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Sistemas de control de velocidad de motores y movimiento. Robótica. Automatismos aplicados a máquinas herramientas. Controladores lógicos programables (PLC).

Un sistema de control de movimiento moderno típicamente consiste en un controlador de movimiento, un accionamiento de motor o amplificador, un motor eléctrico, y sensores de realimentación.

El sistema puede además contener otros componentes tales como uno o más guías lineales accionadas por correas, tornillos a bolas (también llamado ballscrew , husillo de bolillas, tornillo esférico, etc.)  o tornillo de posicionamiento (leadscrew) o etapas lineares motorizadas.

Un controlador de movimiento hoy puede ser un controlador programable autónomo, una computadora personal conteniendo una plaqueta de control o un controlador lógico programable (PLC).

Todos los componentes de un sistema de control de movimiento deben trabajar en conjunto en forma pareja para llevar a cabo funciones que tengan asignadas. Su selección debe basarse en consideraciones tanto de ingeniería como económicas. La figura 1-1 ilustra una plataforma típica de movimiento X-Y-Z que incluye los tres eje lineales requeridos para mover una carga, herramienta o dispositivo de terminado precisamente en los tres grados de libertad. Con componentes mecánicos o electromecánicos adicionales sobre cada eje, la rotación sobre cada eje puede proveer hasta seis grados de libertad, como se ve en la figura 1-2.

Fig. 1-1. Esta plataforma de movimiento multiaxial X-Y-Z es un ejemplo de un sistema de control de movimiento.

Fig. 1-2: Sistema de coordenadas de mano derecha mostrando seis grados de libertad.

Los sistemas de control de movimiento en la actualidad pueden ser encontrados en aplicaciones tan diversas como el traslado de equipos, talleres de máquinas herramientas, líneas químicas y farmacéuticas de proceso, estaciones de inspección, robots máquinas de moldeo e inyección.

Temas relacionados : Soldadura robótica

Robots industriales

La programabilidad del robot industrial usando software de computadora lo hace flexible en la manera en que trabaja y versátil en el rango de tareas que puede llevar a cabo. La definición mas generalmente  aceptada  de un robot industrial es la de un manipulador reprogramable y multifunción diseñado para mover material, partes, herramientas o dispositivos especializados a través de movimientos programados variables para llevar a cabo una variedad de tareas. Los robots industriales pueden ser de base sobre el piso, colocados sobre un banco o móviles.

Los robots industriales son clasificados por la manera que están relacionados con las características de sus sistemas de control, manipulador o geometría de brazo, y modos de operación. No existe un acuerdo en común sobre los estándares de estos diseños en la literatura o entre especialistas en robótica alrededor del mundo.

Una clasificación de robot industrial básica se relaciona con el desempeño general y distingue entre control de secuencia limitada e ilimitada. Cuatro clases son generalmente reconocidas: secuencia limitada y tres formas de secuencia ilimitada: punto a punto, paso continuo y paso controlado. Estas designaciones se refieren al paso tomado por el brazo robótico (end effector), o herramienta en el extremo del brazo del robot industrial a medida que se mueve entre operaciones.

Otra clasificación relacionada al control es de no servido versus servido. No servido implica un control de lazo abierto, o sin retroalimentación de lazo cerrado, en el sistema. Por el contrario, servido significa que alguna forma de retroalimentación de lazo cerrado es usada en el sistema, típicamente basada en la velocidad de sensado, posición o ambos. Secuencia limitada también implica control no servido, mientras que secuencia ilimitada puede ser alcanzada con modos de operación de punto a punto, paso continuo o paso controlado.

