INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN
“Diseño y manufactura de un banco de pruebas para estimar la fuerza de trac ci ón en h é lic es y ro to res co n ” ” aplicación a min i-ae i- aeron ron aves
PRESENTAN:
Contenido Nomenclatura Relación de figuras y tablas Objetivo general y objetivos particulares Justificación y alcance Introducción
i ii v vi vii
Capítulo I - Estado del arte
1.1 Desarrollo de los Vehículos Aéreos no Tripulados (UAV´s) 1.2 Banco de pruebas de empuje
1 2
Capitulo II – Diseño del banco de pruebas
2.1 Boceto del diseño de la balanza 2.2 Parámetros de diseño 2.3 Restricciones del diseño
5 5 7
Capítulo III – Instrumentación
3.1 Instrumentación electrónica 3.2 Extensometría y conexión de puente de Wheatstone
8 8
3.2.1 Selección de la galga extensométrica
10
Capitulo IV - Análisis de la balanza por elemento finito
4.1 Análisis
27
Capítulo V - Análisis mecánico de la balanza mediante software ADAMS
5.1 Análisis
32
Capítulo VI - Ensayo experimental con hélices
6.1 Datos de los parámetros del ensayo 6.1.1 Ficha técnica del motor utilizado 6.1.2 Hélice 6.2 Prueba
Conclusiones Referencias
35 35 36 36
42 43
Anexos
Figura 3.4.3 Certificado de calibración y ejemplo 1
44
Nomenclatura Símbolo
Descripción
ɛ
Deformación unitaria Deformación Longitud Distancia Micro deformación Relación de Poisson Voltaje de salida Resistencia 1 Resistencia 2 Resistencia 3 Resistencia 4 Resistencia de las pistas Voltaje de excitación Momento Distancia 1 Distancia 2
∆L
L D µɛ ѵ
Vo R1 R2 R3 R4 RL Vex M d1 d2
Relación de figuras y tablas Figura
Página
Figura 1.1.1
STARMAC II Quadrotor Aircraft
1
Figura 1.1.2
The kQuadNano
2
Figura 1.2.1
STARMAC II Vehículo y sus componentes.
3
Figura 1.2.2
Banco de pruebas
3
Figura 1.2.3
Quadrotor experimental
4
Figura 2.2.1
Soporte del motor montado sobre la barra, motor simulado de color naranja.
6
Figura 2.2.2
En color naranja la celda de carga.
6
Figura 2.2.3
Barra resaltada.
7
Figura 2.3.1
Parte superior del soporte del motor.
7
Figura 3.2.1
Definición de deformación unitaria
9
Figura 3.2.2
Galga extensométrica metálica
10
Figura 3.2.7.1
Longitud de galga
13
Figura
Página
Figura 3.3.3
Cableado de código de color. (WCC1)
23
Figura 3.4.1
El módulo TM0-1
23
Figura 3.4.2
Forma de conexión del módulo TM0-1
26
Figura 4.1.1
Estructural estático
28
Figura 4.1.2
Deformación elástica equivalente
29
Figura 4.1.3
Deformación total
30
Figura 4.1.4
Esfuerzo equivalente (Von-Mises)
30
Figura 4.1.5
Condiciones de frontera y carga. Estático estructural.
31
Figura 4.1.6
Deformación elástica equivalente
31
Figura 4.1.7
Deformación total
32
Figura 4.1.8
Esfuerzo equivalente (Von-Mises)
32
Figura 5.1
Modelo de la balanza en el entorno de ADAMS/View ADAMS/View
34
Figura
Figura 6.2.4
Página
Indicador y recopilador de esfuerzos modelo P3 (P3 Strain indicator and recorder)
40
Figura 6.2.5
Sistema de análisis 1
41
Figura 6.2.6
Sistema de analisis 2
41
Figura 6.2.7
Gráfica de tracción
42
Figura 3.4.3
Certificado de calibración y ejemplo 1
43
A1
Plano del ensamble completo
45
A2
Planos de cada cada pieza pieza del banco banco de pruebas pruebas
45
Características de la celda de
22
Anexos
Tabla Página Tabla 3.3.1
“Diseño y manufactura de un b anco de pruebas p ara est im ar l a fu erza de trac ci ón en h é lic es y ” ” rotores con aplicació aplica ción n a m ini-ae ini- aeronaves ronaves
Objetivo general y objetivos particulares
Objetivo general: Diseñar mecánicamente y manufacturar un banco de pruebas que permita obtener la fuerza de tracción en hélices y rotores de aeronaves no tripuladas pequeñas.
Objetivos particulares: a) Hacer una revisión del estado tecnológico de dispositivos que cumplen el mismo fin. b) Establecer los parámetros y restricciones de diseño. c) Obtener el diseño conceptual del banco de pruebas. d) Realizar un análisis de elemento finito e) Definir la geometría final y el material del cual estarán fabricados los
Justificación La industria aeroespacial hoy en día es una de las más importantes a nivel mundial, económica y socialmente debido a la cantidad de ingresos que genera para los países en los cuales está establecida. Dicha industria es además importante para el desarrollo tecnológico, debido a que los resultados y avances logrados en ésta, permean a un gran número de áreas de conocimiento. Uno de los desarrollos que han cobrado auge e importancia hoy en día es el de los vehículos aéreos no tripulados (VANT’s), cuyas principales aplicaciones so n las de vigilancia y seguridad. Las investigaciones actuales están enfocadas en el diseño, manufactura y sobre todo, el control de estos vehículos, y en particular en los de ala rotativa, debido a las ventajas que ofrecen respecto a lo demás. La etapa experimental, como en todo desarrollo es probablemente la más importante, ya que de ésta es de la cual se obtienen los valores y datos que se desarrollan o los que influyen en el fenómeno que se esté analizando. En la ESIME Ticomán se está iniciando con el estudio y diseño de este tipo de vehículos, por lo cual se hace necesario el contar con equipo e instrumentos adecuados para realizar experimentos.
