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Componentes mecánicos en un sistema de control de movimiento.

Componentes mecánicos.

Los componentes mecánicos en un sistema de control de movimiento pueden ser más influyentes en los diseños del sistema que la circuitería electrónica usada para controlarlos. Salida de productos y rendimiento, requerimientos de operarios humanos, y temas de mantenimiento ayudan a determinar la mecánica, que en cambio influencia al controlador de movimiento y los requerimientos de software.

Los actuadores mecánicos convierten el movimiento rotativo del motor en movimiento lineal. Los métodos mecánicos para llevar a cabo esto incluyen el uso de tornillos de posicionamiento (leadscrews) , mostrado en la figura 1-10, tornillos de bolas ( ballscrews), mostrado en la figura 1-11, trasmisión por tornillo sinfín, mostrado en la figura 1-12, y transporte por correas, cables o cadenas. La selección del método está basada en los costos relativos de las alternativas y la consideración de efectos posibles de holgura o juego. Todos los actuadores tienen niveles finitos de rigidez de torsión y axial que pueden afectar a las características de frecuencia de respuesta del sistema.

Fig. 1-10. Transmisión por tornillo posicionador: A medida que el tornillo posicionador gira, la carga es trasladada en la dirección axial del tornillo.

 

Fig. 1-11. Transmisión por tornillo de bolas: Los tornillos de bolas usan bolas ( bolillas, perdigones) recirculantes para reducir la fricción y ganar mayor eficiencia que los posicionadores de tornillo convencionales.

 

Fig. 1-12. Los sistemas de transmisión por sinfín pueden proporcionar alta velocidad y un elevado esfuerzo de torsión.

Las guías lineares o etapas lineares motorizadas, ( linear guides or stages ) reducen el movimiento de translación de la carga a un solo grado de libertad. La guía linear soporta la masa de la carga a ser accionada y asegura un movimiento suave y  en línea recta a la vez que minimiza la fricción. Un ejemplo común de una guía linear es un dispositivo impulsado por tornillo de bolas de eje único, ilustrado en la figura 1-13 (Estos dispositivos tienen gran aplicación en minilabs de proceso de fotografía, Noritsu, Agfa, etc., que disponen muchos automatismo para el proceso de revelado).  El motor gira el tornillo a bolas, y su movimiento rotativo es traducido en movimiento lineal que mueve la mesa de transporte y la carga mediante la tuerca de perno en la mesa. Las correderas actúan como guías lineares. Como se muestra en la figura 1-7, estas mesas pueden ser equipadas con sensores de tipo rotativo, codificadores lineales o interferómetros de láser como transmisores de señal de retorno de posición.

Fig. 1-13. Mecanismo de etapa linear motorizada de eje único con transmisión de tornillo de bolas que traduce el movimiento rotativo en movimiento lineal.

Fig. 1-14. Esta guía linear de eje único para posicionamiento de carga, es soportado por cojinetes de aire a medida que se mueve a lo largo de la base de granito.

Una guía linear con transmisión a tornillo de bolas de eje único, con codificador rotativo acoplado al eje del motor proporciona una medición indirecta. Este método ignora la tolerancia, desgaste, y docilidad en los componentes mecánicos entre el transporte y el codificador de posición, que puede causar desviaciones entre las posiciones deseadas y las reales. Consecuente, este método limita la precisión de la posición a la precisión del tornillo a bolas, típicamente ± 5 a 10 µm por 300 mm.

Otros tipos de etapas de eje único incluyen aquellas que contienen elementos rodantes antifricción, tales como bolillas recirculantes o no recirculantes, rodillos, unidades de deslizamiento (contacto de fricción), unidades de corredera de aire, unidades hidrostáticas y unidades de levitación magnética ( Maglev).

Una guía de aire de eje único es mostrada en la figura 1-14. Algunos modelos en el mercado son de 3,9 pies de largo ( 1,2 m) e incluyen una mesa de transporte para montaje de cargas. Al ser impulsadas por servomotores lineales, las cargas pueden alcanzar velocidades de 9,8 pies/seg. ( 3 m/s). Como se ve en la figura 1-7, estas etapas pueden estar equipadas con dispositivos de retroalimentación tales como económicos codificadores lineales o interferómetros láser de ultra alta resolución. La resolución de este tipo de etapa con codificador lineal sin contacto puede ser tan fina como 20 nm y la precisión puede ser de ±1 µm. Sin embargo, estos valores pueden ser incrementados a 0,3 nm de resolución y precisión de submicrón si un interferómetro laser es instalado.  

