2012 Arévalo Danilo. Hermosa Diana. Perfil de Tesis
[ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO] INGENIERÍA MECATRÓNICA
Índice General 1. Título del proyecto ................................................................................................................... 3 2. Datos referenciales del proyecto ............................................................................................. 3 2.1. Fecha de presentación ....................................................................................................... ....................................................................................................... 3 2.2. Institución auspiciante y/o beneficiaria ............................................................................. ............................................................................. 3 2.3. Responsables del proyecto................................... proyecto................................................................................................. .............................................................. 3 2.4. Colaboradores profesionales pro fesionales ............................................................................................. ............................................................................................. 3 2.5. Área del tema ............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 3 2.6. Localización geográfica........................................................ ....................................................................................................... ............................................... 4 2.7. Duración del proyecto .......................................................... ........................................................................................................ .............................................. 4 3. Definición del proyecto ............................................................................................................ 4 3.1. Antecedentes ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 4 3.2. Marco institucional.............................................................. ............................................................................................................. ............................................... 6 3.3. Justificación e importancia ........................................................... ................................................................................................. ...................................... 6 3.4. Área de influencia............................................................................................................... influencia............................................................................................................... 9 3.5. Alcance del proyecto ........................................................... .......................................................................................................... ............................................... 9 3.5.1. Objetivo general ..................................................................................................... ..................................................................................................... 9 3.5.2. Objetivos específicos .............................................................................................. .............................................................................................. 9 3.5.3. Alcance General......................................................... .................................................................................................... ........................................... 10 3.5.4. Sistema mecatrónico ............................................................................................ ............................................................................................ 11 3.5.5. Sistema mecánico ........................................................................ ................................................................................................. ......................... 12 3.5.6. Sistema electrónico/eléctrico............................................... electró nico/eléctrico............................................................................... ................................ 15 3.5.7. Sistema de Control ............................................................................................... ............................................................................................... 16 3.5.8. Software para implementación, análisis y simulación ......................................... ......................................... 19 3.6. Metodología ........................................................................................................ ..................................................................................................................... ............. 22 4. Bibliografía................................................. Bibliografía .............................................................................................................................. ............................................................................. 2 5 5. Anexos............................................. Anexos................................................................................................................................. ........................................................................................ .... 26 5.1. Propuesta de índice ............................................................. .......................................................................................................... ............................................. 26 5.2. Cronograma del proyecto ................................................................................................ ................................................................................................ 29 5.3. Presupuesto referencial ................................................................................................... ................................................................................................... 31 5.4. Carta de Auspicio........................................................ .............................................................................................................. ...................................................... 31 5.5. Terminología........................ Terminología........................................................................................................ ............................................................................................. ............. 31
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Índice General 1. Título del proyecto ................................................................................................................... 3 2. Datos referenciales del proyecto ............................................................................................. 3 2.1. Fecha de presentación ....................................................................................................... ....................................................................................................... 3 2.2. Institución auspiciante y/o beneficiaria ............................................................................. ............................................................................. 3 2.3. Responsables del proyecto................................... proyecto................................................................................................. .............................................................. 3 2.4. Colaboradores profesionales pro fesionales ............................................................................................. ............................................................................................. 3 2.5. Área del tema ............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 3 2.6. Localización geográfica........................................................ ....................................................................................................... ............................................... 4 2.7. Duración del proyecto .......................................................... ........................................................................................................ .............................................. 4 3. Definición del proyecto ............................................................................................................ 4 3.1. Antecedentes ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 4 3.2. Marco institucional.............................................................. ............................................................................................................. ............................................... 6 3.3. Justificación e importancia ........................................................... ................................................................................................. ...................................... 6 3.4. Área de influencia............................................................................................................... influencia............................................................................................................... 9 3.5. Alcance del proyecto ........................................................... .......................................................................................................... ............................................... 