Los robots industriales son impulsados por motores o actuadores eléctricos, hidráulicos o neumáticos. El movimiento por medio de motores eléctricos es más popular para la mayoría de los robots industriales de eje o de base en el piso en la actualidad. Los motores movidos mediante propulsión hidráulica son generalmente asignados a aplicaciones de levantamiento de cargas pesadas. Algunos robots industriales eléctricos e hidráulicos están equipados con herramientas o brazos robóticos controlados neumáticamente

El número de grados de libertad es igual al número de ejes de un robot industrial, y es un indicado importante de su capacidad. Los robots industriales de secuencia limitada tienen sólo dos o tres grados de libertad, pero los robots industriales de punto a punto, de paso continuo  y de paso controlado típicamente tienen cinco o seis. Dos o más de estos pueden estar en la muñeca o en la pinza.

La mayoría de los robots industriales de alta exigencia son de base sobre piso. Otros del mismo rango de tamaño pueden ser impulsados por motores hidráulicos. La consola contiene una computadora analógica que ha sido programada con un software de sistema operativo de manera que pueda llevar a cabo las tareas asignadas a la misma.

Algunos sistemas de robots industriales incluyen además comandos colgantes (paneles de botones para presionar a mano conectados por cable a la consola que permiten control directo del robot industrial).

 El operador o programador puede controlar los movimientos del brazo del robot industrial o manipularlo con botoneras u otro dispositivo de entrada, de manera que pueda ser manejado manualmente  a través de su secuencia de tareas completa para programarlo. En este momento los ajustes pueden ser hechos para prevenir que cualquier parte del robot industrial colisione con objetos cercanos.

Hay además muchos tipos diferentes de robots de baja exigencia o para levantar y trasladar que pueden ser localizados en un banco. Algunos de estos están programados con relés electromecánicos, y otros están programados ajustando paradas mecánicas sobre motores neumáticos.

Ventajas de los robots mecánicos.

El robot industrial puede ser programado para llevar a cabo un rango mas amplio de tareas que las máquinas automáticas dedicadas, además estos pueden aceptar una amplia selección de diferentes herramientas. Sin embargo, los beneficios totales de un robot industrial pueden ser observados sólo si el mismo está correctamente integrado con los otros operadores humanos de máquinas, y procesos. Debe ser evaluado en términos de costo-efectividad del desempeño en arduas, repetitivas o peligrosas tareas, particularmente en ambientes hostiles. Eso puede incluir alta temperaturas, alta humedad, la presencia de humos tóxicos,  la proximidad de metales fundidos, arcos de soldadura, llamas, o fuentes de alto voltaje.

El moderno robot industrial es el producto del desarrollo hecho en muchas disciplinas de ingeniería y científicas, poniendo el énfasis en la tecnología mecánica, eléctrica y electrónica así como en la ciencia de las computadoras. Otras especialidades técnicas que han contribuido al desarrollo del robot industrial incluyen servomecanismos, hidráulica y diseño de máquinas. Los últimos y más avanzados robots industriales incluyen computadoras digitales dedicadas.

El mayor número de robots industriales en el mundo son máquinas de secuencia limitada, pero la tendencia ha sido hacia los robots de impulsión por motor eléctrico, servocontrolados , que típicamente son máquinas con la base en el piso. Estos robots industriales han probado se los mas efectivos en el costo debido a que son los mas versátiles.

Tendencia en los robos industriales.

Hay una evidencia de que la demanda mundial por robos industriales debe aún alcanzar los números predichos por los expertos industriales y visionarios unos veinte a treinta años atrás. Los primeros robots industriales eran caros y temperamentales,  y estos requerían gran cantidad de mantenimiento. Mas aún, el software era con frecuencia inadecuado para las tares asignadas, y muchos robots industriales eran poco adecuados para las mismas.

Muchos de los primeros clientes industriales en los 1970s y 1980s estaban desilusionados debido a que sus expectativas habían sido irreales; se habían subestimado los costos involucrados en el entrenamiento del personal, la preparación del software de aplicación, y la integración de los robots industriales con otras máquinas y procesos en el lugar de trabajo.

