Nuevas tecnologías aplicables a procesos en los que se realizan operaciones de desplazamiento lineal con control simultáneo de posición y fuerza
Las prensas son unas máquinas con una larga historia cuya función principal es deformar por medio de presión el elemento trabajado.
La prensa básicamente presenta una parte móvil, la maza, que se desplaza linealmente ejerciendo una fuerza determinada en su recorrido y una parte fija opuesta a la parte móvil, el yunque, que soporta sin deformación la fuerza aplicada la maza. Entre ambas se sitúa la pieza trabajada que será la que sufra los efectos de la presión ejercida.
Tanto la maza como el yunque están diseñadas para que se puedan incorporar sobre ellas distintos útiles (estampas, troqueles, punzones,…) que trabajan conjuntamente y dan lugar a distintos resultados sobre la pieza trabajada como son: corte, plegado, conformado, aplastamiento,… El resultado final sobre la pieza trabajada será la combinación de la forma del útil, junto con el desplazamiento y fuerza ejercida de la maza.
Por lo tanto resulta claro que cómo se mueve la maza y la fuerza que ejerce son los parámetros fundamentales de control en la operación que deberán ser ajustados en base a los útiles y las características del material trabajado o al menos eso sería lo deseable.
Índice
Índice
1. Tecnologías de movimiento
2. La servoprensa como órgano de máquina
3. Partes que componen una servoprensa
4. Control de una servoprensa
5. EL SOFTWARE
6. Modos de trabajo de las servoprensas
7. Control de proceso
8. Monitorización
9. Seguridad
10. Mantenimiento
11. SOBRE IAI y Larraioz Elektronika
Índice
1. Tecnologías de movimiento
2. La servoprensa como órgano de máquina
3. Partes que componen una servoprensa
4. Control de una servoprensa
5. EL SOFTWARE
6. Modos de trabajo de las servoprensas
7. Control de proceso
8. Monitorización
9. Seguridad
10. Mantenimiento
11. SOBRE IAI y Larraioz Elektronika
1. Tecnologías de movimiento
Visto el funcionamiento de la prensa, aparte de una estructura robusta es necesario mover linealmente de alguna forma la maza. Dependiendo de cómo generemos el movimiento tendremos distintas capacidades de control, desde ninguna a todas.
Las primeras prensas obtenían su fuerza y movimiento mediante los músculos humanos accionando unas buenas palancas asociadas a tornillos sin fin, es decir un movimiento rotativo se convertía en lineal. Además los sensores del cuerpo humano permitían realizar cierta regulación en tiempo real sobre la operación. Esta última característica se perderá más adelante y tardará en volver.
Y así fueron evolucionando estas máquinas sustituyendo a los humanos por otras formas de generar movimientos rotativos, más potentes y rápidos. Todos estos sistemas no permitían un ajuste de la velocidad y la fuerza en función de la posición de la maza (perdieron los sensores humanos), lo cual suponía un impedimento a la hora de realizar ciertas operaciones que eran demandadas. Todos estos sistemas no permitían un ajuste de la velocidad y la fuerza en función de la posición de la maza (perdieron los sensores humanos), lo cual suponía un impedimento a la hora de realizar ciertas operaciones que eran demandadas. Como respuesta a este problema la hidráulica se presentó como la gran revolución esperada.
Inicialmente y sin participación de la electrónica de control se conseguían resultados imposibles hasta aquel momento, posteriormente la aplicación de la electrónica ha conseguido mejorar aún más los resultados. Pero como pasa con todas las tecnologías los procesos de fabricación agotaron las posibilidades de la hidráulica requiriendo de nuevas prestaciones que han dado lugar a los novedosos sistemas basados en servomotores con sofisticados controles electrónicos, las denominadas servoprensas, de las que nos ocuparemos ahora.
2. La servoprensa como órgano de máquina
Las nuevas servoprensas siguen los mismos principios que la primera prensa movida por músculos humanos y recuperan de nuevo la sensorización que permite un ajuste fino y continuo de la fuerza y velocidad en función de la posición. Esto es posible gracias a la aplicación de la mecatrónica, es decir de los últimos avances en motores eléctricos, sensórica, electrónica y software.