9 3.5.1. Objetivo general ..................................................................................................... ..................................................................................................... 9 3.5.2. Objetivos específicos .............................................................................................. .............................................................................................. 9 3.5.3. Alcance General......................................................... .................................................................................................... ........................................... 10 3.5.4. Sistema mecatrónico ............................................................................................ ............................................................................................ 11 3.5.5. Sistema mecánico ........................................................................ ................................................................................................. ......................... 12 3.5.6. Sistema electrónico/eléctrico............................................... electró nico/eléctrico............................................................................... ................................ 15 3.5.7. Sistema de Control ............................................................................................... ............................................................................................... 16 3.5.8. Software para implementación, análisis y simulación ......................................... ......................................... 19 3.6. Metodología ........................................................................................................ ..................................................................................................................... ............. 22 4. Bibliografía................................................. Bibliografía .............................................................................................................................. ............................................................................. 2 5 5. Anexos............................................. Anexos................................................................................................................................. ........................................................................................ .... 26 5.1. Propuesta de índice ............................................................. .......................................................................................................... ............................................. 26 5.2. Cronograma del proyecto ................................................................................................ ................................................................................................ 29 5.3. Presupuesto referencial ................................................................................................... ................................................................................................... 31 5.4. Carta de Auspicio........................................................ .............................................................................................................. ...................................................... 31 5.5. Terminología........................ Terminología........................................................................................................ ............................................................................................. ............. 31
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Índice de Tablas y Figuras 1. Tablas Tabla 1. Modelos de máquinas fresadoras router CNC ............................................................ 5 Tabla 2. Diferencias de los métodos m étodos de fabricación de PCBs .................................................... 8 Tabla 3. Parámetros técnicos generales del proyecto ............................................................ ............................................................ 10 Tabla 4. Cronograma del proyecto ........................................................ .......................................................................................... .................................. 30 Tabla 5. Presupuesto referencial.......................................................... referencial ............................................................................................. ................................... 3 1 2. Figuras Figura 1. Circuitos impresos (PCB) ............................................................................................ ............................................................................................ 6 Figura 2. Diagrama básico del sistema mecatrónico .................................................. ............................................................... ............. 11 Figura 3. Ejes de operación de la máquina CNC ...................................................................... 12 Figura 4. Tamaño estándar máximo de PCBs ................................................... .......................................................................... ....................... 13 Figura 5. 5 . Máquina router CNC ...................................................... ................................................................................................. ........................................... 13 Figura 6. Articulaciones Ar ticulaciones de los eslabones de un robot...................................... robot............................................................ ...................... 14 Figura 7. Taladro............................................................... ...................................................................................................................... ....................................................... 14 Figura 8. Microcontrolador Mic rocontrolador con puerto USB ........................................................................... ........................................................................... 15 Figura 9. Encoder y finales de carrera ................................................... ..................................................................................... .................................. 15 Figura 10. Servomotor DC de rotación continua ....................................................... ..................................................................... .............. 15 Figura 11. Reconocimiento de sistemas – MATLAB Ident ............................................ ....................................................... ........... 16 Figura 12. Métodos de sintonización de controladores PID ................................................... 17 Figura 13. Diagrama D iagrama de bloques del controlador continuo y digital ....................................... 17 Figura 14. Muestreo de una señal análoga ............................................................................. ............................................................................. 18 Figura 15. Diagrama de flujo de la subrutina de control ........................................................ 18 Figura 16.Detección de pistas con el modulo de visión de LabVIEW ..................................... 19 Figura 17. Detección de agujeros con el modulo de visión de LabVIEW ............................... 19 Figura 18. Secuencias de desbaste, taladrado y posicionamiento con código G ................... 20 Figura 19. Software de diseño, análisis y simulación ............................................... ............................................................. .............. 21 Figura 20. Modelo simplificado de las etapas del método científico ..................................... 22 Figura 21. Círculo de Deming ..................................................... ................................................................................................. ............................................ 23 Figura 22. Metodología Seis Sigma ...................................................... ........................................................................................ .................................. 23 Figura 23. Esquema DMAIC ........................................................ .................................................................................................... ............................................ 24
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Perfil de Tesis [MCT] 1. TÍTULO DEL PROYECTO Diseño y construcción de una máquina CNC que realiza el ruteo de pistas y el taladrado de circuitos impresos (PCB) de manera automática, utilizando una interfaz gráfica y procesamiento de imágenes en LabVIEW.
2. DATOS REFERENCIALES DEL PROYECTO 2.1. FECHA DE PRESENTACIÓN 29 de Junio del 2012. 2.2. INSTITUCIÓN AUSPICIANTE Y/O BENEFICIARIA Ninguna 2.3. RESPONSABLES DEL PROYECTO Arévalo Danilo. Hermosa Diana. 2.4. COLABORADORES PROFESIONALES Ing. Fernando Olmedo (Director) Ing. Pablo Ramos (Codirector) 2.5. ÁREA DEL TEMA El proyecto de tesis se centra en áreas de: Diseño Mecatrónico. Diseño Electrónico. Microcontroladores. Diseño de elementos de máquinas. Diseño CAD/CAM/CAE. Automatización y Control. Robótica Industrial. • • • • • • •
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2.6. LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA El proyecto será desarrollado en talleres especializados y en los domicilios de los responsables. Al finalizar el proyecto, éste permanecerá en el laboratorio de electrónica de la ESPE con fines didácticos. 2.7. DURACIÓN DEL PROYECTO Aproximadamente 9 meses.