Hacia fines de los 1980s, la disminución de pedidos de robots industriales llevó a muchas compañías productores en los Estados Unidos a salir del negocio. Gigantes industriales como la General Motors, Cincinnati Milacron, General Electric, International Business Machines, y Westinghouse ingresaron y salieron del negocio. Sin embargo, el fabricante de equipamiento eléctrico japonés Fanuc Robotics North America   y la corporación suiza-sueca Asea Brown Boveri (ABB) permanece activa en el mercado de la robótica de Estados Unidos en la actualidad.

Sin embargo, las ventas están ahora con gran crecimiento en robots industriales mas económicos que sean mas fuertes, mas rápidos y mas inteligentes que sus predecesores. Los robots industriales actuales pueden llevar a cabo soldaduras de puntos en chasis de autos, instalar parabrisas y pintar con rociador en líneas de ensamble automotriz. Estos también colocan y sacar partes de hornos de fundiciones y prensas de perforación,  también ensamblan y prueban productos mecánicos y eléctricos. Los robots de banco de trabajo levantan y colocan componentes electrónicos en plaquetas de circuitos en plantas de ensamble electrónico, mientras que los robots industriales sobre guías almacenan y recuperan mercadería en grandes depósitos.

Las temibles predicciones de que los robots industriales reemplazarían a los trabajadores en cantidades récord nunca se ha llevado a cabo. Resulta que la mayoría de los robots industriales económicos son aquellos que reemplazaron a los seres humanos en actividades peligrosas, monótonas y extenuantes que los humanos no quieren llevar a cabo. Estas actividades con frecuencia se desarrollan en ambientes que son pobremente ventilados, con poca luz y llenos de humos tóxicos nocivos. Estas actividades pueden también llevarse a cabo en áreas con humedad relativa elevada, o temperaturas que son excesivamente elevadas o bajas. Tales espacios pueden incluir minas, fundiciones, plantes de procesamiento de químicos o plantas de pulverizado de pintura.

La administración de fábricas donde fueron comprados e instalados robots industriales por primera vez dio muchas razones por lo que se hizo a pesar de las desilusiones de los pasados treinta años. Las razones mas frecuentes eran el costo decreciente de poderosas computadores, así como la simplificación tanto de los controles como de los métodos de programación de las computadoras. Esto se ha debido, en gran medida, a los costos decrecientes de microprocesadores más poderosos, memorias de estado sólido y discos y el software de aplicación.

Sin embargo, los costos totales del sistema no han disminuido, y no ha habido cambios significativos en el diseño mecánico de los robots industriales durante el período de maduración y la “curva de aprendizaje” de veinte años.

Los cambios en los fabricantes de robots de los Estados Unidos ha llevado a la casi dominación del mercado mundial de los robots industriales por los fabricantes japonenses, quienes han estado en el mercado en la mayor parte de los últimos veinte años. Sin embargo, esto ha llevado a una estandarización de facto en la geometría y filosofía del robot industrial a lo largo de las líneas establecidas por los fabricantes japoneses. A pesar de todo, los robots industriales están aún disponibles en la misma configuración que estaba disponible veinte o veinticinco años atrás, y no ha habido grandes cambios en el diseño de las herramientas del brazo mecánico que van montadas en la “mano” del robot industrial para el desempeño de tareas específicas. ( por ejemplo, movimiento de partes, soldadura, pintura).

Características de los robots industriales.

La capacidad de movimiento de cargas es uno de los factores mas importantes en un decisión de compra de un robot industrial. Algunos pueden ahora mover plataformas de carga de hasta 90 kilogramos. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones no requieren manejar partes que sean tanto o mas pesadas que los 90 kilogramos. En los primeros puestos en la lista de otros requerimientos está la “rigidez” (o sea la habilidad del robot industrial para llevar a cabo una tarea sin doblarse o cambiar la precisión), la habilidad para llevar a cabo tareas repetitivas sin desviaciones de las tolerancias programadas; y altos regímenes de aceleración y desaceleración.

