La existencia de programas matemáticos potentes como el Matlab permiten obtener aproximaciones a la curva deseada en forma polinómica con gran precisión

El cambio de levas mecánicas a levas electrónicas ha supuesto en el mundo industrial un paso de gigante en el concepto de maquinaria industrial y en la flexibilidad que ofrece. Los servoaccionamientos Acopos y Acoposmulti de B&R van mucho más lejos proporcionando un nuevo concepto en el diseño y tratamiento de las levas electrónicas. La capacidad de diseñar solo la parte más crítica de la leva y una flexibilidad sin precedentes son algunas de las posibilidades más sobresalientes que nos ofrecen y cuyo análisis es el objetivo de este artículo.

En un principio, la introducción de las levas electrónicas en una línea de producción permitían un cambio de producto o de tratamiento del mismo con un solo botón. El avance ya era de por sí muy significativo, ya que permitía ahorrar mucho tiempo evitando pesados procesos mecánicos que casi siempre conducían a un desgaste prematuro del material. Con las levas electrónicas, se mejoraba el rendimiento en la producción a la vez que se prolongaba la vida de la máquina gracias a su flexibilidad.

En contrapartida se requiere de un sistema informático que permita al usuario diseñar las levas electrónicas que se vayan a necesitar. A la vez hacía necesario en la mayoría de los casos pensarse bien las levas que se iban a cargar, ya que el programador era necesario cada vez que se quería introducir alguna modificación.

Posteriormente, soluciones como el 'teaching' o las nubes de puntos han proporcionado aproximaciones más o menos buenas que no requerían la presencia del programador. Hoy en día la existencia de programas matemáticos tan potentes como el Matlab, permiten obtener aproximaciones a la curva deseada en forma polinómica con gran precisión. En el caso de B&R se pueden definir una única leva con hasta 64 tramos de polinomios de sexto grado consecutivos; de este modo se consigue minimizar el error a la hora de realizar el movimiento que se ha diseñado de manera sencilla. En este caso ya no necesitaremos de la intervención del programador, ya que bastaría con introducir los términos de los polinomios a través de una pantalla de usuario.

Un editor de levas bien diseñado puede ahorrar mucho tiempo de desarrollo y a la vez en el entorno adecuado ofrecer gran cantidad de posibilidades en su utilización.

En muchas ocasiones no es ni siquiera necesario diseñar la leva en su totalidad. Ocurre con frecuencia que un eje esclavo debe de tener una relación de acoplamiento con un maestro durante una distancia precisa (por ejemplo: en el corte al vuelo), debiendo acelerar o decelerar poco después para volver a acoplarse de nuevo de una manera lo más suave posible. En estos casos la creación de unas levas fijas se demuestra poco eficaz ya que nos obligaría a seguir una trayectoria fija innecesariamente.

En B&R la solución en estos casos es muy eficaz gracias a que aplica el principio: "Dejemos que el servoaccionamiento decida el movimiento en esa parte de la leva donde ésta no es fija". En otras palabras, el Acopos o Acoposmulti se encarga de unir los tramos en los que definimos un comportamiento fijo en posición y/o velocidad (levas) con unas curvas en las que va a optimizar el movimiento para que éste sea lo más suave posible. De este modo se optimiza el tiempo de la trayectoria, el consumo de corriente y se prolonga la vida del motor.

El algoritmo de compensación deja elegir libremente el movimiento al eje durante el tramo en el que no se necesita un comportamiento específico para el eje.Tan solo se requiere definir las distancias de compensación y que el eje se adapte a las levas en los puntos límite.

Las ventajas de que el servoaccionamiento decida una parte de la trayectoria no solo se limitan a la dinámica del movimiento. Siempre que realicemos una corrección, la haremos reduciendo o aumentando la zona donde el propio servoaccionamiento decide la trayectoria. De este modo la corrección será casi siempre imperceptible e igualmente suave. Especialmente el movimiento ante correcciones de marca de mucha distancia o una reacción muy rápida ante una situación inhabitual, tendrán una mejor dinámica si dejamos que el servoaccionamiento trace la trayectoria por si mismo. Además el sistema permite definir unas distancias mínimas para que los ejes no realicen trayectorias con movimientos no permitidos o demasiado violentos.

Sin embargo en las aplicaciones más exigentes, no solo se requiere una gran flexibilidad en la creación de las levas, sino también en su uso. Un claro ejemplo es la toma de decisiones sobre la leva que se va a recorrer en un momento dado. Por ejemplo, un corte al vuelo muy crítico en el tiempo sería mucho más efectivo si la toma de decisiones sobre el momento exacto de inicio del movimiento la realiza el propio servoaccionamiento; de este modo no es necesario esperar a que el autómata envíe la orden de arranque a través de un bus de campo. Esta posibilidad la ofrecen también los servoaccionamientos Acopos y Acoposmulti, que, en base a unos eventos predeterminados, realizan la toma de decisiones en tan solo 400 µs. Esta propiedad mejora la precisión y la rapidez a la hora de responder a eventos externos. Cuanto antes se reaccione, menores serán las aceleraciones necesarias para adaptarse al movimiento; así que también esta mejora nos permite mejorar la dinámica y realizar movimientos menos bruscos.