3. DEFINICIÓN DEL PROYECTO 3.1. ANTECEDENTES La ciencia y tecnología han avanzado hasta el punto de poder llegar a construir máquinas completamente automáticas e independientes al reemplazar ciertas prácticas manuales por dispositivos electrónicos y mecánicos, de tal manera que ahorran mucho trabajo, recursos y tiempo a los seres humanos. Sin embargo, el desarrollo tecnológico en nuestro País aún tiene limitaciones para poder competir de una manera óptima en el mercado internacional. El avance tecnológico nos facilita mucho los procesos de fabricación, de tal manera que se los puede desarrollar con mayor rapidez, eficacia y disminuyendo costos, en comparación con métodos manuales. La máquina CNC que se propone construir tiene estas prestaciones, puesto que elimina gran parte de los procedimientos manuales al momento de realizar el ruteado y taladrado de circuitos impresos. Existe gran variedad de soluciones a la hora de abordar este tema, ya que existe toda una industria especializada en esta tecnología. A nivel mundial se producen maquinas fresadoras router CNC (Véase Terminología) con diversos precios dependiendo del alcance de las mismas. A continuación en la Tabla 1se presentan varios tipos de modelos en el mercado mundial y sus respectivos precios:
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Modelo de fresadora router CNC
País
Precio [$]
PCB Prototyper
España
4435
AMAN 3040CH80
China
1500
AMAN 7050E
China
2200
SMTVIP PCB200
China
2500
SANYOU SY-4040
China
3000
Alemania
2000
Bungard CCD / MTC
Fotografía
Tabla 1. Modelos de máquinas fresadoras router CNC
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Como se observa en la Tabla 1, las fresadoras router CNC tienen precios que oscilan alrededor de los 2500$ pero si se podría encontrar modelos muy básicos en precios de 1200$ sin contar los cargos del envío. Se debe tomar en cuenta que la mayoría de estas máquinas (las más costosas) realizan ruteados en 2D y 3D en varios materiales incluyendo aluminio, cobre, madera y plásticos. El país que más fabrica este tipo de máquinas, es China, sin embargo también son fabricadas en diversos países pero no son muy comercializadas en internet. En nuestro país tan solo se comercializan CNCs importadas con software estándar y a precios muy altos alrededor de los 3500$. 3.2. MARCO INSTITUCIONAL El presente proyecto no tiene asociación con ninguna institución auspiciante o beneficiaria. 3.3. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA Como hemos podido notar en el apartado 3.1, las fresadoras router CNC son muy costosas porque realizan trabajos de alta precisión en 2D y 3D en diversos materiales; por tales motivos lo que pretendemos lograr es construir una máquina que realice funciones similares orientadas a la fabricación de PCBs; pero que tenga un costo menor y que incluya el software especializado de control. Iniciamos con un poco de información de PCBs. Una placa de circuito impreso (PCB Printed Circuit Board) es una plancha de material rígido aislante, cubierta por una capa de cobre en una de sus caras o en ambas, para que realice la función de conductor o de interconexión eléctrica entre los distintos componentes que se montarán sobre ella.
Figura 1. Circuitos impresos (PCB)
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La materia prima consiste en una plancha aislante, típicamente de “fibra de vidrio” o “Baquelita”, cubierta completamente por una lámina de cobre. Dependiendo del tipo de placa, el cobre puede ir a su vez protegido por una capa de resina fotosensible. Para que las pistas de cobre queden completamente definidas en la placa se utilizan varias técnicas: Clasificación de las técnicas para la elaboración de PCBs
Hemos clasificado los métodos de elaboración de PCBs en función de las técnicas para eliminar el excedente de cobre; así como el método de transferencia del dibujo del circuito a la placa de cobre; tal como se indica a continuación:
Método 1: El circuito se dibuja directamente sobre la placa de cobre de forma manual usando marcadores de tinta indeleble resistente al agua; se utiliza solo en casos de circuitos electrónicos de baja complejidad. Posteriormente se procede al ataque químico usando cloruro férrico o una solución de acido clorhídrico con agua oxigenada, este proceso dura varios minutos dependiendo de la concentración de la solución utilizada, es necesario mecer el recipiente constantemente, la mayoría de gente lo hace manualmente; y luego se realiza el taladrado manual del PCB con o sin ayuda de una estructura de soporte para el taladro.
Método 2: Similar al anterior pero en lugar de dibujar manualmente las pistas con marcador, se utilizan cintas plásticas adheribles y/o transferibles de pistas y sus variaciones según encapsulados de componentes: PAD, SIP, DIP o DIL, entre otros.
Método 3: Se diseña en Proteus o en cualquier programa ECAD (Electronic Computer-aided Design) de diseño electrónico de PCBs, el circuito y su layout (arte del circuito). Después de imprimirlo en papel transfer o couche; se transfiere el dibujo al cobre con calor, en la mayoría de casos se usa una plancha doméstica. Luego se procede al ataque químico y al taladrado.
