RAE
1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado para optar por el título de INGENIERO
MECATRÓNICO.
2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TARJETAS DE POTENCIA PARA EL
CONTROL DE MOVIMIENTO DEL ROBOT MOVEMASTER RV-M1 DE
MITSUBISHI.
3. AUTORES: Andrés Felipe González Díaz y Diego Alejandro Jiménez Reyes.
4. LUGAR: Bogotá, D.C.
5. FECHA: Febrero de 2014.
6. PALABRAS CLAVE: Acondicionamiento de Señales, Actuadores, Amplificadores
Operacionales, Control de Posicionamiento, Diseño de Inversor de Giro (Puente H),
Electrónica de Potencia, Encoders, PLC, PWM, Robot Manipulador, Sensor de Corriente.
7. El objetivo principal de este proyecto es el diseño e
implementación de un sistema electrónico de potencia que permita el movimiento de las
articulaciones del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1, esto abarca previamente la
verificación mecánica y eléctrica de Robot y su estudio analítico para la repotenciación del
mismo. Mediante este proceso se busca implementar académicamente este Robot, con el fin
de desarrollar futuras prácticas y laboratorios en la Universidad de San Buenaventura Sede
Bogotá.
8. Tecnologías actuales y sociedad de la Universidad de
San Buenaventura, Bogotá. La línea investigación de la Facultad de Ingeniería a la que está
enfocada es; el análisis y procesamiento de señales (APS) donde específicamente se abarca
los núcleos problémicos de: control, automatización y robótica.
9. Es de carácter empirico-analitico, con un énfasis en el estudio, análisis
y diseño de tarjetas de potencia y el acondicionamiento de señales para la repotenciación
del robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.
10. CONCLUSIONES: A lo largo de la presente investigación, se logró culminar
satisfactoriamente con los objetivos propuestos investigando diferentes alternativas para la
solución de éstos y así poder seleccionar la mejor opción y llegar al fin de este proceso
investigativo. También se evidencia que gracias a los conocimientos adquiridos y aplicados,
se obtuvo como resultado la repotenciación del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TARJETAS DE POTENCIA PARA EL CONTROL
DE MOVIMIENTO DEL ROBOT MOVEMASTER RV-M1 DE MITSUBISHI
ANDRÉS FELIPE GONZÁLEZ DÍAZ
DIEGO ALEJANDRO JIMÉNEZ REYES
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA, BOGOTÁ
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
FEBRERO DE 2014
BOGOTÁ D.C.
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TARJETAS DE POTENCIA PARA EL CONTROL
DE MOVIMIENTO DEL ROBOT MOVEMASTER RV-M1 DE MITSUBISHI
ANDRÉS FELIPE GONZÁLEZ DÍAZ
DIEGO ALEJANDRO JIMÉNEZ REYES
Trabajo de Grado presentado como requisito para optar al título de:
Ingeniero Mecatrónico
Director:
MORIAN NAIR CALDERÓN DÍAZ
Ingeniero Electrónico. Esp.
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA, BOGOTÁ
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
FEBRERO DE 2014
BOGOTÁ D.C.
Nota de aceptación
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Firma del presidente del jurado
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Firma del jurado
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Firma del jurado
Bogotá D.C., Febrero de 2014
Este proyecto de grado está dedicado
a nuestras familias, considerando los
valores y principios que nos
ofrecieron para el desarrollo personal
y profesional, también por el apoyo
brindado durante nuestra formación
como ingenieros Mecatrónicos,
reconociendo el gran esfuerzo que
hicieron por nosotros durante este
tiempo. Gracias.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a:
A mi mamá, Marisol Reyes por el
apoyo incondicional que me brindó
durante todo mi proceso de
formación. Con todo el corazón
gracias.
Diego Alejandro Jiménez Reyes
A mi abuelita, Margarita Sandoval y a
mis padres Rumaldo González y
Marlen Díaz por demostrarme su
amor y apoyo en todo momento en mi
formación como persona y
profesional. Muchas gracias.
Andrés Felipe González Díaz
A los ingenieros Leonardo Rodríguez
Ortiz y Morian Nair Calderón Díaz
por el acompañamiento durante la
realización de este proyecto, su ayuda
y conocimientos brindados fueron un
gran apoyo para nosotros. Gracias.
Diego Jiménez, Andrés González.
