Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingenierı́a
Escuela de Ingenierı́a Eléctrica
Puesta en marcha de la máquina CNC
biaxial ATS superbot del Laboratorio de
Automática
Por:
Denis Porras Gómez
Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica
Diciembre 2013
Puesta en marcha de la máquina CNC
biaxial ATS superbot del Laboratorio de
Automática
Por:
Denis Porras Gómez
IE-0499 Proyecto eléctrico
Aprobado por el Tribunal:
Ing. Mauricio Espinoza Bolaños
Profesor guı́a
PhD. Randolph Steinvorth Fernández
Profesor lector
PhD. Juan Luis Crespo Mariño
Profesor lector
A mi diosa coronada: Rebeca
Sánchez Morales, por quien doy
lo mejor de mı́, para algún dı́a
merecer su amor.
v
Resumen
Este proyecto le permite al Laboratorio de Automática contar con la CNC
ATS superbot como uno más de los elementos de aprendizaje, dándole la oportunidad a profesores y alumnos de que puedan implementar futuros proyectos,
con un equipo de altas prestaciones y capacidades tales como las que demanda
la industria.
Inicialmente este equipo se encontraba fuera de servicio, fue recibido como
una donación del Laboratorio de Mecatrónica del IINI a la Escuela, y se decide
ponerlo en funcionamiento a disposición del laboratorio.
La máquina debió adaptarse a las necesidades y caracterı́sticas del laboratorio. Luego de acondicionar la alimentación y corroborar el buen funcionamiento de los distintos componentes, se realizó un control de posición con la
R
herramienta de software LabVIEW
.
Con el programa creado el usuario puede llevar la máquina a posición de
inicio, o como es común llamarle: posición de home, y luego correr una rutina
básica de funcionamiento o moverla manualmente.
R
La máquina ahora cuenta con un programa desarrollado en LabVIEW
con el cual puede controlarse la posición del actuador tras ingresar una secuencia de coordenadas a seguir, además del tiempo para que estas se ejecuten.
Además el programa protege a la máquina para que aunque se ingresen posiciones más allá de los lı́mites fı́sicos, que esta no lo permita.
vi
Índice general
Índice de figuras
viii
Índice de cuadros
ix
Nomenclatura
xi
1 Introducción
1.1 Alcance del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Metodologı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
1
2
2 Antecedentes
2.1 Estructura mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Componentes eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
6
3 Desarrollo
3.1 Adecuación preliminar del equipo
3.2 Determinación de la solución . .
R
3.3 Programa de LabVIEW
. . . .
3.4 Cuidados que se deben tener . .
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11
11
13
15
21
4 Conclusiones y recomendaciones
23
4.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Bibliografı́a
25
R
A Manual de programa creado en LabVIEW
27
vii
Índice de figuras
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
ATS superbot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Condiciones en las que se encontraba el equipo (1) . . . . . . . . .
Condiciones en las que se encontraba el equipo (2) . . . . . . . . .
Esctructura mecánica H-bot (ATS, 2004) . . . . . . . . . . . . . . .
Partes de la H-bot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Movimiento de ejes según el giro de los motores . . . . . . . . . .
Componentes eléctricos de la CNC, modificada de Emerson (1995)
Motores eléctricos de la CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Drivers de la CNC, modificada de Emerson (1995) . . . . . . . . .
Controlador de coordenadas de la CNC (DeltaTau, 2002) . . . . .
Diagrama eléctrico de la máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1
3.2
3.3
3
4
4
5
5
6
7
7
8
9
10
Interfaz gráfica del programa creado . . . . . . . . .
Transformador para alimentación de la máquina . .
Arriba: Antes del reacomodo del cableado. Abajo:
reacomodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Lazo de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Relación velocidad de motores y referencia . . . . . .
3.6 Respuesta del motor 1 a lazo abierto . . . . . . . . .
3.7 Respuesta del motor 2 a lazo abierto . . . . . . . . .
3.8 Lı́neas de comando de los drivers . . . . . . . . . . .
3.9 Respuesta a lazo cerrado . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10 Faja dentada dañada . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . .
Después
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del
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13
16
16
17
18
19
20
22
A.1
A.2
A.3
A.4
A.5
A.6
A.7
A.8
A.9
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28
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30
30
30
31
31
Puerto de comunicación RS-232 . . . . .
Interruptor principal . . . . . . . . . . .
Botón de encendido . . . . . . . . . . .
Control portable con pare de emergencia
R
Captura del programa de LabVIEW
Ajustes de comunicación . . . . . . . . .
Botón de Run . . . . . . . . . . . . . . .
Botón de home . . . . . . . . . . . . . .
Vectores de coordenadas y tiempo . . .
viii
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12
12
A.10 Movimiento manual e indicador gráfico . . . . . . . . . . . . . . . .
32
Índice de cuadros
2.1
Componenetes principales de la máquina . . . . . . . . . . . . . . .
ix
10
Nomenclatura
AT S
Automation Tooling Systems.
CAD
diseño asistido por computadora, por sus siglas en inglés.
C(s)
función de transferencia del controlador.