Introducción Muchos de los proyectos que se llevan a cabo en ESIME Unidad Profesional Ticomán dedicada a Ingeniería Aeronáutica tratan de modelos UAV (Unmanned Aerial Vehicle, por sus siglas siglas en inglés), o en ciertos casos puede ir dirigido a una práctica que se le conoce como aeromodelismo. Para llevar a cabo cualquiera de estas actividades desde sus bases del diseño de la aeronave, es necesario tener en cuenta cada parte del sistema, tomando como sistema la aeronave. Este proyecto está más enfocado a las aeronaves de ala rotativa, como lo son los helicópteros, que puede tener variantes como son los Quadrotor. Un punto importante para desarrollar un Quadrotor es el de saber el empuje que puede proporcionar una hélice de forma libre, sin que afecten los datos del peso del motor. Simplemente determinar la tracción de una hélice dependiendo de la distancia entre el motor y la celda de carga, además de la compresión que se genere sobre la celda de carga. Se presume que el proyecto propuesto será capaz de medir el empuje de la hélice sin que afecte el peso del motor, gracias a un contrapeso que anulará tal propiedad. El empuje de la hélice será medido gracias a una celda de carga que funciona con los principios de extensometría, la cual mediante una tarjeta receptora de datos nos permitirá conocer el empuje neto de la hélice.
Quadrocopter, ya que al tener cuatro rotores es necesario que cada rotor y cada hélice proporcionen la misma cantidad de sustentación para tener estabilidad.
Capítulo I - Estado del arte Los helicópteros Quadrotor se están convirtiendo en una plataforma popular para el vehículo aéreo no tripulado de investigación (UAV), debido a la simplicidad de su construcción y mantenimiento, su despegue y aterrizaje verticales (VTOL, del inglés del inglés Vertical Take-Off and Landing). En los diseños actuales a menudo se consideran sólo las condiciones de funcionamiento nominales para el diseño de control del vehículo. 1.1 Desarrollo de UAV´s Existen trabajos importantes relacionados a este proyecto, cada uno de ellos tiene como finalidad la construcción de un helicóptero Quadrotor (UAV). En el proyecto Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control: Theory and Experiment [1], abordan los problemas que surgen cuando los UAV´s se desvían significativamente del régimen de vuelo estacionario. El autor menciona que con la ayuda de una investigación bien establecida para el control de vuelo del helicóptero, se deben investigar tres efectos aerodinámicos por separado en lo que se refiere al vuelo del Quadrotor. El primero se refiere a la velocidad del UAV, el segundo al ángulo de ataque y el último al diseño del fuselaje. Los autores del proyecto sugieren que se lleve a cabo un desarrollo teórico en primer lugar, para posteriormente validarlo mediante mediciones en un banco de pruebas denominado como Stanford Testbased of Autonomous Rotorcraft for Multi-Agent Control (STARMAC) y ensayos en UAV´s. Los resultados permitieron mejorar el rendimiento del controlador.
Como se mencionó anteriormente, el segundo proyecto tiene la misma finalidad que el primero, desarrollar un UAV, en cuyo caso es el helicóptero Quadrotor que se mostrará a continuación en la figura 1.1.2.
Figura 1.1.2 The kQuadNano
Figura 1.2.1 STARMAC II Vehículo y sus componentes. El banco de pruebas utilizado por los autores del proyecto Influence of Aerodynamics and Proximity Effects in Quadrotor Flight [3], es el de la figura 1.2.2 1 .2.2 y cumple con las mismas funciones que el desarrollado por el primer proyecto mencionado.