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 22
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................... 23
1.1. SITUACIÓN ACTUAL ........................................................................................ 23
1.2. ANTECEDENTES. ............................................................................................... 24
1.2.1. Diseño y construcción de circuito de potencia de vehículo eléctrico. ............. 24
1.2.2. Interfaz electrónico basado en CPLD XC95108 y en driver L6203 para
control de motores DC a través del puerto paralelo de PC. .............................................. 25
1.2.3. Caracterización de un Robot manipulador articulado. ...................................... 27
1.2.4. Acondicionamiento de un brazo manipulador monitoreado por medio de una
interfaz gráfica realizada con “InTouch The Wonderware”. ............................................ 28
1.2.5. Antecedentes en la Universidad de San Buenaventura, Bogotá....................... 29
1.3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. .................................. 32
1.4. JUSTIFICACIÓN. ................................................................................................. 33
1.5. OBJETIVOS. ......................................................................................................... 33
1.5.1. Objetivo general. .................................................................................................... 33
1.5.2. Objetivos específicos. ............................................................................................ 33
1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES. ........................................................................ 34
1.6.1. Alcances................................................................................................................... 34
1.6.2. Limitaciones. ........................................................................................................... 34
2. MARCO DE REFERENCIA. ....................................................................................... 36
2.1. MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL. ................................................................. 36
2.1.1. Robótica .................................................................................................................. 36
2.1.2. Motores eléctricos DC. .......................................................................................... 41
2.1.3. Modulación Por Ancho De Pulso (PWM) .......................................................... 42
2.1.4. Transductores y sensores. ..................................................................................... 43
2.1.5. Amplificadores Operacionales. ............................................................................ 47
2.1.6. Inversor de giro tipo puente H. ............................................................................. 50
2.1.7. Controlador Lógico Programable (PLC). ............................................................ 50
2.1.8 Concepto de herramientas CAD. .......................................................................... 52
3. METODOLOGÍA ......................................................................................................... 54
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN. ............................................................... 54
1.2 Identificar qué tipo de movimientos son críticos para el Robot, conociendo el
consumo de corriente de cada articulación. ........................................................................ 56
3.2. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN. ............................................................................ 58
4. DISEÑO INGENIERIL ................................................................................................ 59
4.1 OBJETIVO 1. Verificar los sistemas mecánicos y eléctricos que posee actualmente el
Robot. ............................................................................................................................... 59
4.1.1 Actividad 1. ............................................................................................................. 59
4.1.2 Actividad 2. ............................................................................................................. 62
4.2 OBJETIVO 2. Diseñar el acondicionamiento de señal de los encoders, con el fin
de conocer el posicionamiento de cada articulación del Robot. ....................................... 68
4.2.1 Actividad 1. ............................................................................................................. 68
4.2.2 Actividad 2. ............................................................................................................. 72
4.3 OBJETIVO 3. Diseñar un sistema de protección de parado de emergencia, al
momento de presentarse una obstrucción en la trayectoria del movimiento del Robot. .. 77
4.3.1 Actividad 1. ............................................................................................................. 77
4.3.2 Actividad 2. ............................................................................................................. 79
4.4 OBJETIVO 4. Diseñar un circuito electrónico que permita la lectura de los finales
de carrera y la activación de los frenos. ........................................................................... 96
4.4.1 Actividad 1. ............................................................................................................. 96
4.4.2 Actividad 2. ............................................................................................................. 98
4.4.3 Actividad 3. ........................................................................................................... 104
4.5 OBJETIVO 5. Diseñar tarjetas electrónicas de potencia para el manejo de las
articulaciones del Robot. ................................................................................................ 107
4.5.1 Actividad 1. ........................................................................................................... 107
4.5.2 Actividad 2. ........................................................................................................... 118
4.6 ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS. ......................................................... 130
4.6.1 Actividad 1. ........................................................................................................... 130
4.6.2 Actividad 2. ........................................................................................................... 134
4.6.3 Actividad 3. ........................................................................................................... 136
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 141
6. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 143
ANEXOS ........................................................................................................................... 147
A. VALORES DE RESISTORES COMERCIALES .................................................. 148
B. SENSOR DE CORRIENTE HALL CON ACONDICIONADOR DE SEÑAL .... 150
C. PLANO ELÉCTRICO DE LAS CONEXIONES DE LOS FINALES DE
CARRERA. .................................................................................................................... 152
D. ELECTRÓNICO TARJETA DE FINALES DE CARRERA Y FRENOS. ............ 154
E. DIAGRAMA DE BLOQUES (VI) DESARROLLADO EN LABVIEW 2011. .... 156
F. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO TARJETA DE POTENCIA FINAL. .................. 158
G. PLANOS GABINETE DE CONTROL. ................................................................. 160
H. CÓDIGO DE RAMPA DE VELOCIDAD EN FST 4.10. ...................................... 162
I. HOJA DE DATOS PLC FED CEC. Y HMI UIM .................................................. 167
J. TABLA DE VOLTAJES PREDETERMINADOS EN POTECIÓMETROS DE
LAS TARJETAS ............................................................................................................ 170
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1. ...................................................... 23
Ilustración 2. Circuito Inversor De Giro ............................................................................ 25
Ilustración 3. Diagrama de bloques de la tarjeta electrónica y conexiones. ...................... 26
Ilustración 4. Aspecto real de la tarjeta electrónica diseñada. ........................................... 26
