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Sincronización del movimiento de los envases con los servos

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Dimensionamiento y selección de aplicaciones.

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Los clientes exigen que se reduzca el mantenimiento y el tamaño de los equipos, y que se acelere el rendimiento y la preparación de las máquinas. Para cumplir estos requisitos, los fabricantes de equipos están eligiendo el movimiento servocontrolado en lugar de los componentes mecánicos.

El control de movimiento define las capacidades y limitaciones de una máquina. Por lo tanto, para maximizar su rendimiento y flexibilidad, y para reducir el mantenimiento, a menudo hay que actualizar la forma en que se controla el movimiento dentro de esa máquina. La mayoría de las razones para pasar de los diseños y dispositivos de control tradicionales al servocontrol son para obtener una o varias de estas ventajas:

- Aumentar el rendimiento. Los servomotores producen altas tasas de aceleración y velocidades.

- Aumentar la precisión. Los servomotores pueden ofrecer la alta precisión necesaria para procesar una pieza de movimiento rápido.

- Aumentar la flexibilidad. Los servos ofrecen versiones electrónicas de componentes tradicionalmente mecánicos. Por ejemplo, los perfiles de leva electrónicos pueden cambiarse casi instantáneamente. Los perfiles de movimiento programables pueden ajustarse a los distintos tamaños y configuraciones del producto. Las relaciones de "engranaje" electrónicas pueden cambiar para adaptarse a diferentes velocidades de la máquina. Además, con los engranajes electrónicos, los motores pueden colocarse en cualquier lugar que sea conveniente para la aplicación, ya que eliminan la necesidad de ejes largos, engranajes y correas.

Además, un "eje de línea" eléctrico puede conectarse a un número casi ilimitado de ejes. En el caso de las máquinas con configuraciones múltiples, esto significa que los ejes de movimiento adicionales no requieren enlaces mecánicos adicionales.

Los servos también añaden flexibilidad debido a la mayor información disponible. Por ejemplo, muchos servocontroladores almacenan un historial de fallos y condiciones de error que ayudan a la resolución de problemas. La mayoría de los servosistemas también pueden mostrar diagramas de estilo osciloscopio para el análisis del rendimiento. - Reducción del mantenimiento. Los servos ayudan a reducir el número de piezas mecánicas de una máquina. Los engranajes electrónicos sustituyen a las correas. Las levas electrónicas no se ven afectadas por el desgaste. Los finales de carrera electrónicos no necesitan reajustes ni sustituciones ocasionales.

Los servos requieren una cierta cantidad de estudio y experiencia. Si es nuevo en el control de servos, espere pasar algún tiempo seleccionando y aplicando su primer sistema. (Una nota sobre la terminología de los servos: la palabra controlador tiene varios usos. El controlador del sistema o del movimiento normalmente ejecuta el programa que controla el movimiento; el controlador del motor controla un motor. Para reducir la confusión, nos referiremos a los controladores de motor como accionamientos).

Dimensionamiento y selección de aplicaciones

La selección y el dimensionamiento de los servocomponentes puede parecer compleja debido al número de componentes: motores, accionamientos, controlador y la posibilidad de un PC industrial o un PLC. Si su formación es mecánica, esto puede resultar intimidante. Afortunadamente, hay empresas -proveedores de componentes e integradores de sistemas de control- que agrupan estos componentes y ofrecen asistencia para su aplicación. Tanto si lo hace usted mismo como si compra un paquete, el proceso básico es:

Primero, seleccionar el motor. Comience la selección del motor eligiendo su forma. Los motores con grandes relaciones de aspecto (largos con un diámetro pequeño) son los más comunes. Pueden ser cuadrados o redondos, y ofrecen un valor y un rendimiento excelentes. Los motores de disco (cortos con un gran diámetro) encajan en lugares estrechos y proporcionan una gran aceleración gracias a sus rotores de baja inercia. Ambos motores están disponibles en versiones selladas y no selladas.

Los motores sin bastidor o integrales, separan el rotor y el estator para integrarlos en la máquina. Estos motores permiten un diseño compacto y mejoran el funcionamiento del accionamiento directo al aumentar la precisión y reducir las vibraciones.

Los motores lineales, que sustituyen a un motor rotativo estándar y a los mecanismos de accionamiento asociados, crean un movimiento lineal directamente. Pueden aumentar simultáneamente el rendimiento y la precisión varias veces.