Los experimentos se realizaron utilizando una plataforma de impulso de prueba personalizada. El dispositivo de prueba incluye una celda de carga de tecnologías de transductores clasificados para 100g, para medir empuje y la instrumentación electrónica para la recolección de datos. El rotor para las pruebas es montado en una varilla y unido a una palanca que transmite el empuje a la celda de carga. En el tercer proyecto llamado “Open -Source Projects on Unmanned Aerial Vehicles” [6] , los autores sugieren un método para realizar un Quadrotor y en ese proyecto se presenta un estudio sobre la disposición del público hacia los proyectos de código abierto (por sus siglas en inglés OSP). Recientemente, ha habido un interés creciente en vehículos aéreos no tripulados Quadrotor. Vídeos interesantes han sido publicados en Internet por muchos grupos de investigación y han atraído mucho la atención de la opinión pública. Estructuras relativamente simples de Quadrotors ha promovido la participación de instituciones académicas, industrias UAV y radio control (RC) aficionados por igual. A diferencia de los helicópteros convencionales, que son propensos a fallar sin un constante mantenimiento, no lo requieren. Además, el diámetro de los rotores individuales puede reducirse como consecuencia de la presencia de cuatro actuadores. Muchos grupos de investigación o instituciones que han construido sus propios Quadrotors para adaptarse a propósitos específicos. Los éxitos se han registrado en el mundo académico, como el X4-flyer, OS4, STARMAC (mencionado anteriormente), y Pixhawk por mencionar algunos. En el área de la robótica, más de 2.000 proyectos han sido establecidos sobre la base de que el sistema operativo del robot con su bien organizada estructura que fomente el desarrollo de código abierto. En el caso de Quadrotor OSP, una de las razones principales para utilizar, es la flexibilidad tanto en hardware y software, lo que hace más fácil su modificación para cumplir con los requisitos específicos de
Capítulo II – Diseño del banco de pruebas 2.1 Boceto del diseño de la balanza Se inicia con un boceto de las partes de la balanza, para determinar formas, dimensiones y material. El boceto se basa en que para medir la fuerza de tracción es necesario tomar en cuenta varios aspectos, entre los cuales se encuentra el cómo se piensa medir dicha fuerza. Como el nombre del proyecto lo indica es una balanza, lo cual indica que lleva una barra en cuyo punto medio lleva un perno que permita arreglar una igualdad de peso en ambos extremos, esto con la finalidad de anular el peso del motor durante la medición de la fuerza de tracción. En un lado de la balanza se colocará el motor, el cual puede ser reemplazado las veces que se desee de acuerdo a las necesidades del operador, del otro lado de la balanza se coloca un contrapeso, el cual puede desplazarse a lo largo de la barra para facilitar un equilibrio. Cabe mencionar que tanto el contrapeso como el motor se pueden desplazar, cada uno sobre la mitad de la barra que les corresponde. La placa base es simplemente un apoyo para poder colocar la balanza en una superficie de trabajo, en la cual van montadas dos placas de soporte para la barra. En un soporte va el carrito donde va montado el motor y el perno que pasa a través del centro de la barra y en el otro soporte se colocará una celda de carga que realizará la medición de la fuerza con apoyo de una tarjeta de adquisición de datos.
Figura 2.2.1 Soporte del motor montado sobre la barra, motor simulado de color naranja. El banco de pruebas está dispuesto en forma de balanza, todo esto con la finalidad de anular el peso del motor y algunos componentes, al estar en equilibrio el peso del motor y un contrapeso, la carga extra generada será la del empuje de la hélice. Esto provocará que la barra se incline más de un extremo, tocando así la celda de carga y registrando la presión ejercida sobre ella, tomando en cuenta que la celda de carga trabajará a compresión. Figura 2.2.2.
Figura 2.2.3 Barra resaltada. Figura 2.2.3 En color naranja la barra, en la cual en un extremo va colocado el motor (lado izquierdo) y del otro extremo se coloca el contrapeso (lado derecho). La barra mostrada en la figura anterior (Figura 2.2.3) cuenta con aligeramientos para facilitar el desplazamiento del contrapeso y ahorrar peso en la barra. 2.3 Restricciones de diseño
Mediciones no mayores al equivalente de 5 kg provocado por la tracción de la hélice. Los motores utilizados no pueden exceder las dimensiones de la base,
Capítulo III – Instrumentación 3.1 Instrumentación electrónica Instrumentación electrónica es la parte de la electrónica, la electrónica, principalmente principalmente analógica, analógica, que se encarga del diseño del diseño y manejo de los aparatos electrónicos y eléctricos, sobre todo para su uso en mediciones. en mediciones. La instrumentación electrónica se aplica en el censado el censado y procesamiento de la información proveniente de variables físicas y químicas, a partir de las cuales realiza el monitoreo y control de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas. Un elemento imprescindible para la toma de medidas es el sensor que se encarga de transformar la variación de la magnitud a medir en una señal eléctrica. Los sensores se pueden dividir en:
Pasivos: los que necesitan un aporte de energía de energía externa. Resistivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de su resistencia eléctrica. eléctrica. Un ejemplo puede ser un termistor, un termistor, que que sirve para medir temperaturas. temperaturas. Capacitivos: Capacitivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la capacidad de un condensador. un condensador. Un ejemplo es un condensador con un material en el dieléctrico que cambie su conductividad ante la presencia de ciertas sustancias.
términos matemáticos, deformación ( ɛ) se define como la fracción de cambio en longitud, como de demuestra la figura 3.2.1 a continuación:
Figura 3.2.1 Definición de deformación unitaria El parámetro deformación puede ser positivo (tensión) o negativo (compresión). Si bien es adimensional, en muchos casos se suele expresar en unidades de mm/mm. En la práctica, la magnitud de medida de deformación es muy pequeña por lo que usualmente se expresa como micro-deformaciones ( μɛ), que es ɛ x .
Cuando una barra es tensionada por una fuerza uniaxial, como en la Figura 3.2.1, un fenómeno conocido como esfuerzo de Poisson causa que la circunferencia de la barra se contraiga en la dirección transversal o perpendicular. La magnitud de esta contracción transversal es una propiedad del material indicado por su
Los extensómetros se encuentran en el mercado con valores nominales de resistencia de 30 a 3000Ω, con 120, 350 y 1000Ω como los valores más comunes.