La fusión de distintas tecnologías para conseguir un objetivo no consiste en una integración de componentes cualesquiera más o menos bien avenidos, sino en diseñar desde cero todo el conjunto de elementos para obtener el resultado esperado. Es decir no consiste en añadir un driver de un motor por aquí, un software de control por allí en el PLC que solemos usar, un conjunto de guías de aquel y un motor de esos que nos han recomendado.
Este planteamiento permite ofrecer un componente de máquina estándar que responde a unas prestaciones bien definidas y contrastables, con soporte tanto técnico como material durante toda la vida del componente que asegura la inversión para el usuario final. Lo cual supone una gran ventaja para las ingenierías y fabricantes de maquinaria al descargar de ese trabajo de diseño a su oficina técnica además de poder garantizar de forma segura las prestaciones de sus máquinas durante la vida de la misma, sin incurrir en riesgos innecesarios y pérdidas de clientes debido a una falta de experiencia en la realización de estas complejas máquinas. Para el usuario final este concepto de componente estándar le asegura que la inversión realizada tenga el retorno mejor y una mantenibilidad asegurada durante la vida del producto que por ley está garantizada como mínimo 10 años.
3. Partes que componen una servoprensa
Como hemos comentado intervienen distintos componentes que se pueden resumir sin ser exhaustivo en:
| MECÁNICOS | Maza con amarre para utillajes Guiado de la maza Vastágo maza Portacables de sensor de carga Tapas |
|---|---|
| ELÉCTRICOS / ELECTRÓNICOS | Motor servo con reenvío Driver servo Controlador Cables de interconexión Sensor de carga Encoder Bus de campo Conector Feedback posición/fuerza |
| SOFTWARE | Control de movimiento Control de fuerza Automatización de ciclo de trabajo HMI Gestión de errores Protocolos de comunicaciones Mantenimiento predictivo |
Si nos centramos en el concepto de servoprensa como órgano de máquina la cosa se simplifica mucho, pasamos de una lista de varias decenas de elementos, planos y esquemas a simplemente 3 elementos que se conectan entre sí sin más complicación:
| Actuador lineal | IAI RCS3-RA4R |
|---|---|
| Controlador | IAI SCON-CB |
| Cable de interconexión | IAI CB-CAN-RB |
4. Control de una servoprensa
La característica más sobresaliente de una servoprensa, con permiso del ahorro energético, es su capacidad de control de la velocidad, fuerza y posición en todo su rango de movimiento y con tiempos de respuesta rapidísimos. En regulación decimos que es capaz de cerrar lazos de posición, velocidad y fuerza. El actuador incorpora un servomotor eléctrico, de ahí el nombre de servoprensa, con una gran capacidad dinámica y alto par ambos regulables de forma precisa. Para conocer la fuerza aplicada en la maza se añade un sensor, la célula de carga, que mide directamente la fuerza exacta aplicada en todo momento. Para conocer las magnitudes cinemáticas (Posición, velocidad, aceleración/deceleración) se añade otro sensor, el encoder absoluto sin batería de alta resolución. La información de los sensores junto al control fino del motor da como resultado que la maza se mueva en el caso de las servoprensas de IAI con repetitividades de +-0.01mm y realice la fuerza deseada en todo momento con una precisión de +-0.5%. Es importante que la célula de carga pueda autoajustarse respecto a la masa del útil que lleva la maza, que para algo es una máquina adaptable a distintos trabajos.
Todo esto está muy bien pero llegado el momento de usar este componente, ¿Qué PLC o PC o controlador tenemos que añadir?, ¿hay que escribir mucho software?, ¿necesito mucha formación para usarlo?
La respuesta dependerá del fabricante del equipo, pero en el caso de IAI no hace falta añadir nada, ni escribir programas ni asistir a cursos. Lo veremos más adelante.
5. EL SOFTWARE
El ciclo de trabajo normal de una servoprensa es el siguiente:
Un buen software de usuario nos tiene que facilitar la vida e ir directamente al grano, por ejemplo el software de IAI presenta este aspecto:
Simplemente asignando los valores deseados tendremos a la servoprensa trabajando como queremos. Sin más ajustes ni complicaciones. Obviamente, podemos monitorizar lo que ocurre durante el trabajo y además obtener la información en bruto de los sensores de posición y fuerza para por ejemplo análisis estadísticos.