CN C
control numérico computacional, por sus siglas en inglés.
e(s)
señal de error del lazo de control.
F (s)
función de transferencia del filtro.
K
ganancia de la planta.
L
tiempo muerto de función de transferencia.
P (s)
función de transferencia de la planta.
P LC
controlador lógico programable, por sus siglas en inglés.
PWM
modulación por ancho de pulso, por sus siglas en inglés.
r(s)
señal de valor deseado.
Tf
constante de tiempo del filtro.
u(s)
salida del controlador.
V AC
tensión en corriente alterna, por sus siglas en inglés.
y(s)
señal realimentada.
xi
1
Introducción
1.1
Alcance del proyecto
Esta máquina está acondicionada con varios componentes como PLC, motores
trifásicos, sensores de final de carrera, elementos neumáticos, de los cuales sólo
se utilizaron aquellos componentes eléctricos y mecánicos que se encarguen del
movimiento cartesiano del actuador.
1.2
Objetivos
Objetivo general
Poner en marcha el sistema CNC ATS Superbot, para el desarrollo de una
rutina predefinida.
Objetivos especı́ficos
Para el desarrollo de este proyecto se establecieron los siguientes objetivos:
• Levantar el diagrama de conexión existente de los componentes que pueden ser utilizados en la aplicación a implementar del sistema eléctrico
de la CNC biaxial.
• Desarrollar una lista de los principales componentes eléctricos con sus
principales caracterı́sticas y especificaciones, en el sistema ATS Superbot.
• Implementar la instalación eléctrica necesaria para alimentar la CNC
ATS Superbot.
• Investigar las capacidades y limitaciones del software existente para el
control del sistema ATS Superbot.
• Determinar la viabilidad de realizar una propuesta de reestructuración,
para la puesta en marcha de un sistema aprovechable a nivel de laboratorio, adecuando la configuración de los componentes del sistema, de ser
necesario, para la nueva aplicación.
• Verificar el adecuado funcionamiento del sistema CNC ATS.
1
2
1 Introducción
• Realizar un manual de usuario para el sistema CNC ATS.
1.3
Metodologı́a
El desarrollo del trabajo incluyó los siguientes pasos y procedimientos:
1. Investigación inicial de la máquina para valorar la posibilidad de su
puesta en marcha, determinando si con la disponibilidad de partes con
las que se cuenta es posible lograr los objetivos planteados.
2. Determinación de las caracterı́sticas eléctricas de la alimentación del
equipo.
3. Acondicionamiento de la tensión eléctrica disponible en el laboratorio a
la del equipo mediante la instalación de un transformador.
4. Investigación de los componentes más importantes de la máquina, como
motores, drivers y controladores.
5. Investigación del funcionamiento del sistema que controla el funcionamiento de la CNC.
R
6. Desarrollo de un programa en LabVIEW
para controlar la máquina.
7. Implementación de una rutina ejecutable por la máquina.
2
Antecedentes
La ATS superbot, figura 2.1, es un robot cartesiano de dos coordenadas, x y
y. Este tipo de máquinas se les conoce como una máquina de control numérico
computarizado (CNC).
Las CNC pueden mover un actuador en dos o tres coordenadas. Este actuador varı́a dependiendo de la aplicación en la que se utilice. Ya sea cortando
algún material con un LASER, o realizando perforaciones con un taladro, por
ejemplo.
Este equipo se encontraba en el Laboratorio de Automática de la Escuela
de Ingenierı́a Eléctrica a la espera de su puesta en marcha. En un principio
se desconocı́a el estado de la máquina, y como parte previa al proyecto fue
necesario alimentarla y realizar una serie de pruebas para determinar si se
podı́a continuar con el objetivo principal.
Cabe recalcar que las condiciones en las que se encontraba el equipo no eran
las mejores, ya que además de desconocer si sus componentes se encontraban en
Figura 2.1: ATS superbot
3
4
2 Antecedentes
Figura 2.2: Condiciones en las que se encontraba el equipo (1)
Figura 2.3: Condiciones en las que se encontraba el equipo (2)
buenas condiciones, el cableado habı́a sido manipulado de manera inadecuada
antes de que la máquina llegara al laboratorio, y habı́a evidencia de que algunas
partes habı́an sido removidas. En las figuras 2.2 y 2.3 se muestra un poco las
condiciones en las que se encontraba el equipo.
2.1
Estructura mecánica
La parte mecánica de esta máquina está constituida por una estructura denominada H-bot, la cual posee tres rieles en forma de H, de ahı́ su nombre.
Estos se mueven de tal forma que le permite al actuador abordar cualquier
punto del área rectangular abarcada. La estructura mecánica de la H-bot se
muestra en la figura 2.4.
La H-bot, tal y como se muestra en la figura 2.5, posee una banda dentada
de trayectoria cerrada que recorre toda la estructura pasando por ambos ejes
de los motores y varias poleas, esto para hacer mover el actuador que se
encuentra sujeto fijamente en un punto de la banda.
