DISPOSITIVO DE VERIFICACIÓN Y CONTROL CON MUESTREADO DE
DATOS EN TIEMPO REAL PARA UNA MÁQUINA EMPLEADA EN LA
INDUSTRIA DE CABLES
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un dispositivo de verificación y control para una máquina de ensamblado diseñada para realizar una operación de devanado de al menos un elemento de alambre sobre un cable principal para formar un cable embobinado, la máquina de ensamblado se equipa con accionadores que comprende: - una cabeza de devanado que guía el elemento de alambre embobinado cuando menos en una bobina alimentadora, - un primer motor de cabeza para desplazar la cabeza de movimiento en rotación, - un segundo motor para desplazar en rotación una bobina receptora en la cual se embobina el cable enrollado,
- y medios para tensionar mecánicamente el elemento de alambre cuando se lleva a cabo la fase de embobinado, El dispositivo de verificación y control comprende : - un aparato de medición óptica que contiene al menos emisor de luz para proyectar una haz de luz sobre el elemento de alambre y un receptor para detectar el haz de luz reflejado con producción de una señal de medición, - un circuito de procesamiento con microprocesador diseñado para recibir la señal de medición y para enviar señales de control y/o ajuste a los accionadores , - y un medio de control externo que comprende en particular una microcomputadora para alimentación de parámetros de operación automática de la máquina de ensamblado de acuerdo con un programa predeterminado del circuito de procesamiento . La presente invención se refiere en general a una máquina de ensamblado diseñada para realizar una operación de devanado de al menos un elemento de alambre. En forma más precisa la invención se refiere a un dispositivo de verificación de control con muestreado de datos en tiempo real para esta máquina de ensamblado. La invención puede aplicar por ejemplo a una máquina de ensamblado diseñada para embobinar elementos de alambre en conjunto uno sobre otro, o entre sí, y también puede aplicarse a una máquina de ensamblado diseñada para embobinar uno o más elementos de alambre periféricos sobre un cable central. Estos elementos pueden ser metálicos o compuestos de otros materiales. De aquí en adelante en el texto, el término elemento de alambre deberá referirse a cualquier objeto en la forma de un cable o» alambre cuya sección transversal pueda tener cualquier forma (el elemento de alambre es capaz por ejemplo de ser una tira delgada), pero en la mayoría de los casos es de forma general circular apreciable constante sobre toda su longitud. Este elemento de alambre puede constituir un objeto de alambre simple que realiza una función esencialmente mecánica (por ejemplo un alambre de refuerzo o una tira aislante protectora) , o puede constituir un cable incluyendo uno o más alambres que realizan transmisión de energía o una señal en forma eléctrica, magnética, óptica o cualquier otra. A continuación en el texto, el término cable central habrá de referirse a cualquier elemento de alambre como se definió anteriormente, pero cuya rigidez o resistencia a la tracción de manera general es relativamente elevada para permitir que otro elemento de alambre se embobine alrededor de este elemento de alambre central . A continuación en el texto, el término "elemento de alambre periférico" habrá de referirse a cualquier elemento de alambre como se definió anteriormente, pero cuya rigidez de manera general es menor que la del elemento de alambre central, de manera tal que el elemento de alambre periférico puede embobinarse alrededor del cable central . Sin embargo, también puede considerarse un cable central con una menor rigidez que la del elemento de alambre periférico, sin apartarse del espíritu de la invención, en donde el cable central se sostiene con una tensión suficientemente elevada para que sin embargo sea posible embobinar el elemento de alambre periférico alrededor del cable central. A continuación en el texto, el término "operación de devanado" deberá referirse a cualquier operación realizada por el dispositivo de acuerdo con la presente invención, diseñado para provocar embobinado de al menos un elemento de alambre en o con al menos otro elemento de alambre o en un cable central. Entre estas operaciones de devanado posibles, pueden darse los siguientes ejemplos: - superposición, es decir devanado de elemento de alambre en vueltas que pueden unirse o no en general a un cable central . trenzado, es decir devanado de varios elementos de alambre respetando un paso de devanado previamente definido (distancia medida en el cable central entre el inicio y el fin del devanado, teniendo la misma referencia en la circunferencia del cable al inicio y al fin del devanado) .
