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Abril 2022

En el artículo de hoy hablaremos del cálculo de un movimiento ideal. En el caso de que el fabricante de maquinaria necesite realizar un movimiento lineal o rotativo, tiene que prestar atención a algunos consejos que vamos a dar hoy. Ir del punto A al punto B no es solo un simple desplazamiento con velocidad constante, puesto que es un movimiento complejo compuesto de fases de aceleración, desaceleración o frenada y de movimiento a velocidad constante.

Hablaremos de cuál es la mejor manera de aprovechar la potencia disponible y conseguir un movimiento limpio, que permita alcanzar los objetivos propuestos, como puede ser la velocidad, la aceleración y la precisión, evitando problemas de resonancias y vibraciones.

¿Cómo es un movimiento ideal?

Normalmente, cuando se nos plantea una tarea de posicionamiento, hemos de tener datos de partida. Suelen basarse en recorrido o desplazamiento y el tiempo de posicionamiento. Digamos que hemos de recorrer 100 mm en 0,2 segundos o recorrer 3000 mm en 2 segundos. A continuación, tenemos que decidir si durante este desplazamiento existe alguna necesidad de seguir una trayectoria concreta o no.

En aplicaciones de Pick&Place, paletizadoras o máquina de ensamblaje no suele ser necesaria una trayectoria concreta.

Sin embargo, la necesidad de seguir una trayectoria puede ser relevante para las máquinas de corte, CNC o máquinas de impresión. Cuando la trayectoria es importante, tenemos que tener en cuenta que los cambios bruscos de velocidad y aceleración pueden provocar el aumento del error de seguimiento y a su vez, reducir la precisión de movimiento, es decir que la trayectoria calculada y la trayectoria real se diferencian (de aquí el error de seguimiento). Esto puede provocar que no se cumpla la precisión requerida o el proceso ya no se realice correctamente.

Las aplicaciones ejecutadas mediante motor lineal y módulos con motor lineal se caracterizan por un error de seguimiento muy pequeño. Este error de seguimiento suele ser un factor 10 más pequeño que en las transmisiones clásicas como correa dentada o husillo.

Rampas de aceleración y desaceleración

Cuando iniciamos un movimiento desde la velocidad 0 hemos de acelerar para alcanzar la velocidad requerida. Cuando terminamos un movimiento y hemos de detener la aplicación hemos de desacelerar o frenar para llegar a la velocidad 0.

Existen 3 tipos de rampas que sirven tanto para acelerar tanto para desacelerar: Trapezoidal, sinusoidal y trapezoidal con control de Jerk. No existe una rampa perfecta, depende de la aplicación y también de la velocidad requerida.

Rampas trapezoidales

En la imagen 1 se puede observar el gráfico de velocidad / tiempo de un posicionamiento. Consiste en 3 fases: 1. Aceleración, 2 Movimiento a velocidad constante y 3. Desaceleración. Es un ejemplo clásico de una rampa trapezoidal.

Imagen 1

Imagen 1

En la imagen 2 se puede observar el gráfico de velocidad / tiempo de un posicionamiento de 2 fases: 1. Aceleración y 2. Desaceleración. En este tipo de movimientos no existe fase de movimiento con velocidad constante.

Imagen 2

En la imagen 3 se puede observar el gráfico aceleración/tiempo de un posicionamiento con la rampa trapezoidal.

Imagen 3

Según nuestro criterio, es aconsejable utilizar estas rampas trapezoidales siempre y cuando la aceleración no supere 10 m/s2. Es decir, el valor de la velocidad necesaria dividida por el tiempo de aceleración no ha de superar 10 (A=V/t). En este caso la velocidad alcanzada no tiene mayor importancia. Lo que es realmente importante es el valor de la aceleración.

Rampas sinusoidales

De la misma manera que lo hemos explicado en el capítulo 2.1 el movimiento puede contener 3 o 2 fases, con la diferencia que las rampas de aceleración o desaceleración tienen forma sinusoidal. En la imagen 3 mostramos una grafica de velocidad/tiempo con 3 fases y rampas sinusoidales.

Es fácil de ver la diferencia, hay un cambio no constante de velocidad durante la fase de aceleración. Las esquinas de cambio de velocidad están redondeadas y no son iguales a las de las rampas trapezoidales.

