Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos
Proyecto: Brazo Robótico acomodador
Asignatura: Programación Avanzada
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Ing. Mecatrónica
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Índice Objetivo…………………………………………………………………………………3
Marco Teórico………………………………………………………………………….3
Diseño………………………………………………………………………………….4
Materiales………………………………………………………………………………7
Motores…………………………………………………………………………………8
Circuito Electrónico…………………………………………………………………..11
Etapa de Construcción………………………………………………………………13
Conclusiones y Observaciones……………………………………………………..14
Anexos………………………………………………………………………………15
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Objetivo Diseñar y construir el prototipo de un brazo robótico acomodador que funcione a base de botonera empleando los conocimientos adquiridos en el salón de clases para posteriormente poder automatizarlo.
Marco Teórico Desde la revolución industrial la tecnología fue avanzando a pasos agigantados permitiendo la creación de máquinas que día con día fueron facilitando las actividades de las personas como fue el caso de las locomotoras impulsadas por las máquinas de vapor transportando a las personas distancias más grandes; y estas mejoras tecnológicas fueron aprovechadas por las industrias para incrementar su productividad, mejorar la calidad de sus productos, realizar sus actividades más rápidos. Y una de las máquinas que ha revolucionado la producción en las fábricas son los brazos robóticos, que son un tipo de brazo mecánico, normalmente programable, con funciones parecidas a las de un brazo humano y que es capaz de realizar diferentes actividades y a un increíble número de repeticiones y a velocidades reemplazando al ser humano en varias actividades dentro de la industria. Los brazos robóticos están compuesto por:
Estructura mecánica: son las uniones de todos los eslabones que conforman al brazo robótico
Actuadores: son todos los elementos que proporcionan movimiento a cada uno de los eslabones del brazo robótico. Estos pueden ser motores eléctricos, sistemas neumáticos, sistemas hidráulicos y combinaciones de estos.
Sistema de transmisión: son los sistemas mecánicos encargados de transmitir el movimiento de los actuadores hasta los eslabones por medio de engranes, cadenas, bandas, etc.
Sistema sensorial: es el conjunto de sensores que tiene el brazo robótico que le proporciona las condiciones de su estado, sensores
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internos,
como
posición
del
brazo
robótico,
velocidad
de
desplazamiento, aceleración y fuerza (torque); y también están los sensores externos que le permiten al brazo robótico conocer las características de su entorno como los sensores de proximidad.
Sistema de control: es el sistema que se encarga de controlar los movimientos del brazo robótico basado en una programación interna realizando comparaciones de las señales que proviene de los sensores con un patrón de referencia almacenado en su programación y en base a esa diferencia realiza un corrección provocando que el brazo robótico realice las actividades lo mejor posible.
Cada vez más en diferentes tipos de industrias hay un brazo robótico ya que se han
indo creando para una gran diversidad de actividades que
logran aumentar la producción de cualquier industria y también cuidando la seguridad de las personas al ser este brazo robótico quien hace ciertas actividades en condiciones peligrosas como la investigación dentro de un volcán.
Diseño del brazo Robótico El diseño es la primera etapa que realiza un ingeniero al construir un proyecto pues en el diseño se abarca todos los aspectos que se tienen que tomar en consideración del proyecto desde el inicio hasta su etapa final; abarca temas como:
Tiempo estimado en la realización del proyecto
Materiales y herramientas necesarias para la construcción del proyecto
Aspectos económicos: ¿Cuánto se va a invertir en el proyecto?, ¿Es rentable el proyecto?
Tecnología adecuada para la realización del proyecto
Análisis matemático: modelos matemáticos de fuerza, resistencia, velocidad, aceleración, precisión, control, etc. (Si es que se trata de un proyecto de ingeniería)
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Formas y dimensiones (planos) Ing. Mecatrónica
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Organización y administración de recursos humanos y económicos
La etapa de diseño es muy importante pues en él se puede anticipar de posibles problemas, errores que podrían aparecer durante la construcción de un proyecto; y así tener una variedad de soluciones para dichos problemas permitiéndonos que el proyecto sea flexible. En este proyecto la parte de diseño abarca: dimensiones, selección de material, actuadores y electrónica.