Fig. 1-15. Acoples flexibles de ejes para ajustar y acomodar desalineamientos paralelos de trasmisión  (a) y angulares (b) entre ejes rotantes.

Fig. 1-16. Acoples de fuelles (a) son aceptables para aplicaciones de alta exigencia. Los desalineamientos pueden ser de 9° angular o ¼ “ en paralelo. Los acoplamientos helicoidales (b) evitan rebotes y pueden operar a velocidad constante con desalineamientos y funcionar a alta velocidad.

La estructura sobre la cual el sistema de control de movimiento está montado afecta directamente al desempeño del sistema. Una base diseñada correctamente o la máquina de contención proporcionarán una elevada amortiguación y actuará como barrera de contención para aislar el sistema de movimiento de su medio ambiente y minimizará el impacto de alteraciones externas. La estructura debe ser lo suficientemente firme y amortiguada para evitar problemas de resonancia. Una masa altamente estática a una relación de masa recíproca puede además prevenir que el sistema de control de movimiento excite su estructura de contención hacia una resonancia riesgosa.

Cualquier grupo de componentes que se muevan afectara la respuesta del sistema cambiando la cantidad de inercia, amortiguación, fricción, rigidez, o resonancia. Por ejemplo, un acople de eje flexible, como se muestra en la figura 1-15, compensará desalineamientos menores (a) paralelos y (b) angulares entre los ejes rotantes.  Los acoples flexibles están disponibles en otras configuraciones tales como fuelles y hélices, como se ve en la figura 1-16. La configuración de fuelle (a) es aceptable para aplicaciones de alta exigencia donde los desalineamientos pueden ser tan elevados como 9° angular o ¼ “ en paralelo. En contraste, las transmisiones helicoidales (b) evitan el contragolpe a velocidad constante con algún desalineamiento, y las mismas pueden hacerse funcionar a alta velocidad.

Otros componentes mecánicos móviles incluyen cables de transporte que retienen los cables móviles, fines de carrera que restringen el recorrido, amortiguadores para disipar la energía durante una colisión y tapas de gabinete para evitar el ingreso de polvo o suciedad.

Componentes de los sistemas electrónicos.

El controlador de movimiento es el “cerebro” del sistema de control de movimiento y lleva a cabo todos los cálculos requeridos para el planeamiento del recorrido del movimiento, cierre del lazo de servo, y secuencia de ejecución. Este dispositivo es esencialmente una computadora dedicada al control del movimiento que ha sido programada por el usuario final para el desempeño de las tareas asignadas. El controlador de movimientos produce una señal de comando de baja potencia en formato digital o analógico para el comando del motor o amplificador.

Desarrollos técnicos significativos han llevado a una creciente aceptación de los controladores programables de movimiento a lo largo de los últimos años; esto incluye la rápida disminución en el costo de los microprocesadores, así como el dramático incremento en su capacidad de procesamiento. Sumado a ello, está la disminución de los costos de memorias y discos mas avanzados. Durante los últimos años, la capacidad de estos sistemas para mejorar la calidad así como incrementar la capacidad de producción, y proveer entregas justo a tiempo ha mejorado significativamente.

El controlador de movimiento es el componente más crítico en el sistema debido a su dependencia del software. Por el contrario, la selección de muchos motores, actuadores, sensores de retroalimentación, y mecanismos asociados es menos crítica debido a que los mismos pueden usualmente ser cambiados durante la fase de diseño o aún después en campo, con menor impacto sobre las características del sistema en cuestión.

La decisión de instalar cualquiera de las tres clases de controladores de movimiento debería estar basada en su habilidad para controlar tanto el número, como los tipos de motores requeridos para la aplicación, así como la disponibilidad del software que proveerá el desempeño óptimo para la aplicación. También para ser considerado están las capacidades multitareas del sistema, el número de puertos de entrada/salida (I/O) requeridos, y la necesidad de características tales como interpolación lineal y circular, así como simulación electrónica de transmisión mecánica y de efectos de levas ("electronic gearing and camming" en Inglés).

En general, un controlador de movimiento recibe un juego de instrucciones del operador desde un servidor o desde una interfase de usuario, y el mismo responde con las correspondientes señales para el comando del motor o los actuadores que controlan el motor, o el motor que controla la carga.

