Control de movimiento en manufactura. Automatización CNC fundamentos de diseño y modelamiento experimental

Por Ernesto Córdoba, Jully Paternina y Jorge García

La presente obra recopila el trabajo realizado durante dos décadas en el tema de control de movimiento aplicado a la manufactura automatizada, desarrollado por semilleros de investigación, estudiantes de pregrado, de maestría, de doctorado y profesores de diversos programas académicos. Este trabajo cuenta con el respaldo de empresas como Warner Industrial, Movitec Avanzada, National Instruments, Control de Movimiento e Imocom, las cuales apoyan al Grupo de Investigación en Nuevas Tecnologías de Diseño y Manufactura Automatización (DIMA-UN) de la Universidad Nacional de Colombia. Control de movimiento en manufactura. Automatización CNC, fundamentos de diseño y modelamiento experimental está dirigido a la comunidad académica e industrial dedicada al desarrollo de software CAM y al diseño de controladores robustos de movimiento para máquinas y robots en laboratorios y en plantas productivas, y a la manufactura flexible automatizada, con crecientes exigencias de productividad, calidad y fiabilidad de desempeño. Esta publicación es útil para postgrados en automatización industrial y procesos de manufactura, y para pregrados de mecatrónica, mecánica eléctrica, sistemas y electrónica.

• Idioma: Español
• Editorial: Universidad Nacional de Colombia
• Fecha de lanzamiento: 1 ene 2013
• ISBN: 9789587617252

Vista previa del libro

©  Universidad Nacional de Colombia

Vicerrectoría de Investigación

Dirección de Investigación, Sede Bogotá

Facultad de Ingeniería

© Editorial Universidad Nacional de Colombia

© Ernesto Córdoba Nieto

 Jully Esther Paternina Mármol

 Jorge Andrés García Barbosa

Primera edición, 2013

ISBN 978-958-761-724-5 (papel)

ISBN 978-958-761-726-2 (IPD)

ISBN 978-958-761-725-2 (digital)

Colección Ingenio Propio

Facultad de Ingeniería

Edición

Editorial Universidad Nacional de Colombia v

[e-mail]

www.editorial.unal.edu.co

Diseño de la colección: Ángela Pilone Herrera

Ilustración de cubierta: Inti Guevara

Bogotá, D. C. Colombia, 2013

Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio

sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales.

Catalogación en la publicación Universidad Nacional de Colombia

Córdoba Nieto, Ernesto, 1949-

Control de movimiento en manufactura : automatización CNC, fundamentos de

diseño y modelamiento experimental / Ernesto Córdoba Nieto, Jully Esther Paternina

Mármol, Jorge Andrés García Barbosa. -- Bogotá : Universidad Nacional de Colombia

(Sede Bogotá). Facultad de Ingeniería, 2013.

194 páginas - (Ingenio propio)

Incluye referencias bibliográficas

ISBN : 978-958-761-724-5 (tapa rústica) -- ISBN : 978-958-761-726-9 (impresión bajo demanda)

-- ISBN : 978-958-761-725-2 (e-book)

1. Manufacturas - Automatización 2. Maquinaria automática 3. Ingeniería -

Aparatos e instrumentos 4. Robots I. Paternina Mármol, Jully Esther, 1986- II. García

Barbosa, Jorge Andrés,1973- III. Tít. IV. Serie

CDD-21 629.89 / 2013

AGRADECIMIENTOS

Al Ing. Virgilio José Silvera González, quien ensambló y puso en operación el sistema de control de movimiento para el primer servomotor lineal en la UN y en Colombia.

Al Ing. Aldemar Martín Buitrago por el desarrollo fundamental en el diseño y construcción del sistema de posicionamiento de alta velocidad SPAV-UN 3DOF con servomotores lineales.

Los autores del libro expresamos reconocimiento público y agradecimiento por los sustantivos aportes del profesor Leonardo Bermeo Clavijo del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de nuestra Facultad de Ingeniería UN.

A las empresas colombianas MSI/CIA en cabeza del Ing. Jhon Martín Valenzuela y a la firma Control de Movimiento Ltda., por su respaldo técnico y logístico.

A la compañía general de aceros CGA por la fabricación de las placas portantes especiales en duraluminio para la máquina SPAV-UN.

Los autores también expresamos una especial exaltación y gratitud por la gestión y el respaldo que nos han brindado instituciones como: la Vicedecanatura de Investigación de la Facultad de Ingeniería UN, la Dirección de Investigación sede Bogotá (DIB-UN) y la Vicerrectoría de Investigación de la Universidad Nacional de Colombia.

También damos un profundo reconocimiento al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación, Colciencias, a la empresa colombiana IMOCOM S.A. y a la Universidad Nacional de Colombia por aportar el proyecto:Acondicionamiento de un Laboratorio Fábrica Experimental (LabFabEx), basado en la tecnología de e-Manufacturing, para el desarrollo integrado de producto y proceso (DIPP) y su transferencia al sector productivo, contrato RC-723, desarrollado por el Grupo de Trabajo en Diseño, Manufactura - Automatización DIMA-UN de la Universidad Nacional de Colombia.

INTRODUCCIÓN

La industria moderna presenta elevados índices de competitividad. Esta se manifiesta en un inagotable nivel de calidad, y en una alta productividad compatible con significativa flexibilidad tecnológica, creciente seguridad y confiabilidad de equipos automatizados como las máquinas herramientas y robots con control numérico CNC, tanto de arquitectura serial como paralela. Precisamente, este entorno competitivo industrial jalona de manera incesante la innovación y el desarrollo en el dominio del control automatizado de movimiento en máquinas-robots. Todo esto se hace para poder responder a los retos tecnológicos configurados en el escenario de la manufactura a alta velocidad de avance [high speed manufacturing], superior a los 6 m/s y de elevada intensidad de proceso con revoluciones superiores a las 50.000 rpm y en el movimiento complejo multi-ejes [multi-axis manufacturing] en cinco y más grados de libertad DOF [degrees of freedom].