El movimiento del actuador en cada uno de los ejes x y y es relativo al
giro de ambos motores y no únicamente al de uno sólo, a diferencia de otras
2.1. Estructura mecánica
5
Figura 2.4: Esctructura mecánica H-bot (ATS, 2004)
M1
M2
Figura 2.5: Partes de la H-bot
6
2 Antecedentes
M1
M2
M1
M2
M1
M2
M1
M2
Figura 2.6: Movimiento de ejes según el giro de los motores
máquinas en las que cada eje posee un motor independiente.
Por lo tanto, si se desea realizar un desplazamiento en cualquiera de los dos
ejes deberán moverse ambos motores. La relación entre el giro de los motores
y el desplazamiento en las coordenadas se aprecia en la figura 2.6.
2.2
Componentes eléctricos
La parte eléctrica que controla la CNC se estructura básicamente como se
muestra en la figura 2.7.
Los motores utilizados por esta máquina, Emerson DXM-340C, figura 2.8,
son motores trifásicos de tecnologı́a DC sin escobillas. Estos son comandados
cada uno por un driver o controlador, de igual forma DC sin escobillas marca
Emerson LX-700, que se muestran en la figura 2.9.
Estos controladores se encargan de brindarle la alimentación necesaria a los
motores para que giren a distintas velocidades, esto es posible haciendo variar
el ancho de pulso de encendido de los transistores internos de conmutación
2.2. Componentes eléctricos
7
Figura 2.7: Componentes eléctricos de la CNC, modificada de Emerson (1995)
Figura 2.8: Motores eléctricos de la CNC
8
2 Antecedentes
Figura 2.9: Drivers de la CNC, modificada de Emerson (1995)
(Emerson, 1995), esta tecnologı́a se conoce como modulación por ancho de
pulso, o PWM, por sus siglas en inglés (pulse-width modulation), de esta forma
se pueden variar la tensión promedio y la frecuencia.
El conjunto motor-driver es en sı́ un sistema de control realimentado, y
por lo tanto el lazo de control debe cerrarse de alguna manera. Este se realiza
mediante unos resolvers que se encuentran en la parte posterior de cada motor.
Un resolver (Ellis, 2002) es un dispositivo electromagnético que es capaz
de medir la posición angular relativa en la que se encuentra el eje del motor,
y de esa forma se cierra el lazo de control.
Para ser comandados, los drivers reciben una señal analógica de entre -10 V
y 10 V la cual es la señal de referencia de velocidad angular, y adicionalmente
una señal de habilitación o enable, la cual debe estar activa para que el motor
gire.
La velocidad máxima de estos motores es de 3000 rpm. Por lo tanto, ante
una señal analógica de 10 V en la referencia se alcanza dicha velocidad en
sentido horario, y con una señal de -10 V 3000 rpm pero en sentido anti
horario. La relación que existe entre la entrada analógica y la velocidad de los
motores es idealmente proporcional.
Los drivers poseen tarjetas adicionales que convierten las señales analógicas del resolver en señales digitales de un encoder. Un encoder al igual que un
resolver, indica la posición de eje de un motor, pero mediante pulsos digitales
(Ellis, 2002).
2.2. Componentes eléctricos
9
Figura 2.10: Controlador de coordenadas de la CNC (DeltaTau, 2002)
Otro componente importante es el controlador de coordenadas programable, marca Delta Tau y modelo PMAC Pack, figura 2.10. Este recibe información de las salidas de encoder que poseen los drivers, basado en esta información el controlador puede conocer la posición angular relativa en la que se
encuentran los motores.
El controlador posee además salidas analógicas para dar el comando de
velocidad requerido, y salidas digitales para darle la señal de enable a los
drivers.
De esta forma, conociendo la posición de los motores, y a través de las
salidas analógicas, el controlador es capaz de manipular la posición de los
motores, el cual forma parte del principio básico de funcionamiento de la
CNC.
Una sı́ntesis de los principales componentes que se utilizaron en el desarrollo del proyecto se muestran en el cuadro 2.1. De igual forma la máquina
cuenta con una serie de componentes los cuales no fueron utilizados en este
desarrollo, como por ejemplo:
• PLC Allen Bradley SLC-500, con un rack de 13 espacios, 5 módulos de
32 entradas digitales cada uno, y 4 módulos de 16 salidas digitales cada
uno.
• Electroválvulas neumáticas.
• Pistones neumáticos son sensores de final de carrera.
• Regletas de optoacopladores digitales de 24 VDC.
• Contactores.
Un diagrama eléctrico básico de la CNC se muestra en la figura 2.11.
10
2 Antecedentes
Cuadro 2.1: Componenetes principales de la máquina
Componente
M arca
M odelo
Especif icaciones
Drivers
(Emerson, 1995)
Emerson
LX-700
220 VAC trifásico,
salida 2kW, 7A
Control de movimiento
(DeltaTau, 2002)
Delta Tau
PMAC Pack
Control de hasta
4 servo-motores
Servomotores trifásicos
(Emerson, 1995)
Emerson
DXM-340C
240VAC, 6.5A, 1.43Hp,
1.06kW, 3000RPM
Figura 2.11: Diagrama eléctrico de la máquina
3
Desarrollo
En la imagen 3.1 se muestra la interfaz gráfica creada en el programa de LabR
VIEW
. Mediante este programa se pueden realizar las siguientes acciones:
1. Ajustar los parámetros de comunicación entre la computadora y el controlador de la máquina.
2. Llevar la máquina a home o posición de inicio.
3. Mover el actuador manualmente.
4. Ver la respuesta de los motores en función de las entradas dadas.
5. Ver gráficamente la posición del actuador mediante un gráfico X,Y.
6. Ingresar vectores de tiempo y coordenadas para la ejecución de la rutina
automática.
