Evolución en las Aplicaciones de Control de Movimiento Servo en la Robótica

Mariano García Treviño
México Automatización,
Edición Septiembre – Octubre 2011.


INTRODUCCIÓN

En últimos años se ha avanzado desde el concepto del servo motor hasta su capacidad de acoplamiento entre ejes físicos y virtuales. Este progreso que impacta en exactitud, estabilidad, velocidad y sincronía amplía el espectro de aplicaciones y marca nuevas tendencias en la robótica industrial.


A más de tres décadas de la integración de la robótica a los procesos industriales, queda claro el papel del control de movimiento servo como base para el desarrollo tecnológico de dicha ciencia, pues debido a la evolución de estos sistemas es que los robots pueden realizar movimientos cada vez más complejos.

A continuación expongo una perspectiva sobre lo anterior y su impacto dentro del sector: Sabemos que un sistema servo controlado es aquel que permite mover un eje servo a cierta posición con gran exactitud y un alto nivel de estabilidad en velocidad, aceleración y posicionamiento. Cuando en uno de estos sistemas se combinan varios motores (ejes), obtenemos los grados de libertad requeridos en las implementaciones de soluciones robóticas. Revisemos primeramente una de las aplicaciones más básicas: el convencional brazo robótico utilizado para soluciones industriales de soldadura, pintura y manejo de materiales, entre otras.

En este caso nos encontramos con sistemas que comúnmente se valen de cinco o seis ejes servo s para lograr su movimiento y posicionamiento en el espacio de trabajo. Las opciones para lograr este último pueden ser muchas cuando el sistema se traslada, ya que las trayectorias pueden variar y depender de factores como la velocidad con la que se comande el movimiento; sin embargo, una vez finalizado el movimiento se tendrá una .repetitividad de 100% para dicho punto en el espacio.

Dentro de algunas aplicaciones con un tipo de robótica básica  como la que se describe, la variación de trayectorias de acuerdo a la velocidad no juega un papel crítico, y por lo tanto no llega a ser un factor a considerar; esto se debe a que mientras los puntos finales de los movimientos sean repetibles, la aplicación quedará resuelta. Un ejemplo son aquellas que sirven al manejo de material, donde la precisión de las trayectorias tiene un impacto prácticamente nulo en su operación.

En contraste, para prácticas como la pintura y soldadura sí es necesario que las trayectorias sean repetibles y consistentes, independientemente del posicionamiento preciso de la herramienta del robot. En estos casos, la cinemática (software) del controlador deberá ajustar -de forma aislada a la velocidad con la que se realiza la trayectoria por la que se desplaza el instrumento. De esta manera se puede tener un cordón de soldadura repetible dado que tanto la posición como la trayectoria son exactas, incluso al ejecutar la operación a diferentes velocidades.

ACOPLAMIENTO ELECTRÓNICO ENTRE EJES

Paralelo a aquellos desarrollos donde los avances en procesadores y códigos de cinemática han jugado un papel fundamental, se ha logrado también tener disponible la función de acoplar electrónicamente unos ejes con otros, lo que representa una gran ventaja para diversas aplicaciones; esto nos lleva a preguntarnos, ¿qué es y para qué sirve el acoplamiento electrónico entre ejes en las aplicaciones de robótica industrial?

Para responder la cuestión se debe dejar de visualizar a los robots como androides de brazos articulados, para empezar a pensar en otro tipo de mecanismos robóticos orientados a aplicaciones de uso específico donde el posicionamiento y la estabilidad son igualmente importantes.

De tal forma, se puede entender al acoplamiento electrónico como la capacidad de definir un eje muestren el controlador, el cual llevara consigo a uno o más ejes esclavos configurados con una relación de movimiento definida. Lo que se obtiene con esto es la funcionalidad de comandar la posición del eje maestro y automáticamente obtener el movimiento en la relación definida para los ejes esclavos en conjunto.

Como ejemplo práctico, esta funcionalidad nos puede servir para mover, mecanismos de gran tamaño o alto peso donde una solo motor no puede realizar físicamente en la función deseada y donde el instalar motores adicionales en el mismo mecanismo más que ayudar con el torque, pudiese generar torcimientos o problemas entre ellos puesto que cada un recibirá instrucciones independientes de movimiento sin garantizar al 100% la sincronía entre ellos.

Con el acoplamiento entre ejes en una relación por ejemplo de 1 a 1, esta funcionalidad integrada en el controlador permite que el comando de movimiento sea recibido sólo por el eje maestro y el resto de los motores esclavos se muevan junto con él logrando que todos trabajen como si fueran un solo eje, no sólo obteniendo las mismas posiciones, sino haciendo los movimientos con las mismas velocidades, aceleraciones y utilizando a final de cuentas el torque sumado de cada uno de ellos.

