Mit EtherCAT intelligente CNC-Werkzeugmaschinen realisieren

Realizzazione di macchine utensili CNC
intelligenti con EtherCAT
Fig. 1: i5 – la macchina utensile CNC intelligente con EtherCAT
La Shenyang Machine Tool Co., Ltd., il più grande costruttore di macchine utensili in Cina, ha scelto
EtherCAT come bus di campo per la piattaforma di controllo della sua ultima macchina utensile
intelligente a controllo numerico i5. EtherCAT è implementato sia lato master, sia lato slave in tutti
i servo-azionamenti e dispositivi di I/O dell´i5.
La Shenyang Machine Tool Co., Ltd.
Il gruppo Shenyang Machine Tool (in breve Shenyang Machine Tool) è il più grande costruttore di
macchine utensili in Cina. Con i suoi oltre 300 tipi di macchine e numerose varianti, l´azienda sta
acquistando importanza crescente anche sul mercato mondiale. La Shenyang Machine Tool opera in
tutte le regioni della Cina ed esporta in più di 80 Paesi in tutto il mondo, e rappresenta per via dei
propri prodotti e del proprio fatturato un´azienda leader nell´industria cinese.
Il Shanghai Research Institute, un´affiliata della Shenyang Machine Tool, si occupa sin dal 2007 di
sviluppi innovativi nei settori del Motion Control e del Cloud Manufacturing. Il Shanghai Research
Institute si focalizza sulle tecnologie di azionamento e di controllo specifiche delle macchine utensili,
e sullo sviluppo di prodotti così come sui fondamenti tecnici della tecnologia del Cloud
Manufacturing, e offre quindi vantaggi concreti e forza di innovazione per i clienti e i loro rispettivi
settori.
In quest´ottica, il Shanghai Research Institute ha sviluppato una serie di prodotti specifici per quei
settori che costituiscono il mercato della Shenyang Machine Tool, tra i quali sistemi a controllo
numerico CNC, servo-azionamenti e WIS (Workshop Information Systems).
La macchina CNC intelligente i5 utilizza EtherCAT per la comunicazione
La macchina intelligente CNC i5 è stata presentata per la prima volta al grande pubblico in occasione
della China CNC Machine Tools Fair (CCMT) 2014. L´i5 dispone di funzioni intelligenti come
diagnostica grafica, supervisione della macchina in tempo reale, diagnostica remota, simulazione 3D
così come programmazione STEP, e si adatta in modo ottimale ai bisogni del mercato grazie alla
possibilità di soluzioni personalizzate.
Il nome i5 trae origine dai seguenti concetti o funzioni implementati nella macchina: industria,
informazione, Internet, integrazione della gestione e intelligenza.
Fig. 2: architettura della piattaforma di controllo i5.
La piattaforma di controllo i5 è costituita da tre tipologie di componenti: il controllore NC, i
servo-azionamenti serie HSHA e i nodi di I/O, tutti sviluppati direttamente dallo Shanghai Research
Institute.
La macchina i5 adotta la tecnologia di controllo basata su PC ed EtherCAT, il protocollo di
comunicazione aperto basato su Ethernet. Grazie a EtherCAT è stato possibile implementare un
sistema CNC con servo-azionamenti distribuiti, in grado di scambiare inoltre dati tra gli I/O e il
controllore ad elevata velocità ed in modo deterministico, il che offre agli utilizzatori della macchina
utensile CNC una soluzione di controllo ad elevate prestazioni e a prezzi sostenibili.
Fig. 3: Il sistema CNC di i5 in dettaglio.
Perché EtherCAT?
Prima dell´effettiva implementazione dei dispositivi, nella fase iniziale dello sviluppo lo Shanghai
Research Institute ha condotto un´analisi approfondita per la scelta di un sistema bus di campo
adatto, al termine della quale la scelta è caduta sul protocollo EtherCAT. Motivazioni per questa
scelta sono state, accanto alle prestazioni, il fatto che la piattaforma i5 integra il Cloud Management
via Ethernet. Per ragioni di trasparenza, anche il sistema bus di campo avrebbe dunque dovuto
essere basato su Ethernet: in questo modo è stato possibile integrare le tecnologie Internet
nell´intero sistema, e renderle disponibili nel sito di produzione a costi contenuti. Anche la
connessione dei dispositivi tra loro ne è risultata semplificata.
Fig. 4: Servo-azionamenti serie HSHA – EtherCAT Slave.
Fig. 5: Pannello CNC – EtherCAT Master
Nella macchina i5 il cuore della tecnologia è costituito dall´algoritmo di controllo numerico. In
ragione dell´elevata precisione richiesta dai servo-azionamenti, sul sistema di comunicazione si
impongono specifiche stringenti: accanto a cicli di comunicazione estremamente brevi, decisiva
risulta in questo caso soprattutto la precisione nella sincronizzazione. Per la Shenyang Machine Tool,
accanto alla sincronizzazione è risultata importante nella scelta anche la possibilità di ottenere
latenze di comunicazioni più brevi possibili, dal momento che lo scambio dei dati di processo nelle
macchine utensili richiede ridotti ritardi in modo da escludere che le prestazioni del bus possano
incidere sulle proprietà del controllo numerico. In aggiunta all´elevata velocità di comunicazione,
ottenuta in EtherCAT grazie al ben noto principio “on-the-fly”, il principio del clock distribuiti (DC =
Distributed Clocks) consente di sincronizzare tutti gli slave della rete con una deviazione massima
pari a 50 ns. In questo modo EtherCAT consente un movimento uniforme degli assi di avanzamento, il
che riduce drasticamente le imprecisioni di definizione dei contorni durante la lavorazione. Inoltre, il
sincronismo nella gestione dei segnali di uscita assicurata dagli EtherCAT Slave Controller semplifica
notevolmente la progettazione dei circuiti elettrici e la programmazione dei dispositivi slave,
riducendo considerevolmente i tempi di sviluppo e di introduzione dei prodotti sul mercato (Time to
Market).