Hasta ahora hemos visto que la flexibilidad a la hora de generar, gestionar e iniciar las levas nos aporta importantes ventajas a la hora de realizar un acoplamiento entre dos ejes. Son muchos los casos en que una relación maestro-esclavo requiere de otros ejes virtuales y acoplamientos suplementarios para realizar cambios de maestro, correcciones, ajustes y aportar en definitiva mayor grado de precisión y flexibilidad

La aportación de los servoaccionamientos Acopos y Acoposmulti vuelve a resultar muy interesante, ya que disponen de acoplamientos en los que el Maestro se puede cambiar en tiempo real. Es decir, que el servoaccionamiento puede realizar una toma de decisiones en tiempo real (como vimos antes) donde además se pueden ver implicadas levas con distintos maestros. Este hecho nos permite aumentar de manera muy notable las posibilidades de soluciones a diversos problemas complejos, ya que podremos acoplarnos como esclavo a cualquiera de los ejes virtuales de cualquier otro servoaccionamiento presente en la red.

Un paso más allá en la flexibilidad nos lo proporciona la utilización de ejes esclavo aditivos y ejes maestro aditivos. Su utilización constituye otra manera de realizar correcciones y ajustar la posición del maestro o la del esclavo. El esquema del comportamiento de los ejes esclavo aditivo y maestro aditivo es el que se ve en el gráfico adjunto. Una vez más, cualquier eje virtual o eje externo accesible en la red puede servir como maestro, eje aditivo maestro o aditivo esclavo.

La flexibilidad que aportan los ejes aditivos es de gran utilidad cuando se trata de resolver aplicaciones complejas de 'motion'.

Una vez más, los servoaccionamientos Acopos y Acoposmulti llegan aun más lejos a la hora de ofrecer mayor flexibilidad en los acoplamientos entre ejes. No sólo nos permite el uso de ejes esclavo aditivos y ejes maestro aditivos, sino que además existen diversos bloques funcionales dentro de estos servoaccionamientos que nos permiten realizar operaciones antes de asociarlos como eje maestro y/o como eje aditivo:

- Operaciones aritméticas

- Multiplexado

- Interpolaciones

- Filtrado

- Limitación

- Retardos

Estas operaciones las realiza el propio servoaccionamiento internamente en un tiempo de ciclo de 400 µs, que es el mismo tiempo de ciclo que el bucle de posición de los servoaccionamientos. De esta forma las operaciones se ejecutan a la vez que se realiza la lectura de las posiciones de encoder y la generación de nuevas consignas.

Por lo visto hasta ahora podríamos afirmar que el editor de levas nos sirve para definir una relación entre los parámetros, uno de entrada y uno de salida. Normalmente esa relación se utilizará para definir el comportamiento de un esclavo con respecto a la posición de un eje maestro.

Sin embargo en los servoaccionamientos Acopos y Acoposmulti aprovecharemos este editor para definir cualquier tipo de relación que nos defina el funcionamiento interno. He aquí algunos ejemplos:

- Consigna de par en función de la velocidad o del tiempo

- Consigna de velocidad en función de una anchura de bobina

- Limitación de velocidad en función de la temperatura del motor

- Ganancia del lazo de velocidad y posición en función de la propia velocidad

En estos casos el editor de levas no es más que un simple modo de definir la relación entre dos parámetros, que posteriormente se pueden asignar al par, velocidad, temperatura, tiempo, parámetros del PID del controlador o simplemente a la posición. De este modo el acoplamiento entre maestro y esclavo no es más que una de tantas utilidades que nos permite el uso del editor de levas. O mejor dicho, se trata de una de las tantas utilidades que se puede asociar a un uso inteligente del propio editor de levas, cuyo único límite, ahora sí, nos lo dan las necesidades y nuestra propia creatividad.

En este ejemplo el editor de levas nos sirve para definir la limitación de par en función de la velocidad de un eje. Interpretar adecuadamente esta información sólo está al alcance de los servoaccionamientos más innovadores del mercado.

En definitiva, nuestro concepto tradicional de leva como relación fija maestro-esclavo se queda ampliamente desbordada por la cantidad de posibilidades y utilidades a las que se asocian hoy en día y que hemos intentado describir. Sin embargo, la creciente flexibilidad que requiere la maquinaria industrial nos induce a pensar que seguirá siendo una herramienta casi indispensable para definir comportamientos a medida de los motores.