Solución de problemas de servos: error de seguimiento y pérdida de posición

1. Descripción del Problema y Ámbito de Aplicación

Este manual de diagnóstico está diseñado para identificar y solucionar sistemáticamente errores de seguimiento y pérdida de posición en sistemas de servoaccionamiento. Las fallas del servosistema pueden causar importantes interrupciones en la producción, degradación de la calidad del producto y daños al equipo si no se diagnostican y corrigen de manera oportuna.

1.1. Posibles síntomas de mal funcionamiento

• Error de seguimiento: El servo no puede alcanzar o mantener con precisión una posición o velocidad determinada. Esto puede manifestarse como una desviación constante o periódica entre la posición ajustada y la real.
• Pérdida de posición: El servosistema pierde completamente la orientación a su posición cero o no puede regresar a ella después de cortar la energía.
• Precisión de posicionamiento deficiente: incapacidad para reposicionar el mecanismo con la precisión requerida, lo que da como resultado dimensiones faltantes o inconsistentes.
• Oscilaciones y vibraciones: Oscilaciones no deseadas del eje motriz, que pueden deberse a inestabilidad del sistema.
• Sobrecalentamiento del motor o variador: Generación excesiva de calor, a menudo acompañada de un mayor consumo de corriente.
• Ruidos anormales: Chirridos, golpes u otros ruidos anormales provenientes del servomotor, caja de cambios o conexión mecánica.
• Fallos en la pantalla del servo: Muestra códigos de error específicos relacionados con el codificador, el límite de seguimiento o la sobrecarga.

1.2. Tipos de equipos que pueden estar involucrados

Los servoaccionamientos son una parte integral de los equipos industriales de alta precisión. Este manual es aplicable a los siguientes tipos de máquinas:

• Máquinas CNC: fresadoras, torneadoras, rectificadoras.
• Robots industriales: manipuladores, robots de soldadura, robots de montaje.
• Máquinas de envasado: unidades de formación, llenado y sellado.
• Máquinas de impresión y textiles.
• Líneas de montaje automáticas.
• Sistemas de transporte y posicionamiento.

1.3. Clasificación de gravedad del mal funcionamiento

Una evaluación correcta de la gravedad del mal funcionamiento ayuda a priorizar los trabajos de diagnóstico y reparación.

• Crítico: Parada completa del proceso de producción, amenaza inmediata a la seguridad del personal o riesgo de daños importantes a equipos costosos. Requiere intervención inmediata.
• Significativo: Disminución de la productividad o de la calidad del producto, paradas frecuentes no programadas, aumento del desgaste de los componentes. Requiere intervención lo antes posible.
• Menor: Problemas periódicos e irregulares que no afectan directamente la producción o la seguridad, pero que pueden progresar. Requiere planificación de diagnóstico y reparación.

2. Medidas de seguridad

¡ADVERTENCIA! Se deben seguir estrictamente todos los procedimientos de seguridad estándar antes de comenzar cualquier trabajo de diagnóstico o reparación en los servosistemas. El incumplimiento de estas precauciones podría provocar lesiones graves o la muerte, o daños al equipo.

• BLOQUEO/Etiquetado (LOTO): Realice siempre el procedimiento LOTO (Bloqueo/Etiquetado) de acuerdo con DSTU EN 1037:2003 y las instrucciones del fabricante del equipo. Asegúrese de que todas las fuentes de energía (eléctricas, hidráulicas, neumáticas) estén desconectadas y bloqueadas antes de acceder a los componentes eléctricos o mecánicos.
• Energía residual: Los condensadores de los servovariadores pueden almacenar una carga peligrosa de alto voltaje incluso después de cortar la alimentación. Espere a que se descargue por completo, lo que puede tardar hasta 10 minutos. Utilice un voltímetro adecuado (clase de seguridad III o IV según DSTU EN 61010-1:2014) para comprobar la ausencia de tensión. Los sistemas mecánicos también pueden tener energía almacenada (resortes, cargas elevadas). Asegurar su fijación.
• Equipo de protección personal (EPI): Utilice EPI adecuado: gafas de seguridad, guantes dieléctricos, ropa protectora, calzado de protección.
• Superficies calientes: Los servomotores y variadores pueden calentarse a temperaturas peligrosas durante el funcionamiento. Déjelos enfriar antes de tocarlos.
• Piezas giratorias: Nunca intente diagnosticar o ajustar un servosistema mientras esté funcionando sin las cubiertas protectoras adecuadas. Existe riesgo de que alguien tire de la ropa o de partes del cuerpo.
• Seguridad eléctrica: Trabaje únicamente con componentes eléctricos si está calificado y autorizado (por ejemplo, Grupo de aprobación de seguridad eléctrica III o IV). Asegúrese de que el equipo esté correctamente conectado a tierra de acuerdo con DSTU EN 60204-1:2019.