Il protocollo Mailbox supportato da EtherCAT ha velocizzato ulteriormente il processo di sviluppo, in
particolare per applicazioni complesse: algoritmi e parametri per funzionalità aggiuntive, cosi´ come
modifiche firmware, hanno potuto essere scaricate comodamente in tempi successivi ancora durante
lo sviluppo dell´applicazione. Inoltre è stato possibile veicolare tramite Mailbox, mediante un
meccanismo di tunneling, applicazioni basate su tecnologie Internet standard, il che semplifica
notevolmente l´integrazione con il software di gestione di alto livello.
Così come in altri settori dell´industria, anche i costruttori di sistemi CNC mirano ad offrire
funzionalità a più elevate prestazioni, e allo stesso tempo di ridurre i costi di sviluppo e di
produzione. EtherCAT non richiede l´utilizzo di switch, router o altri componenti infrastrutturali attivi,
né presuppone necessariamente una conoscenza approfondita delle tecnologie IT. Nel dispositivo di
controllo CNC non è richiesta nessuna costosa scheda di comunicazione dedicata, e può essere
utilizzata una comune porta di rete. I dispositivi slave sono equipaggiati con ESC (EtherCAT Slave
Controller) di basso costo. Tali componenti possono essere implementati in forma di ASIC o come
IP-Core per FPGA. L´i5 utilizza i chip ASIC di Beckhoff Automation per i propri servo-azionamenti, e la
soluzione IP-Core per le proprie stazioni di I/O, in modo da ridurre i costi e semplificare il lavoro di
sviluppo. Con la scelta di EtherCAT, la Shenyang Machine Tool non ha dovuto sostenere praticamente
nessun costo per ulteriore hardware, e nonostante ciò ha potuto migliorare enormemente le
prestazioni dell´i5.
Soprattutto nel settore dei sistemi CNC più complessi, le richieste degli utilizzatori in merito ai
dispositivi utilizzati sono molto elevate. Accanto alla continuità operativa, un ruolo fondamentale è
svolto soprattutto da concetti quali precisione, flessibilità nella programmazione, elevata efficienza e
affidabilità. EtherCAT soddisfa queste esigenze in tutti i sensi: l´utilizzo di EtherCAT al posto dei
segnali analogici classici ha eliminato i problemi dovuti ai disturbi elettromagnetici e all´attenuazione
dei segnali, fatto che migliora enormemente l´affidabilità de sistema CNC. A causa delle condizioni
ambientali in Cina, gli utilizzatori necessitano di un´elevata tolleranza degli impianti in termini di
temperatura operativa e umidità. Grazie a EtherCAT, i siti di produzione non richiedono nessuna
protezione aggiuntiva contro gli influssi elettromagnetici.
Conclusione
Dati gli evidenti vantaggi di EtherCAT, Shenyang Machine Tool ha scelto di adottare un controllo
basato su PC ed EtherCAT per la propria macchina utensile intelligente i5.
Risparmio di tempo attraverso un miglioramento delle prestazioni
Il tempo di interpolazione viene ridotto da 4ms a 0,5ms, il che aumenta considerevolmente la
velocità così come la precisione del sistema CNC. La velocita´ del sistema di comunicazione fa inoltre
sì che il tempo di reazione del PLC all´interno del sistema CNC venga ridotto ad un decimo di quello
originale, il che migliora i tempi di risposta dei dispositivi esterni e riduce la durata della lavorazione.
Riduzione del tempo e dei costi di produzione
Nella classica modalità di controllo analogica, ogni servo-azionamento deve trasmettere un segnale
di controllo analogico al CNC e reagire a segnali provenienti dall´encoder. Questo obbliga all´impiego
di un terminale e di un cavo dedicato per ogni azionamento del sistema CNC. Poiché i cavi necessari a
questo scopo non sono specificati da nessuno standard, i costruttori dovevano sostenere costi elevati
per materiali, installazione e ricerca guasti. Grazie a EtherCAT, ora vengono utilizzati cavi Ethernet
standard in ogni parte della macchina, il riduce sensibilmente i tempi di montaggio così come i costi.
Semplice gestione della macchina
EtherCAT consente di implementare in modo flessibile la topologia più appropriata, che risulta
semplice da configurare e da diagnosticare. In una rete EtherCAT possono essere gestiti fino a 65.535
assi senza limitazioni nella topologia adottata. Servo-azionamenti, gruppi di I/O, pannelli operatore,
encoder e numerosi sensori, necessari per il sistema CNC i5 di Shenyang Machine Tool, possono
essere collegati tra loro senza problemi grazie a EtherCAT. I dispositivi slave non richiedono alcuno
switch meccanico per l´impostazione dell´indirizzo, e la diagnostica EtherCAT permette di localizzare
precisamente dispositivi guasti.
Ulteriori informazioni:
http://en.smtcl.com
www.ethercat.org
Appendice:
Autore
Beryl Fan
Manager ETG Cina
EtherCAT Technology Group
Cina
Immagini
EtherCAT Technology Group