پروتکل ارتباطی کنترلر و محور حرکتی در CNC چیست؟

نویسنده: نیما راد

پروتکل‌ها و روش‌های مختلف ارتباطی بین کنترلر و محورهای حرکتی در سیستم‌های CNC

فهرست مطالب

• ساختار کلی ارتباط کنترلر با محور حرکتی
• روش‌های کنترل پالسی
• انواع پروتکل ارتباطی شبکه‌ای
• شبکه‌های اختصاصی سازندگان
• تفاوت Ethernet معمولی با Real-Time Ethernet
• انتخاب پروتکل ارتباطی مناسب برای CNC
• مزایای شبکه‌های دیجیتال در Motion Control
• نکات مهم در انتخاب پروتکل، نصب و کابل‌کشی
• برندها و اکوسیستم‌های شناخته‌شده
• اشتباهات رایج در انتخاب پروتکل ارتباطی
• جمع‌بندی

مقدمه

پروتکل ارتباطی بین کنترلر و محورهای حرکتی یکی از مهم‌ترین بخش‌های طراحی هر سیستم CNC، ربات صنعتی یا Motion Control محسوب می‌شود. در این دستگاه‌ها، کنترلر باید فرمان حرکت را به سروودرایو یا درایو محور ارسال کند و در بسیاری از سیستم‌ها نیز اطلاعاتی مانند موقعیت واقعی محور، سرعت، گشتاور، وضعیت Servo Drive و خطاهای آن را دریافت نماید.

پروتکل ارتباطی میان Controller و Servo Drive تأثیر مستقیمی بر دقت حرکت، سرعت پاسخ، هماهنگی بین محورها، کیفیت ماشین‌کاری، تعداد محورهای قابل کنترل، میزان سیم‌کشی و قابلیت عیب‌یابی سیستم دارد.

در سیستم‌های قدیمی‌تر و ساده‌تر، فرمان حرکت معمولاً به‌صورت پالسی یا آنالوگ منتقل می‌شود. مهم‌ترین روش‌های پالسی عبارت‌اند از:

• Pulse / Direction
• CW / CCW
• AB-Phase یا Quadrature Pulse

همچنین در برخی سیستم‌های قدیمی صنعتی از فرمان آنالوگ ±10V استفاده می‌شود.

در نسل جدید کنترلرهای CNC، استفاده از شبکه‌های دیجیتال Real-Time مانند CANopen، EtherCAT، PROFINET IRT، EtherNet/IP CIP Motion، Sercos و MECHATROLINK رواج بسیار بیشتری پیدا کرده است.

نکته مهم این است که روش‌هایی مانند Pulse/Direction، CW/CCW، AB-Phase و ±10V از نظر دقیق فنی «پروتکل شبکه» محسوب نمی‌شوند، اما چون از مهم‌ترین روش‌های ارتباط بین Controller و Drive هستند، در این مقاله در کنار پروتکل ارتباطی شبکه‌ای بررسی می‌شوند.

ساختار کلی ارتباط کنترلر با محور حرکتی

ساختار ساده یک محور سروو معمولاً به شکل زیر است:

CNC / Motion Controller ← Command / Communication Interface ← Servo Drive ← Servo Motor → Encoder

در اغلب Servo Systemهای جدید، Encoder مستقیماً به Servo Drive متصل است.

سروودرایو حلقه‌های داخلی سریع مانند Current Loop، Velocity Loop و در برخی حالات Position Loop را اجرا می‌کند.

کنترلر CNC نیز وظایفی مانند محاسبه مسیر حرکت، Interpolation، هماهنگی چند محور، تولید Position Setpoint، تولید Velocity Setpoint و تولید Torque Setpoint را بر عهده دارد. بنابراین روش تبادل اطلاعات میان Controller و Drive یکی از مهم‌ترین بخش‌های طراحی یک سیستم Motion Control است.

