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Nota técnica
Experimentación con sistemas
en tiempo real para control numérico
Por Roberto S. Apóstoli
Resumen
Mach 2-3, y en Ubuntu, el LinuxCNC del Nist de
Se describe la experimentación realizada
Estados Unidos. Entre las dieciséis PC, la de
con sistemas de control numérico -CNC- en
mejor comportamiento en kHz en relación a la
tiempo real -RT- para máquinas-herramientas.
respuesta/precio ha sido Intel Atom D 525 MW,
El objetivo es doble: obtener un sistema CNC
funcionando sobre Ubuntu 10.04.4 LTS con el
accesible para las micro y pequeñas empre-
último LinuxCNC 2.5.1 RTAI del 11 de agosto
sas, y lograr además un conocimiento directo
de 2012.
de aplicación didáctica. En el laboratorio se
poseen PC que cubren un amplio espectro en
Palabras clave: control numérico CNC, sis-
hardware y software, desde una CX486 DX2-
temas operativos en tiempo real, enseñanza en
50 (1994) hasta una AMD Phenom II X6 1055T
ingeniería industrial.
de seis núcleos (2011), con sistemas operativos MS-DOS, DR-DOS, Windows y Linux: Red-
1. Introducción
Hat, Ubuntu y Mint. Los programas de CNC se
El paso inicial importante para la utilización del
han seleccionado por su bajo costo, o del tipo
control industrial en tiempo real es el de determi-
shareware y open source. Los CNC evaluados
nar el tiempo de respuesta o demora (latencia) de
son los que corren en una CPU con núcleo (o
la computadora personal. Esto significa la habili-
kernel) modificado para tiempo real, el cual es
dad que tiene la PC para responder ante una so-
especialmente indicado para generar los pulsos
licitud de interrupción en tiempo real, como existe
de control CNC. El grado de eficacia de estos
en el control numérico computarizado para má-
sistemas se mide en la demora que posee la
quinas-herramientas o robots. Se recomienda ex-
CPU en responder ante una interrupción solici-
perimentar cada caso de PC en particular, midien-
tada por los pulsos. Esta demora se denomina
do la demora en nanosegundos o en kilohertz.
“latencia” (latency) y se mide en nanosegundos
Se han realizado mediciones en dieciséis
-ns- y/o en su correlato con kHz. Los programas
PC del laboratorio agrupándolas en tres niveles
ensayados funcionan con DOS: el Indexer LPT,
tecnológicos:
el DeskNCRT y el TurboCNC; en Windows, el
-Básico
26 Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013
-Intermedio
seis PC es el Turbo CNC V4.01 (2005-2011) de
-Avanzado
Dark Engineering, el que posee un programa
de inicio calculando automáticamente el rango
La tabla 1 muestra los ensayos de latencia
de latencias y la frecuencia máxima. Controla
de seis PC del nivel básico, las cuales se han
el CNC hasta ocho ejes. El tercer programa de
mantenido en funcionamiento para aplicaciones
CNC es el Desk NCRT (2000), un derivado para
experimentales y didácticas de la enseñanza
DOS del Enhanced Motion Control -EMC- del
en CNC. Los sismteas operativos -SO- utiliza-
Instituto NIST. De la tabla 1 se deduce que la
dos son el MS-DOS 6.22; el DR-DOS Caldera
frecuencia máxima de los pulsos de control po-
V7.03 y el DOS dentro del Windows 98.
see un cierto correlato con la frecuencia de la
La PC 1 es la de iniciación elemental con 8
CPU. Sin embargo, los datos que se infieren de
MB de RAM, siendo el primer programa ensa-
las PC 4 y 6, aunque ambas similares, no son
yado (con el MS-DOS 6.22-1994) para CNC el
coincidentes. Esto se debe a que otros factores
Indexer LPT versión 3-5 (1993) de Ability Sys-
que influyen en la respuesta, aparte de la fre-
tems Corp., el cual controla hasta seis ejes. Es
cuencia de la CPU: el SO DOS autónomo (no el
del tipo TSR -Terminal Stay Resident- que re-
W98); el conjunto de los chipset norte y sur; las
side en la memoria RAM y permite un control
velocidades del bus FSB y de las memorias; las
continuo sincronizado con las instrucciones de
placas de video y el monitor.