7. Obsevar mediante los indicadores de finales de carrera la actividad estos.
8. Detener la ejecución del programa.
3.1
Adecuación preliminar del equipo
Inicialmente fue necesario adecuar la alimentación eléctrica de la máquina, esto
debido a que la tensión de alimentación de la escuela es de 480 VAC trifásico y
la máquina requiere de 230 VAC trifásico para su correcto funcionamiento. Por
lo que se procedió a colocar un transformador que se encontraba disponible
en el laboratorio, este se muestra en la figura 3.2.
También se requirió de una revisión del cableado, de los componentes mecánicos y eléctricos que formarı́an parte del proyecto para determinar la viabilidad de este.
De tal manera, se consiguieron los manuales de los componentes del cuadro
2.1, se compararon las configuraciones recomendadas por los fabricantes con
las diferentes interconexiones entre los equipos que componı́an la máquina, y
basado en ello se realizaron una serie de pruebas básicas para dar inicio con
el desarrollo del proyecto.
Además de esto, se reacomodó el cableado eléctrico puesto que el estado
inicial de la máquina dificultaba el trabajo en esta. En la figura 3.3 se aprecia
el cambio que tuvo la máquina antes y después del reacomodo del cableado.
11
12
3 Desarrollo
Figura 3.1: Interfaz gráfica del programa creado
Figura 3.2: Transformador para alimentación de la máquina
3.2. Determinación de la solución
13
Figura 3.3: Arriba: Antes del reacomodo del cableado. Abajo: Después del
reacomodo
3.2
Determinación de la solución
Originalmente el controlador Delta Tau se encargaba del manejo de la aceleración, velocidad y posición de los motores, basado en rutinas previamente
cargadas a través de programas.
Durante una etapa inicial del proyecto se buscaba la posibilidad de lograr
que la máquina pudiese ser controlada únicamente con el controlador de coordenadas Delta Tau, en donde se cargarı́a uno o varios programas previamente
diseñados, los cuales contenı́an las rutinas que se deseaba que ejecutara la
máquina, para ello se contaba con el programa propio de este equipo, llamado
Pewin32PRO2.
Uno de los obstáculos que se presentaron fue la falta de la licencia para el
manejo del software del equipo, del cual se contaba con una versión de prueba,
que luego de 30 dı́as de uso emitı́a un mensaje de alerta cada 30 segundos que
complicaba el uso de la máquina.
Este mensaje era molesto a la hora de trabajar, pero también representaba
un problema, por ejemplo si a la hora de enviar un comando de movimiento y
el mensaje de alerta era emitido, el movimiento no podı́a ser detenido si antes
14
3 Desarrollo
no se cancelaba el mensaje, esto podı́a provocar que no se pudiera detener
algún motor a tiempo y causar un daño a la máquina.
A pesar de los intentos realizados por lograr controlar la máquina con el
Delta Tau, no se logró que este ejecutara las rutinas como lo indicaban los
manuales técnicos del fabricante. Haciendo un intento más allá, se contactó al
fabricante de la máquina, la empresa ATS, solicitándoles vı́a correo electrónico los datos de configuración originales del equipo para desechar cualquier
posibilidad de algún error de programación.
La solicitud fue contestada cordialmente y la información fue enviada luego de indicarles el número de serie de la máquina. Sin embargo, se realizaron
pruebas con los parámetros y programas recibidos sin obtener resultados positivos.
Las pruebas realizadas para determinar la funcionalidad del programa Pewin32PRO2 consistieron básicamente en ejecutar comandos desde la terminal
de este, los cuales debı́an provocar desde movimientos independientes en cada
motor hasta ejecutar rutinas de movimientos circulares en el actuador. Estas
funciones, a pesar de que se contaba con los parámetros de fábrica de la máquina, no dieron resultados positivos. Nunca fue posible lograr tan siquiera
que los comandos más básicos funcionaran.
También se trató de utilizar algunas de las rutunas originales que el fabricante utilizó, por supuesto teniendo en cuenta que todo ello dependı́a de una
serie de condiciones con la que no necesariamente se contaba en el laboratorio,
por lo que se adaptaron para propiciar su uso, y sin embargo esto tampoco
resultó como se deseaba.
A pesar de que no era posible hacer que el Delta Tau controlara de forma
automática las rutinas de la CNC, sı́ era posible a través del programa Pewin32PRO2 y la comunicación serial darle comandos con los cuales era posible
realizar dos acciones muy importantes:
1. Tras un par de instrucciones dar una referencia de velocidad a los motores y hacerlos girar a la velocidad que se deseara dentro del rango
permitido. Esto era posible activando la señal de enable para los drivers
y posterior a eso tras otra instrucción manipular la señal analógica de
referencia de velocidad.