روش‌های کنترل پالسی محورها

یکی از قدیمی‌ترین و متداول‌ترین روش‌های کنترل Servo Drive و Stepper Drive، ارسال فرمان به‌صورت Pulse است. در این روش معمولاً مقدار حرکت محور توسط تعداد Pulseها و سرعت حرکت توسط فرکانس Pulse تعیین می‌شود.

Servo Driveهای مختلف ممکن است یکی یا چند روش زیر را برای دریافت فرمان Pulse پشتیبانی کنند: Pulse / Direction، CW / CCW و AB-Phase یا Quadrature Pulse.

روش Pulse / Direction

این روش یکی از رایج‌ترین انواع فرمان پالسی در CNC است.

دو سیگنال اصلی وجود دارد: Pulse و Direction. سیگنال Pulse تعداد و سرعت پالس‌ها را مشخص می‌کند و سیگنال Direction جهت حرکت را تعیین می‌نماید.

برای مثال اگر تنظیم Electronic Gear سروودرایو به‌گونه‌ای باشد که 10000 Pulse معادل یک دور موتور باشد، ارسال 10000 پالس باعث یک دور چرخش موتور خواهد شد. اگر فرکانس پالس افزایش پیدا کند، سرعت حرکت نیز افزایش می‌یابد. Direction نیز مشخص می‌کند حرکت در جهت مثبت یا منفی انجام شود.

مزایای Pulse / Direction

• ساختار بسیار ساده
• راه‌اندازی نسبتاً آسان
• هزینه پایین
• پشتیبانی توسط Servo Driveهای متعدد
• پشتیبانی گسترده توسط Stepper Driveها
• عدم وابستگی شدید به یک برند
• مناسب برای CNCهای ساده و متوسط

معایب Pulse / Direction

• نیاز به سیم‌کشی مجزا برای هر محور
• محدودیت حداکثر فرکانس Pulse
• افزایش سیم‌کشی با افزایش تعداد محور
• اطلاعات برگشتی بسیار محدود
• Diagnostics ضعیف‌تر از شبکه‌های دیجیتال
• دشوارتر بودن Synchronization دقیق چند محور نسبت به شبکه‌های Real-Time

Pulse/Direction هنوز یکی از متداول‌ترین روش‌های کنترل ماشین‌آلات CNC اقتصادی و متوسط است.

روش CW / CCW

روش دیگری برای ارسال فرمان پالسی، CW / CCW است. CW مخفف Clockwise و CCW مخفف Counter-Clockwise است.

در این روش دو مسیر Pulse مستقل وجود دارد: CW Pulse و CCW Pulse. ارسال Pulse روی ورودی CW موجب حرکت محور در یک جهت و ارسال Pulse روی ورودی CCW موجب حرکت در جهت مخالف می‌شود. بنابراین برخلاف Pulse/Direction، سیگنال Direction جداگانه‌ای وجود ندارد؛ خود خطی که Pulse روی آن ارسال می‌شود، جهت حرکت را مشخص می‌کند.

مزایای CW / CCW

• ساختار ساده
• تعیین جهت بدون خط Direction مجزا
• سازگاری با تعداد زیادی از Servo Driveها
• مناسب برای برخی سیستم‌های قدیمی و صنعتی

معایب CW / CCW

• نیاز به دو کانال Pulse
• محدودیت فرکانس Pulse
• کابل‌کشی مستقل برای هر Axis
• Diagnostics محدود
• انعطاف کمتر نسبت به شبکه‌های Motion جدید

روش AB-Phase یا Quadrature Pulse

روش سوم در کنترل پالسی، AB-Phase یا Quadrature Pulse است. در این روش Controller دو قطار Pulse با نام‌های Phase A و Phase B تولید می‌کند. این دو سیگنال دارای اختلاف فاز ۹۰ درجه الکتریکی هستند. جهت حرکت بر اساس تقدم یا تأخر فاز A نسبت به B تعیین می‌شود.

برای مثال در یک جهت ممکن است A قبل از B تغییر وضعیت دهد و در جهت مخالف B قبل از A تغییر وضعیت دهد. بنابراین در این روش جهت حرکت از رابطه فازی دو سیگنال تشخیص داده می‌شود و خط Direction جداگانه وجود ندارد.