Ilustración 5. Robot SCORBOT-ER V plus. .................................................................... 27
Ilustración 6. Robot SCORBOT-ER V plus y estación completa. .................................... 28
Ilustración 7. HMI del Robot manipulador. ....................................................................... 29
Ilustración 8. Posición del manipulador simulada en CIROS® Automation Suite. .......... 30
Ilustración 9. Primera implementación de la interfaz. ....................................................... 31
Ilustración 10. Pruebas preliminares del Robot. ................................................................ 32
Ilustración 11. Esquema básico de un Robot. .................................................................... 37
Ilustración 12. Robot manipulador. ................................................................................... 38
Ilustración 13. Robot Móvil. .............................................................................................. 39
Ilustración 14. Robot Androide ASIMO. .......................................................................... 40
Ilustración 15. Robot Zoomórfico. .................................................................................... 40
Ilustración 16. Robot Hibrido. ........................................................................................... 41
Ilustración 17. Máquina rotatoria DC. ............................................................................... 42
Ilustración 18. Ciclo Útil PWM. ........................................................................................ 43
Ilustración 19. Codificador de posición incremental. ........................................................ 44
Ilustración 20. Disco ranurado y señales en cuadratura. ................................................... 45
Ilustración 21. Final de carrera configuración interna. ...................................................... 46
Ilustración 22. Amplificador Inversor. .............................................................................. 48
Ilustración 23. Amplificador no inversor. .......................................................................... 49
Ilustración 24. Amplificador Comparador. ........................................................................ 49
Ilustración 25. Esquema básico simplificado de un puente H. .......................................... 50
Ilustración 26. Unidad de procesamiento de un PLC. ....................................................... 51
Ilustración 27. Unidad de Programación ........................................................................... 52
Ilustración 28. Antiguo proceso en la producción de hardware. ....................................... 53
Ilustración 29. Proceso actual en la producción de hardware. ........................................... 53
Ilustración 30. Principales Componentes Brazo Robot. .................................................... 60
Ilustración 31. Estructura interna del Robot. ..................................................................... 63
Ilustración 32. Esquema del Robot. ................................................................................... 64
Ilustración 33. Límite de desgaste en escobillas. ............................................................... 65
Ilustración 34. Tensión en las correas de transmisión ...................................................... 66
Ilustración 35. Freno electromagnético. ............................................................................ 66
Ilustración 36. Estructura externa del Robot. .................................................................... 67
Ilustración 37. Tarjeta de señales. ...................................................................................... 69
Ilustración 38. Desfase de las señales del encoder. ........................................................... 70
Ilustración 39. Señal encoder sentido horario. ................................................................... 71
Ilustración 40. Señal encoder sentido anti-horario. ........................................................... 72
Ilustración 41. Acondicionador de señal para encoders. ................................................... 75
Ilustración 42. Simulación acondicionador de señal para encoders. ................................. 76
Ilustración 43. Resultados obtenidos con el acondicionador de señal. .............................. 76
Ilustración 44. Prueba de medición de corriente con carga. .............................................. 78
Ilustración 45. Rango de voltajes para el acondicionador. ................................................ 79
Ilustración 46. Primera etapa de amplificación. ................................................................ 81
Ilustración 47. Simulación primera etapa de amplificación. ............................................. 82
Ilustración 48. Acondicionador de señal completo. ........................................................... 83
Ilustración 49. Simulación acondicionador de señal completo. ........................................ 84
Ilustración 50. Circuito de activación para el relé. ............................................................ 86
Ilustración 51. Diseño # 1, protección de sobrecarga en los motores con amplificadores
operacionales. .................................................................................................................... 87
Ilustración 52. Simulación protección de sobrecarga en los motores con amplificadores
operacionales. .................................................................................................................... 88
Ilustración 53. Curva voltaje Vs. corriente sensada. ......................................................... 89
Ilustración 54. Diagrama de flujo del comparador. ........................................................... 90
Ilustración 55. Circuito comparador con amplificadores operacionales............................ 91
Ilustración 56. Acondicionador de señal con memoria...................................................... 92
Ilustración 57. Diseño # 2, sensor de corriente de efecto hall con acondicionador de señal
con memoria. ..................................................................................................................... 95
Ilustración 58. Montaje circuito de protección de carga en los motores. .......................... 95
Ilustración 59. Conexiones deshabilitadas de los finales de carrera. ................................ 97
Ilustración 60. Freno electromagnético articulación J3. .................................................... 98
Ilustración 61. Circuito de activación para frenos electromagnéticos. ............................ 100
Ilustración 62. Esquema del circuito de activación para los frenos electromagnéticos. . 101
Ilustración 63. Simulación circuito de disparo para frenos. ............................................ 101
Ilustración 64. Conexiones finales de carrera. ................................................................. 103
Ilustración 65. Cables de alimentación de los motores y frenos. ..................................... 103
Ilustración 66. Circuito PCB finales de carrera y frenos. ................................................ 105
Ilustración 67. Tarjeta electrónica para la lectura de finales de carrera y activación de
frenos electromagnéticos. ................................................................................................ 106
Ilustración 68. Ficha técnica de los motores. ................................................................... 107
Ilustración 69. Circuito de disparo para el transistor TIP 122 y 127. .............................. 109
Ilustración 70. Circuito de activación para el motor. ....................................................... 111
Ilustración 71. Circuito inversor de giro (sentido horario). ............................................. 112
Ilustración 72. Simulación circuito inversor de giro (sentido horario). ........................... 113
Ilustración 73. Circuito inversor de giro (sentido anti-horario). ...................................... 114
Ilustración 74. Simulación circuito inversor de giro (sentido anti-horario). ................... 114
Ilustración 75. Montaje físico del circuito inversor de giro. ............................................ 115
Ilustración 76. Diagrama de bloques (VI) desarrollado en NI LabVIEW. ...................... 116
Ilustración 77. Interfaz gráfica desarrollada en LabVIEW2011. ..................................... 116
Ilustración 78. Diseño preliminar de la tarjeta de potencia PCB. .................................... 118
