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FACTORY AUTOMATION DIVISION - Departamento de Ingeniería Nota Técnica

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Etiquetadora sincronizada en velocidad, con

corrección de posición, basada en

posicionador 10PG, PLC FX-3U y servo MR-

J3A.

Objetivo:

Un sistema de etiquetado automático, que sincronice con la velocidad del producto a etiquetar

para conseguir que la etiqueta se coloque en el mismo lugar sea cual sea la velocidad de la operación.

Además el sistema debería poder compensar los retrasos derivados de la respuesta del cabezal de etiquetado debido a su tiempo de aceleración, tiempos de respuesta de detectores, etc.

El ajuste de la posición final también será ajustable por el usuario.

1. Rollo de etiquetas 2. Etiquetas 3. Embrague freno 4. Brazo de embrague 5. Tensor 6. Sensor de stop 7. Perfil aplicador 8. Rodillo de presión 9. Etiqueta adherida

al producto 10. Sensor de start 11. Producto a

etiquetar 12. Encoder 13. Servomotor

Mitsubishi 14. Rodillo tractor 15. Transmisión a

rodillo de recogida 16. Rodillo de recogida 17. Tensor de tracción


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Funcionamiento del cabezal de impresión :

Preparación

Inicialmente se carga la máquina con un rollo de etiquetas (1) y se hace pasar por los rodillos indicados. Previamente se colocan correctamente los tensores (5) y (17) para asegurar una correcta tensión de la banda de etiquetas.

Si la bobina (1) no tiene un sistema automático de desbobinado, es importante mantener poca tensión en la salida de la bobina, en caso contrario puede mover demasiado el brazo de embrague (4) y llegar a su tope, con lo cual se producen tirones que pueden causar error de posicionamiento, o rotura de la banda del rollo. El sistema funciona de la forma siguiente:

Estando la cinta que transporta los productos a etiquetar (posicionando la etiqueta en un determinado lugar del producto) , se detecta la velocidad de ésta mediante un encoder (12). Esta información se utiliza para dar una consigna de velocidad al servo, cuando éste arranca, y para calcular la compensación de error en función de la velocidad. En el momento que el sensor de Start (10) detecta un producto en movimiento, se establece una distancia a partir de la cual el servo (13) arrancará para entregar una etiqueta. La velocidad de movimiento de esta etiqueta deberá ser la misma que la velocidad del producto, en el momento del contacto con éste. Esta velocidad es calculada en todo momento por el PLC que procesa todo los datos.

Con el objetivo de entregar sólo una etiqueta por producto, se detecta también el final de ésta, mediante un sensor de Stop (6) deteniendo el servo a una distancia determinada de este final. Debido a que estas operaciones deben darse a velocidades muy distintas con la misma precisión, se aplican posteriormente unas correcciones de distancia en la señal de Start, en función de la velocidad de la operación.

El movimiento generado se transite mediante un rodillo de tracción de goma,(14) que produce un desplazamiento de la banda con las etiquetas. Como se puede observar en el esquema, se hace pasar la banda por un perfil aplicador (7), en cuya arista se despega la etiqueta para aplicarse sobre el producto (9). Mediante un rodillo de goma blanda se ejerce una presión sobre la etiqueta y el producto para una mayor adherencia.

Mediante una transmisión por poleas lisas (15) se bobina la banda sobrante recogiendo el rollo de nuevo (16).

La operación se repite para cada activación de la señal de start (10), y a cada velocidad de llegada del producto a etiquetar.

Planteamiento de la solución:

(Consideraremos elemento A la cinta de entrada y elemento B el rodillo tractor del etiquetaje.)

Un elemento A que se mueve a velocidad constante recorre una distancia en función del tiempo tal como:

ctev

tvE

A

AA

=⋅=


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Luego, un elemento B, arranca desde parado, acelerando con una aceleración a constante

hasta la velocidad del elemento A, su ecuación de distancia recorrida es:

Durante la aceleración:

BA

A

B

vv

tvE

=

⋅=

2

Durante este tiempo se genera un desfase entre las dos distancias recorridas:

( )

2

2

tVD

tVtVEED

A

A

ABA

⋅=

⋅

−⋅=−=

Este desfase será mayor cuanto mayor sea la velocidad de A.