Selección del motor.

Los motores más populares para los sistemas de control de movimiento son los motores por pasos (stepping or stepper motors) y los servomotores de imán permanente (PM) de corriente continua con o sin escobillas ( o delgas) . Los motores por pasos son seleccionados para estos sistemas, debido a que pueden funcionar en lazo abierto sin sensores de retroalimentación. Estos motores son indexados o rotados parcialmente por pulsos digitales que hacen girar sus rotores en fracciones fijas o una revolución donde serán posicionados seguramente por su torque correspondiente. Los motores por pasos son una elección económica y confiable para muchas aplicaciones que no requieran la rápida aceleración, alta velocidad y precisión de posición de los servomotores.

Sin embargo, un lazo de retroalimentación puede mejorar la precisión de posicionamiento de un motor por pasos sin recurrir a los mayores costos de un servosistema completo. Algunos controladores de movimiento a motor por pasos pueden alojar un lazo cerrado.

Los servomotores de imán permanente de corriente continua tienen armaduras bobinadas o rotores que giran dentro del campo magnético producido por un estator de imán permanente. A medida que el rotor gira, la corriente es aplicada secuencialmente a los bobinados de armadura apropiada  por un conmutador mecánico consistente en dos o más escobillas que se deslizan sobre un anillo de segmentos de cobre aislados. Estos motores son muy confiables, y las versiones modernas pueden proporcionar un muy alto desempeño a muy bajo costo.

Existen variaciones del servomotor de corriente continua tipo escobilla con su rotor de núcleo de hierro que permite una mas rápida aceleración y desaceleración debido a su baja inercia y armaduras livianas tipo copa o disco. La armadura tipo disco del motor de marco radial, por ejemplo, tiene su masa concentrada en forma cercana a la placa de recubrimiento del motor, permitiendo un gabinete corto y cilíndrico plano. Esta configuración hace al motor adecuado para el montaje desde su armazón en un espacio restringido, una característica especialmente útil en robots industriales u otras aplicaciones donde el espacio no permite la instalación de soportes para montajes de un motor con dimensiones de longitud mayores.

El motor de corriente continua tipo escobilla con una armadura tipo copa ofrece además menor peso e inercia que los servomotores convencionales de corriente continua. Sin embargo, la contraparte en el uso de estos motores es la restricción en sus ciclos de trabajo debido a que las armaduras con encapsulado de epoxi no pueden disipar la acumulación de calor tan fácilmente como las armaduras con núcleo de hierro, y por lo tanto están sujetas a daños o destrucción si son sobrecalentadas.

Sin embargo, cualquier motor con conmutación de escobillas puede ser inadecuado para algunas aplicaciones debido a la interferencia electromagnética (EMI en Inglés) causada por el chisporroteo de las escobillas o la posibilidad del que el chisporroteo pueda incendiar fluidos inflamables cercanos, polvo suspendido en el aire, o vapor, provocando un peligro de incendio o explosión. La interferencia electromagnética generada puede afectar adversamente circuitos electrónicos cercanos. Adicionalmente, las escobillas del motor tienen desgaste y dejan un residuo resinoso que puede contaminar instrumentos sensibles cercanos o superficies del piso. Estos tipos de motores a escobillas deben ser limpiados constantemente para prevenir la dispersión de los residuos del motor. Además, las escobillas deben ser reemplazadas periódicamente, causando tiempos de paradas improductivos.

Los motores de corriente continua de imán permanente sin escobillas resuelven estos problemas y ofrecen los beneficios de la conmutación electrónica en vez de la conmutación mecánica. Construidos como motores de corriente continua de adentro hacia fuera, los motores sin escobilla típicos tienen rotores de imán permanente y espiras bobinadas en el estator.

La conmutación es llevada a cabo por dispositivos internos sin contacto de efecto Hall (HEDs en Inglés) posicionados dentro de los devanados del estator. Los HEDs son bobinados a un circuito de conmutación con transistores de potencia, que es montado externamente en módulos separados, pero en algunos motores va colocado internamente en plaquetas de circuito. Alternativamente, la conmutación puede ser llevada a cabo por un codificador conmutador o por software de conmutación residente en el controlador de movimiento o accionamiento del motor.