Figura 3.2.2 Galga extensométrica metálica
precisa; 3) facilidad de instalación; 4) minimizar el costo de instalación de la galga extensométrica. Muchos factores, como la duración en el tiempo, el rango de esfuerzo requerido, y la temperatura de operación deben ser considerados para elegir la mejor combinación de extensómetro/adhesivo para una prueba determinada. 3.2.2 Parámetros del extensómetro
La instalación y las características de operación del extensómetro están afectadas por los siguientes parámetros que pueden ser seleccionados en diferentes grados: Sensibilidad al esfuerzo de la aleación • Auto compensación de la temperatura • Material de respaldo (carrier) • Resistencia de la grilla • Longitud de la galga • Patrón de galga 3.2.3 Parámetros a evaluar
Básicamente, el proceso de selección de la galga consiste en determinar una combinación particular de parámetros que sea lo más compatible con las condiciones ambientales y de operación, y al mismo tiempo, que mejor satisfaga la instalación y requerimientos. Estos requerimientos pueden ser: • • • •
Precisión Durabilidad Estabilidad Temperatura
lfanumérico) se diseña como un sistema completo, compuesto por la combinación de un respaldo y un papel metalizado particular que generalmente incorpora otras características específicas (como encapsulamiento, pistas, etc) a las series. 3.2.5 Material de respaldo o “carrier”
La confección de extensómetros se realiza mediante un grabado del papel metálico sobre un material de respaldo o “carrier” que cumple con las siguientes
funciones: • Proveer el medio de sustento a la grilla metálica duran te la instalación. • Presentar una superficie para confinar y pegar la galga al material de prueba. • Proveer un aislamiento eléctrico entre la grilla y el material de prueba.
Los materiales de respaldo provistos por Micro-Mediciones para sus extensómetros son básicamente de dos tipos: polímeros y epoxy-fenólicos reforzados con fibra de vidrio. En el caso de las aleaciones sensibles al esfuerzo, los materiales de respaldo no son parámetros independientes, se presentan en combinaciones de aleaciones y material de respaldo con características constructivas especiales. 3.2.6 Series de galgas extensométricas
Para la elección de un extensómetro se basó en una tabla en particular llamada “Strain Gage Series and Adhesive Selection table”, l a cual provee de la galga recomendada a partir de un perfil de prueba, categorizado con el siguiente criterio: • Tipo de medida de esfuerzo (estática, dinámica, etc.)
amplias necesidades de análisis de esfuerzos se ofrecen longitudes de galgas que van de 0.2mm a 100mm.
Figura 3.2.7.1 Longitud de galga 2.- Concentración del esfuerzo La longitud de la galga es usualmente un factor muy importante a la hora de determinar su rendimiento bajo ciertas circunstancias. Por ejemplo, las medidas de esfuerzo son realizadas, en general, sobre las piezas o estructuras críticas de una máquina (sometidas a mayor esfuerzo). Y muy frecuentemente, las piezas más fatigadas son las que se encuentran sometidas mayor esfuerzo, donde el gradiente de esfuerzo es más pronunciado y el área de mayor esfuerzo se circunscribe a una pequeña región. Los extensómetros tienden a integrar, o
Figura 3.2.7.2 Distribución del esfuerzo sobre una galga extensométrica Como una regla general, en lo posible, la longitud de la galga no debe ser mayor a la dimensión de la causa del esfuerzo para que la medición sea aceptable. Cuando la causa del esfuerzo es pequeña, por ejemplo del orden de 13mm, la regla general conduciría a longitudes de galgas muy chicas. Puesto que el uso de galgas muy pequeñas introduce otros tipos de problemas, se tiene que llegar a una relación de compromiso.
en la grilla, material de respaldo, adhesivo y superficie de prueba, y puede afectar notablemente el rendimiento y la precisión. 5.- Promedio del esfuerzo Otra aplicación de los extensómetros largos (en este caso, muy largos) es la medición de esfuerzos sobre materiales no homogéneos. Se considera el caso concreto de una mezcla de un agregado, generalmente piedra, y cemento. Cuando se mide el esfuerzo sobre una estructura de concreto, es habitualmente deseable utilizar una galga lo suficientemente larga como para abarcar varias piezas de agregado con el fin de tomar una muestra representativa del esfuerzo sobre la estructura. Dicho esto de otro modo, lo que se busca en este tipo de mediciones son los promedios y no los puntos máximos de esfuerzo situados en la interfaz piedra-cemento. En general, cuando se mide esfuerzo sobre estructuras formadas por distintos compuestos de cualquier clase, la longitud de la galga debe ser mayor a la de las partículas del material no homogéneo. 6.- Patrón de grilla El patrón de grilla se refiere a la forma de la grilla, el número y orientación de las grillas en las galgas multi-grillas o rosetas, la configuración de las almohadillas, y varias características constructivas que son estándar para un patrón particular. La gran variedad de patrones disponibles se han diseñado para satisfacer el amplio rango de instalaciones medidas a través de extensómetros. 7.-Características opcionales Existen una serie de características opcionales para los sensores especiales y
3.2.8 Criterios de selección de galgas extensométricas
El rendimiento de un extensómetro para cualquier aplicación se ve afectado por cualquier elemento interviniente en el diseño y manufactura de la galga. a) b) c) d) e) f)
longitud patrón serie opciones resistencia número STC
1) Longitud de la galga: De todos los parámetros a seleccionar, la longitud y patrón de la galga son los primeros en ser elegidos, basándose en el espacio disponible para montar la galga, la naturaleza de los esfuerzos (uniaxiales, biaxiales, etc) y su gradiente. Como una buena medida inicial, se puede elegir una galga de 3mm de longitud. Esta medida ofrece una amplia gama de posibilidades dentro de las cuales se pueden elegir los restantes parámetros de galgas como pueden ser el patrón, serie y resistencia. La galga y sus almohadillas son lo suficientemente grandes como para facilitar su instalación. Al mismo tiempo, las galgas de esta longitud proveen rendimientos comparables a las de mayores longitudes. Las principales razones como para seleccionar una galga de mayor longitud normalmente pueden ser: • Una mayor área de grilla para mejorar la disipación de calor.