2. La segunda e imprescindible acción consistı́a en poder consultarle al
controlador por la posición en la que se encontraban los encoders, y por
lo tanto la posición angular de los motores.
Tras analizar las posibilidades de continuar con la idea original, tomando
en cuenta los avances que se habı́an realizado, y además el tiempo restante
para finalizar el proyecto, se optó por la alternativa de crear un controlador
R
externo, creando un programa en LabVIEW
.
R
3.3. Programa de LabVIEW
15
En esta solución se descartó por completo el uso del Pewin32PRO2, pues
como ya se mencionó no dio resultados positivos. En cuanto al controlador
Delta Tau, este se utilizó como un sistema de adquisición de datos, ya que con
este se recopilaba información, que luego de ser procesada en la computadora
se enviaban comandos al controlador el cual manipulaba los actuadores.
3.3
3.3.1
R
Programa de LabVIEW
Comunicación
El primer tema a resolver en la nueva implementación fue el de la comunicación. El controlador Delta Tau puede enviar y recibir comandos e información vı́a serial RS-232. Para lograr establecer esta comunicación fue necesario
R
configurar adecuadamente el programa de LabVIEW
de acuerdo con las
especificaciones del protocolo acordes al controlador.
Una vez establecida una comunicación básica en la que se podı́a enviar un
comando a la vez, se fueron implementando una a una las funciones requeridas
por el sistema:
1. Consultar la posición de ambos encoders.
2. Interrogar dos entradas digitales del controlador para detectar los sensores de final de carrera.
3. Dos comandos más para enviarle la referencia de velocidad a los drivers
los cuales manejan los motores.
Para lograr esto se requirió de un postprocesamiento de los datos, ya que
estos llegaban con ”basura”que impedı́a leer adecuadamente la información, lo
cual implicó un esfuerzo considerable en el desarrollo del programa en LabR
VIEW
.
3.3.2
La planta
El sistema se analizó como dos plantas independientes, las cuales estaban
compuestas cada una por un motor más la carga mecánica correspondiente.
A cada una de ellas se le envió una señal de referencia de velocidad y luego
se leyó la posición de los encoders. La propuesta del sistema de control se
muestra en la figura 3.4.
En este caso la señal realimentada es la posición, y correspondı́a al número
de cuentas del encoder.
Para obtener el modelo de la planta se le aplicó un escalón a la señal de
referencia del driver, la cual varı́a entre -32768 y 32767. Cuando se enviaba un
16
3 Desarrollo
+
-
Figura 3.4: Lazo de control
3000
10
0
0
-3000
-10
-32768
0
32767
Figura 3.5: Relación velocidad de motores y referencia
dato con el valor de -32768 por comunicación serial al controlador, este genera
una salida de -10 V en una de sus salidas analógicas, la cual va hacia uno de
los drivers y este giraba a 3000 revoluciones por minuto en una dirección, si se
le enviaba un dato de 32767 la salida analógica serı́a de 10V, y el motor giraba
a 3000 revoluciones por minuto en la otra dirección. Esto se ilustra mediante
la figura 3.5.
La respuesta dinámica del sistema a lazo abierto se muestra en la figura 3.6.
En la cual la gráfica de lı́nea continua correspondió a las cuentas del encoder,
y la gráfica de lı́nea discontinua corresponde al escalón aplicado.
La planta puede representarse con un modelo integrante más tiempo muerto, como el de la ecuación (3.1) en donde la ganancia está dada por la ecuación
(3.2).
P1 (s) =
K1 −Ls
e
s
(3.1)
∆y\∆u
(3.2)
∆t
Para el caso de esta planta la ganancia da como resultado K1 = 5,81, y
tiempo muerto L = 0,085s.
K1 =
R
3.3. Programa de LabVIEW
17
25000
25000
20000
20000
15000
15000
10000
10000
5000
5000
2000
2000
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
3
Figura 3.6: Respuesta del motor 1 a lazo abierto
En la figura 3.7 aparece la respuesta obtenida cuando se aplicó un escalón
al motor 2. De nuevo, la lı́nea continua representa las cuentas del encoder y
la discontinua el escalón aplicado. La ganancia obtenida para este modelo es
K2 = 6,12, y el tiempo muerto de L = 0,112s.
Este tiempo muerto se interpreta como la latencia que existe desde el
momento en que se da un comando hasta que reacciona el actuador, lo cual
determina directamente qué tan rápido pueden ser enviados los comandos al
equipo, ya que no se observará una respuesta hasta un tiempo L después.
Es importante mencionar que debido a que el controlador de coordenadas
y los drivers ya estaban conectados entre sı́, no fue necesario hacer ningún
cambio relacionado con las señales de control. En caso de que en un futuro
se desee realizar una mejora o un cambio fı́sico del controlador, es importante
conocer cuáles son las señales requeridas en los drivers para ser comandados,
por lo que es importante leer las fuentes aquı́ mencionadas.
