Automatización de un sistema de control numérico de una herramienta de 3 ejes

Abstract

El objetivo de este proyecto es el desarrollo de un sistema de automatización por control numérico de una herramienta de 3 ejes y añadir una interfaz de usuario para que un operario pueda controlar el proceso y operar el equipo. La herramienta es propiedad del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid y es usada para pulir espejos colimadores hechos de aluminio, que son usados para hacer chequeos en los paneles solares. La herramienta está formada por una estructura metálica (de 2.4 metros de largo y 2.2 metros de ancho) sobre la que se coloca el colimador, una estructura de metal de tipo trus que está colocada verticalmente y una lijadora eléctrica colocado sobre la estructura trus. Hay cuatro motores de pasos (dos para el eje X, uno para el eje Y y otro para el eje Z), cada uno de ellos controlado por un driver, que están conectados a un tren de engranajes, permitiendo que la máquina se pueda mover en todas las direcciones. Antes de comenzar este proyecto, el movimiento de la herramienta estaba controlado por el controlador breakout board y el software Mach 3. Con este sistema de control, el movimiento de la herramienta presentaba algunas limitaciones: la herramienta describía satisfactoriamente el movimiento en los ejes X e Y pero no en el eje Z, además de tener que hacer la referencia de la máquina de forma manual. Estas limitaciones implicaban que el proceso de lijado necesitara de un operario para que referenciara la máquina de forma manual y que la superficie del colimador no estuviese lijada homogéneamente, ya que la lijadora no tocaba la superficie del colimador en todo momento. Para resolver este problema, el sistema de control de la herramienta fue repuesto con un PLC (Programmable Logic Cell / Autómata programable), que es el encargado de controlar el movimiento de la herramienta, y un HMI (Human Machine Interface) que sirve de interfaz de usuario para que el operario pueda controlar la herramienta y leer/enviar información al PLC. Con esta modificación, la herramienta fue automatizada con un controlador más fiable y que permite a la herramienta moverse en todos los ejes y con un interfaz de usuario para que el operario pudiese controlar la herramienta de una forma sencilla. El proyecto fue dividido en las siguientes fases: Fase 1 – Recolecta de información: Hubo varias reuniones planeadas con el tutor, incluida una visita a Tecnogetafe para recolectar los datos del sistema existente y para establecer las especificaciones del sistema a diseñar. Fase 2 – Desarrollo y programación: Fase donde, en primer lugar, se diseñó el diagrama de bloques y los algoritmos detrás de la lógica y, en segundo lugar, donde se programó la lógica del PLC y las pantallas del HMI. Puesta a punto y pruebas: Una vez que el PLC y el HMI fueron programados y chequeados de forma interna, fueron instalados en Tecnogetafe donde se realizaron un gran número de pruebas para certificar que la herramienta funciona acorde con las especificaciones.
Abstract:
The project aims at the development of an automation system for numeric control system of a 3-axis tool. The purpose of the project was to automate the system and to add an interface for the operator to control the process.
The tool is owned by the Solar Energy Institute from the Universidad Politécnica of Madrid and it is used to sand collimator mirrors made of aluminium, which are used to test solar panels. The tool comprises of a metal structure (2.4 metres of length and 2.2 metres of width), where the collimator is placed, one metal truss structure which is mounted vertically, and a sanding machine attached to the truss structure. There are four stepper motors (two for the X-axis, one for Y-axis and one for Z-axis), each one of them controlled by a motor drive, which are connected to a gear train enabling the machine to move in all directions. Prior to the commencement of this project, the motion of the tool was controlled by the breakout board controller and the software Mach 3. With this control system, the movement of the tool had several limitations: the tool was able to describe successfully the specified movements in the X and Y axis, but not in the Z axis and the reference of the machine had to be manual. These limitations meant that the sanding process needed of an operator to manually reference the tool and that the surface of the collimator would not be evenly sanded, since the sanding machine was not touching the surface at all times. In order to solve this issue, the control system of the tool was replaced with a PLC (Programmable Logic Cell), which would be in charge of controlling the motion of the tool, and an HMI (Human Machine Interface) which is an interface for the operators to control the tool and read / send information to the PLC. With this replacement the tool was automated with a more reliable controller that would enable the tool to move in all axis and had a user-friendly interface for the operators to control it. The project was segregated in the following phases: Phase 1 – Information gathering: Several meetings were arranged with the tutor, including a visit to Tecnogetafe, to gather all the information regarding the existing system and to discuss the specifications of the new system. Phase 2 – Development and programming: Stage where, firstly, the diagram and algorithms behind the logic were designed and, secondly, where the logic for the PLC and the HMI screens were programmed. Phase 3 – Commissioning and testing: Once the PLC and HMI were programmed and tested internally, they were installed in Tecnogetafe, and a large number of tests and checks were made in order to certify that the tools works according to the specifications.