El tamaño del manipulador o brazo influencia la accesibilidad al espacio de superficie asignado. El movimiento es una consideración clave en la elección de un robot industrial. El robot industrial debe poder alcanzar todas las partes o herramientas necesarias para su aplicación. Así, el rango de trabajo del robot industrial es un factor crítico en la determinación del tamaño del mismo.

Muchos versátiles robots industriales son capaces de mover al menos cinco grados de libertad, lo que significa que tienen cinco ejes. A pesar de la mayoría de las tareas adecuadas para los robots industriales en la actualidad pueden ser llevadas a cabo por robots industriales con al menos cinco ejes, los robots industriales con seis ejes ( o grados de libertad ) con muy comunes. El movimiento de la base rotante, y tanto el movimiento radial del brazo, como el vertical son universales. El movimiento rotativo de la muñeca, y la torsión de la misma son también ampliamente disponibles. Estos movimientos han sido designados como rotación e inclinación ( roll and pitch) por algunos fabricantes de robots. La desviación lateral de muñeca ( wrist yaw) es también otro grado de libertad disponible.

Más grados de libertad o ejes pueden ser sumados externamente al instalar equipamiento de movimiento de partes o al montar el robot industrial sobre vías o rieles, de manera que se pueda mover de un lugar al otro. Para ser más efectivo, todos los ejes deberían ser servo propulsados y controlados por el sistema de la computadora del robot industrial.

Méritos de los sistemas eléctricos.

La mayoría de los sistemas de control de movimiento en la actualidad son impulsados por motores eléctricos en lugar de motores hidráulicos o neumáticos debido a los muchos beneficios que los mismos ofrecen.

• Posicionamiento de carga o herramienta mas preciso, que resulta en menos defectos en el producto o proceso y menores costos de materiales.
• Cambios más rápidos para mayor flexibilidad y adaptación al producto más fácil.
• Incrementos de rendimiento efectivo para mayor eficiencia o capacidad
• Diseño mas simplificado de sistemas para una instalación, programación y entrenamiento más sencillos.
• Menores tiempos de paradas y costos de mantenimiento
• Mayor limpieza, operación mas estable sin pérdidas de aceite o aire

Los sistemas impulsados eléctricamente no requieren bombas o compresores de aire, no tienen mangueras o cañerías que puedan tener pérdidas de fluidos hidráulicos o aire.

Esta discusión del control del movimiento está limitada a los sistemas de accionamiento eléctrico.

Clasificación del control de movimiento.

Los sistemas de control de movimiento pueden ser clasificados como de lazo abierto o de lazo cerrado. Un sistemas de lazo abierto no requiere que se lleven a cabo  mediciones de ninguna variable de salida a fin de corregir errores mediante señales, por el contrario, un sistema de lazo cerrado requiere uno o mas sensores de retorno de señal que midan y respondan a errores de las variables de salida.

Sistemas de lazo cerrado

Un sistema de control de movimiento de lazo cerrado, como se muestra en el diagrama en bloques de la figura 1-3, tiene uno o mas lazos de retroalimentación que continuamente comparan la respuesta del sistema con los comandos de entrada o ajustes para corregir los errores en el motor o velocidad de la carga, posición de la carga o torque del motor. Los sensores de retroalimentación proporcionan señales electrónicas para corregir las desviaciones de los comandos de entrada deseados. Los sistemas de lazo cerrado son también llamados servosistemas. Cada motor en un servosistema requiere sus propios sensores de retorno de señal (retroalimentación), típicamente codificadores, o tacómetros que cierren lazos alrededor del motor o la carga. Las variaciones en la velocidad, posición y esfuerzo de torsión (torque) son típicamente causadas por variaciones en las condiciones de carga, pero los cambios en la temperatura ambiente y la humedad pueden también afectar las condiciones de carga.