- encintado, revestimiento de un cable central o con una o más tiras, - una operación que consiste en crear un revestimiento alrededor de un cable central, este revestimiento se forma por varias tiras planas, una tira plana está constituida por varios elementos de alambre o por elementos de alambre individuales embobinados alrededor del cable central y alternantes entre sí para formar una o más capas de revestimiento alrededor del cable central, notablemente para formar un cable coaxial. El revestimiento puede constituir una malla de varias tiras planas formadas por varios elementos de alambre. Este revestimiento puede emplearse por ejemplo para constituir un blindaje para el cable central o cualquier otra protección para el cable central , - un revestimiento realizado sobre sí mismo, es decir sin aplicarse alrededor de un cable central, a fin de formar un revestimiento sólido o un revestimiento hueco. A continuación en el texto, el término "máquina de ensamblado" habrá de referirse a cualquier máquina que permite que estas operaciones de devanado posibles se realicen, incluso si estas máquinas realizan, en vez de un adecuado ensamblado, un revestimiento, un encintado, un superposición, un trenzado o una operación similar a las mismas . DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA PREVIA El documento WO 93/07330 y el documento FR-A 2,739,701 describen dispositivos para realizar una operación de devanado de al menos un elemento de alambre que comprende medios ópticos que permiten realizar las siguientes medidas durante la operación de devanado: - medición, en el elemento de alambre tenso extraído entre la cabeza de devanado y el sitio propio del devanado, de la intensidad de reflexión de un haz de luz incidente; - medición, en el elemento de alambre tenso extraído entre la cabeza de devanado y el sitio propio del devanado, de la amplitud de oscilación del ángulo de reflexión especular de un haz de luz incidente, esta amplitud de oscilación es representativa de la tensión del elemento de alambre en el curso del devanado; - implementación, en el elemento de alambre tenso extraído entre la cabeza de devanado y el sitio propio del devanado, de una de las mediciones realizadas anteriormente solo durante una ventana de tiempo definida por medio continuo de la posición angular de la cabeza de devanado, a fin de seleccionar un elemento de alambre específico sencillo que se somete a esta medición; - medición, en el elemento de alambre tenso extraído entre la cabeza de devanado y el propio sitio de devanado, de la presencia/ausencia de la intensidad de reflexión de un haz de luz incidente para medición continua de la posición angular de la cabeza de devanado. En esta técnica previa, se emplea una estructura óptica diseñada para enviar un haz de luz sobre el elemento de alambre y hacer las mediciones ópticas correspondientes, en la luz reflejada y de los medios electrónicos que reciben señales que provienen de la estructura óptica y señales auxiliares que provienen de otros elementos de medición para suministrar los datos requeridos ante operación de la máquina, o para realizar automáticamente ajustes a los parámetros operativos de la máquina. Un problema que surge para este tipo de máquina de ensamblado de la técnica previa en caso de automatización de la operación, requiere las siguientes operaciones : selección y adaptación de un tipo específico de dispositivo de medición óptica en la máquina, las características del cual son compatibles con el tipo de elemento de alambre empleado, - seleccionar y adaptar un tipo específico de componente de comunicación de energía en la máquina, las características del componente son compatibles con el tipo de aparato funcional que se diseña para controlar automáticamente,
- y selección y adaptación de un dispositivo específico en la máquina, permitiendo que el componente de comunicación de energía se haga operacional durante operación de la máquina, mientras que se desactiva el control manual inicial del aparato funcional de la máquina de ensamblado que este componente tiene que controlar automáticamente, y desactivar este componente mientras que se hace la operación de control manual inicial cuando el usuario desea realizar un control manual de este aparato funcional en vez de su control automático. Las condiciones de procesamiento pueden variar considerablemente por las siguientes razones: las máquinas de ensamblado existentes representan globalmente un conjunto relativamente grande de máquinas, pero que incluye una gran diversidad de tipos de máquina (por ejemplo máquinas de eje vertical u horizontal, máquinas para devanar una sola trenza, o para devanar una gran cantidad de trenzas, filamentos, máquinas