Ilustración 79. Tarjeta de potencia de prueba. ................................................................. 119
Ilustración 80. Diagrama de flujo FASTOUT. ................................................................ 121
Ilustración 81. Configuración del módulo de salida rápida. ............................................ 121
Ilustración 82. Parámetros de configuración del módulo FASOUT. ............................... 122
Ilustración 83. Parámetros de activación del módulo FASTOUT. .................................. 123
Ilustración 84. Tarjeta de prueba con PLC FEC. ............................................................. 124
Ilustración 85. Diseño del PCB de la tarjeta de potencia final. ....................................... 126
Ilustración 86. Tarjeta de potencia final. ......................................................................... 127
Ilustración 87. Distribución de componentes de la caja de control. ................................ 129
Ilustración 88. Diagrama de flujo contador rápido. ......................................................... 130
Ilustración 89. Configuración del módulo de entrada rápida del PLC. ........................... 131
Ilustración 90. Parámetros de configuración del módulo de entradas rápidas. ............... 131
Ilustración 91. Activación del módulo FECCNTR. ......................................................... 132
Ilustración 92. Parametrización del estado actual del contador rápido............................ 133
Ilustración 93. Rampa de velocidad deseada. .................................................................. 134
Ilustración 94. Diagrama de flujo rampa de velocidad. ................................................... 135
Ilustración 95. Configuración de dirección IP. ................................................................ 137
Ilustración 96. Parametrización del módulo IP_TABLE. ................................................ 137
Ilustración 97. Parametrización del módulo EASY_S. ................................................... 138
Ilustración 98. Parametrización del módulo EASY_R. ................................................... 139
17
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Especificaciones de dispositivos de protección contra corrientes. ........................ 46 Tabla 2. Desarrollo de la metodología. ................................................................................ 54 Tabla 3. Comparación de datos. ........................................................................................... 61 Tabla 4. Deflexión y carga en las correas. ........................................................................... 65 Tabla 5. Especificaciones de los principales componentes electromecánicos del Robot. .. 68 Tabla 6. Tabla comparativa de AO. ..................................................................................... 73 Tabla 7. Resistencias calculadas. ......................................................................................... 74 Tabla 8. Medición de corriente de los motores. ................................................................... 78 Tabla 9. Resistencias calculadas. ......................................................................................... 80 Tabla 10. Resistencias calculadas. ....................................................................................... 82 Tabla 11. Especificaciones eléctricas de relevos. ................................................................ 84 Tabla 12. Especificaciones eléctricas de transistores. .......................................................... 85 Tabla 13. Especificaciones eléctricas del sensor ACS714LLC-05B. .................................. 89 Tabla 14. Especificaciones eléctricas de comparadores. ..................................................... 90 Tabla 15. Tabla de verdad del comparador. ......................................................................... 91 Tabla 16. Especificaciones eléctricas del Buzzer. ............................................................... 93 Tabla 17. Especificaciones eléctricas de transistores superficiales. .................................... 93 Tabla 18. Resultados obtenidos del circuito de protección de carga de los motores. .......... 96 Tabla 19. Especificaciones eléctricas TIP 122. .................................................................... 99 Tabla 20. Mediciones obtenidas circuito de disparo para frenos. ...................................... 102 Tabla 21. Configuración del cableado de los finales de carrera. ....................................... 102 Tabla 22. Configuración de colores de los motores y los frenos. ...................................... 104 Tabla 23. Especificaciones eléctricas de los transistores TIP 122 y 127. .......................... 108 Tabla 24. Especificaciones eléctricas del transistor 2N3904. ............................................ 109 Tabla 25. Mediciones obtenidas en pruebas de laboratorio. .............................................. 115 Tabla 26. Especificaciones eléctricas Puente H comerciales. ............................................ 117 Tabla 27. Especificaciones PLC FEC-34 Compact. .......................................................... 120 Tabla 28. Rango de velocidades del PWM. ...................................................................... 125 Tabla 29. Listado de señales para el sistema de control. ................................................... 127 Tabla 30. Lectura de pulsos a diferentes velocidades. ....................................................... 133 Tabla 31. Rangos de posición para rampa de aceleración. ................................................ 136 Tabla 32. Requerimientos del PLC ideal. ......................................................................... 140
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GLOSARIO
PWM: (Pulse Width Modulation), Modulación por ancho de pulsos. Es un sistema de
control basado en la variación de frecuencia de una señal de voltaje empleado para la
variación de velocidad y activación de actuadores en dispositivos controlados por voltaje.
Fuente: SAMSUNG, Que es PWM. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la web:
<http://skp.samsungcsportal.com/integrated/popup/FaqDetailPopupMobile.jsp?cdsite=co&seq=141156>
CPLD: Dispositivos Lógicos Programables Complejos. Éste dispositivo
permite implementar ecuaciones lógicas o diseños complejos, su programación es
generalmente en lenguajes de descripción de hardware. Existen dos tipos de arquitectura:
arquitectura de Matriz de suma de productos y arquitectura de tabla de datos.
Fuente: Obolog, Estructura y funcionamiento de los CPLD. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013].
Disponible en la web: <http://unidadsimd.obolog.com/cpld-83442>
PLC: Controlador Lógico Programable. Se inició como un reemplazo para los bancos de
relevos, las matemáticas y la manipulación de funciones lógicas. En la actualidad son los
cerebros de la inmensa mayoría de la automatización, procesos y máquinas especiales en la
industria.
Fuente: Rocatek, Que es un PLC (basico). [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la
web: <http://www.rocatek.com/forum_plc1.php>
HMI: (Human Machine Interface), es el dispositivo o sistema que permite el interfaz entre
la persona y la máquina. Tradicionalmente estos sistemas consistían en paneles compuestos
por indicadores y comandos, tales como luces pilotos, indicadores digitales y análogos,
registradores, pulsadores, selectores y otros que se interconectaban con la máquina o
proceso. En la actualidad, es posible contar con sistemas de HMI bastantes más poderosos y
eficaces, además de permitir una conexión más sencilla y económica con el proceso o
máquinas.
Fuente: COBO, Raúl. EL ABC DE LA AUTOMATIZACION, HMI. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de
2013]. Disponible en la web: <http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/hmi.pdf>
Gripper: Es el dispositivo utilizado para la manipulación de objetos. Hay muchos tipos de
gripper; entre estos los que utilizan la presión, succión o magnetización. También se llama
pinza del robot.
Fuente: Dictionary of Engineering, Gripper. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la
web: <http://www.dictionaryofengineering.com/definition/gripper.html>
Grados de libertad: También son llamados DOF por sus siglas en inglés (Degree Of
Freedom) hacen referencia al número de movimientos independientes que se pueden
realizar. En otras palabras, es la capacidad de moverse a lo largo de un eje (movimiento
lineal) o de rotar a lo largo de un eje (movimiento rotacional).