Fig. 1-3 : Diagrama en bloques de un sistema básico de control de lazo cerrado

Fig. 1-4: Diagrama en bloques de un sistema de control de velocidad

Un lazo de control de velocidad, como se muestra en el diagrama en bloques de la figura 1-4, típicamente contiene un tacómetro que puede detectar cambios en la velocidad del motor. Este sensor produce señales de error que son proporcionales a las desviaciones positivas o negativas de la velocidad del motor de su valor de consigna. Estas señales son enviadas al controlador de movimiento de manera que pueda computar una señal correctiva para el amplificador que mantenga la velocidad del motor dentro de los límites prefijados a pesar de los cambios en la carga.

Un lazo de control de posición, como se muestra en el diagrama en bloques de la figura 1-5, típicamente contiene un codificador o resolver capaz de mediciones directas o indirectas de la posición de carga. Estos sensores generan señales de error que son enviadas al controlador de movimiento, que produce una señal correctiva para el amplificador. La salida del amplificador hace que el motor acelere o disminuya su marcha para corregir la posición de la carga. La mayoría de los sistemas de control de lazo cerrado incluyen además un lazo de control de velocidad.

El  mecanismo tornillo a bolas deslizable , mostrado en la figura 1-6, es un ejemplo de un sistema mecánico que trasporta una carga cuya posición deba ser controlada en un servosistema de lazo cerrado, debido a que no está equipado con sensores de posición. Tres ejemplos de sensores de retroalimentación montados sobre el mecanismo del  tornillo a bolas deslizable  son mostrados en la figura 1-7 : (a) es un codificador óptico rotativo montado sobre el gabinete del motor con su eje acoplado al eje del motor; (b) es un codificador lineal óptico con su escala graduada montada sobre la base del mecanismo; y (c) es el menos usado comúnmente, pero mas preciso y caro interferómetro de láser.

Fig. 1-5: Diagrama en bloques de un sistema de control de posición.

Fig. 1-6: Mecanismo impulsado por un tornillo de bolas deslizable, sin sensores de retorno de señal de posición.

Perfil de velocidad trapezoidal

Si un sistema de control de movimiento debe alcanzar movimiento parejo y de alta velocidad sin sobrecargar al servomotor, el controlador de movimiento debe comandar el amplificador del motor para obtener una rampa de ascenso de velocidad gradual hasta que alcance la velocidad deseada, y luego tenga un rampa de descenso de velocidad gradual hasta que se detenga, luego de completar la tarea asignada. Esto mantiene la aceleración del motor dentro de los límites.

Fig. 1-8: Los servomotores son acelerados a velocidad constante y desacelerados a lo largo de un perfil trapezoidal para asegurar una operación eficiente.

El perfil trapezoidal, mostrado en la figura 1-8, es ampliamente usado debido a que el mismo acelera la velocidad del motor a lo largo de una rampa de subida positiva lineal, hasta que una velocidad constante sea alcanzada. Cuando el motor es desconectado del ajuste de velocidad constante, el perfil desacelera la velocidad a lo largo de una rampa negativa de bajada, hasta que el motor se detiene. La corriente del amplificador y el voltaje de salida alcanzan valores máximos durante la aceleración, luego caen a valores menores durante la velocidad constante, y conmutan a valores negativos durante la desaceleración.

Técnicas de control de lazo cerrado.

La manera mas simple de retroalimentación es el control proporcional, pero existen además las técnicas de control derivativa e integral, que compensan ciertos errores de estado estable que no pueden ser eliminados del control proporcional.

Estas tres técnicas pueden ser combinadas para formar el control proporcional-integral-derivativo ( PID ).

• En el control proporcional, la señal que acciona el motor o actuador es directamente proporcional a la diferencia lineal entre el comando de entrada para la salida deseada, y la salida real medida.
• En el control integral, la señal que acciona el motor iguala la integral del tiempo de la diferencia entre el comando de entrada y la salida real medida.
• En el control derivativo, la señal que acciona el motor es proporcional a la derivada del tiempo de la diferencia entre el comando de entrada a la salida real medida.
• En el control proporcional-integral-derivativo (PID), la señal que controla el motor iguala a la suma en conjunto de la diferencia, el tiempo integral de la diferencia, y el tiempo derivativo de la diferencia entre el comando de entrada y la salida real medida.