En la figura 3.8 se muestran las lı́neas que tienen que ver con los comandos
de accionamiento de los drivers. Las demás lı́neas están relacionadas con la
alimentación, con las entradas del resolver y con las salidas de encoder, para
más información acerca de estas señales puede referirse a Emerson (1995).
En el driver, tal y como se muestra en la figura 3.8, los terminales 3 y 4
corresponden al enable, en donde el terminal 3 es el común, y el 4 es la señal.
Esta señal debe ponerse en un nivel alto para que el driver atienda a la señal
de referencia. Si la señal de enable se encuentra en bajo el motor no girará.
En la figura 3.8 también puede apreciarse que los terminales 7 y 8 co-
18
3 Desarrollo
5000
5000
2000
0
2000
0
-5000
-5000
-10000
-10000
-15000
-15000
-20000
-20000
-25000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
-25000
3
Figura 3.7: Respuesta del motor 2 a lazo abierto
rresponden a la señal de referencia de velocidad del driver, los cuales reciben
señales que fluctúan entre los -10 V y los 10 V.
3.3.3
Los controladores
El diseño de los controladores se basó en la respuesta deseada a lazo cerrado,
como se tiene un sistema que responde al seguimiento de la referencia se busca
un servo control.
Sin embargo, la implementación de estos controladores en el software utilizado presentó ciertas dificultades. El problema principal se presentó a la hora
de realizar las integraciones necesarias para la sı́ntesis del controlador. Para
lograrlo se solicitó ayuda a los profesores que más sabı́an del tema y no fue
posible integrar correctamente.
El problema radicaba en que debido a la cantidad de lazos de comunicación existentes, los ciclos de ejecución del programa afectaban la acción de
integrar. Por lo tanto se optó por filtrar la señal del valor deseado, suavizando
la respuesta del sistema a lazo cerrado
Debido al problema mencionado, se utilizó un controlador proporcional.
Al realizar pruebas la ganancia de estos se fue ajustando gradualmente para
obtener la mejor respuesta posible, buscando un balance entre la rapidez y
una respuesta suave en la medida de lo posible.
El filtro colocado en serie a la señal del valor deseado puede observarse en
la figura 3.4, y tiene la forma de (3.3).
R
3.3. Programa de LabVIEW
19
Figura 3.8: Lı́neas de comando de los drivers
F (s) =
1
Tf s + 1
(3.3)
Se utilizó un Tf = 0,4 basado en la velocidad de respuesta que se esperada
de la máquina.
Luego de buscar los valores de las ganancias se obtuvieron valores de Kp1 =
0,29 y Kp2 = 0,28
La respuesta obtenida luego de implementar el filtro puede apreciarse en
la figura 3.9, en donde la lı́nea discontinua es la salida del filtro, y la lı́nea
continua es la respuesta del sistema.
3.3.4
Rutina inicial de Home
Cuando el sistema se energiza, el controlador realiza la lectura de la posición
de motores a través de las salidas de los drivers y en este momento el valor
para cada uno de ellos será de cero o muy cercano a cero, debido al error que se
20
3 Desarrollo
25000
20000
15000
10000
5000
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Figura 3.9: Respuesta a lazo cerrado
pueda presentar, para la máquina, independientemente de dónde se encuentre
ubicado el actuador, esta será la posición de origen.
Al no tener certeza en ese momento de la posición en la que se encuentra el
actuador fı́sicamente, no es correcto darle comandos de posición a la máquina,
ya que esto podrı́a provocar que estos sobrepasen los lı́mites mecánicos y
causen un daño al equipo. Por esta razón es necesario llevar la máquina a una
posición inicial o como comúnmente se le llama: home.
Básicamente lo que se hace durante el home es mover muy lentamente la
máquina hasta el punto de origen mecánico, a donde corresponderı́an las coordenadas (0, 0). Para saber que la máquina ha llegado a ese punto se utilizaron
un par de sensores de final de carrera en cada eje, los cuales ingresan a dos
entradas digitales del controlador.
En este caso se programó la rutina de home para que se realizara primero
un movimiento en X hasta que el sensor se activara y allı́ se detenı́a el movimiento en ese eje. Luego se iniciaba el movimiento en Y y de igual forma se
detenı́a cuando el otro sensor detectaba la llegada del actuador.
En el momento en ambos sensores detectan la posición, el programa determina la posición de los motores medida mediante las salidas de encoder
como un nuevo origen relativo. Esto quiere decir que a partir de ese momento
cualquier coordenada ingresada serı́a medida con respecto a ese punto como
si fuera el (0, 0).
3.4. Cuidados que se deben tener
21
A partir de ese punto y conociendo las dimensiones máximas del recorrido
de los motores, se programó de tal manera que aunque el usuario le ingrese
coordenadas más allá de las permitidas, que el equipo no sobrepase estos
lı́mites para evitar cualquier daño.
Los movimientos para encontrar la posición de home se realizan lentamente básicamente por dos razones, primero porque al no saber en dónde se
encuentra el actuador no se pueden hacer movimientos bruscos que puedan
causar un daño si se da un sobre paso, y luego porque mientras más lento sea
el movimiento cuando se detecten los sensores al momento de que el motor se
detenga, la ubicación fı́sica será más precisa.