نحوه تعیین جهت در AB-Phase

در حالت حرکت در یک جهت، A leads B (یعنی Phase A از Phase B جلوتر است). در جهت مخالف، B leads A (یعنی Phase B از Phase A جلوتر است). Drive با بررسی ترتیب Edgeهای A و B جهت حرکت را تشخیص می‌دهد.

رزولوشن AB-Phase

یکی از ویژگی‌های مهم Quadrature Signal این است که Receiver می‌تواند بسته به طراحی سخت‌افزار تغییرات مختلف سیگنال را شمارش کند. ممکن است شمارش به‌صورت x1، x2 یا x4 انجام شود. در حالت x4، هر چهار Edge مربوط به A و B می‌توانند در شمارش مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین در یک فرکانس مشخص سیگنال، امکان دستیابی به Resolution شمارش بالاتری وجود دارد. البته این موضوع به روش Decoding ورودی Servo Drive بستگی دارد و باید مشخصات Drive بررسی شود.

تفاوت AB-Phase Command با Encoder A/B

از نظر شکل موج، AB-Phase Command شباهت زیادی به خروجی Incremental Encoder دارد. Encoderهای Incremental نیز معمولاً دارای سیگنال‌های A، B و Z هستند، اما کاربرد آن‌ها متفاوت است. در AB-Phase Command، کنترلر سیگنال A/B را به Drive ارسال می‌کند تا فرمان حرکت تولید شود. در Encoder A/B، Encoder سیگنال A/B را به Controller یا Drive ارسال می‌کند تا موقعیت واقعی محور اندازه‌گیری شود. بنابراین شکل سیگنال مشابه است، اما جهت انتقال اطلاعات و کاربرد آن‌ها متفاوت است.

مزایای AB-Phase

• امکان تعیین جهت بدون خط Direction
• ساختار Quadrature استاندارد و شناخته‌شده
• امکان Resolution بالاتر در صورت استفاده از x2 یا x4 Decoding
• سازگاری با برخی Servo Driveهای صنعتی
• مناسب برای برخی کنترلرها و سیستم‌های Motion قدیمی

معایب AB-Phase

• نیاز به تولید دقیق دو Pulse با اختلاف فاز مشخص
• پیچیدگی سخت‌افزاری بیشتر از Pulse/Direction
• محدودیت فرکانس ورودی Drive
• همچنان دارای محدودیت‌های عمومی کنترل پالسی
• اطلاعات Feedback و Diagnostics محدودی در اختیار Controller قرار می‌دهد

در سیستم‌های جدید، AB-Phase نیز مانند سایر روش‌های Pulse Command به‌تدریج در بسیاری از کاربردهای پیشرفته جای خود را به شبکه‌های Real-Time داده است.

مقایسه سه روش کنترل پالسی

Pulse / Direction: سیگنال‌ها Pulse + Direction؛ تعداد Pulse مقدار حرکت را و فرکانس Pulse سرعت حرکت را مشخص می‌کند؛ Direction جهت را تعیین می‌کند؛ پیچیدگی کم؛ کاربرد بسیار رایج در CNC و Stepper/Servo System.

CW / CCW: سیگنال‌ها CW Pulse + CCW Pulse؛ CW فرمان حرکت در یک جهت و CCW فرمان حرکت در جهت مخالف است؛ پیچیدگی کم؛ کاربرد در Servo Driveها و سیستم‌های صنعتی مختلف.

AB-Phase: سیگنال‌ها Phase A + Phase B با اختلاف فاز ۹۰ درجه؛ جهت از Lead/Lag بین A و B تشخیص داده می‌شود؛ پیچیدگی متوسط؛ کاربرد در برخی Servo Systemها، Motion Controllerها و سیستم‌های مبتنی بر Quadrature Signal.