3) Serie de la galga: Con la selección inicial de longitud y patrón completada, el próximo paso es seleccionar la serie de la galga, así se determinará la combinación entre el papel metálico y el material de respaldo, y cualquier otra característica común a la serie. Esto se realiza refiriéndose a una tabla que recomienda a una serie en particular para ciertos requerimientos especificados. 4) Opciones (si llegaran a existir): Si la serie de la galga tiene alguna opción en particular, debe ser especificada en esta instancia, puesto que la disponibilidad de la opción deseada sobre el patrón de galga elegido de dicha serie requiere su verificación en este paso. 5) Resistencia de la galga: Como se puede notar de lo discutido sobre el patrón de las galgas, existen en ciertas ocasiones ventajas al seleccionar una galga de 350Ω de resistencia si ésta
es compatible con los instrumentos utilizados para realizar la medición. Esta decisión puede ser influenciada, sin embargo, por consideraciones del costo, particularmente en el caso de galgas pequeñas. Hay que tener en cuenta también, que se reduce la vida útil por fatiga para galgas de pequeñas dimensiones y altas resistencias. 6) Número STC: Finalmente, para completar la designación del extensómetro, se tiene que elegir un número STC de entre todos los disponibles utilizando la tabla “Standard Gage
3.2.10 Mediciones con galgas extensométricas
En la práctica, las mediciones con extensómetros raramente involucran cantidades mayores que unas pocas milideformaciones (m ɛ). Por lo tanto, para medir esfuerzo se requiere de máxima precisión sobre pequeños cambios de resistencia. El factor de galga es, como se dijo, la sensibilidad al esfuerzo de un extensómetro. Suponiendo que una pieza de prueba sufre un esfuerzo de 500μɛ. Un extensómetro con un factor de galga de 2 mostrará un cambio en su resistencia eléctrica de 2*(500* ) = 0.1%. Para una galga de 120Ω, es un cambio sólo de
0.12Ω. Para medir cambios tan pequeños de resistencia y compensar la
sensibilidad térmica, los extensómetros son casi siempre utilizados en configuración puente con excitación externa. El circuito general de puente de Wheatstone, consiste en cuatro brazos resistivos con una excitación de voltaje, VEX, que se aplica a través del puente. El voltaje de salida del puente, Vo, es igual a:
(1)
puede ocurrir aun siendo estas resistencias mucho menores a del puente, lo cual no sorprende si se considera que el coeficiente de temperatura del Cobre es dos órdenes de magnitud mayor que el coeficiente de temperatura de las galgas. Aunque se podría conectar la galga con dos cables a un circuito de cuarto de puente, el “drift” causado por el cambio de temperatura de las pistas, sería
enorme. Por estas razones se realizan mediciones estáticas utilizando un circuito de tres cables, mostrado en la figura 3.2.11.1. El puente se mantiene balanceado mientras la resistencia de las pistas siga la temperatura.
por la temperatura (“drift”) es mediante la utilización de configuraciones de medio
puente y puente completo.
Figura 3.2.12.1 Configuración de medio Puente
Tipos de celdas de carga según el principio de medición a) Resistiva b) Piezoeléctrica c) Capacitancia d) Analógica e) Digital f) Wireless Usos a) b) c) d) e) f)
Mediciones de fuerzas Balanzas y básculas Básculas de camiones electrónicas Medidores electrónicos en grúas Pesado en tanques y silos Determinación del centro del centro de gravedad
La celda de carga a utilizar es la siguiente: Celda de carga EBB SERIES (Figura 3.3.1), la cual es una celda de baja capacidad de carga, adecuado para uso de gran variedad de aplicaciones industriales, mediciones de fuerza y pesaje. Como es de una capacidad de carga baja, la convierte en una celda ideal, ya que como las hélices a prueba son para
Figura 3.3.1 Celda de carga EBB SERIES 5kg.
Tabla 3.3.1 Características de la celda de carga Salida nominal (RO) No linealidad Histéresis No Repetibilidad Zero Balance Rango de temperatura compensado Rango de temperatura de seguridad Resistencia terminal Voltaje de excitación Sobrecarga segura Cable
0,5 mV / V ± 10% 0,1% de RO 0,1% de RO 0,05% de RO ± 1 mV / V 14° F a 104° F 14° F a 140° F 350 Ohmios nominal 5 VDC (8 VDC máx.) 200% de RO 6”, 30 AWG lleva coleta
Figura 3.3.3 Cableado de código de color. (WCC1) 3.4 Adquisición de datos La celda de carga es la encargada de realizar las mediciones en este caso de compresión, para emplear esta información y llevarla hasta convertirla en la variable deseada. Para poder hacer las mediciones es necesario un amplificador de potencia, ya que las señales que envía la celda de carga son muy pequeñas para poder utilizarlas.