3. Herramientas de diagnóstico necesarias

Para un diagnóstico eficaz de los servosistemas, se requieren herramientas especializadas:

4. Lista de verificación de evaluación inicial

Antes de iniciar un diagnóstico sistemático, es necesario realizar un examen inicial y recopilar la mayor cantidad de información posible sobre el mal funcionamiento. Esto ayudará a reducir las posibles causas.

5. Algoritmo de diagnóstico sistemático

A continuación se muestra un algoritmo secuencial para diagnosticar errores de seguimiento y pérdida de posición en servosistemas. Vaya paso a paso, aislando las causas potenciales.

1. Puntuación inicial y códigos de error

   1. Realice una evaluación inicial: Complete todos los elementos de la Lista de verificación de evaluación inicial (Capítulo 4).
   2. Compruebe los códigos de error del servo:
      • Si hay códigos de error específicos (por ejemplo, "Falla del codificador", "Sobrecorriente", "Límite de error de seguimiento"):
        1. Consulte el manual del fabricante de la unidad para interpretar el código.
        2. Vaya directamente a "7. Análisis de causa raíz" para conocer el fallo correspondiente.
      • Si faltan códigos de error o son generales ("Error siguiente"): Continúe con el diagnóstico.

2. Diagnóstico de retroalimentación del codificador

   La retroalimentación confiable del codificador es fundamental para un control servo preciso.

   1. Inspección visual del codificador y del cable:
      • Compruebe la fiabilidad de la fijación del codificador al eje del motor.
      • Inspeccione el cable del codificador en busca de daños, torceduras, deshilachados y conexión correcta de los conectores.
      • Asegúrese de que el cable del codificador esté colocado por separado de los cables de alimentación para minimizar la interferencia electromagnética.
   2. Comprobación de alimentación del codificador:
      • ¡ATENCIÓN! Antes de medir el voltaje, asegúrese de estar calificado y utilizar métodos seguros.
      • Mida la tensión de alimentación en el codificador con un multímetro.
      • Resultado esperado: Tensión nominal (p. ej., 5 V CC o 24 V CC) según la especificación del codificador.
      • Si el voltaje está ausente o es incorrecto:
        1. Verifique la integridad del cable de alimentación del codificador y las salidas de alimentación correspondientes en el servo.
        2. Posible mal funcionamiento del servodrive o de la fuente de alimentación.
   3. Análisis de señales del codificador mediante un osciloscopio:
      • Conecte un osciloscopio a las salidas de señal A, B y Z del codificador.
      • Gire con cuidado el eje del motor lentamente con la mano o haga funcionar el motor a velocidad muy baja (si es seguro y está permitido).
      • Resultado esperado:
        • Codificadores incrementales (TTL/HTL): Pulsos rectangulares claros desplazados 90° entre los canales A y B. El pulso Z (marca de referencia) debe ser uno por revolución.
        • Codificadores sinusoidales (Sin/Cos): Señales claras de seno y coseno desplazadas 90°, sin distorsión ni ruido.
      • Si las señales faltan, están distorsionadas, tienen ruido o no son las esperadas:
        1. Probable mal funcionamiento del codificador o del cable del codificador.
        2. Prueba de diagnóstico: utilice el kit de prueba del codificador (si está disponible) para probar el codificador de forma aislada.

