realizzazione di una stazione stand alone

196 Pages·2014·7.56 MB·Italian

POLITECNICO DI MILANO
Facoltà di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettrica

PIANIFICAZIONE, PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI UN
ROBOT DI AVVITATURA STAND-ALONE, CONTROLLATO IN
POSIZIONE, VELOCITA’ E COPPIA NEL MOTION CONTROL

Relatore: Prof. Francesco CASTELLI DEZZA
Correlatori: Ing. Roberto SICCARDI
Ing. Marco FAENZA

Tesi di Laurea Magistrale di:
Vito Nicola NESCA
Matricola 801544

Anno Accademico 2013/2014
Ad Anna Claudia,
questi anni non sarebbero stati gli stessi
se non ci fossi stata tu.
Un ringraziamento particolare
va alla mia famiglia e ai sacrifici fatti affinché
il Nostro sogno potesse diventare realtà.
POLITECNICO DI MILANO

Indice

Elenco delle Figure 6
Elenco delle Tabelle 10
Introduzione 11
Abstract 16
Abstract 17
CAPITOLO 1 18
MOTION CONTROL PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE 18
1.1 Funzionalità e set di comandi 18
1.2 Carico computazionale del Motion Control 19
1.3 Inseguimento di traiettorie e gestione dei sincronismi 21
1.4 Benchmarking di motion control 23
CAPITOLO 2 24
MODELLIZZAZIONE DEI MOTORI 24
AC-BRUSHLESS 24
2.1 Generalità motore AC-Brushless 24
2.2 Comportamento della Reazione d’indotto 27
2.3 Modello matematico della macchina sincrona 29
2.4 Limiti operativi e velocità caratteristiche di un AC-Brushless 35
2.5 Monitoraggio parametrico in ambiente Matlab-Simulink 42
CAPITOLO 3 47
AZIONAMENTO ELETTRICO AC-BRUSHLESS 47
3.1 Caratteristiche dell’azionamento 47
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POLITECNICO DI MILANO INDICE

3.2 Architettura di controllo 49
3.3 Richiamo generale sull’inverter trifase 51
3.4 Modulazione PWM (Pulse With Modulation) 54
3.5 Modulazione SVM (Space Vector Modulation) 56
3.6 Ottimizzazione tra rete elettrica e apparecchiature con il CMMP-AS 57
CAPITOLO 4 64
AZIONAMENTO PNEUMATICO 64
4.1 Caratteristiche della pneumatica 64
4.2 Panoramica sui dispositivi pneumatici 65
4.5 Pinze pneumatiche e calcolo della forza di presa 66
4.6 Caratteristiche generali Elettrovalvole 71
4.7 Comando elettrico della valvola con servopilota 74
4.8 Tecnica proporzionale e architettura di controllo 75
CAPITOLO 5 78
PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE 78
5.1 Caratteristiche generali dei protocolli 78
5.2 Bus di comunicazione digitale, tecniche di codifica e rilevamento errori 80
5.3 Protocollo di comunicazione CANopen e procedure di accesso 84
5.3.1 Acceso Service Data Object SDO e descrizione dei messaggi 91
5.3.2 Messaggio Process Data Object PDO 92
5.3.3 Messaggio di sincronizzazione SYNC 93
5.3.4 Messaggio di Emergenza EMCY 94
5.3.5 Gestione della rete servizio NMT Network Management 95
5.3.6 Heartbeat Error Control Protocol e possibili regolazioni 95
5.3.7 Comunicazione CANopen tra Master e Slave 97
5.4 Caratteristiche generali Industrial Ethernet 99
5.4.1 Struttura del frame Ethernet 102
5.4.2 Cablaggio dei dispositivi nella sottorete 103

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POLITECNICO DI MILANO INDICE