Método 4: Se diseña el circuito en un programa ECAD, igual que el método anterior, pero esta vez se lo imprime en negativo en una lámina termoresistente transparente. Luego se utiliza soluciones químicas de serigrafía como foto emulsión y pintura acrílica para cubrir totalmente la lámina de cobre de la placa. 7
Ya cubierta la placa con el componente químico adecuado, se coloca encima la lámina transparente con el dibujo del circuito y se aplica luz UV con mucho cuidado por varios minutos. Al finalizar se aplica otro químico para revelar las pistas en la placa y se procede al ataque químico mencionado en los métodos anteriores, y luego de la limpieza de la placa de circuito impreso se realiza el taladrado. En todos los métodos después del ataque químico se debe realizar las pruebas de funcionamiento que son: pruebas de cortocircuitos y circuitos abiertos. Ahora se detallará la fabricación de PCBs con máquinas fresadoras CNC. Fabricación de PCBs utilizando máquinas fresadoras CNC
Es simple y sencillo. Primero se diseña el circuito en programas ECAD (Electronic Computer – Aided Design), utilizando software especializado se genera el código que ordena a la máquina CNC dibujar sobre la lámina de cobre las pistas y realizar el taladrado respectivo después del cambio de herramienta, eso es todo. Diferencias entre los 4 métodos convencionales y uso de máquinas CNC Uso de:
Método 1
Método 2
Marcador Indeleble
Método 3
Método 4
Fresadora CNC
Adhesivos Papel Transfer
Agua
Plancha
Recipientes
Químicos Serigrafía
Removedor de Tinta
Lámina transparente
Luz Ultravioleta
Ataque Químico
Dinero invertido por cada placa
4
4
6
5
1
Esfuerzo invertido por cada placa
8
7
10
6
1
Tiempo invertido por cada placa
7
8
10
7
3
[Bajo=1 / Alto=10] Tabla 2. Diferencias de los métodos de fabricación de PCBs
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En fin, conforme avanza la tecnología electrónica en especial en el campo de sistemas embebidos como microcontroladores, la fabricación de PCBs es más crucial, porque cada vez tienen mayor densidad y esto exige mayor exactitud y precisión, esto hace necesario la utilización de diseños asistidos por computadora y máquinas avanzadas; es por ello que nuestro trabajo, se centra en definir y especificar un método más rápido que ahorre tiempo, esfuerzo y dinero al usuario, y que elimine el uso y desperdicio de papel, agua y químicos, que de cierta forma resulta perjudicial para la naturaleza y el medio ambiente. 3.4. ÁREA DE INFLUENCIA El presente proyecto no tiene asociación con ninguna institución. 3.5. ALCANCE DEL PROYECTO 3.5.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir una máquina CNC que realice el ruteo de pistas y el taladrado de agujeros de PCBs al comunicarse por medio de microcontroladores con un computador, en el cual se programará el software de control necesario para llevar a cabo dichas operaciones; todo esto con el fin de ahorrar tiempo y dinero en la fabricación PCBs. 3.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 3.5.2.1.
Utilizar diseño mecatrónico para la construcción de la máquina y su respectivo driver electrónico que se conecta con los motores y con el computador principal.
3.5.2.2.
Obtener el modelo matemático de los motores utilizados en la construcción de la máquina, usando MATLAB; y a su vez sintonizar las constantes de un controlador digital apropiado para controlar con alta precisión sus respectivas posiciones.
3.5.2.3.
Programar en LabVIEW el software necesario para que a partir de una imagen digital del PCB, se detecte la posición de los agujeros y la trayectoria de las pistas del mismo en medidas reales; y programar el código para que se realice el control de posición usando las constantes sintonizadas, de tal manera que la máquina realice el ruteado y taladrado en la placa de baquelita.
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3.5.3. ALCANCE GENERAL A continuación se describen rápida y puntualmente los parámetros técnicos generales que deseamos lograr al desarrollar el presente proyecto:
Parámetro Técnico
Especificación
Área máxima del PCB
240x350 [mm] Una capa (Bottom copper)
Tipo de PCB Doble Capa (Top y bottom copper) Tiempo medio de ruteado
20 [min]
Tiempo medio de taladrado
8 [min]
Precisión de posicionamiento
0.1 [mm]
Cantidad de Microcontroladores
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Tipos de Encoder
Incremental o Absoluto Multivuelta
Tipos de Motores
Servomotores DC de rotación continua
Parámetros de entrada del software
Puerto de comunicación
Imágenes BMP, JPG y PNG Archivos Gerber RS274X USB
Tabla 3. Parámetros técnicos generales del proyecto
En las siguientes secciones se explica con mayor detalle las especificaciones de estos parámetros.
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3.5.4. SISTEMA MECATRÓNICO El sistema mecatrónico se representa de manera básica en la siguiente figura, donde se detalla cada bloque y se muestra su respectiva conexión:
Figura 2. Diagrama básico del sistema mecatrónico
A pesar de que este diagrama parece sencillo, internamente los bloques tienen una alta complejidad y relación sistemática. Siempre se debe tomar en cuenta que el objeto de control de un sistema mecatrónico es por lo general una máquina, un proceso mecánico o electromecánico.
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El sistema mecatrónico que se diseñará, cumple con la siguiente secuencia de operaciones:
1) Ingreso de archivos o imágenes (por parte del usuario). 2) Interpretación y obtención de datos de los archivos e imágenes (internamente por software). 3) Transformación de todos los datos obtenidos a código G (internamente por software). 4) Ejecución del código (computador y máquina CNC).