Como no podremos recuperar este desfase, lo igualaremos en función de la velocidad.

Tomaremos como referencia el desfase máximo, que será el generado a velocidad máxima, y aplicaremos un retardo al arranque a velocidades menores para así igualar los desfases.

Entenderemos como Dm Desfase máximo; como DR Desfase retardo; Da Desfase en la aceleración.

m

Am

R

m

A

A

R

m

m

m

m

A

a

aA

R

mm

aRm

V

VVD

V

VV

DV

t

tV

Vt

tVD

tV

DDD

22

22

1

222

−=

⋅+=

=

⋅=

⋅+=

⋅+=


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A esta distancia de encuentro hay que sumar la respuesta de los equipos motrices ( p.e. el servo) y la respuesta de los elementos detectores, así como el proceso. Estos retrasos los consideraremos un aumento proporcional a la fórmula:

RRreal

DxDD %+=

Esta variable X% ha de ser accesible por el operador para poder corregir en función de las

pruebas reales.

En la parada no se aplicará ninguna corrección ya que la posicionadora ya tiene en cuenta la distancia, y decelerará en el momento adecuado en función de la velocidad.

Solución adoptada

Se ha optado por una configuración basada en un servoaccionamiento MR-J3 debido a su alta

respuesta de entrada, resolución de encoder y velocidad.

El proceso se ha implementado con un FX3U de salida de transistor junto con un posicionador FX2N-10PG , debido a las siguientes ventajas:

Vm

VA

Velocidad máxima

Velocidad 2

Dr Da

Dm


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• Ajuste por separado de aceleraciones y deceleraciones.

• Ajuste directo en unidades de décimas de milímetro de las distancias de arranque , parada y compensaciones.

• Descarga de tareas al PLC: Arranque y STOP del posicionamiento mediante módulo 10PG. FX3U sólo se cuida de calcular las correcciones y el punto de START.

El uso de un FX3U nos permite usar también contadores de alta velocidad de frecuencias, con

lo cual se puede colocar un encoder (12) de buena resolución. En el ensayo se optó por uno de 2000 p/ vuelta , sobre una rueda de 58mm con lo que obtenemos una resolución de 0.091 mm/ pulso de encoder.

Datos del banco de pruebas:

A continuación se muestran los datos mecánicos más importantes del banco de pruebas usado

para realizar la etiquetadora. Encoder sensor velocidad/ posición de start (12): 2000 puls/rev Resolución lineal encoder (12): 0.091 mm/pulso Diámetro rodillo tractor (14): 48 mm Relación de transmisión entre servo y rodillo tractor : 15 / 40 Relación servo: CMX=46357, CDV=6000 Resolución servo: 262144 pls/rev Avance x vuelta de rodillo (14): 150,8mm Avance x vuelta de motor: 56,55mm Pulsos x vuelta de motor: 33929,35 pls/rev

Los datos de avance x vuelta y pulsos x vuelta de motor se usarán en el programa del

posicionador.


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Esquema de conexiones

Conexión de posicionador FX2N-10PG a servoamplificador MR-J3A.

F.A.

24V

0V

FX2N-10PG

VIN -

VIN +

FP -

FP +

RP -

START

S/S

X0

RP +

PP

MR-J3A (CN1)

PG

SON

DICOM

NP

NG

EMG

LSP

LSN

DOCOM

S/S

PLC FX3U

X0

X1

X2

24V

0V

Y0

COM0

X3

X4

ENC

F.C Start

Cancel

F.C. Stop


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Programa:

Lo primero que se realiza es un RESET del contador de alta velocidad C252, que es el contador ligado al sensor de START (sensor 18).


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En la siguiente sección se configura el módulo 10PG.


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Para calcular la velocidad , se toman muestras de los pulsos del encoder cada D145 ms .

En esta etapa, se calcula la media de las muestras , tomadas cada ciclo de SCAN. Se escriben en D450...D459 y se hace la media aritmética ( Resultado en D460). Con M384 se puede activar a voluntad esta etapa.


