Posicionados vs Perfiles CAM

El motivo de este articulo es dar a conocer las ventajas de realizar un movimiento sincronizado con un perfil CAM, frente a un simple posicionado. Mostrando un ejemplo de aplicación, sencillo, de un alimentador de prensas.

Descripción de la aplicación mediante posicionados.

En el siguiente gráfico se muestra el esquema de la aplicación para el caso de realizar el avance del material mediante posicionado relativo.

Se parte de una bobina de chapa, que mediante un motor AC -M01-, accionado por un variador de frecuencia, se encarga de mantener un bucle de chapa suficiente para que el servomotor -S01- pueda suministrar material a la prensa sin tener que tirar de la bobina.

Para mantener el nivel del bucle se dispone de dos sensores fotoeléctricos FT_UP y FT_DWN, cuando el nivel del bucle va disminuyendo y FT_UP detecta, M01 arranca y se mantiene en funcionamiento hasta que detecta FT_DWN, en este momento el bucle está en su máximo nivel y M01 se detiene, así se repite el proceso al alcanzar, de nuevo, FT_UP.

De esta forma S01 siempre tiene material “libre” disponible para realizar los avances, a la longitud introducida por el operario en el HMI.

Para iniciar el avance en el instante en que la prensa empieza a subir, una caja de levas electrónica, que mediante un encoder absoluto conoce la posición del cigüeñal, activa unas salidas digitales, en las posiciones angulares programadas. Una para iniciar el avance -DQ_Ini- y otra de seguridad para indicar el fin de la zona de avance permitida -DQ_Fin-

Los valores de velocidad /aceleración / deceleración y jerk para el posicionado relativo que realizará el avance del material se deben calcular para conseguir la máxima suavidad, lo que se traduce en la mínima aceleración, deceleración y jerk y por tanto el perfil de velocidad será triangular y redondeado (curva en S). A continuación, se muestran en azul los parámetros de entrada y en verde los resultados, junto con las formulas en lila. Los valores de aceleración y jerk se han calculado, tanto para que la velocidad salga triangular, como en curva en S.

Forma de la velocidad, Acel y Decel.

En los siguientes gráficos se muestran los perfiles de posición, velocidad y aceleración en este caso con velocidad triangular, puesto que se han empleado los valores de acel / decel y jerkQ.

En este perfil se ha buscado el valor mínimo de aceleración para evitar deslizamientos del material, por ello la velocidad es triangular. Pero, aunque el valor de la aceleración es el mínimo, el problema está en la forma de la aceleración, al ser una forma de onda cuadrada hace que el arranque sea muy brusco, pudiendo originar deslizamiento en el arrastre del material.

En el siguiente gráfico se muestra una forma más efectiva para evitar el problema del posible deslizamiento.

En este caso se ha calculado el nivel de jerk para que la forma de la aceleración y la deceleración sean triangulares, por lo tanto, la forma de la velocidad será en curva S.

Al limitar el valor de jerk, la aceleración va “acelerando” hasta alcanzar el valor deseado, al acelerar suavemente, en lugar de aplicar de golpe su máximo valor, es poco probable que el material deslice y por tanto este perfil es mucho más aconsejable que el anterior.

Pero no hay nada gratis, el coste del perfil triangular para minimizar el valor máximo de la aceleración es que la velocidad punta es superior a la de un perfil trapezoidal, lo que implica dimensionar el accionamiento para una mayor velocidad. En el perfil en curva S, la velocidad es mayor aún y además el pico de aceleración es el doble, lo que implica que el par de pico que debe dar el motor sea más elevado y probablemente haya que pasar a un tamaño de servodrive superior.

A favor del movimiento mediante un posicionado.

1. No se requiere un control PAC, con un PLC y un Servodrive con capacidad de realizar posicionados sería suficiente.

2. No se requiere la instalación de ningún encoder absoluto en el cigüeñal de la prensa

En contra del movimiento mediante un posicionado.

1. Hay que estar calculando, continuamente, los parámetros para el posicionado, en base a la velocidad de la prensa.

2. Para garantizar que el avance ha terminado antes de que llegue la señal -DQ_Fin- hay que aumentar la velocidad en un %, según el parámetro Fact.Seg.Vel

3. Con la velocidad en curva S, la aceleración es triangular, tampoco es la forma ideal.

4. En el caso de un paro imprevisto en la prensa, el material quedará “des posicionado”

5. No se puede hacer una alimentación a impulsos de la prensa, una vez se inicia el avance del material, difícilmente se podrá controlar.

Descripción de la aplicación mediante perfil CAM.

En el siguiente gráfico se muestra el esquema de la aplicación para el caso de realizar el avance del material sincronizado con el movimiento de la prensa, por medio de un perfil CAM

El funcionamiento, en general, es idéntico que en el caso anterior El cambio es que en este caso el avance del material está sincronizado con el movimiento de la prensa, como si hubiese una leva mecánica en el cigüeñal que generase el movimiento de avance, tal como muestra la siguiente imagen:

La parte en color lila corresponde al eje del cigüeñal, al que se le acopla la leva mecánica -en verde- esta leva produciría una diferencia de radio de 200 mm, por lo que al girar el cigüeñal produciría un desplazamiento del empujador lineal de 200 mm, el movimiento lineal tendría que volver a convertirse en rotativo para accionar los rodillos de arrastre. Lo importante en este caso es que sea cual sea el movimiento y la velocidad de la prensa, el arrastre siempre realizará el movimiento correcto, aunque la prensa la muevan a impulsos.

Nota: El gráfico es para entender el concepto, pero la forma de la leva no es exactamente la que correspondería a la aplicación.

Para convertir una leva mecánica a un perfil CAM, basta con fijar los puntos adecuados en los puntos del perfil, en este ejemplo serían los que muestra la tabla:

Con estos valores el gráfico del perfil sería este:

A favor del movimiento mediante perfil CAM.

1. El programa se simplifica considerablemente

2. Basta con fijar los puntos en el perfil. No hay que calcular ningún valor de velocidad, ni de acel/decel ni de jerk.

3. No hay que establecer ningún factor de seguridad para asegurar que el movimiento habrá finalizado al llegar al grado de fin de movimiento

4. Aunque la prensa se mueva a impulsos o que varíe su velocidad. El avance del material seguirá en todo momento al movimiento del cigüeñal.

5. Funcionamiento más suave.

6. Es la opción óptima para minimizar el deslizamiento porque la aceleración varía de forma casi senoidal.

7. Mayor precisión en el corte

8. El operario tiene el control total del movimiento desde el HMI, fijando la longitud y la posición de inicio y fin

9. Ante un paro imprevisto de la prensa, el material sigue en su posición.

En contra del movimiento mediante perfil CAM.

1. Se requiere un PAC para tener una entrada de encoder maestro y capacidad de realizar perfiles CAM.

2. Es posible que haya que sobredimensionar el accionamiento para conseguir el mismo tiempo de ciclo con aceleración casi senoidal.

3. Hay que instalar un encoder absoluto en el cigüeñal de la prensa o en cualquier otro lugar que dé una vuelta por golpe

En resumen

● No hay que pensarlo demasiado, todas las ventajas que ofrece el movimiento mediante un perfil CAM compensan ampliamente.

● La diferencia en el coste del hardware, quedará absorbida por el menor tiempo de programación, de puesta en marcha y por un mejor funcionamiento del alimentador.

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