Dimensionamiento del motor. El tamaño del motor se basa principalmente en el par: pico y continuo. Dimensionar los motores puede ser un reto y es posible que los errores no se detecten hasta una fase avanzada del ciclo de desarrollo. Como el tamaño del motor puede ser difícil de aumentar en ese momento, es conveniente incluir un margen en los cálculos. Si es nuevo en el proceso, probablemente deba confiar en los ingenieros de aplicaciones de las empresas de motores.

Seleccione la realimentación. Los dispositivos de retroalimentación más comunes son los encoders y los resolvers. Los codificadores son dispositivos ópticos que producen un tren de pulsos. El número de impulsos es proporcional al recorrido angular. Ofrecen una gran precisión, especialmente con resoluciones altas. Los resolvers son dispositivos electromecánicos que detectan la posición absoluta dentro de una revolución del motor y son conocidos por su robustez. Elija el que mejor se adapte a su aplicación.

Después de seleccionar los tipos de sensores de retroalimentación, es necesario seleccionar su resolución. Por lo general, un codificador de 1.000 líneas o, de forma equivalente, un resolvedor de 12 bits, proporcionará una resolución suficiente. Ambos producen unas 4.000 posiciones diferentes por revolución, lo que equivale a unos 0,1 grados de resolución. Sin embargo, si su aplicación necesita una mayor resolución, deberá seleccionar el sensor de forma adecuada. Una advertencia: distinga entre resolución y precisión. Muchos servos ofrecen una resolución seleccionable para la retroalimentación del resolver; sin embargo, la precisión (normalmente entre 10 y 40 arc-min) no puede verse afectada.

Seleccione el accionamiento. Considere si desea que la fuente de alimentación sea modular (separada) o esté integrada en el accionamiento. Con tres o más accionamientos de la misma familia en proximidad, las fuentes de alimentación modulares funcionan bien. Con un eje, las fuentes de alimentación integradas suelen encajar mejor. Con dos ejes, ambas soluciones son prácticamente iguales.

Si piensa encerrar el accionamiento, tenga en cuenta que los tamaños de los accionamientos varían considerablemente y pueden afectar al tamaño total del equipo. Dependiendo del tamaño de la caja, es posible que también tenga que investigar varias opciones de refrigeración.

Conmutación sinusoidal frente a seis pasos

La forma de onda de potencia del accionamiento al motor tiende a ser de dos maneras para los servomotores sin escobillas: de seis pasos y de onda sinusoidal. En la onda sinusoidal, la forma de onda de corriente producida por el accionamiento produce una corriente que se aproxima a una onda sinusoidal. Esto produce un par más suave y menos calentamiento. El método de seis pasos produce una onda cuadrada de seis segmentos utilizando una electrónica sencilla. Aunque su coste es menor, el método de seis pasos tiene un funcionamiento más difícil a bajas velocidades.

Flexibilidad de sintonización. El ajuste, el proceso de selección de las ganancias en los bucles de retroalimentación, es necesario para obtener un alto rendimiento y mantener un funcionamiento estable. En el pasado, el ajuste era más un arte que una ciencia. En la actualidad, los servoaccionamientos modernos ofrecen una serie de herramientas para ayudar a los diseñadores de máquinas. El autoajuste (o autoajuste), proceso en el que el accionamiento excita el sistema mecánico y genera un conjunto de ganancias de bucle, es casi un estándar. La mayoría de los accionamientos se ajustan con ganancias digitales, por lo que no se necesita un soldador ni un recortador de potes (pequeño destornillador). Es posible que sólo necesites los métodos más complejos ocasionalmente, pero tenerlos disponibles proporciona más opciones.

Los convertidores analógicos pueden ser menos costosos, pero es posible que tenga que ajustar los bucles ajustando los potenciómetros o cambiando los componentes pasivos. Sea cual sea tu elección, la puesta a punto forma parte de la curva de aprendizaje y requiere algo de estudio y experimentación.

Comunicación de los variadores. Muchos accionamientos utilizan una señal analógica para dar las órdenes de velocidad y par. Sin embargo, la comunicación digital está ganando popularidad, porque reduce el cableado de comunicación y aumenta la flexibilidad del sistema. Muchos accionamientos son compatibles con redes como DeviceNet, Profibus y una nueva red especial para el control del movimiento llamada Sercos.

