Elementos para la modernización

El proyecto de actualización está enfocado en tres direcciones de trabajo: proyecto mecánico, proyecto electrónico y proyecto de control por software. En la primera parte se incluyen las estructuras mecánicas y la especificación de los datos de la máquina. El proyecto electrónico consiste en la selección de las fuentes de energía, placas controladoras de los motores de paso, sensores y servomotor para el accionamiento de cabezal electroerosivo; mientras que el control por software se enmarca en el uso de una plataforma de software para el control de la velocidad y dirección de los motores de paso, además de proporcionar una interfaz gráfica para la interacción con el usuario.

23 El panel control manual que se muestra en la figura 2.2, se propone como un valor añadido y tiene como función proporcionar una variante de manejo opcional al operador, lo que significa que ante un determinado evento, previsto o no, se puede prescindir del control computarizado y disponer del mecanizado manualmente.

Figura 2.2: Vista frontal del panel de control manual.

Dentro de los elementos que contiene se encuentra el selector de servo, un conmutador de dos posiciones, que permite seleccionar el servo vertical (para realizar erosiones y centrajes verticales) o el servo horizontal (para realizar erosiones, desplazamientos y centrajes horizontales), en esta posición permanece bloqueado el eje Z. También se incluye una pantalla alfanumérica de 5 caracteres para la visualización de las cotas de desplazamiento en centésimas de milímetro (máx. 199,95), radios de órbitas en milésimas de milímetro (máx. 19,995), así como de mensajes de control, que indican el estado de operación en que se encuentra la máquina. El panel de mando cuenta además un conmutador de 16 posiciones, que permite seleccionar las distintas funciones que el control es capaz de realizar. Para la ejecución de estas funciones se utiliza el pulsador Enter; dentro de las selecciones posibles se encuentran 6 posiciones que permiten 3 tipos de órbitas circulares y otras 3 cuadradas, todas diferentes, que exigen la selección previa del radio (en milésimas de milímetro), siendo el radio máximo de 19,995 mm. Todas las funciones del selector de funciones necesitan un valor que deberá seleccionarse previamente. En el caso de las órbitas, es el radio, en el de los desplazamientos, es la cota y en el de la velocidad será un valor que se especificará durante el proceso de diseño de la pieza. Las escalas utilizadas en los radios y en las cotas de los desplazamientos son diferentes, siendo 5 µm las unidades menores de los radios y 50 µm las de las cotas.

24 Por otra parte existen 4 posiciones, que permiten desplazar manualmente la mesa según los ejes X e Y, en sentido positivo o negativo. Esta función pone a cero el control, los motores para el movimiento de los ejes X e Y permanecen libres, permitiendo movimientos manuales en ambos ejes. Cualquier cota seleccionada previamente es puesta a cero. Si en esta situación se sitúa el selector de servo en posición horizontal, se logran dos formas de mover la mesa:

a) Manualmente: al estar libres los motores se puede desplazar la mesa en cualquier dirección del plano definido para los ejes X e Y.

b) A través del control: si se sitúa el selector de funciones en alguna de las posiciones +X, -X, +Y, -Y, al pulsar Enter estando desconectada la erosión, la mesa se desplazará en el sentido indicado por la posición del selector.

Por último, las demás opciones del panel brindan la posibilidad al usuario de: localizar de forma automática, el centro de una cavidad; aumentar o disminuir de forma rápida y continua los valores reflejados en el visualizador, así como fijar una velocidad de movimiento deseada. A partir de este momento se definen los elementos de hardware necesarios para llevar a cabo la modernización de la ONA Plus 120. Entre los elementos seleccionados se encuentran dos motores de paso modelo HY 200 3424 para el desplazamiento de los ejes X e Y, disponiéndose para el tercer eje (eje Z) de un servomotor DC de Mavilor Motors, modelo BL 110.