کنترل آنالوگ ±10V

یکی دیگر از روش‌های سنتی کنترل Servo Drive، فرمان آنالوگ است. در این روش Controller معمولاً ولتاژی در محدوده ۱۰- تا ۱۰+ ولت برای Servo Drive تولید می‌کند؛ برای مثال 10V+ معادل حداکثر سرعت در جهت مثبت، 0V معادل سرعت صفر و 10V- معادل حداکثر سرعت در جهت منفی است.

در بسیاری از CNCهای صنعتی قدیمی، Position Loop داخل CNC Controller اجرا شده و Controller بر اساس خطای موقعیت، فرمان Velocity را به‌صورت ±10V به Servo Drive ارسال می‌کرد.

مزایا: پاسخ سریع، معماری شناخته‌شده صنعتی، مناسب برای CNCهای قدیمی، امکان اجرای Position Loop در CNC Controller.

معایب: حساسیت به نویز، احتمال Offset، احتمال Drift، نیاز به Analog Output دقیق، نیاز به کابل‌کشی مناسب، Diagnostics محدود، کابل‌کشی بیشتر.

امروزه در سیستم‌های جدید، شبکه‌های دیجیتال Real-Time در بسیاری از کاربردها جایگزین این روش شده‌اند.

انواع پروتکل ارتباطی شبکه‌ای

CANopen

CANopen یک پروتکل ارتباطی صنعتی مبتنی بر CAN Bus است. این شبکه در Automation، Servo Control، Positioning Systems و Mobile Machines کاربرد دارد.

یکی از مهم‌ترین استانداردهای CANopen برای Servo Driveها، CiA 402 است. CiA 402 ساختار استانداردی برای کنترل Driveها ارائه می‌دهد. پارامترهایی مانند Controlword، Statusword، Target Position، Actual Position، Target Velocity، Actual Velocity و Target Torque در این ساختار تعریف می‌شوند.

مزایا: استاندارد صنعتی شناخته‌شده، سیم‌کشی ساده، امکان اتصال چند Drive روی Bus، Diagnostics بهتر از Pulse، امکان خواندن وضعیت Drive، امکان تنظیم پارامترها از Controller.

معایب: پهنای باند محدودتر از Industrial Ethernet، محدودیت در سیستم‌های بسیار سریع، Synchronization ضعیف‌تر از EtherCAT، مناسب نبودن برای برخی کاربردهای بسیار High Performance.

EtherCAT

EtherCAT یکی از مهم‌ترین پروتکل ارتباطی نوع Real-Time Ethernet در Motion Control مدرن محسوب می‌شود.

ساختار یک سیستم ممکن است به شکل Motion Controller ← EtherCAT ← Servo Drive X ← Servo Drive Y ← Servo Drive Z ← Servo Drive A ← Remote I/O باشد. در این معماری، یک کابل شبکه می‌تواند تعداد زیادی تجهیزات را به یکدیگر متصل کند.

Distributed Clocks

یکی از مهم‌ترین قابلیت‌های EtherCAT، Distributed Clocks (DC) است. Distributed Clocks امکان Synchronization بسیار دقیق Nodeهای شبکه را فراهم می‌کند. این موضوع برای مواردی مانند Multi-Axis Interpolation، Gantry Control، Electronic Cam، Robotics و CNC Machining اهمیت بسیار بالایی دارد.

EtherCAT و CiA 402

بسیاری از Servo Driveهای EtherCAT از CoE (CANopen over EtherCAT) استفاده می‌کنند. در این حالت ساختار CiA 402 از طریق EtherCAT در اختیار Controller قرار می‌گیرد. از مهم‌ترین Modeهای Motion می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• CSP (Cyclic Synchronous Position): کنترلر در هر Cycle مقدار Target Position جدیدی برای Drive ارسال می‌کند. این حالت برای CNC و Robotics بسیار کاربردی است.
• CSV (Cyclic Synchronous Velocity): کنترلر در هر Cycle مقدار Target Velocity را برای Servo Drive ارسال می‌کند.
• CST (Cyclic Synchronous Torque): کنترلر مقدار Target Torque را ارسال می‌کند. این Mode در کاربردهایی مانند Force Control، Robotics، Tension Control و Advanced Motion کاربرد دارد.

