El valor del Know How en aplicaciones Motion Control

Hay muchas formas de hacer las cosas, en la mayoría de los casos existe la rápida y fácil -que no suele ser la buena- y otras más costosas, pero que luego redundarán en un mejor funcionamiento. Esta última, muy probablemente, es la que todo queremos. Pero que ocurre durante el proceso de desarrollo y fabricación de una máquina, que emplee extensivamente la tecnología de Motion Control? Pues que para optar por la mejor solución hay que saber, hay que conocer los pequeños detalles que harán que la máquina se mueva o que la máquina “baile”.

En este artículo se muestra una simple aplicación de un Pusher, de alta velocidad, 320 ciclos/Min. Para ver lo que ocurre con la solución rápida y fácil, o con la mejor, que conseguirá más suavidad de funcionamiento y más vida útil de todos los elementos mecánicos. Para mostrar que el Know

Descripción de la aplicación

En la imagen se muestra el croquis de la aplicación. Se trata de introducir un producto en su correspondiente caja, para ello, dada la alta cadencia, se emplea un motor lineal tubular, que también es la solución, a nivel mecánico, más sencilla de implementar. En este ejemplo nos ocuparemos solo del movimiento del Pusher y nos olvidamos del control del avance de las cintas que transportan el producto y las cajas.
 
El movimiento del empujador es tan sencillo como si de un cilindro neumático se tratase, pero en función del formato, las posiciones de cada “tope” variaran. Este movimiento se deberá realizar en sincronismo con el avance del producto, por lo tanto, emplearemos perfiles CAM como si se tratase de una leva mecánica. El movimiento sería tal como el que se muestra en el gráfico, la posición In y Out dependerán del formato del producto y el movimiento de Push y el de Pull se pueden programar a diferentes velocidades según los requerimientos de cada producto, en el gráfico la introducción del producto en la caja -Push- es más lento que el retorno -Pull-

Diferentes opciones para realizar el movimiento

La forma, en la que probablemente la mayoría resolverían el movimiento, es la de emplear un perfil trapezoidal, como el que se muestra en el gráfico. Y sería una posible solución. Pero, si observamos este perfil empleando el tipo de interpolación “Quadratic Parábola”, con el que se obtendrá una velocidad que crece de forma lineal puesto que la aceleración es constante, también veremos que el Jerk se ve bastante “feo”, puesto que la aceleración pasa de 0 a un valor en tiempo “cero” su derivada, que es el jerk, tiende a infinito y ello supone un gran impacto para todo el sistema mecánico, que generará ruido y vibraciones que no irán en pro de la durabilidad del sistema, sino que todos los elementos sufrirán un desgaste prematuro. 

Puesto que hemos visto que la forma de la aceleración no es la óptima, cambiamos el tipo de aceleración con el fin de obtener una aceleración más “redonda”, para ello emplearemos una interpolación polinómica de 5º grado, con lo que obtendremos una forma de la aceleración similar a una senoide, con lo que su derivada, que es el Jerk, ya no tenderá a infinito y no serán esos picos que observábamos en el caso de aceleración cuadrada, por lo tanto habremos conseguido alguna mejora en lo que a ruido y vibraciones se refiere, pero por otro lado introducimos el inconveniente de que el movimiento termina con velocidad y aceleración igual a cero y ello supone una pequeña pérdida de tiempo a la hora de invertir el movimiento, que a 320 c/min puede ser muy perjudicial.

También implica decelerar, para volver a acelerar de inmediato, por lo que se dobla el número de “impulsos” de aceleración.

Para evitar este problema tendremos que conseguir que la velocidad sea cero en la posición en la que se invierte el movimiento, pero no la aceleración, para ello se emplea la interpolación polinómica de 5º y el parámetro “curvatura” que permite definir el valor de aceleración en un punto. En este caso eliminamos totalmente el tiempo de parada en el punto de inflexión y se eliminan ciclos de aceleración innecesarios.

En la mayoría de las aplicaciones no es totalmente necesario llegar a estos niveles de optimización del movimiento, pero cuando hay que alcanzar un número de ciclos tan elevados como en este caso, es imprescindible tener el Know how y programar el perfil CAM óptimo.

Comparativa de los diversos perfiles

En el siguiente gráfico se presenta la forma de la aceleración para cada tipo de interpolación y a la derecha su derivada, que podemos entender como el impacto que recibe todo el sistema mecánico. Para entenderlo mejor nos podemos imaginar el caso de un coche eléctrico en el que pisamos el acelerador de golpe (Quadratic parábola), o de forma más progresiva (Polinómica de 5º grado), el “impacto” que sufriríamos sería muy diferente.

La mejor opción se ve de forma inmediata que es la interpolación polinómica de 5º con aceleración en el punto de inflexión.

• Quadratic parábola presenta el problema del Jerk, impactos para todo el sistema mecánico, que producen ruido, vibraciones y reducen la vida útil del sistema.

• Polinómica de 5º con aceleración cero en el punto de inflexión mejora notablemente el nivel de Jerk, pero dobla los ciclos de aceleración.

• Polinómica de 5º con el valor de aceleración necesario calculado elimina ciclos de aceleración innecesarios y reduce el Jerk al máximo.

Resumen / conclusión

• No se ha mencionado con anterioridad, pero un punto más que importante, especialmente en aplicaciones de alta dinámica, es el correcto dimensionado del servomotor, que en la actualidad no es una tarea muy compleja gracias a las herramientas de cálculo disponibles. Pero hay que saber emplearlos.

• Cada tipo de interpolación “oculta” detalles que hay que conocer, en aplicaciones de alta cadencia su correcta elección puede suponer el éxito o el fracaso de un proyecto.

• La mayor dificultad para crear el correcto perfil CAM reside en los cálculos que hay que realizar a la hora de diseñarlo, no todo se puede hacer de forma gráfica, aunque dependerá mucho de la plataforma de control con la que se esté trabajando.

• PARA HACER LAS COSAS BIEN HAY QUE SABER

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