de control automáticas o manuales) ; - para una máquina de un tipo particular, operaciones de devanado de diferentes tipos pueden realizarse (por ejemplo trenzado, superposición, encintado o revestimiento) ; - para una operación de devanado particular, elementos de alambre de muy diferentes naturalezas pueden procesarse (por ejemplo ciertos alambres son altamente reflejantes y otros tienen muy baja reflexión, ciertos alambres son gruesos y otros son muy delgados, por ejemplo de unos cuantos micrómetros) . Las condiciones de iluminación ambiente de la máquina pueden variar en proporciones considerables durante el día, (por ejemplo cuando la máquina conmuta desde una iluminación artificial normal en la noche a luz de sol directa durante el día a través de una ventana) y puede variar en grandes proporciones en forma instantánea (por ejemplo cuando la iluminación artificial del taller está encendida o apagada) . Estas observaciones resultan en una necesidad por lograr un dispositivo de verificación y control con funciones de muestreado de datos en tiempo real, capaz de adaptarse en una máquina de ensamblado con cualquier ciclo operativo. Objetivo de la Invención
Un objetivo de la invención es lograr un dispositivo de verificación y control en tiempo real para una máquina de ensamblado universal, para utilizar con diversos tipos de operación y diferentes modos de devanado. El dispositivo de verificación y control de acuerdo con la invención, se caracteriza porque: - el microprocesador del circuito de procesamiento recibe y muestrea datos que provienen del aparato de medición óptica, para conocer la posición del elemento de alambre y su comportamiento en vibración mecánica en tiempo real antes de que el elemento de alambre se embobine sobre el cable principal, - medios de almacenamiento, notablemente una memoria EPROM, se programan para generar una función de auto-corrección en caso de que ocurra un desplazamiento de la posición y datos de vibración del elemento de alambre, - y medios de control eléctrico del primer motor, del segundo' motor y de los medios de tensionamiento mecánico, se disponen para re-establecer operación óptima de la máquina de ensamblado. De acuerdo con una modalidad preferida, los medios de control eléctrico, se controlan en tiempo real o el microprocesador para ajustar la sincronía entre el primer motor de la cabeza de devanado y el segundo motor de la bobina receptora que jala el cable principal y para establecer una tensión mecánica predeterminada en el elemento de alambre mediante al menos un freno electromagnético. El circuito de procesamiento almacena los valores de las vibraciones máxima, mínima y promedio del elemento de alambre, después de muestreado para observar en tiempo real el comportamiento vibratorio y colocación del elemento de alambre en la página de la pantalla de la microcomputadora, el programa residente de la memoria EPROM permite que la máquina de ensamblado se enclave en bucle en la posición y vibración del elemento de alambre con respecto al cable principal. De acuerdo con una característica de la invención, detectores de higrometría y/o temperatura ambiente auxiliar, se conectan al circuito de procesamiento para informarse en caso de que ocurra un desplazamiento del elemento de alambre enlazado con un ambiente fluctuante. De acuerdo con otra característica de la invención, el emisor y receptor del aparato de medición óptica se proporcionan con medios de ajuste de inclinación para el campo de emisión y recepción del haz de luz que coopera con el elemento de alambre. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Otras ventajas y características de la invención serán más claramente aparentes a partir de la siguiente descripción de una modalidad de la invención, dada como un ejemplo no restrictivo solamente y representada en los dibujos acompañantes en donde: - La Figura 1 es una vista en planta esquemática de una máquina de ensamblado equipada con un dispositivo de verificación y control con muestreado de datos en tiempo real de acuerdo con la invención; - La Figura 2 es una vista en sección transversal de un detector de medición óptico, que constituye uno de los elementos del dispositivo de la Figura 1; - La Figura 3 muestra la zona de supervisión del proceso de embobinado en una escala agrandada; La Figura 4 representa un diagrama de bloques del circuito de procesamiento electrónico del dispositivo de verificación y control;
- Las Figuras 5 y 6 respectivamente ilustran los diagramas de medición de vibraciones máxima y mínima de los elementos de alambre para diferentes valores de tensión mecánica;
