Mesa Indexada de Alta Precisión

Author(s):
Roberto Calvo - Fundación Tekniker

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabVIEW

The Challenge:
El objetivo de la aplicación era el desarrollo de un patrón de ángulos de muy elevada precisión, con una incertidumbre en torno a 0.2 segundos de arco, que permitiera además la calibración de colimadores, polígonos ópticos, bloques patrón angulares, goniómetros, instrumentos de topografía (teodolitos y estaciones totales), etc. así como la medida de la precisión de giro de mesas indexadas o plataformas giratorias.

The Solution:
La solución desarrollada es un instrumento que consta de una mesa indexada, guiada mediante un cojinete neumático de muy elevada precisión, que combina la medida de ángulos con reducida incertidumbre con la capacidad de accionamiento servo-controlado y ultrapreciso. Este instrumento incorpora además un sistema de control, cuyo software ha sido íntegramente desarrollada en el entorno LabVIEW de National Instruments, que permite una gestión automática de secuencias de giro así como la adquisición de medidas, también de forma automática, desde los dispositivos y patrones angulares a calibrar.

El instrumento de medida desarrollado esta basado en un codificador incremental óptico, de muy elevada resolución y reducida incertidumbre, montado sobre una mesa sustentada y guiada mediante un cojinete neumático que garantiza un giro preciso y sin rozamientos. Esta mesa es accionada mediante un sistema complejo que incluye un servomotor de corriente continua, actuado mediante un dispositivo mecánico de fricción, y un actuador piezoeléctrico, que acciona un mecanismo de flexión. La solución así desarrollada permite alcanzar una elevada repetibilidad y muy pequeño error en la lectura del ángulo final posicionado.

 Este sistema de accionamiento combinado es gestionado desde un sistema de control, basado en un ordenador industrial e integrado en un armario eléctrico aislado de la mesa, en el que el usuario puede definir el ángulo de giro deseado o bien en el que puede generar secuencias complejas de giro, con posicionamientos consecutivos en varios ángulos.

 Este sistema de control, a partir del ángulo comandado (definido por el usuario o por parte de la secuencia automática), realiza el giro de la mesa en dos fases: una primera fase de aproximación y  una segunda fase de posicionamiento preciso. En la primera se efectúa el giro accionado mediante el servomotor y una vez la mesa es situada en el ángulo comandado, de acuerdo a la precisión del posicionamiento del motor, se activa la segunda fase  en este caso accionada mediante el actuador piezoeléctrico. Este permite alcanzar y mantener el ángulo con una extremadamente alta resolución y precisión pero con una capacidad de giro reducido, de ahí la solución de combinar ambos sistemas de accionamiento.

 Los lazos de control de ambos accionamientos, cuya consigna es enviada a los correspondientes reguladores a través de una placa de adquisición NI PCI-6221, se ejecutan de forma simultánea a la representación del ángulo en tiempo real en la pantalla del interface de usuario (ver figura adjunta). Ambas funciones junto con  la capacidad de comando de la mesa son realizadas desde un programa de control que se ejecuta en el ordenador industrial.

 Este programa incorpora además la capacidad de sincronizar la adquisición del ángulo real de la mesa con los ángulos medidos desde los equipos externos que se requiera calibrar. Para ello incluye la capacidad de parametrización de diversos protocolos de comunicaciones con flexibilidad suficiente para admitir una amplia gama de tipos y modelos de dispositivos de medida.

 El programa de control ha sido desarrollado en el entorno LabVIEW 7.1 de National Instruments, y es ejecutado en el ordenador industrial bajo sistema operativo Windows 2000 Pro Embedded. Con respecto a anteriores soluciones, desarrolladas en base a otro tipo de plataformas hardware y software, las ventajas del nuevo planteamiento realizado han sido, entre otras, la reducción de los tiempos de desarrollo, depuración y puesta en marcha del equipo y una mayor estabilidad de la aplicación.

 La adquisición de medidas del codificador incremental se hace a través de una placa específica del fabricante del mismo. Este hardware incorpora un interpolador de muy alta resolución y funciones de compensación de las señales analógicas del codificador en tiempo real. Esto no supone ninguna limitación para el desarrollo del programa en LabVIEW gracias a su capacidad para integrar funciones de librerías DLL y por lo tanto a acceder a todas las rutinas de control de esta placa. Es de destacar, también, las prestaciones proporcionadas por las estructuras “Timed loops” que permiten realizar el muestreo de las medidas del codificador angular a una frecuencia de 100 muestras por segundo.

 

Por último, indicar que, con respecto a otras soluciones, el sistema  es más fácilmente adaptable a cambios y/o ampliaciones a medida gracias a una concepción más modular e independiente del hardware concreto empleado, lo cual mejora también la mantenibilidad del equipo a muy largo plazo, algo que es especialmente apreciado por el tipo de clientes al que va dirigido este tipo de  equipos.

  A continuación se detallan las características más destacadas de la solución desarrollada:

 

•   Diámetro máximo de patrones: 255 mm.
•   Peso máximo admisible: 50 Kg.
•   Cojinete de tipo neumático de elevada precisión.
•   Incertidumbre del codificador incremental: <+/-0,2 segundos de arco.
•  Repetibilidad de la mesa: +/-0,1 segundos de arco.
•  Resolución de medida: 0,01 segundos de arco.
•   Accionamiento de alta resolución: actuador piezoeléctrico.
•   Posicionamiento final: 0.02 segundos de arco.
•   Velocidad máxima de giro (motor CC) 2.5 R.p.m.
•   Medida de ángulos en modo absoluto o relativo.
•  Software con capacidad para la generación automática de secuencias de ensayo.
•   Software con funcionalidad integrada para calibración automática de polígonos ópticos y autocolimadores.

 

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Roberto Calvo
Fundación Tekniker

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