Dimensiones Lo primero que se realiza son varios bosquejos en una hoja de papel de la forma, dimensiones y grados de libertad que se desea que se tenga el brazo robótico seguido de pensar en las posibles medidas que tendrá el brazo. Después de que se haya plasmado una idea del proyecto el siguiente paso es usar un software de CAD que es una herramienta útil para diseñar las dimensiones de nuestro brazo robótico. Existen varios software como lo son: AutoCAD, inventor, solidwork. En el presenta trabajo se realizará el diseño en AutoCAD.
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Selección de material En el mercado hay una gran cantidad de materiales y cada uno de ellos con propiedades químicas y físicas diferentes que los hacen únicos para diferentes tipos de aplicaciones. A continuación se presentan las características del acrílico, aluminio y madera; que son los materiales más accesibles para el proyecto.
Acrílico:
Bajo peso
Transparencia alrededor del 93%. El más transparente de los plásticos
Alta resistencia al impacto
Excelente aislamiento térmico y acústico
Gran facilidad de mecanización y moldeo
Aluminio:
Es un metal ligero
Bajo punto de fusión
Buen conductor térmico y eléctrico
Mecánicamente es un material blando y maleable
Resistente a la corrosión
Madera: Las características de la madera varían según la especie de árbol origen e incluso dentro de la misma especie por las condiciones del lugar de crecimiento. Aun así hay algunas características cualitativas comunes en casi todas las maderas.
La resistencia y la elasticidad de la madera varían según en las zonas que son examinadas.
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El módulo de elasticidad depende de la dirección de la deformación a lo largo de las fibras, tangencial a los anillos de crecimiento o transversal a los anillos.
Absorbe la humedad del ambiente.
El material que se seleccionó para construir el brazo fue el aluminio por ser uno de los metales más ligeros y presentar mayor resistencia que el acrílico y la madera. Se compró un tramo de solera de aluminio de 2 pulgadas de ancho y 1/8 de pulgada de espesor. También se utilizó otros tipos de materiales y herramientas que se presentan en la siguiente lista:
Lista de materiales:
Una solera de aluminio de 2’’ x 1/8’’
Broca de 3/8’’ Φ
Broca 25/64’’ Φ
Broca 1/8’’ Φ
Tornillos de 1/8’’
Pegamento epoxico
Tubo de aluminio de 3/8’’ Φ
Pinzas de presión, de punta, mecánicas
Sierra de inglete
Soldadura de aluminio
Tanque de gas butano
Lijas del número 280 y 360
Angulo de aluminio de 2’’ x 1/8’’
Actuadores Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.
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Existen varios tipos de actuadores como son:
Electrónicos
Hidráulicos
Neumáticos
Eléctricos
Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo requieren d e energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador. Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motor es eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua. Los actuadores que se seleccionó para realizar el brazo robótico son los servomotores porque son más fáciles de controlar y de posicionar porque ya tienen un circuito electrónico que detecta la posición del motor, y también tienen un torque grande para su tamaño, a continuación se da una descripción de los servomotores.
Servomotor. Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. ITESCO
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El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor. En la figura se puede observar al lado derecho del circuito. Este potenciómetro permite a la circuiteria de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180.
Estos servos tienen un amplificador, servo motor, piñonearía de reducción y un potenciómetro de realimentación; todo incorporado en el mismo conjunto. Esto es un servo de posición (lo cual significa que uno le indica a qué posición debe ir), con un rango de aproximadamente 180 grados. Ellos tienen tres cables de conexión eléctrica; Vcc, GND, y entrada de control. Para controlar un servo, usted le ordena un cierto ángulo, medido desde 0 grados. Usted le envía una serie de pulsos. En un tiempo ON de pulso indica el ángulo al que debe posicionarse; 1ms = 0 grados, 2.0ms = máx. grado (cerca de 120) y algún valor entre ellos da un ángulo de salida proporcional. Generalmente se considera que en 1.5ms está el "centro." Entre límites de 1 ~ 2ms son las recomendaciones de los fabricantes, usted normalmente puede usar un rango mayor de 1.5ms para obtener un ángulo mayor e incluso de 2ms para un ángulo de rendimiento de 180 grados o más. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos construidos en el servo. Un
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sonido de zumbido normalmente indica que usted está forzando por encima al servo, entonces debe disminuir un poco.