Por ejemplo, si la máquina va muy rápido, mientras se detecta el sensor
y se envı́a a parar el motor la inercia hará que se detenga más allá de la posición del sensor, y esto puede provocar diferencias entre la ubicación de un
posicionamiento de home y otro, lo cual no es deseable en procesos industriales en donde se desea uniformidad en el acabado resultante de una lı́nea de
producción.
Posterior a que se lleva la máquina a posición de home, ya es posible
ejecutar ya sea la rutina automática de funcionamiento o mover cada eje de
R
forma manual mediante el programa de LabVIEW
.
3.3.5
Rutina básica de funcionamiento
La rutina creada para la máquina se hizo de tal forma que el usuario pudiese
ingresar valores de coordenadas en X y Y, además del tiempo que se asignará
a cada coordenada para que sea ejecutada. Como se indicó anteriormente,
antes de poder ejecutar esta rutina debe llevarse primeramente a la posición
de inicio.
No se puede hablar de un error en el actuador, ya que la senãl realimentada corresponde al ángulo de giro de los motores, y entre estos y el actuador
hay varios elementos mecánicos que pueden provocar una variación fı́sica de
la posición real del actuador. Sin embargo sı́ se determinó que luego de una
secuencia de movimientos se puede acarrear un error medible en la señal realimentada. Este error puede ser de alrededor de unas 30 cuentas. Al ser un
error medido este puede ser corregido. Esto puede lograrse implementando el
componente integrante en el controlador.
3.4
Cuidados que se deben tener
Esta es una máquina de alta tecnologı́a y de muy alta calidad, pero si no se
toman en cuenta las medidas de seguridad necesarias podrı́a causarle daños no
sólo al equipo sino también a las personas. Por esta razón, antes de operarla
lea las siguientes indicaciones.
22
3 Desarrollo
Figura 3.10: Faja dentada dañada
• Cada vez que realice algún trabajo en la máquina, ya sea eléctrico o
mecánico, debe mantenerse la alimentación principal interrumpida.
• Mientras el sistema se encuentre energizado nadie debe acercarse a la H,
ya que un movimiento de la máquina podrı́a ocasionar un accidente.
R
• Cada vez que se realice una modificación en el programa de LabVIEW
o en el cableado eléctrico, en la medida de lo posible se deben realizar
pruebas conectando otros motores que no sean los que están en la máquina, para evitar que un error cause le cause daño al equipo. Cuando
se confirme que los cambios funcionan correctamente se pueden conectar los motores de la máquina. La máquina tras este desarrollo utiliza
únicamente dos motores en su totalidad.
• Llevar la máquina más allá de los lı́mites fı́sicos causará inevitablemente
un daño severo al equipo. En la figura 3.10 se muestra una de las fajas
dentadas de los motores luego de un error de comunicación en el cual la
máquina perdió el control.
4
Conclusiones y recomendaciones
4.1
Conclusiones
• Se levantó un diagrama eléctrico básico que muestra los componentes
utilizados en la puesta en marcha de la máquina.
• Se elaboró una tabla con los principales componentes utilizados en el
desarrollo y sus caracterı́sticas más relevantes.
• Se realizaron las conexiones y modificaciones necesarias para lograr el
correcto funcionamiento de la máquina, como implementar un transformador para la alimentación de esta, o realizar cambios en la conexión
de los finales de carrera.
• Se realizaron las investigaciones necesarias y exhaustivas pruebas de las
cuales se concluyó que no era viable utilizar el controlador en la forma
en que originalmente lo hizo el fabricante, incluido el software de este.
• Se realizó y ejecutó una propuesta para la puesta en marcha de la máquina, luego de determinar el buen funcionamiento de los componentes
necesarios para la implementación, basada en controlar el equipo con un
R
software desarrollado en LabVIEW
.
• Al finalizar el proyecto se corrieron pruebas necesarias para comprobar
que la máquina funcionó correctamente. Se probaron la rutina de inicio,
el movimiento manual de los motores y la ejecución de la rutina de
funcionamiento.
• Se redactó un manual básico de funcionamiento del programa desarrollado, el cual se encuentra en el apéndice A de este documento.
4.2
Recomendaciones
• Poner a funcionar el actuador neumático de la máquina. Este actuador
cuenta con un par de pistones neumáticos que hacen subir y bajar el actuador, lo que le permitirı́a a la máquina realizar una acción en concreto
utilizando como base el resultado de este proyecto.
23
24
4 Conclusiones y recomendaciones
• Agregar finales de carrera en cada extremo de los ejes, adicionales a los
utilizados para el home y conectados directamente a los drivers para
protección de la máquina, para que en dado caso de que se pierda la
comunicación y los motores se mantengan activos se proteja la máquina
de sufrir un daño.
• Modificar el programa para ingresar dibujos tipo CAD. Con el fin de que
se puedan realizar acciones basadas en un diseño creado en computadora.