Tabla 3.4.1 Especificaciones del módulo TM0-1. Sección del Amplificador. Sección del amplificador Ganancia Sensibilidad de entrada Tensión de salida Corriente de salida No linealidad Cumplimiento Estabilidad TEMPCO Ruido y rizado Tipo de filtro Respuesta de frecuencia
75 a 1000 1 mV / V mínimo para la salida 8V 0 a + /-8VDC (lineal a 9.5VDC) 0 a 10 mA 0,01% máximo un 0,1% más frente a menos escala completa + / -1% durante 24 horas 0,01% de la escala completa / C Menos de 5 mV P-P con ganancia = 1000 2 Poles Butterworth DC a 220 Hz
Tabla 3.4.2 Especificaciones del módulo TM0-1. Sección de Puente. Sección de Puente Voltaje de Excitación Resistencia del sensor Balance Escala
8VDC + /-0.25V 120 Ohms mínimo 1000 Ohms máximo + / -30% de la producción (350 ohmios puente)
Procedimiento de instalación del módulo TM0-1 MÉTODO 1 Calibración de Shunt con transductores de TTI 1. Se conecta el transductor al bloque de terminales de 5 pines, como se muestra en la Figura 3.4.2. 2. Se conecta un voltímetro digital al bloque terminal de 4 pines, como se muestra en la Figura. 3.4.2. 3. Se conecta la alimentación de 12 V CC al bloque de terminales de 4 pines en los pines 1 y 2, como se muestra en la Figura 3.4.2. 4. Esperar 15 minutos para un precalentamiento. 5. Con carga cero aplicada al transductor, girar potenciómetro hacia el equilibrio + o - con el fin de obtener 0,000 en el voltímetro digital. 6. Consultar el certificado de calibración que se muestra en la Figura 3.4.3 (Anexos), el Ejemplo 1 (típico para la calibración certificado expedido con transductores de TTI. Multiplicar el porcentaje de valor de carga (LOAD PCT) para una resistencia de 87,325 KOhms por la escala completa de voltaje de salida. Tenga en cuenta que + / - 8 VDC es el rango de voltaje de salida máximo. Ejemplo: 8 x VDC 50,2% = 4,016 VDC.
4. Retirar la carga conocida (peso muerto) y ajustar el equilibrio del potenciómetro si es necesario.
Capítulo IV - Análisis de la balanza por elemento finito 4.1 Análisis Simulación en el software ANSYS de la barra del banco de pruebas. Se tomó la barra como objeto de análisis, ya que es la que sufre más deformación debido a que soporta tanto las cargas producidas por el peso del motor y su base, así como de los contrapesos. Además es la que conduce el empuje producido por la hélice hacia la celda de carga. El análisis se dividió en 2 partes, el primero tomando en cuenta sólo los pesos ejercidos por el conjunto del motor (motor y su base) y el contrapeso. Esto se logró al fijar la barra desde el orificio por donde pasa el perno, como condición de frontera. (Figura 4.1.1).
Tabla 4.1.1 Propiedades de la barra y material (ANSYS)
Figura 4.1.3 Deformación total
En el segundo análisis las condiciones de frontera fueron dos, dos soportes fijos, uno colocado en donde va el perno (Nota A en Figura 4.1.5) y el otro en donde la barra toca la celda de carga (Nota C en Figura 4.1.5), dejando el extremo del motor libre. En este caso sólo se aplicará una carga, la cual va en el extremo libre que es donde va el motor (Nota B en Figura 4.1.5). Esta carga al contrario de los pesos va hacia arriba, simulando así el empuje de la hélice.
Figura 4.1.5 Condiciones de frontera y carga. Estático estructural. De la misma forma que el análisis anterior el software ANSYS proporcionará diversos análisis en conjunto con las propiedades del material y de la geometría
Figura 4.1.7 Deformación total
Capítulo V - Análisis mecánico de la balanza mediante software ADAMS En este capítulo se describe la implementación de una simulación mecánica de la balanza mediante software comercial. El software que se utilizó fue MSC ADAMS pues es una herramienta ampliamente utilizada para el análisis y simulación de sistemas mecánicos, robóticos y mecatrónicos. El software de análisis y simulación ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) es un software para simulación dinámica de sistemas mecánicos por medio de la implementación de herramientas numéricas, ofrece una gran variedad de elementos que sirven para modelar y analizar casi cualquier sistema mecánico. Una de la más importante característica de este software es que incluso se puede programar en él y acoplarse a las necesidades de cada usuario. El paquete cuenta con un módulo de simulación donde se encuentran agrupadas todas las herramientas matemáticas y numéricas ya implementadas llamado ADAMS/Solver; además cuenta con una interfaz para facilitar el diseño de modelos llamada ADAMS/View. En el desarrollo del modelo se utilizó CATIA y Solidworks ya que son herramientas que permiten modelar con una mayor facilidad y fidelidad los prototipos que la herramienta ADAMS. El ensamble de las partes se realizó en Solidworks, para después exportar directamente el sistema al programa multi-cuerpo ADAMS/View con el fin de realizar el análisis y simulación dinámica del sistema de balanza. El modelo del ensamble propuesto en entorno de ADAMS/View se muestra en la Figura 5.1. Se realizó un ejemplo sencillo del uso del modelo de simulación, utilizando una fuerza no constante sobre el elemento donde va montada la hélice, simulando el efecto que genera el sistema del motor-hélice sobre la balanza. Para
experimentales se desearía una acción y presión constante entre la barra y el elemento de la celda de carga, con el fin de obtener mediciones confiables. Se puede resaltar que mediante la información obtenida de la simulación con ADAMS/View se pudo obtener una mejor comprensión del comportamiento del conjunto de la balanza antes de las pruebas experimentales.