las aceleraciones (look ahead). Con el comando
La PC 4 es la elegida de este grupo y está
max_speed? se mide la velocidad de pulsos. En
controlando con el Turbo CNC la fresadora
este caso ha dado 65.535 pasos/segundos. Se
experimental-didáctica Elinon 0 de cuatro ejes
han efectuado mecanizado con interpolaciones
con gran estabilidad y repetibilidad de los pul-
lineales y circulares en dos dimensiones con ar-
sos entregados a los motores paso a paso a tra-
chivos realizados con DesignCAD en HPGL, lo-
vés del puerto paralelo 3BC (en hexadecimal).
grándose ejemplares de calidad didáctica acep-
A pesar de no poseer el look ahead y la presen-
table. El segundo programa ensayado en estas
tación gráfica del mecanizado, este programa
PC
CPU
1
2
486DX2-50
ADM586
Veloc.
CPU
50 MHz
84 MHz
3
Pentium S-100
99 MHz
4
5
6
Pentium MMX-233
Pentium MMX-200
Pentium MMX-233
233 MHz
200 MHz
233 MHz
Sistema operativo
Programa de prueba
Frec. pulsos Máx./Hz
MS-DOS 6.22
MS-DOS 6.22
DR-DOS/Caldera
V7.03
MS-DOS 6.22
DOS/Windows 98 SE
DOS/Windows 98 SE
Turbo CNC//Indexer LPT
Turbo CNC
6.872//65.535
18.781
Turbo CNC
24.326
Turbo CNC//Dek NCRT
Turbo CNC
Turbo CNC
48.812//71.428
24.052
32.709
Tabla 1
Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013
27
Nota técnica
es uno de los más utilizados en el SO DOS.
Matrox AGP G200A y las Intel AGP 740, cada
En el otro trabajo presentado en el congreso
una con 8 MB de video RAM.
ACCA 2012, el autor expuso las experiencias
didácticas realizadas con este sistema Elinon0
Los resultados volcados en la tabla 2 se
– DOS - Turbo CNC de un mecanizado CNC
realizaron con los siguientes programas de Li-
interpolando en 3D (G01 en cuatro ejes AXYZ)
nuxCNC: Ubuntu 6.06, el 2.3.4.1 de octubre de
sobre un vaso cónico una figura similar a la le-
2009 y con el Ubuntu 8.04 el 2.4.7 del 23 de
tra griega lambda.
marzo de 2011 (Emc2:2.6.24-16 rtai). Se corrió
La tabla 2 exhibe la experimentación de las
un programa “glxgears” escrito en OpenGL: son
demoras en cinco PC de nivel intermedio, las
tres engranajes girando en un cuadro de 50 mi-
cuales son todas similares en cuanto al aspecto
límetros de ancho por 70 de altura.
tecnológico: son CPU Pentium II de 400 MHz
El tiempo de ensayo total abarcó unas seis
con el chipset i440Bx, 256 MB de memoria
horas, divididas en dos partes: la primera de
RAM. L2 caché de 512 kB, discos rígidos de
una hora para estabilizar el sistema, luego se
4,6 GB. Los SO han sido Ubuntu, el 6.06 del
reinició el programa para experimentar la laten-
2006 y el 8.04 del 2008.
cia durante otras cinco horas.
Previo a estos ensayos se han probado ante-
A los fines de obtener una comparación
riormente, con estas PC, placas de video: la ATI
respecto de las respuestas en las cadenas de
3D Rage IIC Mach 64II PCI, la SIS 6326 AGP y
video con placas y monitores, se han volcado
la ATI Radeon AGP 4X RV de 64 MB de RAM.
en la tabla 2 los resultados obtenidos con tres
Los valores de latencia obtenidos (>10.000 ns)
monitores distintos:
son incompatibles con las respuestas espera-
- Un led LG E2340V de 23'' con máxima resolu-
das en tiempo real. De acuerdo a las recomen-
ción de 1.929 por 1.080 píxeles a 60 Hz vertical
daciones de LinuxCNC, se instalaron las placas
- Un led LG Flatron 1530S de 15'' con 1.024
PC
Placa madre
Placa de video
Sistema
operativo
7
Compaq
Desktop
Matrox AGP
G200
Ubuntu 8.04
8
Brilliant
Intel AGP 740
Ubuntu 6.06
9
Intel
10
11
Compaq
Desktop
Compaq
Desktop
Matrox AGP
G200
Matrox AGP
G200
Matrox AGP
G200
Ubuntu 8.04
Ubuntu 8.04
Ubuntu 8.04
Latencia ns c/ Frecuencia Latencia ns Frecuencia
monitor
máx./Hz
c/monitor
máx./Hz
14.632 Led/
11.711
44.052
50.761
LG/23
CRT/795 17’’
12.381 Led/
45.019
LG/15
14.272 Led/
11.955
44.843
50.251
LG/23
CRT/795 17’’
13.500 Led/
10.009
46.511
55.555
LG/23
CRT/795 17’’
13.900 Led/
10.621
45.662
53.475
LG/23
CRT/795 17’’
Tabla 2. Ensayos de latencia de la configuración de nivel intermedio
28 Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013
por 768 píxeles a 60 Hz
- Un CRT Samsung 795 de 17'' con 1.152 por
864 a 75 Hz
Si bien los valores medidos son aproximadamente equivalentes, se deduce que:
- Las placas de video Matrox G200A 64 bits
Dual Buses Calao (año 1999) entregan la máxima resolución a los monitores led a una muy
baja latencia.