19
Fuente: Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción, Tipos de movimiento y grados de libertad. [En línea]
[Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la web:
<http://www.slideshare.net/EducaredColombia/tipos-de-movimiento-y-grados-de-libertad>
MPS: Estaciones modulares de producción. Es un equipo de trabajo diseñado
específicamente para este tipo de situaciones.
Fuente: FESTO, Sistemas modulares de producción. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013].
Disponible en la web:
<http://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/213893/ProgramaSeminarios2013_CO.pdf>
Yuxtaposición: Es una unión sin nexo, un vínculo que se establece entre elementos
contiguos que cumplen las mismas funciones.
Fuente: Análisis Sintáctico, Yuxtaposición. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la
web: <http://iesbinef.educa.aragon.es/lengua/sintaxis/sintaxisweb/teoria.htm>
Reluctancia: Es la oposición al flujo magnético influenciado por un campo magnético. La
unidad de la reluctancia es el REL, a mayor longitud de la trayectoria del flujo magnético,
mayor es la reluctancia.
Fuente: HARPER, Enríquez. Fundamentos de electricidad. 2 ed. Mexico. LIMUSA, S.A. p 43.
Dimmer: Son dispositivos usados para regular la energía en una o varias lámparas. Así, es
posible variar la intensidad de la luz, siempre y cuando las propiedades de la luminaria lo
permitan.
Fuente: Scribd, Dimmer. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la web:
<http://es.scribd.com/doc/58458652/Dimmer>
CNC: Control Numérico Computarizado. Una máquina CNC, a diferencia de una máquina
convencional o manual, una computadora controla la posición y velocidad de los motores
que accionan los ejes de la máquina. Gracias a esto, puede hacer movimientos que no se
pueden lograr manualmente como círculos, líneas diagonales y figuras complejas
tridimensionales. Son capaces de mover la herramienta al mismo tiempo en los tres ejes
para ejecutar trayectorias tridimensionales.
Fuente: Universidad Tecnológica Nacional, Laboratorio CAD/CAM. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de
2013]. Disponible en la web: <http://www.frvt.utn.edu.ar/cadcam-info.asp>
Hardware: Conjunto de los componentes que integran la parte material de una
computadora.
Fuente: REAL ACADEMIA ESPAÑOLA RAE, Hardware. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013].
Disponible en la web: <http://lema.rae.es/drae/?val=yuxtaposición>
SMT: (Surface Mount Technology). Tecnología de montaje superficial, es el proceso de
construir circuitos electrónicos, en que los componentes están soldados directamente sobre
la superficie de una placa de circuito impreso (PCB). Dentro de la tecnológica, el montaje
superficial ha substituido a la técnica de la tecnología de agujero pasante (through hole).
20
Puede contener unos pines de diferentes formas, contactos planos, matrices de bolas de
estaño o alternativamente terminaciones metálicas al borde del circuito.
Fuente: Ladelec, Que es la Tecnología de Montaje Superficial SMT. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de
2013]. Disponible en la web: <http://www.ladelec.com/teoria/informacion-tecnica/1220-que-es-la-
tecnologia-de-montaje-superficial-smt>
TTL: (Transistor-Transistor Logic), Lógica Transistor a Transistor. Tecnología de
construcción de circuitos electrónicos digitales, donde los elementos de entrada de la red
lógica son transistores tanto como los de salida. Una de las características de la tecnología
TTL es que su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4.75V
y los 5.25V como se ve un rango muy estrecho debido a esto, los niveles lógicos vienen
definidos por el rango de tensión comprendida entre 0.2V y 0.8V para el estado L (bajo) y
los 2.4V y Vcc para el estado H (alto).
Fuente: ACADEMIC Enciclopedia Universal, Tecnología TTL. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de
2013]. Disponible en la web:
<http://enciclopedia_universal.esacademic.com/1416/Tecnolog%C3%ADa_TTL>
FSE: Factor de Sobreexcitación, es la relación entre (corriente de base) e (corriente
base en la región de saturación), entre mayor sea éste más intensa será la saturación del
transistor y menor será el (voltaje colector – emisor en la región de saturación).
Fuente: Universidad de Antioquia, Diseño Análogo, Tema 5, Transistores de unión bipolar BJT. [En línea]
[Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la web: <http://microe.udea.edu.co/~henry/UCO/DA1/Clases/Tema%205%20DA1.docx >
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RESUMEN
El Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1 fue diseñado con fines académicos, enfocados a
los sistemas flexibles de manufactura y robótica industrial, entre otros, permitiendo a los
estudiantes la interacción y manipulación del Robot, comprendiendo la importancia de la
inclusión de estos sistemas en la industria actual.
Actualmente la Universidad de San Buenaventura, Bogotá, no posee un sistema con las
propiedades ya mencionas, la implementación de un nuevo Robot manipulador de este
tipo, es bastante compleja y dispendiosa por su costo el cual oscila entre los 70‟000.000 de
pesos colombianos; por esta razón, la finalidad de este proyecto es repotenciar el Robot
Mitsubishi Movemaster RV-M1 donado a la Universidad por la empresa FESTO LTDA, el
cual carece de la caja de control (CPU), del sistema eléctrico y electrónico para el
movimiento de las articulaciones del Robot.
Se busca rediseñar e implementar un nuevo sistema que reemplace los componentes
mencionados anteriormente, para integrar este Robot al área de control y automatización
de la Facultad de Ingeniería de la Universidad, como herramienta de apoyo para reforzar el
conocimiento teórico-práctico de los futuros estudiantes.