Figura 5.1 Modelo de la balanza en el entorno de ADAMS/View
Figura 5.3 Simulación de la fuerza de tracción sobre el elemento de montaje de la hélice
Capítulo VI - Ensayo experimental con hélices 6.1 Datos de los parámetros del ensayo 6.1.1 Ficha técnica del motor utilizado
Figura 6.1.1.1 Motor turnigy park450 brushless outrunner 890kv
Figura 6.1.1.2 Plano de ttabla abla anterior
6.1.2 Hélice
Figura 6.1.2.1 Hélice. Tabla 6.1.2.1 Ficha técnica de la hélice
Modelo P3 como amplificador amplificador de puente, indicador de presión estática y el registrador digital de adquisición de datos. Dispone de 4 canales de entrada, balanceo automático del punto cero y la interfaz basada en menús que trabaja con el teclado del panel frontal y la pantalla LCD. Los datos grabados por el usuario se pueden seleccionar una velocidad de hasta 1 lectura / canal / segundo, se almacena en la tarjeta multimedia extraíble. La salida analógica es 0â € "2.5 Vdc. (Figura 6.3). Control de velocidad para el motor. Receptor de señal del control remoto. Control de 9 canales. Batería.
La instrumentación mencionada en los últimos 4 puntos anteriores se muestran en la figura siguiente.
Figura 6.2.2 Conexión del motor y la hélice.
2.- Se coloca el contrapeso de modo que el peso del motor y de la base queden completamente en equilibrio.
Figura 6.2.4 Indicador y recopilador de esfuerzos modelo P3 (P3 Strain indicator and recorder) 4.-Terminada la calibración se inicia la prueba tomando registro del indicador de tensión obteniendo los siguientes resultados: Tabla 6.2.1 Tiempo contra levantamiento Tiempo (s) 1
Peso (N) 0
19 20 21
2.327293421 2.559635526 2.79585
5.- Se analiza la barra de la siguiente manera: Primero se establece el sistema en el punto “B” completamente en equilibrio teniendo en cuenta que “Fd” es igual a cero y a partir de estos datos iniciales se
analiza el sistema como se muestra a continuación:
Figura 6.2.5 Sistema de análisis 1
Si entonces + Por lo tanto:
Si se toma en cuenta que no se modificaron las fuerzas “Wm” y “Wc”, en el nuevo sistema se conservará la igualdad de el sistema inicial
Si entonces Despejando se tiene: +
Esta fórmula se aplica a los resultados dados en la prueba para obtener la tracción de la hélice dando como resultado la siguiente gráfica.
Tracción 0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
Conclusiones Al evaluar el resultado de las simulaciones, tanto de ANSYS como del software comercial ADAMS, se llega a la conclusión de que el componente del banco de pruebas que más sufre deformaciones, es decir, la barra, soporta sobradamente las cargas a la que es sometida. Cabe mencionar que pese a que el banco de pruebas fue diseñado para probar hélices pequeñas, la barra soportaría pruebas de un poco más de tracción proporcionada por la hélice, lo que deja un buen coeficiente de seguridad. Una vez probado en simulaciones con cargas a las que se piensa someter el banco de pruebas, se probó de forma física-experimental, lo cual respaldo los resultados obtenidos por el diferente software de simulación. El diseño del banco de pruebas lo hace flexible a utilizar un gran número de motores y por lo tanto de hélices. Puede tener un gran número de aplicaciones, como ayudar al diseño de vehículos aéreos no tripulados, así como la evaluación de hélices con diferentes tipos de motor o viceversa para elegir la mejor hélice para cierto tipo de motor o el mejor motor para una hélice determinada.
Referencias
ff
1 Ho mann, mann, G. M., Waslander, S. L., and Tomlin, C. J., “Distributed Cooperative Search using Information-Theoretic Costs
for
Particle
Filters
with
Quadrotor
Applications,”
Proceedings of the AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Keystone, CO, August 2006 2 Galgas Extensiométricas Extensiométricas Strain Gages 1 Parte del Trabajo final del Ing. Javier Sosa 3 Influence of Aerodynamics and Proximity Effects in Quadrotor Flight Caitlin Powers, Daniel Mellinger, Aleksandr Kushleyev, Bruce Kothmann, Vijay Kumar 4 http://www.transducertechniques.com/ebb-load-cell.aspx 5 http://www.microstrain.com/3 http://www.microstrain.com/3dm-gx1.asp dm-gx1.asp 6 Open-Source Projects Projects on Unmanned AerialVehicles, AerialVehicles, By Hyon Lim, Jaemann Park, Daewon Lee, and H.J. Kim
Anexos
Apéndice A – Planos
A1 Plano del ensamble completo
D
C
B
1
9
8
A
Referencia: Celda de Carga
4
2
4
3
7
6 3
3
5
4
2
ITEM
NOMBRE
1 2 3 4 5
Barra Perno Apoyo de Celda Base Apoyo de Barra Motor-Soporte Inferior Motor-Soporte Superior Motor-Soporte Lateral Motor-Union Soporte Lateral
6 7 8 9
CANTIDAD LAMINA/UBICACIÓN 1 1 1 1 1
2 5 3 4 5
/ / / / /
3C 1D 3C 3C 3C
1
6 / 4C
1
7 / 3D
2
8 / 3C
1
9 / 3C
2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL "La Técnica al Servicio de la Patria" TÍTULO: SUB-TÍTULO:
1
ITEM:
Banco de Pruebas
REV:
Ensamble
REVISADO POR:
MATERIAL: AOO, EEHM
DISEÑADO POR: AIAA, ACGN, ESCALA: FGR.