3.5.5. SISTEMA MECÁNICO En el área mecánica lo que se pretende, es diseñar todos los elementos necesarios para que la máquina cuente con 3 grados de libertad, como se puede apreciar en la siguiente imagen:
Figura 3. Ejes de operación de la máquina CNC
Como se especificó en la Tabla 3, el área de trabajo en la que operará la máquina será máximo de 240x350 mm, que es la mayor área estándar (D4) de placas de baquelita que se encuentran en el mercado. En la Figura 4 podemos apreciar estas dimensiones.
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Figura 4. Tamaño estándar máximo de PCBs
A esta máquina la podemos considerar como un robot, porque el estándar ISO 8373:1994 de robots industriales dado por la Federación Internacional de Robótica (IFR), define a un robot industrial como un operador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, el cual es capaz de posicionar y orientar objetos (o herramientas) según trayectorias programadas para los mismos; los cuales son utilizados en diferentes etapas de producción industrial. La máquina fresadora CNC se la puede clasificar dentro del grupo de robots cartesianos, puesto que como ya hemos indicado se mueve en el espacio con 3 grados de libertad, es decir, en los ejes XYZ. En la siguiente figura es fácil notar que la fresadora CNC es un robot cartesiano.
Figura 5. Máquina router CNC
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La estructura mecánica de esta máquina está constituida por elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten su movimiento relativo; existen 6 tipos de articulaciones posibles, estas son:
Figura 6. Articulaciones de los eslabones de un robot
Se utilizará la articulación señalada en rojo, para lograr el movimiento en los distintos ejes; para el husillo naturalmente utilizaremos la norma AGMA y varios libros (Bibliografía). Por otro lado, el disipador de calor debe ser adecuado para que el sistema se mantenga con una temperatura estable. En cambio, para realizar el desbaste de cobre se analizará la posibilidad de acoplar un taladro como actuador, o diseñar uno propio; pero el cambio de la herramienta será manual.
Figura 7. Taladro
Materiales: Los principales problemas en este tipo máquinas son la fricción y el peso, así que escogerá durante el diseño materiales resistentes y livianos como el aluminio. En cambio para las guías se utilizará acero inoxidable y en las piezas móviles se utilizarán bocines de bronce, debido al bajo coeficiente de fricción entre ellos. Precisión: En cada eje X, Y y Z de la máquina se pretende obtener como “desplazamiento mínimo” un valor de 0.1mm (aprox. 4 mils). Es decir, no se realizará el diseño para un “desplazamiento mínimo” mayor a 0.1mm; por el contrario, pretendemos diseñar bien el sistema mecánico y utilizar un buen encoder, para lograr conseguir dicha precisión. 14
3.5.6. SISTEMA ELECTRÓNICO/ELÉCTRICO En el área eléctrica y electrónica lo que se pretende, es diseñar un circuito impreso controlador o también conocido como driver (Véase Terminología), basándose en la normativa IPC-2221 para PCBs y utilizando software ECAD (Electronic Computer-aided Design); éste consta principalmente de uno o varios microcontroladores, dependiendo del tipo de motores y encoder que se utilizarán. Su interfaz de comunicación será USB.
Figura 8. Microcontrolador con puerto USB
Este driver también cuenta con algunos componentes como transformador, reguladores de voltaje, capacitores, transistores, opto acopladores, etc. y realiza la adquisición de datos de los encoder de cada motor y de los sensores tipo final de carrera.
Figura 9. Encoder y finales de carrera
Los motores a utilizar son servomotores DC porque proveen el torque necesario para nuestro propósito y se los puede encontrar a precios justos. Deben ser de rotación continua y con velocidad relativamente alta (100 a 200 RPM), para que se pueda realizar un control y posicionamiento adecuado.
Figura 10. Servomotor DC de rotación continua
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Sin embargo, existen muchos factores o parámetros que se deben tomar en consideración al momento de elegir un motor para una aplicación, entre los que influyen en gran manera están:
Tipo de motor. Torque requerido de sistema. Precisión y exactitud. Voltaje y Potencia. Complejidad del controlador. Disponibilidad en el país. Características físicas.
Posibles Productos Electrónicos de Aplicación del Proyecto:
Entrenador con microcontrolador. Quemador de ATMEL AVR. AVR Fuse Bit Doctor. Arduino Board.
3.5.7. SISTEMAS DE CONTROL En primer lugar lo que se desea es obtener es el modelo matemático de los motores utilizando la aplicación ident de MATLAB, para que de esta manera se pueda sintonizar las constantes por métodos como el de Ziegler y Nichols, Cohen, Sung, etc. y obtener un controlador adecuado para ubicar en la posición correcta la herramienta de la máquina CNC.
Figura 11. Reconocimiento de sistemas – MATLAB Ident
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Figura 12. Métodos de sintonización de controladores PID
En control digital, un aspecto crucial es la adquisición de los datos. El tiempo de muestreo debe ser lo más pequeño posible para poder realizar el método de la emulación, de lo contrario sería necesario utilizar un método diferente en el dominio de z. Lastimosamente esto no se puede definir en este momento, se tendrá que diseñar el driver y analizar que capacidad y velocidad tiene para tomar los datos. Sin embargo, con la tecnología que tenemos a disposición se puede decir que si es posible controlar de manera eficaz los motores. A continuación se presenta el controlador continuo (método emulación) y el controlador digital.