CAPITOLO 6 107
PIANIFICAZIONE, PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE STEP–by-STEP 107
6.1 Work Breakdown Structure WBS 107
6.2 Caratteristiche generali assi elettrici 110
6.2.1 Procedura analitica per la scelta di assi e motori elettrici 111
6.2.2 Assi Elettrici a cinghia dentata - Stato dell’arte 115
6.2.3 Motori Brushless – Stato dell’arte 121
6.2.4 Cenno sull’Encoder Assoluto Multi-turn 124
6.3 Simulatore PositioningDrives 124
6.3.1 Report PositioningDrives Asse Z 125
6.3.2 Report PositioningDrives Asse Y 129
6.3.3 Report PositioningDrives Modulo Rotativo 134
6.4 Simulatore Pinza pneumatica a tre griffe 138
6.5 Progettazione mediante il modellatore 3D 139
6.6 Parametrizzazione in FCT (Festo Configuration Tool) 144
6.7 Controllo di Visione mediante Smart Camera 151
6.8 Programmazione HMI (Human Machine Interface) 158
CAPITOLO 7 164
PROGRAMMAZIONE DEL PLC IN AMBIENTE CoDeSys 164
7.1 Definizioni e richiami della norma IEC61131-3 164
7.2 Linguaggi di programmazione 165
7.3 Ambiente CoDeSys: Struttura e programmazione 166
7.3.1 Linguaggio di programmazione CFC 168
7.3.2 CFC movimentazione assi 169
7.3.3 CFC Camma elettrica 172
7.4 Editor visualizzatore grafico 177
7.5 Scrittura del Codice in CoDeSys per il Motion 179
CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI 192
BIBLIOGRAFIA 195
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POLITECNICO DI MILANO

Elenco delle Figure
Figura 1. 1: Comportamento dei sistemi di automazione all’aumentare del numero di assi 20
Figura 1. 2: Andamenti coppia-velocità al variare della velocità 22

Figura 2. 1: Motore sincrono isotropo a magneti permanenti 25
Figura 2. 2: Reazione d’indotto 28
Figura 2. 3: F.m.m di reazione 29
Figura 2. 4: Riferimenti di statore e di rotore 30
Figura 2. 5: Trasformazione da sistema statorico a rotorico 33
Figura 2. 6: Circuito equivalente e diagramma vettoriale 35
Figura 2. 7: Diagramma vettoriale del motore brushless a regime 36
Figura 2. 8: Diagramma vettoriale del motore brushless in presenza di corrente isd negativa 37
Figura 2. 9: Diagramma vettoriale con isd e ω<ωbase 37
Figura 2. 10: Diagramma vettoriale con isd e ω=ωbase 38
Figura 2. 11: Diagramma vettoriale con ω > ωbase 38
Figura 2. 12: Diagramma vettoriale con ωbase < ω < ω* 39
Figura 2. 13: Diagramma vettoriale con ω ≥ ω* 39
Figura 2. 14: Campo di operatività di un AC-Brushless 40
Figura 2. 15: Andamenti della isd e isq 40
Figura 2. 16: Limiti di Tensione e Corrente 41
Figura 2. 17: Velocità maggiore della velocità base 41
Figura 2. 18: Andamento della is 42
Figura 2. 19: Andamento sperimentale di Ld al variare di id e iq 46
Figura 2. 20: Andamento sperimentale di Lq al variare di id e iq 46
Figura 2. 21: Andamento sperimentale di Φr al variare di id e iq 46

Figura 3. 1: Schema di un azionamento AC-brushless 48
Figura 3. 2: Schema di azionamento convenzionale con ingresso in AC 49
Figura 3. 3: Schema complessivo del controllo con alimentatore di corrente 50
Figura 3. 4: Schema complessivo del controllo con alimentatore di tensione 50
Figura 3. 5: Schema di controllo per motore brushless 51
Figura 3. 6: Schematizzazione inverter trifase 53
Figura 3. 7: Campo di operatività dell'inverter 53
Figura 3. 8: Forme d'onda di un PWM trifase con terna di triangoli omopolari 55
Figura 3. 9: v* fasore spaziale nel piano di Park 56
Figura 3. 10: Space Vector Modulation 57
Figura 3. 11: Azionamento elettrico CMMP-AS-3A-C5-MO 59
Figura 3. 12: Architettura semplificata CMMP-AS 60
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POLITECNICO DI MILANO ELENCO FIGURE

Figura 3. 13: Vista frontale CMMP-AS-C5-M3 61
Figura 3. 14: A sx Vista dall'ALTO, a dx Vista dal BASSO 61

Figura 4. 1: HGDT-25-A Pinza pneumatica 67
Figura 4. 2: DHPS-25-A Pinza pneumatica parallela 68
Figura 4. 3: Gestione delle forze pinza-tappo moto verticale 69
Figura 4. 4: Equilibrio delle forze pinza-tappo moto orizzontale vista dall’alto 69
Figura 4. 5: Traiettoria utile per effettuare avvitatura 71
Figura 4. 6: Elettrovalvola MHE2-MS1H-5/2-QS-4 72
Figura 4. 7: Accessori e Collegamento Elettrovalvola-Pinza 73
Figura 4. 8: Percorso della corrente nella bobina e nella linea di alimentazione 75
Figura 4. 9: Architettura dell'anello di retroazione 76