N/A
A
Al-7075 1:5
LAMINA:
1/9
1
A2 Planos de cada pieza del banco de pruebas.
D
C
B
A
4
4
R 0.15 x10 1.5
1.5
3.35
2
2
0.63 0.35
0.55
0.55
0.55 0.31
15
3
3
0.13 0.5
7.5
2
2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL "La Técnica al Servicio de la Patria" TÍTULO:
Banco de Pruebas
SUB-TÍTULO: 1
Barra
REVISADO POR: AOO, EEHM
DISEÑADO POR: AIAA,
MATERIAL:
ACGN, ESCALA:
FGR.
ITEM:
1 REV:
A
Al-7075 1:2
LAMINA:
2/9
1
D
C
B
A
4
4
0.59
0.59
0.88
1.57 0.5 x2
45
6-40 UNF
0.16 x4
3
3
4 0.13 x3 5-40 UNC
0.5
1.75
1.75
0.19
4.5
0.38
2
2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL "La Técnica al Servicio de la Patria" TÍTULO:
ITEM:
Banco de Pruebas
SUB-TÍTULO:
1
Apoyo de Celda y Perno REVISADO POR: MATERIAL: AOO, EEHM Al-7075 DISEÑADO POR: AIAA, ACGN, ESCALA: FGR.
1:2
2 y 3 REV:
LAMINA:
A 3/9
1
D
C
B
A
4
4
1.75
4.5 1.75 3
3
5-40 UNC
0.5
7.19 0.19 10
2
2
0.38 0.25
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL "La Técnica al Servicio de la Patria" 0.13
TÍTULO: SUB-TÍTULO:
1
0.13
Detail 2
Banco de Pruebas
Base
REVISADO POR: AOO, EEHM
DISEÑADO POR: AIAA,
MATERIAL:
ACGN, ESCALA:
FGR.
ITEM:
4 REV:
A
Al-7075
1:2
LAMINA:
4/9
1
D
C
2.25 0.33 0.65
0 . 13 13 x 2
B
A
45 0.13
4
0 .5 .5 x 2
4
0.94
45
4.76 4.18
3.96 0.13 x3
3
3 5-40 UNC
1.75
0.19 0.38
1.75
0.5 4.5
2
2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL "La Técnica al Servicio de la Patria" TÍTULO:
0.13
SUB-TÍTULO: 1
2.05
Banco de Pruebas
Apoyo de Barra
REVISADO POR:
MATERIAL: AOO, EEHM
DISEÑADO POR: AIAA, ACGN, ESCALA: FGR.
ITEM:
5 REV:
A
Al-7075 1:2
LAMINA:
5/9
1
D
C
B
A
2
4
4
1
2
0.5
1.25
3
3
0.38
0.63 0.69 0.38 5-40 UNC 0.13
0 .1 .1 3
x4
2
2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL "La Técnica al Servicio de la Patria" TÍTULO:
Banco de Pruebas
SUB-TÍTULO: 1
ITEM:
Motor-Soporte Inferior
REVISADO POR:
MATERIAL: AOO, EEHM
DISEÑADO POR: AIAA, ACGN, ESCALA: FGR.
6 REV:
A
Al-7075 1:2
LAMINA:
6/9
1
D
C
B
A
4
4
0.38
2
0.13
1.25 1 0 .2 .2 5 B
x4
B
1
0 .1 .1 3
x4
3
3
1/4-20 UNF 5-40 UNC
0.5
2
0.5
0.25
2
0 .2 .2 5 0.25 0.69
2
0.5
0.63
x2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL "La Técnica al Servicio de la Patria" TÍTULO:
Banco de Pruebas
SUB-TÍTULO: 1
Section view B-B
ITEM:
Motor-Soporte Superior
REVISADO POR:
MATERIAL: AOO, EEHM
DISEÑADO POR: AIAA, ACGN, ESCALA: FGR.
7 REV:
A
Al-7075 1:2
LAMINA:
7/9
1
D
C
0.44
B
A
1.75
0.31 0.88
4
4
0.75
R 0.06
x2
R 0.25
x2
3
3
2.75 2
0.38 2
R 0.13
0.38
x2
2
0.25
0.75
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL "La Técnica al Servicio de la Patria" TÍTULO:
Banco de Pruebas
SUB-TÍTULO: 1
ITEM:
Motor-Soporte Lateral
REVISADO POR:
MATERIAL: AOO, EEHM
DISEÑADO POR: AIAA, ACGN, ESCALA: FGR.
8
REV:
A
Al-7075 1:2
LAMINA:
8/9
1
D
C
B
A
1.5
4
4
0.39 2.5
1.25 3
3
0.25
R 0.06
x2
0.13
2
0.88
2
0.31
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL "La Técnica al Servicio de la Patria" TÍTULO: SUB-TÍTULO: 1
Banco de Pruebas
ITEM:
Motor-Union Soporte Lateral
REVISADO POR: AOO, EEHM
MATERIAL:
DISEÑADO POR: AIAA, ACGN, ESCALA: FGR.
9 REV:
A
Al-7075 1:2
LAMINA:
9/9
1