22
INTRODUCCIÓN
En un mundo globalizado como el actual, donde la competencia se hace cada vez mayor en
los sistemas de producción, la implementación de autómatas flexibles es parte fundamental
para la producción en grandes masas de procesos de manufactura con calidad y eficiencia,
facilitando tareas arriesgadas y repetitivas para el hombre como lo son soldadura, pintura,
ensamble y manipulación de precisión.
Actualmente en nuestro el país se están implementando sistemas para mejorar la calidad,
velocidad y cantidad en procesos de manufactura industrial, lo cual resulta útil en
producciones en serie optimizando así el tiempo de producción y los recursos. Actualmente,
diferentes empresas han mejorado su calidad de productos y servicios con la integración de
sistemas robóticos en labores de manipulación de materiales pesados o delicados, procesos
de soldadura y ensamble, y controles de calidad. Por consiguiente se requiere más interés
en la búsqueda de soluciones ingenieriles para lograr innovaciones en el futuro inmediato,
relacionadas con los Robots manipuladores1 y sus diferentes campos de aplicación en la
industria nacional
Según lo anterior, y teniendo en cuenta que la Universidad de San Buenaventura, Bogotá,
busca formar profesionales íntegros a través de los conocimientos adquiridos en el proceso
de formación académica donde se vinculan las distintas asignaturas correspondientes al
programa conformando un grupo de parámetros enfocados en la solución de un mismo
problema partiendo del conocimiento teórico como el práctico. Es así como el programa de
Ingeniería Mecatrónica busca alternativas que permitan el desarrollo de habilidades
práctico teóricas por medio de proyectos de investigación con afinidad a este ámbito de la
Ingeniería. El presente proyecto se plantea una alternativa de solución a esta exigencia, a
través de la recuperación del Robot industrial Mitsubishi Movemaster RV-M1 para su
correcta integración a procesos de enseñanza en la formación de futuros ingenieros capases
de participar de forma activa en el diseño e implementación de sistemas de este tipo,
mejorando la competitividad industrial en el país.
Para que el Robot manipulador Movemaster RV-M1 pueda funcionar correctamente como
herramienta académica, se requiere de su rehabilitación, el diseño y construcción de las
tarjetas de potencia para controlar los actuadores y dentro de estos módulos de control
deben estar los acondicionadores de señal de los distintos sensores que lo conforman,
además adaptar la tarjeta para que se pueda programar desde un PLC2, con el fin de hacerlo
versátil y accesible a estudiantes de Ingeniería.
1Puede encontrar más información sobre Robots manipuladores en la página web
http://www.tlalpan.uvmnet.edu/oiid/download/Robots%20manipuladores_04_ING_IMECA_PII_E%20E.pdf 2Por sus siglas en inglés (Programmable logic controller) puede encontrar más información en el sitio web
http://www.efn.uncor.edu/departamentos/electro/cat/eye_archivos/apuntes/a_practico/CAP%209%20PCo.pdf
23
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. SITUACIÓN ACTUAL
Actualmente en la Universidad se quiere ampliar el reto y la enseñanza que abarca temas de
robótica industrial, haciendo énfasis en la Ingeniería Mecatrónica; allí se ha venido
realizando una serie de avances en cuanto al desarrollo de un sistema de robótica industrial
basado en un equipo industrial facilitado por la empresa FESTO LTDA, a través del
convenio marco cooperación que se encuentra vigente.
Ilustración 1. Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.
El equipo en cuestión es un Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1 (ver Ilustración 1), el
cual fue donado por FESTO LTDA; presenta serios problemas en cuanto al sistema de
control de movimiento, pero puede ser puesto de vuelta en funcionamiento si se sigue un
estructurado proceso de repotenciación.
Las investigaciones y pruebas preliminares hasta ahora desarrolladas (ver antecedentes),
han mostrado que el Robot en cuestión es un buen inicio para el desarrollo de proyectos de
avanzada debido a su sencillo funcionamiento y la fácil realización de labores de
mantenimiento y reemplazo de piezas tanto mecánicas como eléctricas.
24
Por otro lado y debido a los altos costos de compra, instalación y capacitación que requiere
un Robot industrial, las opciones para la compra de uno de ellos se convierte en una opción
de bastante debate para la Universidad.
“Un Robot industrial Mitsubishi con capacidad de 2 kg, puede comprarse por alrededor de
ciento diez millones de pesos ($110.000.000), las negociaciones con KUKA Robotics
avanzaron hasta llegar a un Robot industrial instalado en la Universidad por un precio
aproximado de setenta millones de pesos colombianos ($70.000.000)”3.
1.2. ANTECEDENTES.
Parte del proceso de investigación que abarca este proyecto, comprende la búsqueda de
trabajos de índole investigativo, relacionados con sistemas flexibles de manufactura a nivel
mundial, dando énfasis en Robots manipuladores como el Robot Mitsubishi Movemaster
RV-M1. A continuación se mencionan algunos de los más importantes:
1.2.1. Diseño y construcción de circuito de potencia de vehículo eléctrico.
Realizado por A. Cantos, E. Moncayo del Programa de Especialización Tecnológica En
Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones (PROTEL); Escuela Superior Politécnica
Del Litoral (ESPOL).
Este antecedente se enfatiza en el control por PWM, para inversión de sentido de giro de
motores DC a través de un puente H (véase ilustración 2), a continuación se tiene un
extracto del resumen del informe donde se explica mejor el trabajo realizado y
posteriormente se hará énfasis en los puntos que sirven de apoyo para el diseño de las
tarjetas del Movemaster.