3. Diagnóstico de Conexiones Mecánicas y Cargas

   Los problemas mecánicos son una causa común de errores de seguimiento.

   1. Inspección del acoplamiento:
      • ¡PRECAUCIÓN! Asegúrese de que el bloqueo y el etiquetado sean completos antes de trabajar en piezas mecánicas.
      • Verifique el acoplamiento que conecta el servomotor con la carga (reductor, tornillo de avance) para detectar holguras, grietas, desgaste y deformaciones.
      • Asegúrese de que todos los tornillos de fijación del acoplamiento estén apretados al par recomendado (use una llave dinamométrica).
      • Resultado esperado: Sin signos de reacción o desgaste, conexión segura.
      • Si se encuentra juego o desgaste: Reemplace o repare el acoplamiento.
   2. Comprobación del sistema de carga mecánica:
      • Desconectar el motor de la carga (si es posible sin dañarlo).
      • Intente mover la carga manualmente. Debe moverse suavemente, sin atascos, fricción excesiva o juego.
      • Revisar cojinetes de carga, guías, husillos de bolas, etc.
      • Mida la fuerza requerida para mover la carga (si hay herramientas adecuadas disponibles).
      • Resultado esperado: Baja resistencia al movimiento, sin juego (>0,05 mm - alarma para sistemas de precisión).
      • Si se encuentra fricción o juego excesivo: Identifique y elimine la fuente de resistencia mecánica (lubricante, cojinetes, alineación).
   3. Diagnóstico de desalineación:
      • Utilice el Medidor de alineación láser para verificar la alineación del eje del motor y el eje de carga.
      • Resultado esperado: Desplazamiento no superior a 0,02 mm (para paralelo) y 0,05 mm/100 mm (para angular).
      • Si se detecta una desalineación: Realice una alineación fina del eje.

4. Análisis de los parámetros de configuración (sintonización) del servo

   Los parámetros incorrectos del controlador PID (P, I, D) pueden causar inestabilidad y errores de seguimiento.

   1. Acceso a los parámetros a través del software:
      • Conecte una PC al servo usando el software dedicado.
      • Vea los valores actuales de los coeficientes PID, coeficientes de filtro, ganancia de velocidad y corriente.
   2. Ejecutar el autoajuste (si está disponible):
      • Muchos servos modernos tienen una función de autoajuste. Ejecútelo siguiendo las instrucciones del fabricante.
      • ¡ATENCIÓN! Durante el autoajuste, el eje del motor puede realizar movimientos bruscos. Asegúrese de que no haya obstáculos y de la seguridad del personal.
      • Resultado esperado: El sistema se estabiliza, el error de seguimiento disminuye.
   3. Sintonización manual (si el autotuning no ayudó o no está disponible):
      • Ajuste secuencialmente los coeficientes P, I, D, observando la respuesta del sistema a los movimientos de prueba (función de paso).
      • Observaciones críticas:
        • P demasiado alta: fluctuación, exceso, inestabilidad.
        • P demasiado baja: respuesta lenta, gran error de seguimiento.
        • I demasiado alto: exceso, estabilización lenta.
        • Estoy demasiado bajo: gran error estático.
        • D demasiado alta: sensibilidad al ruido, vibración.

5. Análisis de sobrecarga del motor/transmisión

   Superar la carga permitida provoca errores de seguimiento y sobrecalentamiento.