- Los monitores CRT 795 respondieron a la
mayor frecuencia de trabajo para los pulsos de
control: 55.555 en la PC 10.
Figura 2. Simulación 3D con TKEmcBackPlot
La figura 1 presenta la instantánea de panta-
por 864 píxeles, 24 color. Se ensayó el SO Linux
lla de la PC 10 Compaq con monitor Samsung
Red Hat 6.2 con el CNC BDI 2.20 (Brain Dead In-
795, el SO Ubuntu 8.04-rtai-2.4.7, el medidor
terface), kernel 2.2.18 (NIST-2002) simulando el
de latencia (9.919 ns, valor final con seis horas:
mecanizado 3D_Chips.ngc. (Ver la figura 2.)
10.009 ns) y los cuadros por segundo (FPS) en
los tres engranajes girando.
Este sistema CNC también ha sido el primer
control funcionando en RTLinux-Red Hat 6.2 utilizado en el 2004 para mecanizar en 2D con la
fresadora experiental didáctica a CNC Elinon I.
Luego, en 2009, en esta PC 12 se incorporó
el SO Ubuntu 8.04 con 256 MB de RAM y placa
de video Matrox Millenium 450. Sin embargo,
los resultados de latencia han sido inaceptables: 401.636 ns.
También valores inapropiados, entre 268.038
y 287.252 ns, se presentaron con la PC 16 Pen-
Figura 1. Ensayos de latencia en LinuxCNC 8.04
tium 4 de 1,3 GHz, 1 GB de RAMbus, chipset
Intel i850 y SO Ubuntu 8.04.
En enero de 2012 se ha instalado en esta
La PC 12 es una AMD K6 2-500 (2001), disco
misma Pentium P4, con resultados altamente
de 1 GB, memoria RAM de 125 MB, placa de video
satisfactorios
para
usos
administrativos,
Voodoo VGA 3D FX PCI de 16 MB video RAM, mo-
multimedia e Intenet, el SO Linux Mint 8 Helena
nitor Samsumg de 15'' GLI con resolución de 1.152
(derivado del Ubuntu 9.10 Karmin Koala de
Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013
29
Nota técnica
octubre de 2009). De acuerdo a Distrowatch, el
Para aislar un núcleo, y de acuerdo con Li-
SO Mint se ubica entre los primeros puestos en
nuxCNC se debe editar en la terminal de Ubun-
el ranking internacional de Linux:
tu lo siguiente:
- Mint 5 Elissa 3° en 2008
- Ubicarse en root con sudo gedit
- Mint 8 Helena 3° en 2009
- Escribir la contraseña
- Mint 12 Lisa 1° en 2011
- Abrir el editor de texto y buscar en Sistemas
- Mint 13 Maya 1° en 2012
de Archivos la cadena etc/default/grub
- En la línea GRUB_CMDLINE_Linux=”” in-
La tabla 3 presenta la matriz de valores lo-
sertar entre comillas “isolcpus=1”
grados en las mediciones con las PC más ac-
- Se tiene GRUB_CMDLINE_Linux=”isolcpus=1”
tualizadas que se poseen, con el mismo proce-
- Guardar el archivo
dimiento de las seis horas de prueba.