Los motores de corriente continua sin escobillas exhiben baja inercia y menor resistencia térmica de bobinados que los motores a escobillas debido a que sus imanes de alta eficiencia permiten el uso de rotores más cortos con menores diámetros. Más aún, debido a que no están sobrecargados con contactos mecánicos deslizantes, pueden funcionar a mayores velocidades ( 50.000 rpm o más), proporcionan torque continuo mayor, y aceleran mas rápido que los motores a escobillas. Sin embargo, los motores sin escobillas aún cuestan más caros que motores a escobillas de iguales características (a pesar de que la diferencia de precio continua en baja) y su instalación contribuye al costo del sistema de control de movimientos y su complejidad en conjunto. La tabla 1-1 da un resumen de algunas de las características mas sobresalientes de los motores por pasos, de magneto permanente a corriente continua con  y sin escobillas.

  motores por pasos motores de imán permanente con escobillas motores de imán permanente sin escobillas
costo Bajo Medio Elevado
estabilidad Baja Buena a excelente Buena a excelente
Rango de velocidades 0-1500 rpm ( típica) 0-6000 rpm 0-10.000 rpm
Torque Elevado ( cae con la velocidad) Medio Elevado
Retroalimentación requerida Ninguna Si Ninguna
Mantenimiento Ninguno Si Ninguno
Limpieza Excelente Polvillo de escobilla Excelente

Tabla 1-1. Comparación de características de motores por pasos, y servomotores de imán permanente de corriente continua con o sin escobilla.

El motor lineal, otra característica de impulsión, puede mover la carga directamente, eliminando la necesidad de mecanismos de conversión de movimiento intermedios. Estos motores pueden acelerar rápidamente y ubicar cargas con precisión a alta velocidad debido a que no tienen partes móviles en contacto entre sí.  Son esencialmente motores rotativos que han sido abiertos y desenrollados, y tienen las mismas características de los motores convencionales. Pueden reemplazar motores rotativos convencionales para desplazar tornillos posicionadores (leadscrews ), tornillos a bolas ( ballscrews), o etapas lineales motorizadas de eje único o arrastradas por correas, pero no pueden ser acoplados a engranajes que pudieran cambiar sus características de movimiento. Si se requiere un incremento de desempeño de un motor lineal, el motor existente debe ser reemplazado por uno mas largo.

Los motores lineales deben operar en lazos de cerrados, y requieren típicamente sensores de retroalimentación más costosos. Adicionalmente, se debe dejar espacio para un movimiento libre del cable de alimentación del motor, que tiene un desplazamiento en una y otra dirección a lo largo del recorrido. Más aún, sus aplicaciones están además limitadas, debido a su inhabilidad para disipar el calor tan rápidamente como los motores rotativos con armazón metálico y aletas de enfriamiento, y la exposición a los campos magnéticos de algunos modelos pueden atraer objetos ferrosos, creando un riesgo en la seguridad.

Circuitos de comando del motor ( Amplificadores).

Los circuitos de comando de motores o amplificadores deben ser capaces de accionar sus motores asociados – motor por pasos, sin escobilla o lineal. Un circuito de comando para un motor por pasos puede ser verdaderamente simple debido a que necesita sólo unos pocos transistores de potencia para energizar secuencialmente las fases del motor de acuerdo con al número de pulsos digitales recibidos desde el controlador de movimiento. Sin embargo, circuitos de comando mas avanzados de motores por pasos pueden controlar la corriente del motor, permitiendo un “micropaso”, una técnica que permite al motor posicionar la carga más precisamente.

Los amplificadores de servocomando  para motores con o sin escobillas típicamente reciben señales con voltajes analógicos de ± 10 VCC desde el controlador de movimiento. Estas señales corresponden a los comandos de corriente o voltaje. Al ser amplificadas, las señales controlan tanto la dirección como la magnitud de la corriente en los bobinados del motor. Dos tipos de amplificadores son usados generalmente en sistemas servo de lazo cerrado: lineal y por modulación de ancho de pulso (PWM).