   1. Monitoreo de corriente del motor:
      • Utilice el software servo para monitorear la corriente RMS (media cuadrática) del motor durante la operación.
      • Resultado esperado: Los valores de corriente máxima no deben exceder la corriente nominal del motor en más del 150 % (a corto plazo) y la corriente RMS promedio no debe exceder el 80 % de la corriente nominal.
      • Si la corriente excede la norma: Probable sobrecarga.
   2. Medición de temperatura:
      • Utilice una cámara termográfica para medir la temperatura de la carcasa del motor y del disipador de calor del servo durante el funcionamiento.
      • Resultado esperado: La temperatura del cuerpo del motor no debe exceder los 80°C, el radiador de la transmisión – 60°C.
      • Si la temperatura es excesiva: Esto puede indicar una sobrecarga, un problema de enfriamiento o una falla del motor/variador.
   3. Análisis de carga mecánica:
      • Revisar el diseño de la máquina. ¿Se agregaron nuevos componentes que aumentaron la masa o la fricción?
      • Verificar las condiciones de fricción en las guías, cojinetes.
      • Evaluar la adecuación del tamaño del motor para la carga actual.

6. Matriz "Fallo-Causa"

Esta matriz proporciona una descripción general rápida de los síntomas típicos, las causas probables y las pruebas de diagnóstico para su confirmación.

7. Análisis de la causa raíz de cada mal funcionamiento

Un conocimiento profundo de las causas fundamentales ayuda no sólo a eliminar el mal funcionamiento actual, sino también a evitar que vuelva a ocurrir.

7.1. Mal funcionamiento del codificador y del cable

Explicación: El codificador proporciona información sobre la posición actual y/o la velocidad del motor. Cualquier distorsión, pérdida o inexactitud de su señal afecta directamente la capacidad del servo para controlar con precisión un eje.

• Causas comunes: Desgaste mecánico de los cojinetes del codificador, contaminación de los elementos ópticos (para codificadores ópticos), daños en el disco magnético (para magnéticos), interferencias eléctricas, daños en los cables (rotura, cortocircuito, pérdida de blindaje), fallo de la electrónica del codificador.
• Cómo confirmar: Análisis de señales con un osciloscopio (ausencia de pulsos, formas de onda distorsionadas, ruidos), verificación de resistencia y timbre del cable con un multímetro, utilizando un tester de codificador especializado.
• Posibles daños: Si no se controla, esto puede provocar un movimiento incontrolado del eje, colisiones, daños a la herramienta y la pieza de trabajo, partes mecánicas de la máquina. La pérdida de posición es crítica para los sistemas multicoordenadas.

7.2. Problemas de conexiones mecánicas y transmisión.

Explicación: Incluso un servo que funcione perfectamente no puede compensar las deficiencias mecánicas en el sistema de transmisión de movimiento.

• Causas comunes: Juego en el acoplamiento que conecta el motor con la carga (p. ej., estrías desgastadas, tornillos sueltos), engranajes desgastados en la caja de cambios, juego o atascamiento en cojinetes deslizantes/de rodillos, desalineación de ejes, aumento de fricción en las guías.
• Cómo confirmar: Inspección visual, verificación manual de holgura, uso de llave dinamométrica para verificar el apriete, alineación láser de ejes, análisis de vibraciones, medición de la fuerza de fricción.
• Posibles daños: Mayor desgaste de acoplamientos, cojinetes, reductores, servomotor, mayor consumo de energía, vibraciones, ruido, reducción de la precisión de posicionamiento, falla de componentes.

7.3. Ajuste (sintonización) incorrecto del servoaccionamiento

Explicación: Los parámetros del controlador PID del servoaccionamiento deben seleccionarse de forma óptima para las características dinámicas del motor y la inercia de la carga. Un ajuste inadecuado puede provocar inestabilidad, respuesta lenta o sobreimpulso.

• Causas comunes: Factores de ganancia (P), integración (I) y diferenciación (D) incorrectos, filtros configurados incorrectamente, inercia de carga configurada incorrectamente, uso de configuraciones estándar para mecánicas no estándar.
• Cómo confirmar: Análisis de los oscilogramas de seguimiento y velocidad mediante software servo (oscilaciones observadas, respuesta lenta al comando, error de seguimiento significativo), ejecución de la función de autoajuste y análisis posterior de los resultados.
• Posibles daños: Sobrecalentamiento del motor debido a oscilaciones constantes, mayor desgaste de los componentes mecánicos, vibraciones, ruido acústico, baja precisión de mecanizado, funcionamiento inestable.