- Cerrar el editor de texto gedit
La PC 13 contiene un doble sisema opera-
- Aplicar los cambios tipeando “sudo update-grub”
tivo: el Ubuntu 10.04.02 de abril de 2010 y el
- Pulsar enter para actualizar el cambio a una CPU
Windows XP SP3 (2002), en el cual se instaló
- Reiniciar la PC
el CNC Mach2 comercial del 2004. La 14 y la 15
- Verificar con el monitor del sistema que haya
son PC de doble núcleo (dos CPU) que no res-
una sola CPU operativa
pondieron en RT apropiadamente en relación a
su velocidad y estructura. Para mejorar su res-
Se analizará el caso de la PC 15 Intel Atom
puesta a RT se recomienda:
D525MW conectada al monitor LG Led de 23''
- Desactivar el HT, Hyper-Threading
con resolución de 1.929 por 1.080 a 60 Hz. En
- Si es posible, desactivar el video incorporado
esta PC se ha instalado el SO Ubuntu 10.04.4
y reemplazarlo por una placa externa elegida
LTS para el LinuxCNC 2.5.1, última versión
- Desconectar un núcleo
del 11 de agosto de este año 2012. La figura
PC
CPU c/video integrado
Sistema
operativo
Latencia ns c/
Frecuencia
Latencia ns c/
monitor Led/
máx./Hz
monitor
LG/23
39.500//Mach2
mill Comercial 21.052//45.321
(2004)
Ubuntu
10.04.02//
Windows XP
Ubuntu
1 CPU:
2 CPU: 22124
10.04.4 c/
14 Intel Core 2 Duo 1,86 GHz
20787//2 CPU: 34.722//33.898
Samsung
LinuxCNC 2.5.1
21415
LCD/940 20’’
11/08/2012
Ubuntu
1 CPU:
1 CPU: 16374
Intel Atom Dual Core 525
10.04.4 c/
15
15.726//2 CPU: 42.016//30.959
Samsung
MW 1,8 GHz
LinuxCNC 2.5.1
24.229
CRT/795 17’’
11/08/2012
13
Celeron D335 DJ 2,8 GHz
30 Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013
Frecuencia
máx./Hz
33.222
40.983
3 muestra el resultado con dos CPU obteniéndose, luego de seis horas, una latencia final de
24.229 ns. La figura 4 exhibe el comportamiento de un CPU, lográndose una latencia final (a
las seis horas) de 15.726 ns. Esto es inferior
al 35% respecto de dos CPU, y calculando la
velocidad de respuesta con el driver PDMX-150
de ocho micropasos, significa también una ganancia del 35%. Las PC tipo Atom brindan lo
más actualizado del Ubuntu-LinuxCNC al mejor precio de plaza: las placas madres Atom
Figura 3. Ensayos de latencia en Atom con dos CPU
D525MW y la Gigabyte GA-D525TUD cuestan
en Estados Unidos, cada una, aproximadamente, 90.000 dólares.
La figura 5 muestra el monitor led de 23'' con
la Atom D525MW funcionando en el SO Ubuntu 10.04.4 el gráfico en 3D Axis de LinuxCNC
2.5.1 (11/08/2012) el programa de mecanizado
tridimensional. Se observa a la derecha del panel PYVCP de visualización de los comandos
de la máquina CNC, el cual es programable
por usuario. El LinuxCNC 2.5.1 puede controlar
hasta nueve ejes CNC, y se icluyen ejemplos
Figura 4. Ensayo de latencia en Atom con una CPU
de máquinas con tres, cuatro, cinco ejes y de
robots antropomorfos (brazo puma).
La PC Atom D525MW con la placa PCI Mesa
La PC 17 es una AMD Phenom II 1050T de
5i20 (es una FPGA Xilinx Spartan II 200K) y la
seis núcleos, 8 GB de RAM, dos discos rígidos,
placa mesa Ti33TA de 4 DAC conjuntamente el
con monitor LG led de 23 '', y está destinada al
firmware denominado “Hostmot 2” permitirán
CAD/CAM, tratamiento de fotografías, y elabora-
controlar, con otros drivers, los doce ejes de la
ción de filmaciones de películas para el desarrollo
celda flexible CELFLEX la que se encuentra en
del curso multimedia sobre CNC. Posee un siste-
estado avanzado de contrucción y que ya fue
ma de inicio doble con el SO Windows 7 y el SO
presentada en el Congreso Mundial Bicentena-
Mint 12 (basado en el Ubuntu 11.10 de 2011).
rio 2010 de Ingeniería.
Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013
31
Nota técnica
video ATI Radeon EAH 2400XT con 1 GB RAM.