Los amplificadores de modulación de ancho de pulso predominan, debido a que son más eficientes que los amplificadores lineales y pueden proveer hasta 100 W. Los transistores en los amplificadores PWM (así como en las fuentes de alimentación PWR) son optimizados para modo de conmutación, y son capaces de conmutar  el voltaje de  salida del amplificador a frecuencias de hasta 20 kHz. Cuando los transistores de potencia son conmutados a conducción (estado “on”), se saturan, pero cuando son desconectados (estado “off”), no existe conducción de corriente. Este modo operativo reduce la disipación de potencia del transistor y eleva su eficiencia. Debido a sus elevadas frecuencias operativas. Los componentes magnéticos en los amplificadores PWM pueden ser menores y más livianos que aquellos de los amplificadores lineales. Así todo el módulo de comando o potencia puede ser encapsulado en un gabinete más pequeño y liviano.

Por el contrario, los transistores de potencia en los amplificadores lineales están en estado de conducción, a pesar de que los requerimientos de potencia de salida puedan ser variables. Este modo operativo gasta potencia, resultando en una menor eficiencia operativa al someter a los transistores de potencia a esfuerzos térmicos. Si embargo, los amplificadores lineales permiten una operación del motor más suave, un requerimiento para algunos sistemas de control de movimiento. Adicionalmente, estos amplificadores generan menores emisiones electromagnéticas que los transistores de conmutación, por lo tanto no requieren el mismo grado de filtrado. Por el contrario, los amplificadores lineales típicamente tienen regímenes de potencia máximos más bajos que los amplificadores conmutados.

Sensores de retroalimentación.

El retorno de la señal de posición o retroalimentación, es el mayor requerimiento  en un sistema de movimiento de lazo cerrado, y el sensor más popular para proporcionar esta información es el codificador óptico rotativo. Los ejes axiales de esos codificadores son acoplados mecánicamente a los ejes de rotación del motor. Pueden generar pulsos u ondas senoidales que pueden ser contadas por el controlador de movimiento para determinar la posición del motor o de la carga y la dirección de movimiento en cualquier momento para permitir un posicionamiento cercano. Los codificadores analógicos producen ondas senoidales que deben ser condicionadas por circuitos externos para contabilizar, pero los codificadores digitales incluyen circuitos para convertir ondas senoidales en pulsos.

Los codificadores ópticos rotativos absolutos producen palabras binarias para el controlador de movimiento que proporcionan información de posición precisa. Si son detenidos accidentalmente debido a fallas de alimentación, estos codificadores preservan la palabra binaria debido a que la última posición de la rueda de código del codificador actúa como memoria.

Los codificadores ópticos lineales, por el contrario, producen pulsos que son proporcionales a la distancia lineal real del movimiento de la carga. Estos trabajan sobre los mismos principios que los codificadores lineales, pero las graduaciones están talladas sobre un disco estacionario o escala de metal mientras el cabezal de lectura se mueve a los largo de la escala.

Los tacómetros son generadores que proveen señales analógicas que son directamente proporcionales a la velocidad del eje del motor. Están mecánicamente acoplados al eje del motor y pueden ser ubicados dentro del armazón del mismo. Luego de que la señal de salida del tacómetro es convertida a formato digital por el controlador de movimiento, una señal de retroalimentación es generada por el comando de potencia para mantener la velocidad del motor dentro de los límites prefijados.

Otros sensores de retroalimentación comunes incluyen resolvers, transformadores diferenciales lineales variables, Inductosyns, y potenciómetros. Menos comunes son los interferómetros láseres más precisos. La selección del sensor de retroalimentación está basada en una evaluación de la precisión del sensor, repetibilidad, resistencia física, límites de temperatura, tamaño, peso, requerimientos de montaje y costo, con la relativa importancia de cada una determinada por la aplicación.

Instalación y operación del sistema.

El diseño y la implementación de un sistema de control de movimiento de costo efectivo requieren un alto grado de profesionalismo de parte de la persona o personas responsables de la integración del sistema. Es raro que un variado grupo de componentes puedan ser sacados de sus cajas, instalados e interconectados para formar un sistema efectivo instantáneamente. Cada servosistema (y muchos sistemas por pasos) deben ser ajustados (estabilizados) a las condiciones de carga  y medio ambiente. Sin embargo, el tiempo de instalación y desarrollo puede ser minimizado si los requerimientos del cliente son definidos con precisión, óptimos componentes son seleccionados y las herramientas de puesta a punto y de corrección de errores son aplicadas correctamente. Más aún, los operarios deben ser bien entrenados en clases formales o, al menos, deben tener un claro entendimiento de la información de los manuales técnicos de los fabricantes obtenido mediante una lectura cuidadosa.

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