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A continuación pasamos la velocidad censada a Hz, y hacer que la velocidad del aplicador sea igual a la de la cinta. Se hace multiplicando por un factor proporcional al diámetro del aplicador. Este factor ya calculado es D164.

En la siguiente etapa se calcula la corrección de START a efectuar en función de la velocidad.


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Para determinar el punto de START, se realiza una comparación de D480 (distancia desfase + offset a la corrección) con un contador rápido, contador ligado al encoder de la cinta. Nótese que el contador usado es el C252, contador que es independiente de ciclo de SCAN y cuyo reset está conectado al sensor de START. Nos asegura entonces que empieza a detectar la distancia de START cuando ha detectado el inicio del producto a etiquetar.

Cuando el valor de comparación es igual o superior a la distancia de D480 se activa Y0 durante un instante, salida conectada a START del módulo posicionador FX2N-10PG.

Para detener el equipo posicionador, hay que hacerlo a una distancia determinada tras el paso de una etiqueta, esto es lo que hace la rutina de corrección junto con la función programada “one speed interrupt operation” del módulo 10PG.


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Existe también la posibilidad de pausar el posicionamiento en curso cuando la cinta se para y

reanudar el movimiento cuando la cinta se vuelva a poner en marcha.

Resultados:

Se ha ensayado el sistema bajo diferentes condiciones, buscando un caso extremo ( etiqueta

pequeña), dándose los datos para una de ellas. Condición: Etiqueta de ancho 6 mm Distancia entre etiquetas: 3 mm

Velocidad Precisión posicionado

MR-J3A 5...80 m / min 0.1...0.5 mm

Con etiquetas de mayor tamaño (>10mm) se puede alcanzar velocidades de etiquetado más altas (120m/min o más).

Mejoras en el sistema:

Mejoras en la lectura de la velocidad:

Puesto que la referencia de velocidad se toma desde un encoder, puede ocurrir que a muy bajas velocidades durante el muestreo de pulsos no se tengan pulsos de encoder suficientes como

para dar una lectura estable de velocidad. Es fácil entender que el peso de ±1 pulso de encoder es mayor cuando la velocidad es baja, y es casi despreciable cuando la velocidad es muy alta, para la misma base de tiempos. Para mejorar esto se pueden realizar varias acciones:

a) Tomar un conjunto de muestras consecutivas y realizar una media entre ellas. b) Hacer una rutina de auto-escalado de la base de tiempos, en función de la frecuencia de

pulsos entrante. Cuanto más frecuencia, menor escala de tiempos; cuanto menos frecuencia, mayor escala de tiempos.

Tanto en un caso como en otro la rutina es fácil de implementar; incluso una mezcla de ambas

puede mejorar mucho el sistema. En el programa ejemplo se hará con la opción a). Mejoras en el posicionamiento:

El uso de sensores de mácula más estrecha mejorará el posicionamiento. En las pruebas se han usado sensores con marcas de 2 a 3mm, siendo deseable una anchura menor.


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La sensibilidad de los sensores es crítica; en las pruebas se experimentó con el ajuste de éstas

y se llegó a la conclusión que un mal ajuste de la sensibilidad en éstas echa a perder el posicionamiento.

El ajuste del servo también es crítico; los mejores resultados se han obtenido con un autotuning con respuesta alta, o con un ajuste manual con respuesta alta.

Otro aspecto, muy importante, es la mecánica. Una relación de transmisión reductora alta mejorará la resolución por pulso, intrínsecamente la exactitud en el posicionado. Por contra obligará a mover el motor a velocidades más altas, debiendo acelerar en más tiempo, con lo cual la velocidad de etiquetado puede resultar afectada.

Siempre que sea posible, establecer una aceleración suave ( fija). Ayuda a detener con suavidad y evita rebotes por inercia.

Es importantísimo mantener la tensión del papel en todo momento. Cuando se destense, el etiquetaje será erróneo.

A velocidades altas (> 80m/min) es aconsejable que en el cabezal haya un desbobinador eléctrico.

Conclusiones:

Puede conseguirse una etiquetadora de muy buena precisión mediante un FX3U y un

posicionador FX2N-10PG, con un servo de tipo MR-J3A.

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