“En este proyecto se busca implementar y poner en funcionamiento la tarjeta de potencia de
un vehículo que sirva como material didáctico en algunas materias del flujo de las
diferentes áreas tales como: “Fundamentos de Robótica”, “Electrónica de potencia”,
“Microcontroladores” entre otras. El proyecto consta básicamente de 3 partes importantes
que a su vez se subdividen: en primer lugar el circuito de potencia con control PWM,
inversión de giro de los motores y limitador de corriente y por último la adecuación de los
controles tales como: ON/OFF, variación de velocidad y controles independientes para cada
motor4.”
3 BARRIOS GUTIÉRREZ, Edwin. BERNAL CASTILLO, Fredy. TEJADA OME, Camilo: Diseño de sistema
electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de Robot Movemaster RV-M1 de
Mitsubishi. Bogotá, 2011,92 h. Trabajo de grado (ingeniero Mecatrónico). Universidad de San Buenaventura
facultad de Ingeniería Mecatrónica. 4A. Cantos, E Moncayo: Diseño Y Construcción De Circuito De Potencia De Vehículo Eléctrico, Programa
de Especialización Tecnológica En Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones (PROTEL); Escuela
Superior Politécnica Del Litoral (ESPOL).
25
Ilustración 2. Circuito Inversor De Giro
Fuente: A. Cantos, E Moncayo: Diseño Y Construcción De Circuito De Potencia De Vehículo Eléctrico,
Programa de Especialización Tecnológica En Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones (PROTEL);
Escuela Superior Politécnica Del Litoral (ESPOL).
1.2.2. Interfaz electrónico basado en CPLD XC95108 y en driver L6203 para control
de motores DC a través del puerto paralelo de PC.
¨En este trabajo se muestra el diseño y estructura de una tarjeta electrónica de bajo costo,
para la excitación y control de motores DC a través del puerto paralelo del PC. El soporte
hardware conseguido facilita las tareas de identificación de planta y ejecución en tiempo
real sobre PC de múltiples soluciones de control digital para motores DC de hasta 20W¨5.
La solución adoptada responde a la estructura de la ilustración 3, donde se detallan los
dispositivos clave de la tarjeta electrónica y conexiones necesarias para su aplicación al
control de un motor DC dotado de encoder y caja reductora. Desde el puerto paralelo del
PC se envía la señal al CPLD. Éste genera las señales PWM necesarias para excitación del
puente en H integrado que alimenta al motor. La tarjeta electrónica diseñada, junto a
herramientas como MATLAB para la identificación, diseño y generación de código
ejecutable en tiempo real sobre el propio ordenador personal, constituye una solución muy
satisfactoria para ensayos de control electrónico.
5ESPINOSA, Felipe. GARCÍA, Juan. MATAIX, César. RODRÍGUEZ, Javier. SANTISO, Enrique. LÓPEZ,
Elena: “Análisis, diseño y realización de sistemas electrónicos de control continuo (2 Edición) ISBN: 84-
8138-175-6. Edita Dpto. Publicaciones Universidad de Alcalá. 1997.
26
Ilustración 3. Diagrama de bloques de la tarjeta electrónica y conexiones.
Fuente: ESPINOSA, Felipe. GARCÍA, Juan. MATAIX, César. RODRÍGUEZ, Javier. SANTISO, Enrique.
LÓPEZ, Elena: “Análisis, diseño y realización de sistemas electrónicos de control continuo (2 Edición)
ISBN: 84-8138-175-6. Edita Dpto. Publicaciones Universidad de Alcalá. 1997.
La etapa de potencia tiene como entrada las señales PWM generadas por el CPLD y como
salidas los puntos intermedios del puente donde se conecta el motor. La tarjeta electrónica
resultante del proyecto se muestra en la ilustración 4.
Ilustración 4. Aspecto real de la tarjeta electrónica diseñada.
Fuente: Ibid.
27
1.2.3. Caracterización de un Robot manipulador articulado.
Realizado por Ing. Salomón Abdalá Castillo, Ing. Raúl Ñeco Caberta, Junio 2003, centro
nacional de investigación y desarrollo tecnológico (CENIDET).6
El objetivo de esta tesis se fundamentó en el funcionamiento y documentación del Robot
SCORBOT-ER V plus (Ver ilustración 5) que forma parte de la celda de manufactura del
posgrado en Ingeniería Mecatrónica de la institución CENIDET, a fin de poder utilizarlo en
docencia e investigación y como punto de partida para futuras actividades en el área de
robótica. Estos fines se podrán lograr al obtener los modelos cinemático, dinámico,
parametrizar, simular en PC y validar el Robot mencionado con los recursos disponibles en
el CENIDET.
Ilustración 5. Robot SCORBOT-ER V plus.
Fuente: CASTILLO SALOMÓN, Abdalá. ÑECO CABERTA, Raúl: Caracterización De Un Robot
Manipulador Articulado, Cuernavaca, Morelos, Junio 2003. Centro nacional de investigación y desarrollo
tecnológico (CENIDET).
Este Robot se considera de tipo industrial y es capaz de trabajar en forma independiente
dedicado al ensamble de piezas, así como el depositar o recoger alguna pieza de la banda
transportadora de la celda que es la que comunica a este Robot, como lo muestra la
ilustración 6.
6 CASTILLO SALOMÓN, Abdalá. ÑECO CABERTA, Raúl: Caracterización De Un Robot Manipulador
Articulado, Cuernavaca, Morelos, Junio 2003. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
(CENIDET).
28
Ilustración 6. Robot SCORBOT-ER V plus y estación completa.
