET Parma, 26 maggio 2011 17/20

CP1604 WEB-server: diagnostica Da provare in future applicazioni: nuovo firmware 2.5.0 già rilasciato - web server potenziato per visualizzazione esaustiva della topologia e dello stato degli I/O - il controller può pilotare io-devices condivisi da altri controller - altre migliorie Situazione reale online con ciclo applicazione IRT registrato come Controller (vedi IOcontroller: “Operate”) e con tutti i partner sincronizzati ed in ciclo isocrono. (operating mode: “Run”) Parma, 26 maggio 2011 18/20

1. Utilizzare un proprio CN per centri di lavoro mantenendo cicli speciali già collaudati e testati nel tempo. 2. Mantenere la propria interfaccia di programmazione pezzo (HMI) 3. Semplificare il cablaggio 4. Diagnosticare allarmi e configurare parametri dei drives e dei motori. 5. Fornire sulla stessa rete l’accesso a servizi IT standard (es: teleassistenza). 6. Integrare più partner (controller) con domini di sync diversi tramite PN-PN coupler o PN-DP coupler. Benefici nell’uso di PROFINET_IRT raggiunti: Centro di lavoro CNC in progettazione per inizi 2012: Tavola orizzontale con 12 morse rotanti 24 stazioni con carri a croce e doppio mandrino abbinato Per un totale di 130 assi servo: previsione di usare 2 IO-Controller e 22 CU320-2 come IO-Device (topologia modulare) Parma, 26 maggio 2011 19/20

Grazie per l’attenzione

“Misura di velocità di un Direct Drives e tecniche di controllo tramite applicazione di un osservatore di stato” Ing. Gianluca Mangialardo LTi ITALiA srl

Sistema controllo-motore-carico:il modello a due inerzie • presenza di elasticità nella trasmissione tra motore e carico • descrive sistemi motore/carico con trasmissione non perfettamente rigida

Sistema controllo-motore-carico: il modello a singola inerzia • assenza di elasticità nella trasmissione tra motore e carico • descrive sistemi ove il carico è direttamente connesso al motore

Sistema controllo-motore-carico: differenze sistema a singola doppia inerzia • comportamento dinamico equivalente in bassa frequenza tra i due sistemi Sistema con inerzia singola • assenza di frequenze di risonanza banda passante controllo di velocità limitata solo dal tempo di ciclo degli anelli di controllo Sistema a due inerzie • frequenza di risonanza che limita la banda passante dell’anello di velocità • la misura di velocità del carico coincide con quella del motore solo in bassa frequenza L M L M F r J J J + J C = F 2π 1

Sistema controllo-motore-carico: struttura con filtri digitali • possiblità di compensazione di coppia inerziale • il feedback di velocità è affetto da disturbi anche in bassa frequenza • il filtraggio digitale della misura divelocità pone una severa limitazione allabanda passante dell’anello di controlloanche nel caso di sistema a singolainerzia

Struttura di un osservatore di stato • un algoritmo in grado di “misurare” il valore di grandezze di un sistema fisico reale utilizzandoun modello matematico, ed essendone noti i valori di ingresso ed uscita. • ingresso osservatore: T M , M • variabili osservate:  M ,  M ,  L , T L , T T

Utilizzo dell'osservatore di stato • è un filtro per il rumore presente nel sistema di misura di posizione • le grandezze osservate sono quindi utilizzabili come misure filtrate per il sistema dicontrollo • L'osservatore di stato fornisce i valori di variabili non altrimenti misurabili come lacoppia resistente sul carico T L , coppia di trasmissione T T , e la velocità del carico w L • mediante le variabili non misurabili osservate è possible effettuare azioni dicompensazione evolute (coppia resistente sul carico)

Sistema di controllo con osservatore di stato

Filtraggio velocità con filtro del primo ordine Posizionamento utilizzando il filtro passabasso sulla misura di velocità con frequenza di taglio a 795 Hz.

Filtraggio velocità con osservatore di stato Posizionamento utilizzando l'osservatore di stato.

Conclusioni - L'utilizzo di motori direct drive permette di ottenere dinamiche molto elevate dicontrollo della velocità in assenza di fenomeni di risonanza meccanica. - Tale aumento di dinamica è possibile solo mantenendo alta la frequenza di tagliodel filtro soppressore di rumore nella misura di velocità. Ciò implica normalmentel'utilizzo di encoder ottici ad alta risoluzione con costi più elevati. - Mediante il filtraggio della velocità tramite osservatore di stato è possibile ottenereuna elevata dinamica di controllo anche utilizzando encoder magnetici conrisoluzione inferiore.

Grazie per l’attenzione

Pubblicato: 13 febbraio 2014 Categoria: Manuali tecnici