مزایای EtherCAT: Cycle Time پایین، سرعت بالا، Synchronization بسیار دقیق، مناسب برای تعداد زیاد Axis، کابل‌کشی ساده‌تر، Diagnostics قدرتمند، امکان انتقال Position، Velocity و Torque، امکان خواندن پارامترهای Drive، مناسب برای CNC و Robotics، مناسب برای High Performance Motion.

معایب EtherCAT: طراحی Master پیچیده‌تر از Pulse، نیاز به دانش فنی بیشتر، اهمیت زیاد Real-Time Performance کنترلر، نیاز به طراحی صحیح Cycle Time، نیاز به تنظیم صحیح Synchronization.

PROFINET

PROFINET یک پروتکل ارتباطی مهم در دسته Industrial Ethernet است. در Motion Control باید بین PROFINET RT و PROFINET IRT تفاوت قائل شد. IRT مخفف Isochronous Real-Time است و برای کاربردهایی با نیاز به Synchronization بالا طراحی شده است. برای کنترل Driveها نیز معمولاً از PROFIdrive استفاده می‌شود.

مزایا: اکوسیستم گسترده صنعتی، Integration مناسب با PLC، Diagnostics قوی، مناسب خطوط تولید، قابلیت Real-Time، مناسب Multi-Axis Motion.

معایب: طراحی پیچیده‌تر، هزینه بیشتر برخی تجهیزات، نیاز به تنظیم دقیق شبکه.

PROFINET به‌خصوص در اکوسیستم Siemens بسیار متداول است.

EtherNet/IP و CIP Motion

EtherNet/IP یک پروتکل ارتباطی دیگر در دسته Industrial Ethernet است. برای Motion Control از CIP Motion استفاده می‌شود و برای Synchronization زمانی نیز CIP Sync کاربرد دارد. CIP Motion برای انتقال اطلاعات Position، Velocity، Torque و کنترل چند محور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزایا: اکوسیستم صنعتی بزرگ، قابلیت Integration با PLC، Diagnostics مناسب، مناسب Automation، قابلیت Motion Control پیشرفته.

معایب: پیچیدگی بیشتر نسبت به روش‌های Pulse، نیاز به طراحی صحیح شبکه، وابستگی عملکرد به معماری سیستم.

این فناوری در اکوسیستم Rockwell Automation بسیار پرکاربرد است.

Sercos

Sercos مخفف Serial Real-time Communication System است. این پروتکل ارتباطی از ابتدا برای Motion Control و Servo Drive طراحی شده است. نسخه جدیدتر آن، Sercos III، از Ethernet استفاده می‌کند.

مزایا: Synchronization دقیق، طراحی تخصصی برای Motion، مناسب Multi-Axis Systems، عملکرد Real-Time مناسب، استانداردسازی Drive Parameters.

معایب: اکوسیستم کوچک‌تر از EtherCAT و PROFINET، تجهیزات کمتر در برخی بازارها، دانش فنی عمومی کمتر.

MECHATROLINK

MECHATROLINK یک پروتکل ارتباطی تخصصی در حوزه Motion Control است. این فناوری به‌خصوص با Servo Systemهای Yaskawa شناخته می‌شود. نسخه‌های مختلف آن شامل MECHATROLINK-II، MECHATROLINK-III و MECHATROLINK-4 هستند.

مزایا: عملکرد مناسب Servo Motion، Synchronization خوب، مناسب Multi-Axis، Integration مناسب Drive و Controller.

معایب: وابستگی بیشتر به اکوسیستم مشخص، گستردگی کمتر نسبت به EtherCAT.

POWERLINK

Ethernet POWERLINK نیز یک پروتکل ارتباطی از نوع Real-Time Industrial Ethernet است. این شبکه برای Real-Time Communication، Synchronization، Automation و Multi-Axis Motion مورد استفاده قرار می‌گیرد. POWERLINK در برخی سیستم‌های B&R و سایر تجهیزات صنعتی استفاده شده است.