Sistemas de control de movimiento de lazo abierto.

Un sistema de control de movimiento de lazo abierto incluye un motor por pasos con un indexador programable o generador de pulsos y un accionamiento de motor, como se muestra en la figura 1-9. Este sistema no necesita sensores de retroalimentación porque la posición de la carga  y la velocidad son controladas por el número predeterminado y dirección de los pulsos digitales de entrada enviados al control del motor desde el controlador. Debido a que la posición de la carga no es continuamente verificada por un sensor de retroalimentación (como es el caso en un sistema de lazo cerrado), la precisión del posicionamiento de la carga es menor y los errores de posición (comúnmente llamados errores de paso) se acumulan a lo largo del tiempo. Por estas razones los sistemas de lazo abierto son especificados con más frecuencia para aplicaciones donde la carga permanece constante, el movimiento de la carga es simple, y una baja velocidad de posicionamiento es aceptable.

Fig. 1-9: Diagrama en bloques de un sistema de control de movimiento de lazo abierto.

Clases de movimiento controlado.

Existen cinco diferentes clases de control de movimiento: punto a punto, secuencial, velocidad, torque e incremental.

• En el control punto a punto la carga es movida entre una secuencia de posiciones numéricamente definidas donde la misma es parada antes de ser movida a la posición siguiente. Esto se hace a velocidad constante, con la velocidad y la distancia monitoreadas por el controlador de movimiento. El posicionamiento punto a punto puede sr desarrollado en sistemas de eje único o de eje múltiples con servomotores en lazos cerrados o motores por pasos en lazos abiertos. Las tablas X-Y y las fresadoras posicionan sus cargas mediante control punto a punto multiaxial.
• Control secuencial, es el control de funciones tales como apertura y cierre de válvulas en una secuencia preestablecida, o arrancar y parar una correa de transmisión en estaciones específicas en un orden dado.
• Control de velocidad, es el control de velocidad del motor o actuador en un sistema.
• Control de torque, es el control de la corriente del motor o actuador de manera que el esfuerzo de torsión sea constante a pesar de los cambios en la carga.
• Control de movimiento incremental, es el control simultáneo de dos o más variables tales  como la ubicación de carga, velocidad del motor o torque.

Interpolación del movimiento.

Cuando una carga bajo control debe seguir un camino específico para ir desde su punto de partida inicial al punto de parada, el movimiento del los ejes deben ser coordinados e interpolados. Hay tres tipos de interpolaciones: lineal, circular y periférica.

La interpolación lineal es la habilidad de un sistema de control de movimiento que dispone de dos o más ejes para mover la carga de un punto a otro en línea recta. El controlador de movimiento debe determinar la velocidad de cada eje de manera de coordinar sus movimientos. Una interpolación lineal real requiere que el controlador de movimiento modifique su aceleración axial, pero algunos controladores aproximan la interpolación real lineal con perfiles programados de aceleración. El recorrido puede permanecer en un plano o ser tridimensional.

La interpolación circular a la habilidad de un sistema de control de movimientos con dos o más ejes de mover la carga alrededor de una trayectoria circular. La misma requiere que el controlador de movimiento modifique la aceleración de la carga mientras está en tránsito. Nuevamente, el círculo puede estar en un plano o ser tridimensional.

Periférico o contorneado, es el recorrido seguido por la carga, herramienta o brazo robótico bajo el control coordinado de dos o más ejes. El mismo requiere que el controlador de movimiento cambie las velocidades en diferentes ejes de manera que sus trayectorias pasen a través de un conjunto de puntos predeterminados. La velocidad de la carga es determinada a lo largo de la trayectoria, y puede ser constante excepto durante el arranque y la parada.

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