2. 2.1 Sistema sensorial

Para poder diseñar un adecuado sistema de control es necesario definir las variables a medir y seleccionar la instrumentación más adecuada. Para una máquina herramienta C.N.C es necesario medir el número de revoluciones de los motores de paso para controlar la velocidad de acercamiento y posición de la herramienta en el eje “Z” así como el movimiento de las mesas en los ejes “X” e “Y”.(Zúñiga, 2003)

Controlar la ubicación de la herramienta en el eje “Z” para determinar la profundidad del maquinado, la distancia entre la mesa del eje “X” y el eje “Z” así como la posición de la mesa de trabajo para ejecutar los movimientos necesarios con el fin de maquinar los relieves deseados. Dado que se necesita controlar la velocidad de los motores de paso y la posición de las mesas, se propone como alternativa, el uso de transductores lineales o reglas lineales como también se les conoce.

Los transductores lineales (figura 2.3 a) son elementos de las máquinas herramientas que se fijan a los ejes de una máquina CNC, tienen como objetivo convertir el desplazamiento lineal en señales eléctricas. A partir de los años 80, los principales fabricantes de máquinas comenzaron a emplear las guías lineales en lugar de los buses tradicionales porque tienen una alta precisión, una excelente rigidez y se desplazan más suavemente. (SANTOS, 2001)

25 Debido al desgaste mecánico que se ha producido durante la vida útil de la máquina herramienta bajo estudio, se hace necesario el uso de estos elementos, para la medición fiable y precisa (centésimas de milímetros) del trayecto recorrido. En tal sentido, se dispone de dos transductores lineales modelo MT de la compañía Fagor para ser ubicados en los ejes X, Y, Z. Este modelo está diseñado para proveer como señal de salida, dos trenes de impulsos desfasados 90° (VA y VB en la figura 2.3 b), además de un impulso de referencia VIO sincronizado con las señales de VA y VB. La longitud máxima del cable es de 20 metros y la tensión de alimentación, +5 V ±5 %, 100 mA.

Figura 2.3: (a) Transductor lineal Fagor MT y (b) señal de salida del transductor lineal. Es indispensable considerar el tipo de movimiento (vertical, horizontal o inclinado) y considerar la influencia de las cargas y fuerzas a fin de optimizar el funcionamiento del sensor, el Anexo B se muestran algunos de estos parámetros.

Otro aditamento que se propone para el control de la posición de los ejes, son los detectores de proximidad. El campo de aplicación más importante de este tipo de detector es como final de carrera, siendo los más usados los medidores de posición eléctricos del tipo inductivo y capacitivo, siendo su señal de salida empleada para alimentar instrumentos registradores o controladores. Estos detectores tienen ventajas respecto a los que emplean el principio electromagnético, como la ausencia de contacto, la robustez mecánica, la resistencia a ambientes agresivos y su bajo costo (Sánchez and Hidalgo, 2010).

Otro elemento importante propuesto para la reconversión en un visualizador de cota Fragor VN 200, que está diseñado para trabajar en ambientes industriales, especialmente en máquinas herramienta y como elemento de medición. Permite visualizar la posición de uno, dos o tres ejes de la máquina, tal y como se muestra en la figura 2.4.(Fagor-Automation, 2009)

26 Figura 2.4: Panel frontal del visualizador de cotas.

El display de cada eje dispone de 8 dígitos verdes de 14,1 mm de altura y una indicación para el signo negativo. Posee variantes de trabajo en modo absoluto o en modo incremental. Mediante el panel numérico de teclas, se introducen valores o se le aplican ajustes de compensación a la herramienta.

Las características técnicas de este visualizador de cotas, lo hacen apto para las condiciones de trabajo existentes en el lugar de ubicación de la máquina. Entre las principales ventajas que ofrece se encuentran el régimen de funcionamiento a una temperatura ambiente entre los 5º C y 45º C, con una humedad relativa del 95%, además mantiene almacenados los parámetros máquina hasta 10 años incluso estando visualizador apagado. La alimentación es de 100 a 240V AC +10 % -15 %, con frecuencia de red de 45 Hz a 400 Hz.

2. 2.2 Motores de paso

Un motor de paso es un transductor de características electromecánicas que permite la conversión de energía y de información en movimiento. Su alimentación es eléctrica digital (tren de impulsos) y su movimiento de rotación es de carácter progresivo. El motor paso a paso se caracteriza por la capacidad de generar fuerza y la velocidad a través de señales eléctricas añadidos en sus bobinas. (Domingos, 2009)

Los motores de paso son ampliamente utilizados en máquinas CNC (Domingos, 2009), debido a que éste divide una rotación completa en un número de pasos iguales, o lo que es lo mismo en una serie de ángulos precisos. Con ello se alcanza una alta resolución en desplazamiento y un posicionamiento preciso, además poseen la habilidad de quedar enclavados en una posición (si una o más de sus bobinas están energizadas) o bien totalmente libres (si no existe corriente alguna circulando por éstas). En este caso, se proponen tres motores de paso, para efectuar los movimientos de traslación de la máquina en los ejes X, Z e Y.