7.4. Sobrecarga del sistema

Explicación: Si el sistema mecánico requiere más torsión o potencia de la que el servo/variador puede proporcionar, se producirá un error de seguimiento porque el variador no podrá mantener el perfil de movimiento especificado.

• Causas comunes: Peso de carga excesivo, aumento de la fricción en las piezas mecánicas (por ejemplo, falta de lubricación, guías dañadas), cambio en el perfil de movimiento que requiere más aceleración/desaceleración, servomotor incorrecto para la tarea actual.
• Cómo confirmar: Monitoreo de la corriente del motor (RMS y valores máximos) a través del software del variador, medición de las temperaturas del motor y del variador con una cámara termográfica y medición manual de la fuerza requerida para mover la carga.
• Posibles daños: Sobrecalentamiento y fallo de los devanados del motor, sobrecarga de los módulos de potencia del servoaccionamiento, daños en la caja de cambios o acoplamientos, reducción del recurso de todo el sistema.

8. Procedimientos de solución de problemas paso a paso

Realice estos procedimientos sólo después de que se haya identificado la causa raíz y con todas las precauciones de seguridad (Capítulo 2).

8.1. Restauración de la funcionalidad del codificador

Si el codificador o su cable están defectuosos:

1. Seguridad: Aplicar LOTO. Asegúrese de que no quede energía residual.
2. Desconectar: Desconecte el codificador antiguo del servomotor y del cable. Preste atención al marcado de los cables.
3. Inspección visual del cable: Inspeccione cuidadosamente el cable del codificador. Si encuentra daños, reemplace el cable por completo o repárelo (solo si la reparación garantiza confiabilidad y blindaje). Asegúrese de que el nuevo cable tenga blindaje y conectores adecuados.
4. Instalación del nuevo codificador:
   • Instale el nuevo codificador, asegurándose de que esté fijado de forma segura y precisa en el eje del motor (si es un codificador rotatorio). Para codificadores de montaje en gabinete, asegúrese de que haya espacio y alineación adecuados.
   • Utilice una llave dinamométrica para apretar los tornillos de montaje al par recomendado por el fabricante (normalmente 1-5 Nm).
5. Cableado: Conecte el cable al codificador y al servo siguiendo estrictamente el diagrama de cableado del fabricante. Verifique las conexiones correctas.
6. Comprobación y configuración:
   • Después de conectarse, apague LOTO.
   • Ejecute el servo en modo de prueba.
   • Utilice el software del variador para verificar las señales del codificador y corregir la lectura de posición.
   • Para encoders incrementales, puede ser necesario realizar un procedimiento de referencia (búsqueda de un punto de referencia).

8.2. Solución de problemas de conexión mecánica

Si se detecta juego, desgaste del embrague o desalineación:

1. Seguridad: Aplicar LOTO. Asegúrese de que no quede energía residual.
2. Desmontaje del acoplamiento: Retire el acoplamiento dañado.
3. Inspección de los ejes: Limpiar el motor y los ejes de carga de suciedad y óxido. Revíselos en busca de daños (arañazos, abolladuras).
4. Revisión de rodamientos: Revise el motor y los rodamientos de carga. Si encuentra juego, ruido o daño, reemplácelos.
5. Instalación de un nuevo acoplamiento:
   • Instale un nuevo acoplamiento de acuerdo con las especificaciones (tipo, torque, diámetros del eje). Se debe dar preferencia a los acoplamientos flexibles para servosistemas, que compensan pequeñas desalineaciones y amortiguan las vibraciones.
   • Importante: Alinee con precisión los ejes con un medidor de alineación láser. Desalineación permitida: paralela < 0,02 mm, angular < 0,05 mm/100 mm.
   • Apriete los tornillos de fijación del acoplamiento con una llave dinamométrica al par especificado por el fabricante (normalmente 20-100 Nm según el tamaño).
6. Comprobación: Pruebe el funcionamiento a bajas velocidades, compruebe visual y audiblemente si hay vibraciones y ruidos inusuales.

