Diferencias entre Perfiles CAM e Interpolaciones

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Cateogría del artículo Motion Control
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Pere Garriga nos explica las diferencias entre movimientos mediante interpolación de ejes con los movimientos mediante perfiles CAM

Diferencias entre Perfiles CAM e Interpolaciones

A veces se pueden confundir los movimientos mediante interpolación de ejes con los movimientos mediante perfiles CAM. En este artículo se explica cómo se realiza cada uno de dichos movimientos y se resumen sus diferencias, mostrando algún ejemplo de aplicación.

Movimientos Interpolados.

Se trata de mover varios ejes simultáneamente, de manera que el movimiento resultante describa una forma determinada. Los tipos de interpolación más comunes son las lineales y las circulares, aunque también se emplean otras como las splines. El siguiente gráfico muestra las lineales y las circulares:

Que hace el control para realizar una interpolación.

En el caso de una interpolación lineal, hay que indicar las coordenadas X, Y en 2D, o X, Y, Z en 3D de la posición de destino. En el caso de una interpolación circular, lo más habitual es definir el arco de la circunferencia, mediante las coordenadas del punto final de destino y un punto auxiliar previo en el arco. En ambos casos hay que fijar los parámetros de velocidad, aceleración, deceleración y jerk del vector resultante.

Con estos parámetros y empleando la ecuación de la recta, o la de la circunferencia, el PAC (Programable Automation Controller) calcula la posición de cada uno de los ejes implicados en cada intervalo de la tarea de control de movimiento (típicamente 1 mSeg.) y la transfiere a los servodrives mediante el bus de campo empleado, sea EtherCAT, SERCOS III, EterNet/IP con CIP Sync.

Es como un posicionado, pero intervienen varios ejes, la combinación de los movimientos de los ejes implicados da como resultado la línea recta en 2D o en 3D, o el movimiento circular según sea el tipo de interpolación. Este movimiento no está sincronizado con ningún encoder, ni con ningún eje virtual, se mueve según la velocidad vectorial programada.

Nota: La forma en que el PAC realiza el cálculo de las interpolaciones está simplificada, pero es válida para que podamos entender el cómo se realiza una interpolación.

Combinando interpolaciones para crear un Motion Path.

Muchas aplicaciones requieren que los ejes describan una trayectoria (Motion Path) manteniendo la velocidad vectorial constante, como el que se muestra en el gráfico.

Ello se consigue mediante la programación de varios segmentos de interpolación lineal y circular, en este ejemplo se necesitan 13 segmentos: L1, C1, L2, C2, L3, C3, L4, C4, L5, C5. L6, C6 y L7.

Puesto que para mantener la velocidad vectorial constante es preciso conocer como es el próximo movimiento, el PAC dispone de un buffer al que hay que “enviar” la siguiente interpolación antes de que haya finalizado la anterior.

Hay que decir que si quisiéramos programar el motion path de este ejemplo mediante perfiles CAM sería muy complejo e inadecuado.

Explicación de un movimiento básico con perfiles CAM.

Se trata de mover de uno a varios ejes sincronizados con el movimiento de un encoder maestro o de un eje maestro virtual. En el siguiente gráfico se muestra la conversión de una leva mecánica a un perfil CAM (leva electrónica)



En ese caso se “dibuja” el perfil con los valores de los cinco puntos (en verde) que definen el perfil.

Acoplado al eje de giro de la leva hay un encoder que proporciona la posición del eje X, o maestro, de 0 a 360 grados. El eje X gira por medio externos al control PAC y el encoder le proporciona el valor de posición, en este caso angular, con el valor del encoder, el PAC, busca en la tabla CAM el valor de posición que corresponde al eje Y (esclavo) y lo transmite por el bus de campo al servodrive, p.ej: cuando el eje maestro pasa por 135 grados, la posición de referencia que se envía al eje esclavo será de 115 mm (ver gráfico). Por lo tanto, el movimiento del eje esclavo es totalmente dependiente de la posición del encoder y de los valores del perfil CAM. Tanto la velocidad como la aceleración dependerán de la velocidad de giro del eje maestro (encoder) y la posición del eje esclavo siempre estará sincronizada con la del eje maestro. Como si fuese la leva mecánica

Movimiento con perfiles CAM en varios ejes.

En este ejemplo de aplicación, de llenado en continuo, hay que sincronizar los ejes del robot cartesiano, X e Y entre ellos y a la vez con el husillo que controla el paso del producto, tal como se muestra en el siguiente croquis.

Las botellas avanzan a velocidad constante (según el valor de la receta) accionadas por el eje husillo. El carro (en verde), que mueve las boquillas de llenado, dispone de dos ejes de movimiento X e Y. El ciclo se inicia de forma que el carro espera en su posición izquierda y a unos mm de altura de las botellas. Sincroniza su avance con el eje husillo al mismo tiempo que baja el eje Y e introduce las boquillas en el fondo de las botellas, a medida que van avanzando, el eje X se mantiene en sincronismo con el husillo, el eje Y va subiendo progresivamente y las botellas se van llenando, al final sube hasta la posición de espera fuera de las botellas y el eje X retorna al punto inicial en espera del siguiente ciclo.

En este caso los ejes esclavos X e Y están sincronizados con el eje maestro husillo y de forma implícita entre ellos por estar, ambos, sincronizados con el mismo maestro.

En el siguiente gráfico se muestra la forma de los perfiles CAM, aproximados, de los ejes X e Y.

Una vez el carro acelera en X y se sincroniza con el husillo, el eje Y ya puede bajar hasta el fondo de la botella y a medida que el carro va avanzando, las boquillas van subiendo, hasta el final que salen de la botella y permanecen en su posición de espera, el carro decelera y retorna rápidamente a la posición de inicio para el siguiente ciclo de llenado.

En estos ejemplos de perfiles CAM ya se ve que no se puede resolver mediante interpolación de movimientos, hay que sincronizar el movimiento de cada eje esclavo (X, Y) con su maestro (husillo).

En Resumen:

Una interpolación combina el movimiento de varios ejes para que la trayectoria resultante describa una línea recta, o un arco, en un plano 2D o en el espacio 3D. Los ejes se moverán al ritmo de los valores dinámicos programados para el vector resultante (velocidad, aceleración, deceleración y jerk).

● Un movimiento mediante perfiles CAM sincroniza la posición de los ejes emulando el funcionamiento de las levas mecánicas, de forma que la posición y la velocidad del eje esclavo dependerán de la forma de la leva y del ritmo que marque el giro del eje maestro.

● El tipo de aplicación es lo que determina que funcionalidad es la correcta. Si en la aplicación se habla de sincronismo, la solución será mediante perfiles CAM, sin duda.

Linkedin Pere Garriga

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Blog dedicado a la introducción en los conceptos de Motion Control (Control de movimiento) en sistemas de automatización




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