Figura 13. Diagrama de bloques del controlador continuo y digital
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El controlador PID será programado en el microcontrolador por tanto la velocidad de la comunicación del driver con el computador no afectará o limitará el tiempo de muestreo.
Figura 14. Muestreo de una señal análoga
La secuencia de programación para el control de posición en el microcontrolador obedece al siguiente diagrama de flujo que representa la subrutina para ejecutar un comando de código G: Inicio de Subrutina
Recepción de datos del computador (tipo de interpolación) (Parámetros de posición) (Velocidad)
NO
Calculo del siguiente punto de la curva de interpolación según los parámetros
NO
Lectura de posición en X. Ejecución de una iteración del controlador PID del eje X
Errores = 0
SI
Lectura de posición en Y. Ejecución de una iteración del controlador PID del eje Y
Lectura de posición en Z. Ejecución de una iteración del controlador PID del eje Z
Se completo la curva de interpolación?
SI
Emisión de alarma “listo” hacia el computador.
Fin de Subrutina
Figura 15. Diagrama de flujo de la subrutina de control
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3.5.8. SOFTWARE PARA IMPLEMENTACIÓN, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN Para cumplir con la realización del proyecto, es necesario desarrollar varios programas en diferentes plataformas o lenguajes de programación. A continuación se detalla que software es necesario programar y en que plataforma se lo realizará:
Detección de pistas del PCB: Este programa detectará y calculará la trayectoria que deberá seguir la herramienta giratoria de desbaste para dibujar las pistas de cobre en la placa de baquelita; esto se logra a partir del procesamiento de una imagen en formato bmp, jpg o png que contenga el PCB. Este procesamiento utiliza varios métodos del modulo de visión artificial de LabVIEW.
Figura 16. Detección de pistas con el modulo de visión de LabVIEW
Localización de agujeros del PCB: Este programa utiliza recursos del mismo modulo de visión de Labview con el fin de ubicar las posiciones donde se requiere que la máquina CNC realice un agujero.
Figura 17. Detección de agujeros con el modulo de visión de LabVIEW
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Interfaz gráfica de comunicación: A estos datos de trayectoria y posición, es necesario convertirlos en tres tipos de secuencias usando código G: de desbaste, taladrado y posicionamiento. Cada secuencia usa la velocidad de avance baja o alta. Para programar esto, también utilizamos LabVIEW.
Figura 18. Secuencias de desbaste, taladrado y posicionamiento con código G
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Cada secuencia es enviada vía USB (como códigos G) al microcontrolador para que este envíe las órdenes a los actuadores. Las secuencias de desbaste y de taladrado son visibles en el monitor del computador, de tal manera que el usuario podrá apreciar el avance del proceso de fabricación de PCB sin necesidad acercarse a la máquina donde no es recomendable aspirar el polvo de la baquelita.
Inicialización o Home: Es un código muy pequeño que puede ser programado inclusive en el microcontrolador; este mueve la máquina a la posición cero de cada eje, para que desde ahí los encoders empiecen a reconocer la posición sus respectivos ejes. Este código solamente es ejecutado una vez al energizar la máquina. Sin embargo, solo será necesario programarlo en caso de utilizar encoders incrementales.
Para análisis y simulación se utilizará software ECAD para los circuitos del driver. Software CAD/CAM/CAE para la construcción, análisis y simulación de la máquina fresadora CNC. MATLAB para el análisis y simulación del sistema de control de los motores.
Figura 19. Software de diseño, análisis y simulación
Nota: El código generado en estos programas quedará a disposición de cualquier estudiante de la ESPE, puesto que el mismo en su totalidad o en parte, puede utilizarse para otras aplicaciones, por ejemplo para una máquina que realice el montaje y soldado de piezas en PCBs.
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3.6. METODOLOGÍA En este proyecto de tesis, la investigación es crucial; pues debemos ampliar en gran manera nuestros conocimientos para realizar un trabajo de alta calidad y confiabilidad. Por lo tanto al final de este apartado; de las metodologías que se presentan a continuación, se escogerá e implementará la que más nos convenga. Método Científico:
Es un método de investigación usado principalmente en la producción de conocimiento en las ciencias. El método científico está sustentado por dos pilares fundamentales. El primero de ellos es la reproducibilidad, es decir, la capacidad de repetir un determinado experimento. El segundo pilar es la refutabilidad, es decir, que toda proposición científica tiene que ser susceptible de ser falsada o refutada. En la figura derecha presentamos un modelo simplificado de este método: Figura 20. Modelo simplificado de las etapas del método científico
Metodología de la Norma ISO 50001:
ISO 50001 es una normativa estándar internacional desarrollada por la Organización Internacional de Normalización (ISO). Esta normativa es de aplicación en todo tipo de empresas y organizaciones, grandes o pequeñas tanto del ámbito público o privado, bien se dediquen a la provisión de servicios o a la elaboración de productos y equipos. Se basa en la metodología Plan-Do-Check-Act (Planificar-Hacer-Verificar-Actuar), también conocido como PDCA o Círculo de Deming.