Modbus RTU و Modbus TCP

Modbus یک پروتکل ارتباطی صنعتی رایج است که دو نسخه معروف آن عبارت‌اند از Modbus RTU و Modbus TCP. بسیاری از Servo Driveها و Inverterها از Modbus پشتیبانی می‌کنند. اما Modbus معمولاً برای Coordinated Motion سریع چندمحوره انتخاب مناسبی نیست.

کاربردهای مناسب آن شامل Start / Stop، خواندن Alarm، خواندن Status، Parameter Setting، تنظیم سرعت Inverter، Monitoring و Diagnostics است.

بنابراین وجود Modbus روی یک Servo Drive لزوماً به معنی مناسب‌بودن آن برای CNC Motion سریع نیست.

شبکه‌های اختصاصی سازندگان

برخی تولیدکنندگان شبکه‌های اختصاصی خود را ارائه می‌کنند؛ از جمله SSCNET، RTEX، MECHATROLINK و سایر شبکه‌های اختصاصی.

مزیت اصلی چنین شبکه‌هایی، Integration بسیار خوب بین تجهیزات یک سازنده است. اما یکی از معایب آن‌ها می‌تواند Vendor Lock-in باشد؛ یعنی Controller و Drive وابستگی بیشتری به اکوسیستم یک شرکت پیدا می‌کنند.

تفاوت Ethernet معمولی با Real-Time Ethernet

وجود پورت RJ45 به معنی Real-Time بودن شبکه نیست. Ethernet معمولی برای مواردی مانند HMI، SCADA، Programming، Monitoring و File Transfer مناسب است.

اما کنترل Servo Axisها نیازمند Determinism است. Determinism یعنی داده باید در بازه زمانی مشخص و قابل‌پیش‌بینی منتقل شود.

یکی دیگر از پارامترهای بسیار مهم، Jitter است. Jitter میزان تغییر زمان اجرای Cycleهای متوالی است. هرچه Jitter کمتر باشد، امکان Synchronization دقیق‌تر محورهای مختلف فراهم می‌شود.

اهمیت Cycle Time

Cycle Time مشخص می‌کند Controller هر چند وقت یک بار اطلاعات Motion جدید را برای Drive ارسال می‌کند. برای مثال Cycle Time = 1ms یعنی Controller تقریباً ۱۰۰۰ بار در ثانیه اطلاعات Motion را Update می‌کند.

در برخی سیستم‌های پیشرفته Cycle Time می‌تواند پایین‌تر باشد، اما پایین‌آوردن Cycle Time همیشه به معنی افزایش کیفیت نیست. CPU Controller، Real-Time Operating System، Network Master، Servo Drive، Motion Algorithm و تعداد Nodeهای شبکه باید قابلیت اجرای Cycle موردنظر را داشته باشند؛ در غیر این صورت ممکن است Jitter یا Communication Error افزایش پیدا کند.

Centralized Motion Control

در معماری Centralized Motion Control، محاسبات اصلی Motion داخل Controller انجام می‌شود. Controller می‌تواند در هر Cycle، Target Position، Target Velocity و Target Torque را برای Driveها ارسال کند. این معماری برای CNCهای چندمحوره با Interpolation دقیق بسیار مناسب است.

Distributed Motion Control

در Distributed Motion Control، بخشی از محاسبات Motion داخل Servo Drive یا Motion Node انجام می‌شود. در این سیستم Controller فرمان‌های سطح بالاتری ارسال می‌کند. انتخاب بین Centralized و Distributed Architecture به نوع ماشین و کاربرد بستگی دارد.

انتخاب پروتکل ارتباطی مناسب برای CNC

برای CNC ساده سه یا چهار محور که هزینه و سادگی اهمیت بیشتری دارد، روش‌های پالسی مانند Pulse / Direction، CW / CCW و AB-Phase می‌توانند گزینه‌های مناسبی باشند. در بین این روش‌ها، Pulse/Direction امروزه یکی از رایج‌ترین انتخاب‌ها است.