• Habilitar el PLC para poder manejar los diferentes sensores y actuadores
que posee la máquina. Con el PLC funcionando se podrı́an integrar a la
máquina los distintos elementos con los que esta cuenta.
• Implementar un sistema de coordenadas más robusto, como por ejemplo
utilizando módulos de entradas de enconder en el PLC, y programando
las rutinas en este. Ya que el depender de la comunicación puede ser
riesgoso para el equipo.
• Conseguir y colocar las tapas de los ductos por donde viajan los cables,
ya que esto además de presentación, le darı́a más seguridad al equipo.
Bibliografı́a
ATS (2004). Superbot. Reporte técnico, ATS Automation Tooling Systems,
Inc.
DeltaTau (2002). Pmac programmable multi-axis controller quick reference.
Reporte técnico, Data Systems, Inc.
DeltaTau (2003). Hardware reference manual pmac pack. Reporte técnico,
Data Systems, Inc.
Ellis, G. (2002). Observers in control systems, a practical guide. Elsevier
Science.
Emerson (1995). User’s guide for the lx brushless servo drives. Reporte técnico,
Emerson EMC.
25
A Manual de programa creado en
R
LabVIEW
Para hacer funcionar la máquina deben seguirse los siguientes pasos.
1. Verifique que los disyuntores 302−1CB, 302−2CB, 306−CB, 605−CB
y 611 − CB dentro del gabinete se encuentran accionados de tal manera
que permitan el paso de la corriente.
2. Conecte el cable de comunicación desde el puerto JRS232 mostrado en
al figura A.1, en el puerto serial de la computadora.
3. Proceda a accionar el interruptor principal que se encuentra en la parte
posterior de la máquina. Este se muestra en la figura A.2, y se acciona
subiendo la palanca. Revise que dentro de la caja del interruptor el
disyuntor se encuentre accionado.
4. Desactive el botón amarillo que se encuentra en una de las compuertas
frontales, haciéndolo girar un poco en sentido de las manecillas del reloj,
Figura A.1: Puerto de comunicación RS-232
27
28
R
A Manual de programa creado en LabVIEW
Figura A.2: Interruptor principal
Figura A.3: Botón de encendido
el cual activa el contactor principal que energiza el sistema. Este se
muestra en la figura A.3.
5. Desactive el botón rojo de pare de emergencia, el cual se encuentra en un
control portable que se colocó para que durante una emergencia pueda
desactivarse el funcionamiento de los motores. Mientras esté trabajando
con la CNC tenga siempre cerca este control, de tal manera que en
caso de requerirlo pueda presionar lo antes posible el botón rojo. Para
desactivarlo gı́relo un poco en sentido de las manecillas del reloj. El
control portable se muestra en la figura A.4. Este botón sólo detiene el
movimiento de los motores, si necesita realizar una modificación eléctrica
o acercarse a la máquina para trabajar, debe desenergizarla por completo
con el interruptor de la figura A.2.
Cabe decir que la única función que tiene este control portable es la del
pare de emergencia. Este dispositivo se colocó únicamente por seguridad
R
A Manual de programa creado en LabVIEW
29
Figura A.4: Control portable con pare de emergencia
y no con el fin de utilizar el resto del equipo.
R
6. Abra el programa de LabVIEW
.
7. Se abrirá el programa que se muestra en la figura A.5.
8. Seleccione en la esquina superior izquierda, como se muestra en la figura
A.6 el puerto que utilizará para la comunicación y el baud rate. Normalmente se utiliza un baud rate de 9600, pero para más información se
puede consultar a DeltaTau (2003) en la página 20, tomando en cuenta
que este controlador es el de 20 MHz.
9. Presione el botón de Run que se encuentra ubicado en la esquina superior
izquierda, tal y como se muestra en la figura A.7.
10. Presione el botón de home como se muestra en la figura A.8. La máquina
empezará a moverse muy lentamente. Espere a que se enciendan los
indicadores de la figura A.8, los cuales indicarán que se llegó a posición
de home.
11. Puede ingresar vectores de coordenadas y de tiempos en las columnas
correspondientes a estos, esto se puede apreciar en la figura A.9.
30
R
A Manual de programa creado en LabVIEW
R
Figura A.5: Captura del programa de LabVIEW
Figura A.6: Ajustes de comunicación
Figura A.7: Botón de Run
R
A Manual de programa creado en LabVIEW
31
Figura A.8: Botón de home
Figura A.9: Vectores de coordenadas y tiempo
12. Presione el botón de Rutina que se muestra en la figura A.9. En este
momento la máquina comenzará a ejecutar la rutina ingresada mediante
los vectores de posición y tiempo.
13. Si se desea detener la rutina se puede presionar de nuevo el botón de
Rutina.
14. Si se desea realizar movimientos de forma manual se pueden mover los
cursores que se muestran en la figura A.10. En esta figura se muestra
también un indicador gráfico de la posición en la que se encuentra el
actuador.
15. Para finalizar el programa presione el botón de STOP el cual se aprecia
en la figura A.5.
16. Baje la palanca del interruptor principal de la figura A.2.
32
R
A Manual de programa creado en LabVIEW
Figura A.10: Movimiento manual e indicador gráfico