A fin de proporcionar una buena conversión de la información, el motor paso a paso debe tener características síncronas, es decir, a cada impulso de alimentación debe corresponder un avance

27 fundamental, constante, llamado paso. La sucesión de impulsos en una determinada frecuencia, permite imponer una velocidad de movimiento prácticamente constante. En función de estas características el motor de paso proporciona un control de posición y velocidad sin la introducción de errores acumulados y esto, junto con la simplicidad, la precisión y la durabilidad, hace que se utilicen ampliamente en este tipo de aplicaciones. Existen dos tipos básicos de motores de paso de uso común: los permanentemente magnetizados y los de reactancia variable. Los primeros se dividen en unipolares y bipolares.

(a) (b)

Figura 2.5: (a) Motor bipolar permanentemente magnetizado y (b) motor de paso HY 200 3424 Un motor bipolar permanentemente magnetizado (figura 2.5 a) consiste en un rotor magnetizado permanentemente rodeado por los polos del estator con bobinados. Si se usa una corriente manejada bidireccionalmente el motor da pasos conmutando las bobinas en secuencia. Para un motor de este tipo, hay tres posibles secuencias de manejo, aunque para el motor seleccionado, se utiliza la secuencia conocida como “one phase on” o “full step”, donde solo una fase es energizada en cada momento o sea se energizan las bobinas en la siguiente secuencia para el giro en el sentido horario: AB/CD/BA/DC (BA significa que el enrollado AB es energizado pero en el sentido contrario). En la figura 2.6 se muestra de una manera más explícita lo anteriormente explicado (Guerrero, 2007 ), donde la rotación que se indica es en el sentido de las manecillas del reloj.

28 Para la rotación en la dirección opuesta (en contra de las manecillas del reloj) se usa la misma secuencia, excepto que el orden se invierte.

En la Tabla 2.3 se muestran los principales datos de los motores de paso escogidos, tipo HY 200 3424 (Technology, 2008), según se muestra en la figura 2.5 (b). Por su parte, en el Anexo C, se indican las dimensiones y varias de las especificaciones de estos motores.

Tabla 2.3: Datos de motores de paso modelo HY 200 3424-170 A8

Número de fases 4

Pasos por giro 200

Ángulo de paso 1.8°

Corriente de fase nominal 1.7 A

Resistencia de fase 1.8 Ω

Tensión máxima aplicable 90 V

Torque de retención bipolar 116 Ncm

Figura 2.7: Torque de retención en los motores en función de los pasos por segundo. El valor del torque de retención (116 Ncm) de la figura 2.7 está especificado en la hoja de datos del motor, para una secuencia de manejo “one phase on” o “full step” y para una configuración bipolar; de esta gráfica se desprende que el voltaje de alimentación de los enrollados puede ser 36V. Obsérvese que para una configuración bipolar ambos voltajes de trabajo 36 y 75 volts generan la misma cantidad de pasos por segundo.

Para el manejo de este tipo de motores, se necesita una etapa intermedia entre la lógica de control y el elemento motor, dicha función la ejercen los controladores, también conocidos como drivers.

29 Estos dispositivos electrónicos interconectan las instrucciones de las estrategias de mecanizado con las máquinas CNC (Yeadon and Yeadon, 2001).