اما در دستگاه‌هایی با تعداد محور بیشتر، سرعت بالاتر، Gantry Axis، Interpolation پیشرفته، نیاز به Synchronization دقیق، Robotics و Electronic Cam، شبکه‌های Real-Time مزیت بسیار بیشتری دارند؛ از جمله EtherCAT، PROFINET IRT، Sercos و CIP Motion.

مزیت پروتکل ارتباطی دیجیتال فقط سرعت نیست

یکی از اشتباهات رایج این است که مزیت EtherCAT و سایر شبکه‌های Motion فقط سرعت بالاتر در نظر گرفته شود؛ درحالی‌که این پروتکل ارتباطی مزایای مهم دیگری نیز دارد:

کاهش کابل‌کشی در سیستم Pulse برای هر Axis باید خطوط فرمان مستقلی وجود داشته باشد. در شبکه‌های دیجیتال چندین Drive می‌توانند روی یک Bus مشترک قرار گیرند.

Diagnostics Controller می‌تواند اطلاعاتی مانند Drive Error، Statusword، Actual Position، Actual Velocity، Torque، Following Error و Temperature را دریافت کند.

Parameter Management بسیاری از پارامترهای Drive مستقیماً از طریق شبکه قابل‌خواندن و تنظیم هستند.

Synchronization تمام Servo Axisها می‌توانند بر اساس یک مرجع زمانی هماهنگ کار کنند.

نکات مهم در انتخاب پروتکل ارتباطی

برای انتخاب سیستم مناسب باید موارد زیر بررسی شوند:

• تعداد محورهای دستگاه
• نوع Servo Drive
• سرعت موردنیاز
• دقت ماشین
• Resolution
• Cycle Time
• Jitter
• نوع Interpolation
• Electronic Gear
• Electronic Cam
• Gantry Synchronization
• Diagnostics
• Safety
• تعداد I/Oها
• هزینه سیستم
• قابلیت تأمین تجهیزات
• امکان استفاده از برندهای مختلف
• امکان توسعه آینده دستگاه
• دانش فنی تیم تعمیر و نگهداری

نکات مهم نصب و کابل‌کشی

کیفیت ارتباط فقط به پروتکل وابسته نیست. کابل‌کشی نامناسب می‌تواند حتی یک شبکه بسیار سریع را دچار مشکل کند.

موارد مهم عبارت‌اند از:

• استفاده از کابل استاندارد
• Shielding مناسب
• Grounding صحیح
• جداسازی کابل شبکه از کابل Motor Power
• فاصله از خروجی Servo Drive و Inverter
• استفاده از Connector مناسب
• رعایت شعاع خمش کابل
• جلوگیری از Ground Loop
• رعایت اصول EMC

در دستگاه CNC به دلیل وجود Servo Drive، Spindle Drive و Inverter، رعایت این موارد اهمیت بسیار زیادی دارد.

برندها و اکوسیستم‌های شناخته‌شده

شرکت‌های مختلف Motion Control از شبکه‌های متفاوتی استفاده می‌کنند:

Beckhoff از مهم‌ترین شرکت‌های مرتبط با EtherCAT است.

Siemens اکوسیستم گسترده‌ای بر پایه PROFINET و PROFIdrive دارد.

Rockwell Automation از EtherNet/IP و CIP Motion استفاده گسترده‌ای دارد.

Bosch Rexroth در Motion Control و Industrial Ethernet سابقه زیادی دارد.

Yaskawa در Servo Motion و MECHATROLINK شناخته‌شده است.

Omron در بسیاری از Motion Controllerهای جدید از EtherCAT استفاده می‌کند.

Mitsubishi Electric دارای اکوسیستم‌های Motion و شبکه‌های صنعتی متعدد است.

Panasonic Servo Driveهایی با رابط‌های Pulse و شبکه‌های دیجیتال مختلف ارائه می‌کند.

انتخاب Servo Drive نباید صرفاً بر اساس پروتکل ارتباطی انجام شود؛ عواملی مانند Servo Tuning، Encoder Resolution، Dynamic Response، توان Drive، کیفیت Motor، امکانات Safety، خدمات و تأمین قطعات نیز باید بررسی شوند.