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Figura 21. Círculo de Deming
Metodología de mejora continua “Seis Sigma”:
La historia de Seis sigma se inicia a mediados de los años 80 en Motorola cuando un ingeniero (Mikel Harry) comienza a estudiar la reducción en la variación de los procesos para mejorarlos. Esta herramienta tenía una fuerte base estadística y pretendía alcanza unos niveles de calidad en los procesos y en los productos de la organización próximos a cero defectos. Constituye una metodología sistemática para reducir errores, concentrándose en la mejora de los procesos y el trabajo en equipo. La letra griega sigma (σ) se utiliza en estadística para representar la variación típica de una población. El "nivel sigma" de un proceso mide la distancia entre la media y los limites superior e inferior de la especificación correspondiente.
Figura 22. Metodología Seis Sigma
Ha sido habitual considerar como suficiente que un proceso tuviese una desviación de ±3σ, lo cual significa que dicho proceso era capaz de producir sólo 2,7 defectos por cada mil oportunidades. Seis sigma hace referencia a un nivel de calidad capaz de producir con un mínimo de 3,4 defectos por millón de oportunidades; esta calidad se aproxima al ideal del cerodefectos y puede ser aplicado no solo a procesos industriales, sino a servicios y al proceso proyecto-construcción.
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El proceso comienza con un "cambio radical de actitud". Los proyectos son seleccionados en función de los beneficios. La empresa Seis Sigma aporta una metodología de mejora basada en un esquema denominado DMAIC:
Definir los problemas y situaciones a mejorar. Medir e investigar para obtener la información y los datos. Analizar la información recogida. Incorporar y emprender mejoras en los procesos. Controlar o rediseñar los procesos o productos existentes.
Figura 23. Esquema DMAIC
Conclusión:
Puesto que la investigación y la calidad en este tipo de proyectos de construcción resultan ser aspectos decisivos, hemos optado por seguir la metodología DMAIC 6σ y la del método científico. La primera será utilizada cuando necesitemos corregir y/o mejorar determinados aspectos referentes a la máquina, al driver electrónico o al software programado. Y la segunda metodología mencionada se utilizará en el proceso de investigación previo a cada etapa del proyecto, porque existe retroalimentación para la verificación de hipótesis lo cuál nos ayuda mucho a tener conocimiento claro y preciso de lo que se desea hacer.
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4. BIBLIOGRAFÍA
Boylestad, Robert L. y Nashelsky, Louis. 8 Ed. Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. México: Prentice Hall.
Budynas, Richard G. y Nisbet, J. Keith. Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley Octava Edición. Mc Graw Hill.
Charles L. Phillips y Royce D. Harbor. (1996). Feedback control systems. New Jersey: Prentice Hall.
Diseño electrónico con aplicaciones libres o gratuitas . Editorial: Club
Universitario.
Dogan Ibrahim. (2006). Microcontroller Based Applied Digital Control . England: John Wiley & Sons.
Gene F, Franklin, J. David Powell y Michael L. Workman. (1998). Digital Control of Dynamic Systems. California: Addison Wesley Longman.
IPC. (1998). Generic Standard on Printed Board Design , ANSI/IPC-2221. Association Connecting Electronics Industries.
Juvinall, Robert C. (1999). Fundamentos de Diseño para Ingeniería Mecánica. México: Limusa.
Katsuhiko Ogata. (1996). Sistemas de Control en Tiempo Discreto. México: Prentice Hall.
Katsuhiko Ogata. (2002) Modern Control Engineering. New Jersey: Prentice Hall.
Mikell P. Groover. (2007). Automation, Production Systems and CIM . Prentice Hall.
Pallas, Ramón;
Casas, Oscar y Bragos, Ramón. Sensores y Acondicionadores de Señal . México: Alfaomega.
Rashid, Muhammad; González, Virgilio y Suárez Fernández, Pozo Agustín. Electrónica de potencia: Circuitos, dispositivos y aplicaciones. Prentice
Hall.
Patrick, H. Daniel y Floyd James. Build your own CNC machine. USA: T.I.A.
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5. ANEXOS 5.1. PROPUESTA DE INDICE CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.
1.5. 1.6.
Presentación Definición del problema Justificación e importancia Objetivos 1.4.1. Objetivos generales 1.4.2. Objetivos específicos Alcance Área de Influencia
CAPÍTULO 2 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO 2.1.
2.2. 2.3.
Características de la máquina 2.1.1. Descripción del proceso y sistemas 2.1.2. Definición de parámetros fundamentales 2.1.3. Definición de parámetros dimensionales Análisis y selección de alternativas Normas Técnicas
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO DE LA MÁQUINA CNC 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8.