Dependiendo de la aplicación el sistema nos deberá permitir distintos modos de trabajo en las fases de presión y a ser posible deberá ser capaz de juzgar si el trabajo realizado es correcto o no. Y claro, ya que es un sistema programable, deberá permitirnos distintos conjuntos de parámetros/modos o programas que llamaremos en función de la operación a realizar sin necesidad de volver a parametrizar.
6. Modos de trabajo de las servoprensas
Depende de la aplicación usaremos una estrategia de controlar la velocidad o de controlar la fuerza. La cual mantendremos hasta que ocurra algo, ese algo será: Una posición determinada, una distancia recorrida, un valor de fuerza determinado o un incremento de fuerza definido.
En el manual del controlador de las servoprensas de IAI puedes ver en detalle el funcionamiento de estos modos.
Recogen las formas de trabajo normales de una prensa sin necesidad de escribir una sola línea de código. Listo para usar.
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7. Control de proceso
Pero como hemos dicho también es necesario el que el propio equipo nos diga si la pieza es buena o mala sin necesidad de realizar una operación posterior de control, lo que simplifica el proceso, abarata el sistema y mejora la calidad. Un buen sistema analizará cada milisegundo que se cumplen las condiciones establecidas de calidad, dando el veredicto una vez finalizada la operación.
El controlador por medio de una señal digital (física o bus de campo) nos dará el resultado del veredicto con lo que resulta muy sencillo implementar el descarte de pieza buena/mala, simplemente con un piloto, o un cilindro expulsor o como señal de entrada a un robot.
8. Monitorización
En algunos casos por motivos de trazabilidad se requiere almacenar curvas posición/fuerza, para esas situaciones hay dos caminos: trabajar con datos desde el bus de campo del controlador o si se busca la mayor frecuencia de muestreo leer directamente los datos de encoder y célula de carga. Ambas posibilidades están disponibles en las servoprensas IAI.
También puede ser que por diversos motivos se quiera visualizar el proceso para ello el sistema incluye un completo panel de control que incluye graficado de curvas y guardado de las mismas.
Desde esta misma pantalla es posible manejar el sistema en modo prueba para realizar los ajustes iterativos que son tan necesarios para el personal encargado de producción y calidad.
9. Seguridad
Como equipo estándar cumple la normativa CE, Rohs como es preceptivo. El circuito STO o SSt1 simplifica el cuadro eléctrico respecto a la parada de emergencia con doble canal y verificación de estado para alcanzar hasta categoría 4 sin problemas.
10. Mantenimiento
No solo hay que fabricar bien, con calidad, rápidamente y de forma flexible, sino que se debe hacer de forma continuada para lo cual es necesario el seguir unas pautas de mantenimiento claras. Las servoprensas de IAI están diseñadas para que su mantenimiento preventivo sea muy sencillo y rápido de realizar sin concurso de expertos ya que el procedimiento en detalle se encuentra en su manual. Además incluye una serie de herramientas y registros de fallos/operación que permiten adelantarse al fallo o averiguar sus causas:
Función de mantenimiento predictivo: Se ha incluido una función que emite una advertencia cuando se detecta una sobrecarga del motor. El monitoreo de los cambios en la temperatura del motor permite detectar anomalías antes de que ocurra una avería o un mal funcionamiento.
Funciones de supervisión: Similar a un osciloscopio, ahora es posible adquirir las formas de onda de la posición, la velocidad, etc. desde el instante en que cambia el estado de la señal seleccionada. También es posible adquirir los estados de señal de posicionamiento completo, alarmas, etc.
Función que integra el número de ciclos con la acumulación de distancia recorrida permite generar avisos de mantenimiento como por ejemplo engrase o tensionado de correas
Función de calendario permite registrar con fecha y hora las alarmas que se han generado.
11. SOBRE IAI y Larraioz Elektronika
IAI es líder en Japón con más del 60% de la cuota del mercado de los actuadores eléctricos y dispone de la mayor gama del mercado mundial en movimiento eléctrico, incluyendo entre sus productos robots SCARA y robots cartesianos. La alta calidad, innovación y ahorro energético son sus señas de identidad, que permiten que sus productos disfruten de una larga vida de uso y altas prestaciones con el menor costo de uso posible.
IAI se encuentra representado en España por Larraioz Elektronika tanto a nivel comercial como de soporte, formación y servicio técnico.