اشتباهات رایج در انتخاب پروتکل ارتباطی

انتخاب شبکه فقط بر اساس Mbps Bandwidth بالا به‌تنهایی نشان‌دهنده کیفیت Motion نیست. پارامترهایی مانند Determinism، Cycle Time، Synchronization و Jitter اهمیت بیشتری دارند.

یکسان‌دانستن Ethernet معمولی و Real-Time Ethernet تمام شبکه‌هایی که از Ethernet استفاده می‌کنند برای Servo Motion مناسب نیستند.

انتخاب Drive فقط بر اساس وجود EtherCAT وجود پورت EtherCAT کافی نیست. باید بررسی شود Drive چه Modeهایی مانند CSP، CSV و CST را پشتیبانی می‌کند.

استفاده از Modbus برای Motion سریع Modbus برای کنترل هماهنگ چند Servo Axis سریع طراحی نشده است.

کاهش بیش از حد Cycle Time Cycle Time پایین فقط زمانی مفید است که تمام بخش‌های سیستم قادر به اجرای پایدار آن باشند.

اشتباه‌گرفتن AB-Phase Command با Encoder Feedback سیگنال‌های A/B می‌توانند هم به‌عنوان Command و هم در Encoder استفاده شوند. بنابراین هنگام طراحی باید مشخص شود که A/B موردنظر Command Input است یا Encoder Feedback.

جمع‌بندی

پروتکل ارتباطی میان CNC Controller و Servo Drive یکی از عوامل اصلی تعیین‌کننده عملکرد یک سیستم Motion Control است.

در سیستم‌های ساده‌تر هنوز روش‌های پالسی مانند Pulse / Direction، CW / CCW و AB-Phase کاربرد زیادی دارند. Pulse/Direction به دلیل سادگی و سازگاری گسترده یکی از متداول‌ترین روش‌ها است. CW/CCW جهت حرکت را با استفاده از دو کانال Pulse مستقل مشخص می‌کند. در روش AB-Phase نیز دو سیگنال A و B با اختلاف فاز ۹۰ درجه تولید می‌شوند و جهت حرکت بر اساس تقدم یا تأخر این دو سیگنال تشخیص داده می‌شود. فرمان آنالوگ ±10V نیز در CNCهای صنعتی قدیمی و برخی Retrofitها همچنان مشاهده می‌شود.

با افزایش تعداد Axisها، سرعت ماشین، نیاز به Diagnostics و Synchronization دقیق، استفاده از شبکه‌های Real-Time اهمیت بسیار بیشتری پیدا می‌کند. CANopen امکان کنترل شبکه‌ای Driveها را فراهم می‌کند، درحالی‌که فناوری‌هایی مانند EtherCAT، PROFINET IRT، EtherNet/IP CIP Motion، Sercos و MECHATROLINK برای Motion Control پیشرفته‌تر طراحی شده‌اند.

در میان آن‌ها، EtherCAT به دلیل Cycle Time پایین، Distributed Clocks، قابلیت Multi-Axis، Diagnostics مناسب و پشتیبانی گسترده Servo Driveها، یکی از گزینه‌های مهم برای CNC، Robotics و سیستم‌های Motion Control مدرن محسوب می‌شود.

بااین‌حال هیچ پروتکل ارتباطی را نمی‌توان برای تمام ماشین‌ها بهترین گزینه دانست. در یک CNC ساده ممکن است Pulse/Direction کاملاً کافی باشد، درحالی‌که یک CNC پنج‌محور، Gantry Machine، Robot یا سیستم چندمحوره سریع می‌تواند به یک پروتکل ارتباطی Real-Time مانند EtherCAT نیاز داشته باشد.

بنابراین انتخاب صحیح باید بر اساس نیاز واقعی دستگاه، تعداد محورها، دقت، سرعت، Cycle Time، معماری Motion، هزینه تجهیزات و قابلیت توسعه آینده سیستم انجام شود.