Latencia: 30.830 ns
- CPU Intel D525MW doble núcleo 1,8 GHz
SO Ubuntu 10.04. Latencia: 11.921 ns
En estos casos tomados como ejemplos no se cita:
- El tiempo invertido en el ensayo
- El tipo de monitor y la resolución utilizada
- Si se usaron una o dos CPU con isolcpus=1
- Si se corrió el gráfico dinámico OpenGl-gears
- Si se desconectaron el sonido y la red
Figura 5. LinuxCNC 5.2.1 (2012) corriendo en Ubuntu
10.04.4 el mecanizado 3D chips.ngc
Esta escueta información induce a tener
ciertas dudas antes de elegir una determinada
PC para RT.
Las recomendaciones de LinuxCNC en
2. Comentarios
Tweaking (7/7/2012) taxativamente dicen en
Se han ensayado en el laboratorio unas die-
inglés “Motherboards, video cards, USB and a
ciséis PC para lograr un panorama sintético de
number of other things can hurt the latency. The
las opciones que se pueden tener de CNC en
best way to find out what are you dealing with is
tiempo real de costo accesible, destinado a la
to run the RTAI latency test”.
experimentación y desarrollo industrial y para
Es por ello que se han realizado los citados
aplicaciones didácticas. Los tres niveles tec-
ensayos en el laboratorio, logrando los resulta-
nológicos mencionados, básico, intermedio y
dos basados en la propia experiencia.
avanzado, se corresponden a los otros tres niveles del curso multimedia de CNC.
3. Conclusiones
Algunos valores de latencia obtenidos son
Según las experiencias y recomendaciones
equiparables a los listados de las PC equivalen-
internacionales, y las concretadas por el autor
tes presentadas en la matriz por Wiki-LinuxCNC
y sus colaboradores, se sugiere que antes de
(1/10/2012). En tal lista se exhiben 67 PC apro-
utilizar definitivamente una PC como control de
badas y cinco no aceptadas. De ella se pueden
CNC se realicen los ensayos de latencia citados.
extraer como ejemplos:
- CPU Intel Core 2 Duo E7400 2,8 GHz video GE
Forge 7300 256 MB RAM. Latencia: 22.584 ns
- CPU Pentium D915 2,8 GHz doble núcleo
32 Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013
Como criterio básico el autor sugiere lo siguiente:
Dado que es una aplicación para controlar máquinas con CNC, obviamente el diseño y la cons-
trucción mecánica es el primer paso crucial para
avance permanente en esta tecnología estraté-
el proyecto integrador de índole mecatrónico.
gica de la manufactura altamente competitiva a
Iniciar los ensayos con dos PC Pentium II
nivel mundial.
400 MHz gemelas, similares a las expuestas en
la tabla 2. En el mercado de usados en la Argentina, el precio actual de cada PC operativa
completa, con monitor, es de unos cien dólares.
En una PC se instalará el Ubuntu 8.04 LTS con
el CD, con costo en Estados Unidos de cinco
dólares. Esta primera PC servirá con el LinuxCNC 2.4.7 para controlar la máquina. La segunda
PC PII incorporará el Linux Mint 5 Elyssa, costo
diez dólares. Esta PC operará como banco didáctico para el asistente remoto al curso multi-
Bibliografía
Por norma editorial no se publican las referencias
bibliográficas que dan sustento a este trabajo. Por consultas de esta índole o demás cuestiones referidas al
tema tratado, contacta a Roberto Apóstoli, [email protected]
arnet.com.ar.
Nota: Esta nota puede leerse como la segunda parte de
“Desarrollos en mecatrónica aplicados a la formación
en control numérico CNC”, publicada en Ingeniería de
Control 112, correspondiente a los meses de marzo
abril de 2013.
media de control CNC al menor costo posible
ya que puede reproducir texto, fotos y videos.
Para desarrollar el control CNC más avanzado y el diseño CAD/CAM, se instalará una PC
Intel Atom D525MW de 1,8 GHz con cuatro GB
de DDR3 800 RAM, dos discos rígidos SATA de
500 GB cada uno, monitor LG led de 23'' y pendrive Kingston de 8 o 16 GB. En un primer disco
se instalará el Ubuntu 10.04.4 con el LinuxCNC
2.5.1 (hasta ahora el último) y en el segundo, el
LinuxMint 12 o 13.
Este procedimiento está dirigido en especial
para los idóneos mecánicos y estudiantes de
ingeniería mecatrónica e industrial que requieren un aprendizaje real propio (hands on), para
convertirse en motivados e innovadores emprendedores que apoyarán a las micro y medianas empresas industriales (SME). De esta
forma se irá fortaleciendo la autonomía de las
decisiones y se garantizará la contnuidad del
Ingeniería de Control • Mayo-Junio 2013
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