Figura 5. 1: Tecnologia di controllo piramidale 79
Figura 5. 2: Codice a quattro livelli 82
Figura 5. 3: Codifica NRZ 83
Figura 5. 4: Codifica Manchester 83
Figura 5. 5: Struttura del Frame CAN 84
Figura 5. 6: Schema di cablaggio cavo CANopen e collegamento sui dispositivi 88
Figura 5. 7: Parametrizzazione CANopen in FCT 89
Figura 5. 8: Struttura messaggio CANopen 90
Figura 5. 9: Procedura di accesso e scambio di dati 91
Figura 5. 10 A sinistra istruzioni di lettura, a destra iscrizioni di scrittura 92
Figura 5. 11 Messaggio di errore SDO 92
Figura 5. 12: Messaggio PDO 93
Figura 5. 13: Messaggio SYNC 94
Figura 5. 14: Messaggio di Emergenza EMCY 95
Figura 5. 15: Messaggio Network Management NMT 95
Figura 5. 16: Struttura messaggio Heartbeat 96
Figura 5. 17: Modulo elettronico CPX-CEC-M1 funzionante da PLC Master 97
Figura 5. 18: Collegamento CANopen 99
Figura 5. 19: Struttura standard del protocollo Ethernet 100
Figura 5. 20: Struttura del Frame Ethernet 102
Figura 5. 21: Assegnazione degli indirizzi IP in FFT 104
Figura 5. 22: Assegnazione indirizzo IP in SBO-DeviceManager 105
Figura 5. 23: Collegamenti Ethernet e CANopen tra i vari dispositivi 106

Figura 6. 1: Work Breakdown Structure 109
Figura 6. 2: Classificazione assi elettrici a cinghia 110
Figura 6. 3: Trasmissione del moto per mezzo della cinghia dentata 111
Figura 6. 4: Elementi della trasmissione del moto 111
7
POLITECNICO DI MILANO ELENCO FIGURE

Figura 6. 5: Profilo di movimentazione 112
Figura 6. 6: Profilo di velocità trapezoidale 113
Figura 6. 7: Grafico da catalogo per EMMS-AS-40-M 114
Figura 6. 8: Asse elettrico a sbalzo DGEA-18-400-ZR-WB-KV 117
Figura 6. 9: Connessioni meccaniche 117
Figura 6. 10: Riduttore epicicloidale EMGA 118
Figura 6. 11: Asse elettrico a portale DGE-25-400-ZR-RF-LB-RK-GK 118
Figura 6. 12: Connessioni meccaniche 119
Figura 6. 13: Albero di collegamento KSK-25-200 119
Figura 6. 14: Asse elettrico rotativo ERMB-20 120
Figura 6. 15: Connessioni meccaniche 120
Figura 6. 16: EMMS-AS-70-S-LS-RMB 122
Figura 6. 17: EMMS-AS-55-M-LS-TMB 123
Figura 6. 18: Diagramma Motion Profile Asse Z 126
Figura 6. 19: Diagramma Motion Profile Asse Y 130
Figura 6. 20: Diagramma Motion Profile Andata 131
Figura 6. 21: Diagramma Motion Profile N.2 131
Figura 6. 22: Diagramma Motion Profile Modulo Rotativo 135
Figura 6. 23: Dati del pezzo e dell'utensile 138
Figura 6. 24: Ulteriori impostazioni Pinza 138
Figura 6. 25: Verifica della corretta scelta della Pinza 139
Figura 6. 26: Prototipo della stazione di avvitatura in PRO/E 141
Figura 6. 27: Messa in tavola prototipo 142
Figura 6. 28: Zoom vista frontale e laterale 143
Figura 6. 29: Screenshot Configuration FCT 145
Figura 6. 30: Screenshot Application Data FCT 145
Figura 6. 31: Screenshot Motor FCT 146
Figura 6. 32: Screenshot Axis FCT 146
Figura 6. 33: Screenshot Homing FCT 146
Figura 6. 34: Screenshot Measure FCT 147
Figura 6. 35: Screenshot Controller FCT 147
Figura 6. 36: Screenshot Closed Loop FCT 147
Figura 6. 37: Screenshots I/O Configuration FCT 148
Figura 6. 38: Screenshot Fieldbus FCT 148
Figura 6. 39: Screenshot Safe Torque Off FCT 148
Figura 6. 40: Screenshot Direct Mode FCT 149
Figura 6. 41: Screenshot Jog Mode FCT 149
Figura 6. 42: Screenshot Position Set Table FCT 149
Figura 6. 43: Screenshot Messages FCT 150
Figura 6. 44: Screenshot Trace Configuration FCT 150
Figura 6. 45: Smart camera SBOI-Q-R1B 151
Figura 6. 46: Parti della smart camera 153
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POLITECNICO DI MILANO ELENCO FIGURE