Estas interfaces (o drivers) están presentes normalmente en forma de circuitos electrónicos, el grado de complejidad de estos circuitos varía en la medida, en que varían las características de las máquinas que van a ser controladas por dichos circuitos.(Parker, 2003)

Un driver para motores de paso provee la energía eléctrica al motor en respuesta a las señales de baja tensión del sistema de control, por lo que son básicamente una fuente de corriente controlada, cuyo objetivo es suministrar la corriente adecuada a las bobinas del motor de paso.(Parker, 2003)

Existen una gran cantidad de variantes para la confección de un controlador de potencia, en este caso se planeó en un primer momento la utilización de una tarjeta de servomotores Compact 2 perteneciente a una máquina en desuso, pero luego de realizar algunas pruebas se comprobó el mal estado de sus principales componentes. Sin embargo para la propuesta de la nueva tarjeta controladora de potencia, se mantienen como elementos principales los circuitos integrados L297 y L298, empleándose el esquema circuital que se muestra en la figura 2.8, diseñado para medir y controlar la corriente en los motores de paso. Al utilizarse de manera conjunta en una configuración circuital los integrados L297 y L298, se logra un módulo que garantiza una corriente constante para la carga inductiva que caracteriza al motor, así como posibilita efectuar la función de interface entre la lógica de control y la etapa de potencia.

Esta combinación del controlador L297 y el L298 tiene muchas ventajas: son muy pocos los componentes necesarios, el coste de montaje es bajo, la fiabilidad alta y requiere poco espacio, así como se simplifica el desarrollo del software y la carga en el micro se reduce. Además, la elección de un enfoque de dos chips ofrece un alto grado de flexibilidad.

Tal y como se muestra en el esquema de la figura 2.8, el circuito L297 recibe señales de control desde el controlador del sistema, por lo general un microprocesador o una PC, y proporciona todas las señales de activación necesarias para la etapa de alimentación del motor o etapa de potencia. Adicionalmente, incluye dos circuitos PWM (Pulse-Width Modulation o Modulación por Ancho de Pulsos) para regular la corriente en los devanados del motor de paso. (Microelectronics, 1995)

30 Figura 2.8: Esquema circuital del controlador para motores de paso.

Si agregamos otro arreglo circuital similar al mostrado en la figura 2.8, se puede implementar la salida a las cuatro fases del motor de paso, garantizando el movimiento del otro eje de la máquina. Usando una simple lógica para la habilitación así como conectando los pines de: reloj (encargado de la cantidad de pasos a ejecutarse), el sentido de giro y la secuencia de manejo, se puede establecer un control del sentido y la cantidad de pasos para cada motor. Algunas de las especificaciones técnicas de los dispositivos electrónicos L297 y L298 se encuentran en los Anexos D y E, respectivamente.

Un ordenador sirve de soporte al programa generador de las señales mientras que el envío de los datos al controlador de la operación del motor, se propone utilizar el puerto paralelo como interfaz de comunicación entre la computadora y el circuito de control. Existen dos modelos para la transmisión por puerto paralelo, transmisión unidireccional y transmisión bidireccional. El primero se conoce como SPP (Standard Parallel Port) y posee una tasa de transmisión de datos de hasta 150Kb/s, en esta variante son usados 4 bits a la vez, por otra parte el modelo bidireccional llamado EPP (Enhanced Parallel Port) posee una tasa de transmisión de hasta 2Mb/s, sin embargo, esta velocidad sólo se consigue con el uso de cables especiales. El EPP utiliza 8 bits a la vez en las transmisiones datos. En las PC, los puertos paralelos se conocen comúnmente como LPT1, LPT2, LPT3, etc., aunque el puerto estándar es LPT1, cuyas direcciones de memoria para el acceso son 378h, 379h, 37Ah. La Tabla 2.4 resume las direcciones, los registros y su función.

31 Tabla 2.4: Direcciones, registros, y funciones relacionadas con el LPT1.

NOMBRE DIRECCIÓN DESCRIPCIÓN

Registro de datos 378h Envía un byte a la impresora

Registro de estado 379h Lee el estado de la impresora

Registro de control 37Ah Envía datos de control a la

impresora

En el conector paralelo hay 25 señales de entrada y salida con lógica TTL, lo que significa que un pin se encuentra a nivel lógico 0 cuando los valores de tensión están entre los 0 y 0.8 V, y a nivel 1 lógico cuando la tensión pasa de 3.1 y 5 V.

Para una configuración del tipo SPP, los pines del 1 al 9 son salidas de datos, del 10 al 13 y el 15 son entradas, los pines 14,16 y 17 constituyen salidas y los terminales del 18 a 25 tierras, según como se muestra en la figura 2.9.

Figura 2.9: Esquema de funcionamiento del conector paralelo DB25 en modo SPP