En la siguiente imagen se muestra los componentes de un servomotor:
Electrónica A través de un circuito electrónico se puede alimentar y controlar un servomotor que en este caso será a través de un microcontrolador que es el 16F1827; y a través de los cuatro PWM se puede enviar una serie de pulsos para indicarle la posición que deseamos que se mueva los servomotores. Para esto se diseñó el circuito electrónico en un software de a plicación en el diseño electrónico como en el Proteus.
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Diagrama electrónico del brazo robótico elaborado en Proteus
Componentes electrónicos utilizados:
2 Pic 16F1827
10 push botón normalmente abierto
10 resistencias de 330 Ω
5 servomotores con un torque de 15 Kg*cm
Cable utp
Un protoboard
Una fuente de poder de 5 V a 1 A
Multímetro
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Etapa de Construcción En esta etapa se comenzó a construir el brazo robótico basándose en las dimensiones del diseño que se elaboró en AutoCAD. Lo primero que se empezó a realizar es marcar la solera de aluminio con las dimensiones que ya antes se había designado para el brazo. Y después se pasó a cortar cada una de los eslabones dándole la forma deseada con un esmeril; una vez que se tuvo cortado todos los eslabones se lijo para darle un mejor acabado. Después se realizan todas las perforaciones en donde se colocarían los ejes que sostendrían a los eslabones y a los motores. Después se realiza todo el ensamblado de los eslabones y se fija con pegamento epóxido y también se hacen unas bases donde se fijaran los motores con los ejes del brazo robótico. Una vez que ya se terminó de armar toda la estructura mecánica se colocaron los motores alineándolo de acuerdo a la dirección del movimiento del brazo robótico. Después se construyó el circuito electrónico en el protoboards y se fue probando el circuito para verificar que los movimientos fueran lo adecuados si no lo era se hacían las correcciones adecuadas. Una vez que ya se haya verificado que el brazo funcionara correctamente se pasó a la última etapa que es la documentación del proyecto y se así se concluyó el proyecto de un brazo robótico acomodador.
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Conclusión Para poder realizar cualquier proyecto es necesario que antes de todo se tenga que planear todo lo que se requiera para poder realizarlo y pensar en todos los posibles inconvenientes que se podrían presentar durante la construcción del proyecto y así poder elaborar varias soluciones para cada uno de esos problemas. Pues es muy distinto las simulaciones que se realizan durante el diseño a lo que sucede cuando ya se encuentra en construcción el prototipo; ya que en la práctica las cosas son diferentes a lo teórico
y suelen presentarse un sin
número de inconvenientes que en ese momento se tiene que pensar en una solución para el problema y eso provoca que se atrase la construcción del proyecto y que se pierda material y dinero. La experiencia que se ha adquirido en este proyecto es la de aprender a planear todo antes de construir para evitar pérdidas de tiempo, de material y de dinero. Y así poder anticipar a todos los posibles problemas preparando las diversas soluciones posibles.
Observaciones: El principal problema que se tuvo en la elaboración de este proyecto fue la de no calcular el momento de inercia que produce el brazo robótico para así poder saber cuál es el torque necesario que debe de tener los motores para que estos puedan mover el brazo ya que de lo contrario el brazo no se moverá.
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Anexos
En este apartado están incluido:
Gastos
Datasheet del Pic16F1827
Datasheet de los servomotores
Gastos: Material
Precio
Solera de aluminio de 2" x 1/8" 6 Servomotores Broca de 25/64" broca de 1/8" Varillas para soldadura de aluminio 3 unidades de pegamento epoxico tornillos y tuercas Microcontrolador Gasto de envio del pic Accesorios para drimel Gripper c/motor Gasto de envio del gripper Total
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$300 $720 $96 $30 $600 $210 $50 $100 $150 $300 $500 $100 $3,156
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