Figura 6. 47: Connettore M12 154
Figura 6. 48: Screenshot CheckOpti 156
Figura 6. 49: Pezzo GOOD 157
Figura 6. 50: Pezzo BAD 157
Figura 6. 51: Flow Chart acquisizione immagine 158
Figura 6. 52: FED 501 159
Figura 6. 53: Assegnazione indirizzo IP FED 160
Figura 6. 54: Prima schermata FED 161
Figura 6. 55: Seconda schermata FED 162
Figura 6. 56: Terza schermata FED 162
Figura 6. 57: Pulsante di Start retroilluminato 163

Figura 7. 1: POU 167
Figura 7. 2: Task Configuration 168
Figura 7. 3: CEC in CoDeSys 169
Figura 7. 4: MC_Power 169
Figura 7. 5: MC_Home 170
Figura 7. 6: MC_MoveAbsolute 171
Figura 7. 7: Camma elettrica in CFC 172
Figura 7. 8: MC_CamTableSelect 173
Figura 7. 9: MC_CamIn 174
Figura 7. 10: MC_CamOut 175
Figura 7. 11: CAM Properties 175
Figura 7. 12: Profilo di Camma CAM1 176
Figura 7. 13: Assegnazione Visualizations all'MC_Power 177
Figura 7. 14: Schermata completa Visu 178
Figura 7. 15: Visualizations Camma Elettrica 179
Figura 7. 16: Ciclo di Avvitatura e Svitatura 180
Figura 7. 17: presa_pezzo PLC Configuration 180
Figura 7. 18: Schema di collegamento completo 190
Figura 7. 19: Diagramma teorico Motion Profile Asse Z 191
Figura 7. 20: Diagramma Motion Profile in Real-Time Asse Z 191

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POLITECNICO DI MILANO

Elenco delle Tabelle
Tabella 1: Dati tecnici EMMS-AS-70-S-LS-RMB 43
Tabella 2: Significato sigle EMMS-AS-70-S-LS-RMB 43
Tabella 3: Armoniche tipiche di una corrente monofase senza filtro di rete 58
Tabella 4: Confronto Controllori 62
Tabella 5: Dati tecnici generali 62
Tabella 6: Funzioni per la programmazione del PLC 62
Tabella 7: Dati tecnici-Interfaccia Fieldbus 63
Tabella 8: Dati Elettrici 63
Tabella 9: Dati tecnici HGDT-25-A 67
Tabella 10: Dati tecnici DHPS-25-A 68
Tabella 11: Dati tecnici MHE2-MS1H-5/2-QS-4 73
Tabella 12: Modello ISO/OSI 86
Tabella 13: Occupazione connettori interfaccia CANopen 87
Tabella 14: Occupazione pin dell'interfaccia Ethernet 104
Tabella 15: Elenco Assi utilizzati 116
Tabella 16: Dati tecnici DGEA-18-400-ZR-WB-KV e significato sigle 117
Tabella 17: Dati tecnici DGE-25-400-ZR-RF-LB-RK-GK e significato sigle 119
Tabella 18: Dati tecnici ERMB-20 120
Tabella 19: Motori utilizzati 122
Tabella 20: Dati tecnici EMMS-AS-70-S-LS-RMB e significato sigle 123
Tabella 21 Dati tecnici EMMS-AS-55-M-LS-TMB e significato sigle 123
Tabella 22: Motion Profiles PositiongDrives 125
Tabella 23: Part List Axis Z 126
Tabella 24: Motion Profiles PositiongDrives Asse Y 129
Tabella 25: Part List Axis Y 130
Tabella 26: Motion Profiles PositiongDrives Modulo Rotativo 134
Tabella 27: Part List Axis Modulo Rotativo 135
Tabella 28: Distinta materiali meccanici 140
Tabella 29: Dati tecnici SBOI-Q-R1B 152
Tabella 30: LED di stato smart camera 153
Tabella 31: Alimentazione e I/O Digitali 154
Tabella 32: Dati tecnici FED 501 159
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