Tensión. Tenga en cuenta que la alimentación de 110 VCA puede ser difícil de encontrar en la fábrica. En Europa, la corriente de 460 Vca es muy popular; el uso de accionamientos de 230 Vca puede requerir un transformador en las máquinas para su uso en el extranjero. Lamentablemente, los accionamientos de 460 Vca pueden ser caros. Una solución de compromiso es la fuente de alimentación universal que utiliza semiconductores de potencia para convertir los niveles de tensión. En los sistemas con fuentes de alimentación modulares, una fuente de alimentación universal puede utilizar cualquier tensión de 230 a 480 Vca para alimentar varios ejes de 230 Vca.

Un último punto a tener en cuenta es que, al utilizar sólo un pequeño número de familias de accionamientos en una máquina, se simplifica la lista de piezas de recambio.

Seleccionar el regulador

A la hora de seleccionar el controlador, elija un eje o varios ejes. Los controladores de un eje combinan un controlador de movimiento, un accionamiento y, a menudo, una fuente de alimentación integrada en un solo paquete. En los sistemas de uno o dos ejes, estos controladores pueden reducir el coste, el tamaño, el cableado y la complejidad del sistema.

Los controladores multieje suelen encajar mejor en sistemas más complicados. En primer lugar, suelen reducir el coste, especialmente a medida que aumenta el número de ejes. En segundo lugar, reducen la complejidad del sistema porque un solo programa puede controlar todo el movimiento. Estos controladores de movimiento también proporcionan una mayor flexibilidad en la sincronización, ya que suelen permitir que cualquier eje se vincule a cualquier otro eje, y permiten modificar ese vínculo durante la ejecución del programa.

Después de la selección del controlador, tendrá que elegir una configuración de "caja" o de "placa". Una configuración de caja es un controlador cerrado capaz de funcionar de forma autónoma. Los controladores de placa se conectan a ordenadores industriales. Si ya dispone de un ordenador industrial en la máquina, una placa compatible puede reducir el coste y mejorar la integración del control y la máquina. Si no tiene previsto utilizar un ordenador industrial, el controlador en caja suele ser más fácil de añadir.

Evalúe el conjunto de características

Por último, evalúe las características del controlador. Tenga en cuenta las funciones comentadas hasta ahora: engranaje, levas, registro de alta velocidad y finales de carrera programables. La mayoría de los controladores ofrecen estas funciones de alguna manera, pero los detalles deben compararse con las necesidades de su aplicación. ¿Necesita cambiar las relaciones de transmisión durante el funcionamiento? ¿Necesita modificar los perfiles de las levas sobre la marcha? ¿Qué precisión de registro necesita? ¿Necesita cambiar la velocidad o la posición del objetivo durante el funcionamiento? ¿Admite el controlador suficientes ejes para esta aplicación? ¿Se adaptará a futuras versiones de su máquina?

Cómo afrontar el coste

El coste de los servocomponentes suele ser mayor que el de los componentes mecánicos a los que sustituyen. Sin embargo, algunos factores importantes mitigan este mayor coste. Por ejemplo, la eliminación de dispositivos mecánicos complejos puede reducir el coste total y el tamaño de la máquina, lo que puede aumentar el valor del sistema. El servocontrolador suele sustituir a un PLC; en este caso, se puede compensar todo el coste de la conversión a servos. La flexibilidad añadida puede reducir el número de modelos de máquinas o procesos necesarios para producir una línea de máquinas, reduciendo así los costes de fabricación.

Consideraciones generales

Más allá de las funciones de movimiento, hay otras cuestiones que deben plantearse. ¿Es el lenguaje capaz de soportar sus procesos? ¿Es tan complejo que tendrá que dedicar demasiado tiempo a aprenderlo? ¿Admite el producto la multitarea? La multitarea, una técnica que permite escribir programas diferentes para distintos procesos, simplifica la programación de máquinas complejas.

Todas estas preguntas pueden ser difíciles de responder, sobre todo si se es nuevo en el control electrónico del movimiento. La mayoría de las empresas que ofrecen controladores les dan un buen soporte. Durante su proceso de selección, haga muchas preguntas. Esto no sólo le ayudará a evaluar el producto, sino también el soporte. Por último, considere el futuro de la actividad de desarrollo en su empresa. Elija proveedores que puedan ofrecer productos y soporte ahora y en los próximos años.