- La Figura 7 muestra dos curvas 1 y 2 representativas de los valores promedio de vibraciones máxima y mínima de acuerdo con la tensión mecánica aplicada en el elemento de alambre . DESCRIPCIÓN DE UNA MODALIDAD PREFERIDA En la Figura 1, la máquina de ensamblado 15 comprende una cabeza de devanado 50 equipada con una polea excéntrica 51 que guía un elemento de alambre 4 o 4A embobinado en una primer bobina alimentadora 52 o una segunda bobina alimentadora 52A, ambas frenadas por un freno electromagnético respectivamente 53F y 53A. Una tercer bobina alimentadora 54 sostiene un cable principal embobinado 6, un trenzado de extremo libre 6A el cual se extiende desde la bobina 54 a una bobina receptora 55, que se desplaza por un motor 56M y pasa tensa a través de la cabeza de devanado 40 en forma coaxial. Una trenzado de extremo libre 4B del elemento de alambre 4 o 4A se extiende desde la polea 51 a una zona 8 del trenzado de cable 6A, esta zona se sitúa entre la cabeza de devanado 50 y la bobina receptora 55. Un motor de cabeza 57M desplaza la cabeza de devanado 50 en rotación mediante transmisión conveniente 58. Esta máquina se describe con detalle en el documento FR-A-2 , 39 , 701. Un codificador de posición angular y velocidad 59 mide la posición angular y velocidad de la cabeza de devanado 50. En operación, el o los elementos de alambre 4 o 4A, se embobinan sobre el cable central 6 para formar un cable trenzado ensamblado embobinado 6B que luego se embobina en la bobina receptora 55. El dispositivo de verificación y control con muestreado de datos en tiempo real 15 (circundado por líneas punteadas) comprende: - un aparato de medición óptica 16 dispuesto con frente al trenzado de extremo 4B y diseñado para suministrar señales de medición ópticas, - un circuito de procesamiento de datos 17 que recibe señales de medición desde el aparato de medición óptica 16 mediante el cable 18, - y un medio de control externo 20, por ejemplo una microcomputadora, que permite que un usuario controle al menos un parámetro de operación automática de la máquina de ensamblado, al controlar una operación programada del circuito de procesamiento de datos 17 por un cable 21. Una salida del circuito 17 se conecta al variador 56V del motor 56M mediante un cable de ramificación 64A, y una alimentación de circuito 17 se conecta a un control correspondiente 63 mediante un cable de ramificación 64B.
Otra salida del circuito 17 se conecta al suministro de energía 53C del freno 53F mediante un cable de ramificación 66A, y se conecta una alimentación al control 65 mediante un cable 66B, para controlar el motor 53G de la primer bobina alimentadora 52 en par de torsión. Otra salida de circuito 17 se conecta al variador 57V del motor 57M mediante un cable de ramificación 62A y una alimentación se conecta al control correspondiente 61 mediante un cable de ramificación 62B. Una alimentación del circuito 17 se conecta al codificador 59 mediante un cable de ramificación 68A, y una salida se conecta a los medios de exhibición correspondientes 67 mediante un cable de ramificación 68B. La computadora 20 luego actúa como un control general : para controlar los motores 56M y 57M mediante los variadores 56V y 57V, - para controlar los frenos 53A, 53F, o el motor 53G que trabaja en par de torsión, - para verificar la velocidad y posición angular de la cabeza de devanado 50 mediante el codificador 59, - para exhibir el valor del aparato de medición óptica 16,
- y/o para cualquier otro procesamiento de exhibición cómputo o datos .
En la Figura 2, el aparato de medición óptica 1S comprende un alojamiento óptico 25 que contiene un medio de proyección para un haz de luz por infrarrojo 26A y 37A, un detector de luz ambiente 28 y un receptor de luz 35. Los medios de proyección comprenden un primer emisor de infrarrojo 26A y un segundo emisor de infrarrojo 37A que proyectan dos haces de luz 36 y 38 que tienen origen angular preciso de separación y al, creando una intersección 41 a una cierta distancia. El receptor de luz infrarroja 35 se dispone dentro del tubo 35A y mide la luz reflejada por el elemento de alambre 4B. El receptor 35 permite que se mida una luz reflejada en forma no especular y por lo tanto puede actuar : - como detector de la presencia/ausencia del alambre,
- como medición analógica continua de una característica de reflexión del alambre (por ejemplo de la variación de la brillantez del alambre, o de la variación del color del alambre) a fin de realizar una verificación continua de la calidad del alambre, - como detectores de alta sensibilidad con muy rápida respuesta en el caso en donde el alambre es extremadamente fino o muy oscuro, a fin de detectar en forma precisa en tiempo la aparición del elemento de alambre 4B en el campo de los haces infrarrojos 36 y 38.