En la imagen 4 se puede observar la grafica aceleración/tiempo de un posicionamiento con la rampa sinusoidal.

Bild 4

Imagen 4

¿Cuándo se utilizan las rampas sinusoidales? Basándonos en nuestra experiencia, aconsejamos utilizar las rampas sinusoidales para movimientos con aceleraciones superiores a 10 m/ s2. La utilización de este tipo de rampa suaviza los rebotes y vibraciones de la maquinaria.

Rampas trapezoidales con control del Jerk

Este tipo de rampas es una mezcla de ambas rampas trapezoidal y sinusoidal, con la diferencia que el valor de aceleración se modifica solo en las esquinas. Se determina cual es el cambio máximo de valor de aceleración en el tiempo. Este valor no puede ser superado en ningún momento.

En el día de hoy, gracias a las opciones disponibles de configuración de rampas en los servocontroladores, este tipo de rampas se suele emplearse con mayor frecuencia.

Consejos de utilización de rampas adecuadas

Si necesita tener un movimiento que no genere vibraciones y resonancias en el conjunto de la máquina, aconsejamos usar las rampas sinusoidales o las trapezoidales con control de jerk. De esta manera se consigue un movimiento homogéneo, suave, libre de resonancias.

¿Cómo consigo un movimiento perfecto?

En este apartado trataremos de explicar cuál es la manera más adecuada de distribuir las rampas de aceleración y desaceleración para aprovechar la potencia disponible y evitar el desgaste prematuro de los componentes.

Por norma general, analizando las fases de un movimiento, se aconseja emplear la relación de ⅓, es decir, un ⅓ de todo el tiempo para aceleración, un ⅓ para velocidad constante y un ⅓ para la desaceleración.

La tabla 1 resume los casos de simulación de una aplicación de posicionamiento de 2000 mm en 1,8 segundos con diferentes tiempos de aceleración y desaceleración. El único valor que vamos a modificar es el “Tiempo de aceleración”:

Tabla 1: Relación tiempo de aceleración vs. potencia requerida

Tabla 1. Relación tiempo de aceleración vs. potencia requerida

* valores han sido calculados con un módulo de motor lineal MLE20210HS con un motor de 240N de fuerza de pico y una carga de 10 kg. Posición horizontal.

El caso 3, donde el tiempo de aceleración y desaceleración corresponde a ⅓ del tiempo total de posicionamiento como la temperatura del motor, tanto la potencia requerida son más favorables que en otros casos. La fase del medio con velocidad constante permite a motor una cierta refrigeración. Así que podemos llamar esta distribución de tiempos como un movimiento perfecto o ideal.

En el caso 1, donde tiempo de aceleración es muy corto, la rampa de aceleración requiere mucha fuerza adicional y como consecuencia mayor potencia. Fuerza adicional requiere mayor consumo, lo que se refleja negativamente en el consumo y la temperatura del motor.

En el caso 5, donde el tiempo de aceleración es ½ del tiempo total, requiere mayor potencia debido a que motor permanentemente acelera y desacelera, lo que genera mayor consumo y mayor potencia.

Conclusiones

La selección de las rampas de aceleración y sobre todo la distribución de las fases de un movimiento son muy importantes. Un error puede generar costes innecesarios al seleccionar los motores, e incrementos en el consumo energético, la generación de calor, las resonancias y las vibraciones.

Utilice la experiencia de SINADRIVES para seleccionar el motor más adecuado para cada aplicación. Saque el máximo provecho y construya máquinas rápidas, ligeras y competitivas.

Mediante el uso de módulos con motor lineal, obtenga las mejores prestaciones en velocidad, aceleración, precisión y repetitividad, reduzca el error de seguimiento y elimine el mantenimiento. Nuestro departamento técnico está a su disposición.

Si tienes una aplicación donde te interesa mejorar las prestaciones de tu máquina ya sea velocidad, dinámica, precisión o simplemente reducir su mantenimiento ponte en contacto con nosotros.

Nuestros especialistas en tecnología Direct Drive y Módulos lineales con motor lineal te asesorarán de manera gratuita.

¡Hasta la próxima!

El equipo Sinadrives.

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