Por su parte, el tema del control automatizado de movimiento en máquinas-robots ocupa un lugar de primer orden en lo referido al diseño e implementación de controladores robustos y potenciados. Estas condiciones buscan satisfacer el régimen regulado y suavizado durante el trazado rápido de las trayectorias de movimiento con condiciones controladas de velocidad, aceleración y del jerk que eviten cualquier eventualidad de perturbaciones y vibraciones inapropiadas para la calidad e integridad de respuesta y que afecten la fiabilidad y vida útil de la máquina-robot.

Esta publicación se focaliza en el vasto y vital conocido tema de motion control, ya que integra el enfoque geométrico-cinemático-cinético para el diseño de algoritmos computacionales de interpolación de movimientos, y lo relaciona con el diseño de controladores robustos mediante el modelamiento matemático y la identificación experimental de equipos o plantas automatizadas. Este trabajo teórico y experimental se fundamenta en nuestras máquinas-robot de arquitectura serial y paralela (SPAV-UN, Scara IBM 7540 y Orthoglide), dispuestas en el edificio de posgrado 407 Laboratorio Experimental de Automatización-Mecatrónica-Manufactura. Estas máquinas-robot fueron diseñadas y construidas en la Universidad Nacional de Colombia. Para esto se contó con el apoyo de empresas colombianas, durante dos décadas de ininterrumpido trabajo de investigación interdisciplinar con alumnos tesistas y profesores de varias carreras de la Facultad de Ingeniería, como Ingeniería Mecatrónica, Mecánica, Eléctrica, Sistemas, Electrónica, Posgrados de Automatización Industrial, de Materiales y Procesos de Manufactura.

El libro se estructura en cinco capítulos. El capítulo primero recrea la fundamentación y el modelamiento básico de algoritmos de interpolación de movimientos a partir del tratamiento geométrico y cinemático para obtener el desarrollo de trayectorias con control numérico computarizado, además presenta tratamiento teórico del interpolador lineal con rampa de movimiento de perfil trapezoidal y complementa una mirada de las estructuras principales de control y de pruebas funcionales operativas de máquinas y robots. El segundo capítulo muestra una metodología para la obtención de perfiles suavizados de  movimiento en el trazado de trayectorias rectas, por medio de la disposición de un comportamiento deseado de la velocidad o del jerk. El capítulo tercero expone el proceso de modelamiento e identificación de sistemas dinámicos para diseño experimental de control de movimiento utilizado en la máquina-robot CNC de alta velocidad SPAV-UN con datos reales de la máquina obtenidos experimentalmente. El cuarto capítulo fundamenta la implementación de un perfil suavizado de velocidad en una máquina experimental de arquitectura paralela - 3DOF- y el desarrollo de trayectorias rectas en el robot IBM 7540 Scara. El último capítulo recrea el diseño experimental de control de movimiento estudiado en el capítulo tercero con perfil rampa, perfil trapezoidal y perfil suavizado de movimiento utilizando la plataforma CNC de alta velocidad -3DOF- con servomotores lineales SPAV-UN.

El libro Control de movimiento en manufactura. Automatización CNC, fundamentos de diseño y modelamiento experimental está dirigido a la comunidad académica e industrial dedicada al desarrollo de software cam y al diseño de controladores robustos de movimiento para máquinas y robots en laboratorios y en plantas productivas de la manufactura flexible automatizada, con crecientes exigencias de productividad, calidad y fiabilidad de desempeño. Esta publicación es útil para postgrados en Automatización Industrial y Procesos de Manufactura, y pregrados en las ingenierías Mecatrónica, Mecánica, Eléctrica, Sistemas y Electrónica.

1

ASPECTOS  BÁSICOS

EN LA INTERPOLACIÓN

Y CONTROL DE MOVIMIENTO

EN MANUFACTURA

AUTOMATIZADA CNC

En este capítulo, se recogen aspectos fundamentales para el diseño de los algoritmos computacionales de interpolación de tipo lineal, circunferencial, parabólica, spline aplicados para control automatizado de movimientos en máquinas- robots CNC. Adicionalmente, se describe detenidamente el clásico modelado matemático de la interpolación lineal con presencia de rampa de movimiento tipo trapezoidal. Se presenta una síntesis de estructuras básicas del control automatizado en máquinas-robots. Se finaliza retomando los rasgos principales de las pruebas funcionales de máquinas y robots en un entorno industrial.

NOMENCLATURA

---

CNC

Computer Numerical Control.

CAM

Computer-Aided Manufacturing.

FP

Frecuencia Tren de pulsos emitidos por el Interpolador.

BLU

Basic Lenght Unit. Mínima longitud de desplazamiento en mm (milímetro) por pulso unitario.

ti

Es el tiempo de ciclo de operación del interpolador para procesar un bloque específico del programa de movimiento NC.

Velocidad de avance.

x , x, x

Frecuencia media de los pulsos emitidos por el interpolador para los diferentes ejes coordenados que determina el avance para cada eje.

N

Capacidad y cantidad de pulsos generados por el interpolador.

fG

Frecuencia de generación de pulsos en el interpolador que permite obtener diferentes velocidades de avance en el trazado de la trayectoria.

X, Y, Z

Incrementales desplazamientos en los ejes coordenados X,Y,Z respectivamente.

dX, dY , dZ

cantidad de pulsos requeridos para cubrir el incremento de desplazamiento

en cada eje coordenado,