8.3. Optimización de la configuración del servoaccionamiento

Si el problema es una sintonización incorrecta:

1. Seguridad: Asegúrese de que no haya obstáculos para el movimiento del eje. Esté preparado para movimientos bruscos durante la afinación.
2. Acceso al software: Conecte la PC al servodrive y abra el software.
3. Guardar configuración actual: guarde la configuración actual de la unidad como copia de seguridad antes de realizar cambios.
4. Ejecutando el autoajuste:
   • Inicie la función de autoajuste del servo. Siga las instrucciones del software.
   • Una vez finalizado, analice los parámetros obtenidos y pruebe los resultados del movimiento.
5. Sintonización manual (si es necesario):
   • Si el ajuste automático no dio resultados satisfactorios, ajuste cuidadosamente los coeficientes del controlador PID.
   • Comience aumentando el factor P hasta que haya pequeñas fluctuaciones, luego disminúyalo un poco.
   • Agregue un factor I para eliminar el error estático.
   • Agregue un factor D para amortiguar las vibraciones y acelerar la respuesta, pero evite un valor excesivo que cause ruido.
   • Realice movimientos de prueba (comandos paso a paso) y observe el error de seguimiento y las formas de onda de velocidad. Respuesta óptima: alcanzar rápidamente la posición establecida sin sobreajustes ni oscilaciones.
6. Verificación: Realizar un ciclo completo del equipo con los nuevos parámetros, verificando la ausencia de errores de seguimiento y funcionamiento estable.

8.4. Eliminación de sobrecarga

Si se detecta una sobrecarga:

1. Seguridad: Aplicar LOTO para trabajos mecánicos.
2. Determinación del origen de la sobrecarga:
   • Fricción mecánica: Revise y lubrique guías, cojinetes, husillos de bolas. Evalúe el estado de todas las piezas móviles.
   • Aumento de masa: Compruebe que no se hayan añadido nuevos componentes a la parte móvil sin el correspondiente cambio en el servosistema.
   • Cambiar el perfil de movimiento: si las velocidades o aceleraciones han aumentado, considere optimizar la cinemática o actualizar el servosistema.
3. Lubricación y limpieza: Asegure una lubricación adecuada de todas las piezas móviles de acuerdo con la tabla de lubricación del fabricante. Limpiar los componentes mecánicos de la suciedad.
4. Optimización: Si no se puede eliminar la fuente de la sobrecarga, puede ser necesario recalcular y reemplazar el servo/reductor por uno más potente.
5. Verificar: Después de eliminar la fuente de la sobrecarga, controle la corriente y la temperatura del motor durante el funcionamiento. La corriente del motor no debe exceder el 80% del RMS nominal.

9. Medidas preventivas

El mantenimiento regular es la clave para un funcionamiento fiable y a largo plazo de los servosistemas.

10. Repuestos y Componentes

La disponibilidad oportuna de repuestos de calidad reduce el tiempo de inactividad del equipo. UNITEC-D GmbH ofrece una amplia gama de componentes para servosistemas.

Para solicitar repuestos y obtener asesoramiento, consulte nuestro catálogo electrónico UNITEC-D.

11. Enlaces

• DSTU EN 1037:2003 Seguridad de las máquinas. Prevención de arranque inesperado.
• DSTU EN 61010-1:2014 Requisitos para la seguridad de equipos eléctricos de medición, control y uso en laboratorio.
• DSTU EN 60204-1:2019 Seguridad de las máquinas. Equipo eléctrico de máquinas. Parte 1: Requisitos generales.
• ISO 10816-1:2010 Vibración mecánica. Evaluación de vibraciones de máquinas mediante mediciones en piezas estacionarias.
• Instrucciones de operación y mantenimiento de servoaccionamientos y servomotores de fabricantes (Siemens, Bosch Rexroth, Fanuc, Yaskawa, Rockwell Automation, etc.).
• Otros manuales de servicio de UNITEC-D GmbH.