Aspectos preliminares del diseño de la maquina Disposición física de elementos Cálculo de ingeniería Cargas de diseño y valores de referencia de F.S. Selección de Materiales Esfuerzos máximos Factores de seguridad y comparación con F.S. de referencia Modelado CAD 3.8.1. Modelado 3D de partes 3.8.2. Modelado de sub-ensambles 3.8.3. Ensamble de conjunto 3.8.4. Simulación 3.8.4.1. Simulación de elementos finitos 3.8.4.2. Resultados 3.8.5. Esfuerzo máximo 3.8.6. Deformación máxima
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CAPÍTULO 4 DISEÑO ELÉCTRICO/ELECTRÓNICO 4.1. 4.2.
4.3.
Selección de actuadores y sensores Diseño del driver eléctrico/electrónico 4.2.1. Cálculos de ingeniería 4.2.2. Diseño ECAD (Electronic Computer- Aided Design) 4.2.3. Simulación y análisis del diseño Verificación de funcionamiento
CAPÍTULO 5 CONSTRUCCIÓN 5.1. 5.2. 5.3. 5.4.
Lista de materiales Manufactura de las partes de la máquina Fabricación del circuito impreso del driver Montaje
CAPÍTULO 6 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL 6.1. 6.2.
6.3.
Identificación del modelo matemático de motores Sintonización de controlador PID 6.2.1. Selección de métodos de sintonización 6.2.2. Simulación y análisis Programación del microcontrolador
CAPÍTULO 7 DISEÑO DEL SOFTWARE 7.1.
7.2.
7.3.
Software de reconocimiento de archivos e imágenes 7.1.1. Archivos GERBER 7.1.2. Procesamiento de imágenes Software preprocesador de código G 7.2.1. Definición y creación de código G y secuencias 7.2.2. Transformación de datos a código G Interfaz gráfica 7.3.1. Programación de comunicación USB 7.3.2. Diseño de SubVIs 7.3.3. Diseño de VI principales
CAPÍTULO 8 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO 8.1. 8.2. 8.3. 8.4.
Pruebas de funcionamiento Pruebas de velocidad de proceso Pruebas de confiabilidad Análisis de resultados
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CAPÍTULO 9 EVALUACIÓN ECONÓMICA – FINANCIERA 9.1. 9.2. 9.3.
Evaluación Financiera Estado de pérdidas y ganancias Análisis Económico
CAPÍTULO 10 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 10.1. Conclusiones 10.2. Recomendaciones BIBLIOGRAFÍA ANEXOS A.1. A.2. A.3. A.4. A.5.
Planos de la máquina Planos de construcción Diagramas Electrónicos Código de Programación Diagrama de Procesos
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5.2. CRONOGRAMA DEL PROYECTO 1
2
ACTIVIDADES
3
4
5 SEMANAS
6
7
8
9
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
FASE I Planificación de Actividades. Investigación Definición del producto
Diseño conceptual y descripción del producto Características principales Diagrama del producto Descripción de sistemas y normas técnicas Diseño Calculo de ingeniería
Cargas de diseño Diagrama de cuerpo libre de conjunto y ensambles Cálculos Selección de materiales. Tabla resumen esfuerzos máximos y factores de seguridad, comparación con factor de referencia Lista de materia prima por cada parte Lista de materia prima consolida FASE II Modelado CAD
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Modelo 3D de partes Modelado de sub-ensambles Ensamble de conjunto Planos de conjunto y de detalle Especificaciones técnicas Fabricación
Ruta de fabricación de cada parte (Excel) Lista de maquinaria Ingeniería:
Simulación en elementos finitos Optimización de cálculos, mediante: Esfuerzo máximo y deformación máxima Tabla de resultados inicial y optimizado Estudio de costos
Costo de materia prima Costo de mano de obra Costo de herramental Costo total FASE III
Manufactura de Piezas y Ensamble de la Máquina Diseño Electrónico del Driver Programación de Micro controlador. Programación de la Interfaz en LabVIEW Presentación Tabla 4. Cronograma del proyecto
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Modelo 3D de partes Modelado de sub-ensambles Ensamble de conjunto Planos de conjunto y de detalle Especificaciones técnicas Fabricación
Ruta de fabricación de cada parte (Excel) Lista de maquinaria Ingeniería:
Simulación en elementos finitos Optimización de cálculos, mediante: Esfuerzo máximo y deformación máxima Tabla de resultados inicial y optimizado Estudio de costos
Costo de materia prima Costo de mano de obra Costo de herramental Costo total FASE III
Manufactura de Piezas y Ensamble de la Máquina Diseño Electrónico del Driver Programación de Micro controlador. Programación de la Interfaz en LabVIEW Presentación Tabla 4. Cronograma del proyecto
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5.3. PRESUPUESTO REFERENCIAL Elementos de la máquina
Precio
Taladro
70
Sistema mecánico
500
Driver Electrónico
130
Motores
120
Encoders y sensores
140
Producto de Aplicación
20
Total:
980
Tabla 5. Presupuesto referencial
5.4. CARTA DE AUSPICIO Ninguna. 5.5. TERMINOLOGÍA