Los alambres 32, 40 conectados dentro del alojamiento 25 a los emisores 26A, 37A, el alambre 39 conectado al receptor 35 y el alambre 34 conectado al detector 28, todos alojados en conjunto en el forro del cable 18. Los emisores 26A, 37A de luz 10 del aparato de emisión óptica 16, pueden tener diferentes longitudes de onda de emisión y diferentes potencias de emisión. El ángulo a, al de la inclinación de los emisores 26A, 37A, puede ajustarse a fin de incrementar o disminuir la distancia desde la zona de intersección 41. El ángulo de inclinación al del receptor de luz 35 también es ajustable para modificar la zona de recepción. La selección del tipo de emisores 26A, 37A y del receptor de luz 35 depende de las características de reflectividad del elemento de alambre 4 y del tipo de medición a realizar. La Figura 3 muestra la zona de verificación de tiempo real del proceso de encintado en una escala agrandada. El aparato de medición óptica 16 permite el grado de vibración 73 de la tira ahusada del elemento de alambre 4B para verificarse antes de que su devanado se realice en trenzado 6A del cable principal. Análisis de la vibración por el circuito de procesamiento de datos 17 permite que se regule la tensión mecánica ejercida en la tira por el freno 53F. El punto de devanado también se verifica por el aparato de medición óptica 16 en la zona 8, a fin de obtener una precisión óptima de colocación en cuanto a la superposición y paso de las vueltas de la tira y para detectar cualquier doblado o volteado de la tira. En la Figura 4, el circuito de procesamiento electrónico 17 comprende un microprocesador 75 diseñado para recibir datos en tiempo real desde el detector 16, y operar en conjunto con la microcomputadora de los medios de control externos 20 para alimentación de los datos y parámetros de acuerdo con condiciones de operación requerida. El microprocesador 75 también se conecta a una memoria ROM 77, una memoria RAM 78, y una memoria EPROM 80, que tiene un programa residente que genera una función auto-correctora de un desplazamiento observado (posición y vibración del elemento de alambre) al actuar en componentes activos (frenos 53A del elemento de alambre 4A, la sincronía de los motores 56M, 57M, etc.). Muestreado de datos en tiempo real por el detector 16 permite que la ubicación del elemento de alambre 4 y su comportamiento respecto a su vibración máxima, sean conocidos. En los diagramas de las Figuras 5 y 6, el comportamiento del elemento de alambre 4 se exhibe de acuerdo con el valor de la tensión mecánica determinada por el freno 53F. La denominación SV-22G del diagrama A corresponde a una tensión de 22 gramos aplicados al elemento de alambre 4. La Figura 5 muestra el valor de vibración máximo, mientras que la Figura 6 ilustra el valor mínimo, después de muestreado que se realiza por el circuito de procesamiento 17. Los otros diagramas B, C, D, E y F corresponden a tensiones mecánicas superiores, notablemente 52 gramos para la denominación SV-52G, 111 gramos para la denominación SV-111G, 148 gramos para la denominación SV-148G, 157 gramos para la denominación SV-157G, y 209 gramos para la denominación SV-209G. En la Figura 7, el valor promedio de la vibración que se observa en el elemento de alambre 4 sometido a una tensión de 22 gramos (SV-22G) , es 260 puntos. La diferencia entre disminuciones máxima y mínima después de que se ha incrementado la tensión para volverse casi constante entre 148 gramos y 209 gramos. Esta observación en tiempo real del comportamiento del elemento de alambre 4 permite la operación de la máquina de ensamblado sea corregida muy rápidamente. La posición del elemento de alambre 4 con respecto al trenzado del cable principal 6 también se conoce en todo tiempo. La operación de la máquina de ensamblado puede llevarse a cabo de acuerdo con dos modos distintos. l/Modo Manual Permite que la máquina de ensamblado se ajuste para depositar el elemento de alambre 4 en un sitio preciso en el soporte del cable principal 6. Los ajustes se realizan en: - la sincronía entre la cabeza de devanado 50 del elemento de alambre 4 y la rotación de la bobina receptora 55 que jala el cable principal 6, _ la tensión aplicada en el elemento de alambre 4 mediante el freno electromagnético 53A. Después de este ajuste manual del dispositivo de verificación y control 15 en la máquina de ensamblado, el comportamiento del elemento de alambre puede observarse en una página de la pantalla de microcomputadora 20, es decir: - la vibración del elemento de alambre (Promedio Figura 7, Máximo Figura 5, Mínimo Figura 6), la posición del elemento de alambre (Promedio de vibración, Figura 7) . El usuario puede realizar modificaciones a los ajustes anteriormente mencionados y a los ajustes de máquina de ensamblado en cualquier momento.