Una aplicación de este tipo es un sistema de transferencia de partes dentro de una prensa donde dos rieles mueven las piezas y requieren del mismo posicionamiento y trayectorias en todo momento; sin embargo, físicamente se requieren dos o más servo motores para lograr dicha función. Se puede encontrar el video de un caso como este, desarrollado por la compañía Güdel, bajo la siguiente búsqueda en YouTube: “Press Automation Transfer Application”.

Este también un buen ejemplo de soluciones robóticas donde no intervienen brazos articulados; dicha funcionalidad de acoplamiento entre ejes ha sido desarrollada no solo para lograr movimiento lineales en sus diferentes relaciones, sino para que además sea posible realizar movimientos regidos por tablas (acoplamientos fabulosos) donde no se ve un patrón definido por una formula o factor lineal; en cambio, se logra que el eje maestro cambia de posición.

Aquí, el sistema de prensado actúa como un eje maestro para el sistema de barras de transferencia de partes (esclavo), pero este último realiza sus movimientos de acuerdo a una tabla preferida y no en relación lineal con la prensa.

EL USO DE EJES VIRTUALES EN APLICACIONES

Un eje virtual es, para el controlador, un eje adicional dentro de la aplicación desarrollada, con la diferencia de que no existe de forma física; únicamente es parte del software del mismo. Puede ser utilizado para lograr simulaciones de movimientos, por ejemplo, cuando es usado como eje maestro en un acoplamiento de ejes.

Así, los ejes físicos pueden ser acoplados electrónicamente al virtual y por medio del movimiento virtual de éste último desde el controlador, se obtiene como resultado que los esclavos operen de forma física. Un eje virtual puede emplearse incluso para sincronizar el movimiento entre varios robots que interactúan entre sí. Si se utiliza el concepto de acoplar tabularmente todos los ejes físicos de un robot a un eje virtual, se podría diseñar un patrón de movimiento regido por dichas tablas para cada uno de los ejes del robot durante un ciclo de operación y de tal forma obtener la función deseada.

Por otro lado, si a ese mismo eje virtual se acoplan de manera tabular todos los ejes físicos de un segundo robot se podría, con un apropiado diseño de las tablas de movimientos, hacer que interactúe con el primer robot como si fueran uno solo (ambos tendrían movimientos controlados por el mismo eje maestro).

De la misma manera se podrían incluir un tercer, cuarto y más robots a la ecuación y tener una línea de robots 100% sincronizados entre sí manipulados en términos prácticos por un mismo eje virtual que solamente existe como coordinador de la línea completa.

Un par de aplicaciones donde se observa dicha sincronización entre elementos robóticos, que a su vez interactúan con prensas (las cuales se uniforman también por medio de un eje virtual de la aplicación principal de los robots) fueron desarrolladas de igual modo por la compañía Güdel y se pueden encontrar en YouTube con las búsquedas “Press automation complete stamping process” y “Press Automation roboFeeder application”. En ellos se observa la forma como los robots acceden al área de la prensa a alta velocidad y en varios casos sin detenerse para esperar permisivos debido a que están sincronizados por el mismo eje virtual. Así mismo, con esta tecnología es posible hacer que las prensas tengan ciclos coordinados para optimizar su tiempo de carga y descarga.

TENDENCIAS

La tendencia de esta tecnología se visualiza con el desarrollo de software y procesadores más poderosos, especialmente en el caso de aplicaciones donde cientos de ejes puedan ser coordinados con uno o más controladores distribuidos a través de redes de control en tiempo real como se comienza a observar hoy en día.

Finalmente, al tomar en cuenta todos estos factores, se puede prevenir que a lo que llegará es al intercambio de datos hacia sistemas de mayor nivel que logren diagnósticos cada vez más precisos, con un auto-aprendizaje por parte de los sistemas mismos y con la obtención de auto-corrección y auto ajuste, además de la anticipación de problemas en tiempo real mediante el monitoreo de variables propias.

ACERCA DEL AUTOR


El autor es director general de Güdel México, compañía especializada en soluciones de automatización industrial con presencia global y sede en Suiza. Egresado de Ingeniería en Sistemas Electrónicos por el ITESM Campus Monterrey, Garda Treviño cuenta con 15 años de experiencia en el diseño e implementación de sistemas de control de movimiento y ha participado en diversos proyectos robóticos en la industrio nacional e internacional. Contacto: mariano.garcia@mx.gudef.com


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