Por ejemplo, en caso de uso de materiales frágiles (PTFE por ejemplo) , la temperatura ambiente o la higrometría ambiente influencian directamente el comportamiento del elemento de alambre 4. La trayectoria que se toma por el elemento de alambre (rodillo guía, guía, etc.) puede dar lugar en forma súbita o progresiva a una dificultad (rodillo guía atascado, guía incrustada, etc.) incrementando consecuentemente la tensión del elemento de alambre 4 y perturbando la posición del elemento de alambre 4 con respecto al cable principal previamente ajustado 6. Otros parámetros pueden influenciar la deposición del elemento de alambre 4, en particular en el caso de un defecto dimensional (ancho o diámetro) . 2/ Modo de uso en modo automático Cuando se lleva a cabo la conmutación desde el modo manual al modo automático, los valores de vibración del elemento de alambre 4 se almacenan después de muestreado como el valor promedio de ubicación del elemento de alambre 4. Estos valores por lo tanto actúan como valores de referencia para operación de la máquina en modo automático . El programa residente de la memoria EPROM 80 permite que la máquina de ensamblado sea enclavada en bucle en la posición y vibración del elemento de alambre 4 con respecto al cable principal 6A. El programa residente permite que componentes activos del dispositivo 15 se controlen para compensar el desplazamiento observado (posición del elemento alambre, vibración del elemento de alambre) por órdenes de prioridad programados de antemano en la memoria EPROM 80. En caso de que ocurra un desplazamiento de la posición del elemento de alambre 4 con respecto a su posición almacenada inicial, el programa permite que se realice ajuste del punto fijo de rotación de la cabeza de devanado 50, acelerando o frenando la cabeza de devanado 50 o se realice ajuste del punto fijo de tracción de la bobina receptora 55 acelerando o frenando la tracción del cable 6B, o al ajustar el punto fijo de tensión mecánica que se aplica al elemento de alambre que también influencia su posición. El orden de prioridad de intervención en los componentes activos pueden modificarse por el usuario de la máquina de ensamblado en cualquier tiempo para contribuir a la ubicación óptima del elemento de alambre 4 con respecto al cable principal 6 y/o minimizar o incrementar la vibración del elemento de alambre 4. Si los desplazamientos observados son demasiado grandes para auto-corrección, el programa residente de la memoria EPROM 80 se diseña para detener la máquina de ensamblado.
La supervisión en tiempo real de la deposición del elemento de alambre 4 y de su vibración, se asocia con la capacidad de seguimiento que permite al usuario ser informado de los desplazamientos observados, a fin de conocer el nivel de calidad resultante en una producción determinada y conocer el procesamiento de fabricación concerniente a este producto por asociación de los tiempos de fabricación, las velocidades de fabricación (rotación de cabeza de devanado, etc.) y cualesquiera paradas que puedan haber ocurrido (cambio de elemento de alambre por ejemplo) . Esta supervisión del elemento de alambre también permite que pueda ocurrir desplazamiento consecutivo a parámetros externos a la máquina de ensamblado (temperatura ambiente, higrometría, etc.) sean conocidos. Sensores auxiliares 82 transmiten las mediciones de temperatura e higrometría al microprocesador 75, para este propósito.