Fuente: CASTILLO SALOMÓN, Abdalá. ÑECO CABERTA, Raúl: Caracterización De Un Robot
Manipulador Articulado, Cuernavaca, Morelos, Junio 2003. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo
Tecnológico (CENIDET).
1.2.4. Acondicionamiento de un brazo manipulador monitoreado por medio de una
interfaz gráfica realizada con “ nTouch he Wonderware”.
Este proyecto fue realizado por Antonio Zamora Rafael, Galicia Balón Ricardo, León
Espínola Luis Mari. Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional “Adolfo López Mateos”.7
El objetivo principal de este trabajo de grado es acondicionar un brazo manipulador, así
como la implementación de una Interfaz Hombre Máquina realizada con el paquete
software InTouch The Wonderware.
Se realizaron las siguientes actividades para el desarrollo de este proyecto:
Acondicionar un brazo manipulador.
Desarrollar una interfaz gráfica para el brazo manipulador utilizando el software
InTouch The Wonderware.
Realizar un programa en un PLC para el movimiento del manipulador.
Establecer la comunicación entre el brazo manipulador y su interfaz gráfica.
7 ZAMORA, Rafael Antonio. GALICIA BALÓN, Ricardo. LEÓN ESPINOSA, Luis: Acondicionamiento De Un
Brazo Manipulador Monitoreado Por Medio De Una Interfaz Gráfica Realizada Con “InTouch The
Wonderware”. México D.F. 2009. Instituto Politécnico Nacional, escuela superior de Ingeniería mecánica y
eléctrica unidad profesional “Adolfo López Mateos”.
29
1.2.4.1. Desarrollo de la HMI.
Este software opera como sistema de visualización del estado del brazo manipulador,
permite monitorearlo y manipularlo en tiempo real desde una PC. La interfaz se adapta al
programa del PLC que manipula al brazo, por ello se podría utilizar la misma interfaz para
diferentes programas. Este sistema de la interfaz opera a través de un sistema de
comunicación, vía red de comunicación de datos. El software manipula las operaciones del
PLC en modo manual la cual habilita la acción de todos los elementos en el sistema, como
motores y sensores estos elementos sólo se manipulan con un funcionamiento ON/OFF.
Esta ventana muestra el brazo e indica la activación de cada una de sus partes en forma
digital, así como la interacción de un Gripper en sus diferentes facetas. (Ver ilustración 7).
Ilustración 7. HMI del Robot manipulador.
Fuente: ZAMORA, Rafael Antonio. GALICIA BALÓN, Ricardo. LEÓN ESPINOSA, Luis: Acondicionamiento
De Un Brazo Manipulador Monitoreado Por Medio De Una Interfaz Gráfica Realizada Con “InTouch The
Wonderware”. México D.F. 2009. Instituto Politécnico Nacional, escuela superior de Ingeniería mecánica y
eléctrica unidad profesional “Adolfo López Mateos”.
1.2.5. Antecedentes en la Universidad de San Buenaventura, Bogotá.
Es de gran importancia indagar la trascendencia del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1
en la Universidad de San Buenaventura, Bogotá, ya que con base a estos avances, se puede
tener un punto de referencia para concluir con los objetivos propuestos en este proyecto.
30
1.2.5.1. Desarrollo de software de simulación que permita recrear el movimiento del
modelo simplificado del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1 a través de algoritmos
de cinemática directa y cinemática inversa.
Este proyecto fue desarrollado para subsanar falencias asociadas entre el usuario y el
manipulador robótico, con fin de conocer sus características y poder programar
movimientos que permitan ejecutar tareas de índole industrial, analizando desde aspectos
generales y particulares en la creación del software (véase ilustración 8)8.
Ilustración 8. Posición del manipulador simulada en CIROS® Automation Suite 9.
Fuente: FERNÁNDEZ VEGA Jaime Andrés y RODRÍGUEZ CARRIZOSA Jorge Andrés, Desarrollo de
software de simulación que permita recrear el movimiento del modelo simplificado del Robot Mitsubishi
Movemaster RV-M1 a través de algoritmos de cinemática directa y cinemática inversa, Universidad de San
Buenaventura-Bogotá, Julio de 2011.
Se creó una interfaz amigable al usuario, de fácil manejo y desarrollada en GUIDE de
MATLAB (véase ilustración 9). En primer lugar se hizo un espacio gráfico para simular los
movimientos del Robot. También se crearon 5 cuadros para el ingreso de valores de
ángulos para la cinemática directa, un botón „calcular‟ para desarrollar internamente la
cinemática y por ultimo un icono estático en la parte superior izquierda que sirve para rotar
la gráfica. 8FERNÁNDEZ VEGA Jaime Andrés. RODRÍGUEZ CARRIZOSA Jorge Andrés: Desarrollo de software de
simulación que permita recrear el movimiento del modelo simplificado del Robot Mitsubishi Movemaster RV-
M1 a través de algoritmos de cinemática directa y cinemática inversa, Universidad de San Buenaventura-
Bogotá, Julio de 2011 9 Más información de CIROS ® Automation Suite en la web:<http://www.festo-didactic.com/int-en/learning-
systems/software-e-learning/ciros-automation-suite/>
31
Ilustración 9. Primera implementación de la interfaz.
Fuente: FERNÁNDEZ VEGA Jaime Andrés y RODRÍGUEZ CARRIZOSA Jorge Andrés, Desarrollo de
software de simulación que permita recrear el movimiento del modelo simplificado del Robot Mitsubishi
Movemaster RV-M1 a través de algoritmos de cinemática directa y cinemática inversa, Universidad de San
Buenaventura, Bogotá, Julio de 2011.
1.2.5.2. Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de
articulaciones de Robot Movemaster RV-M1 de Mitsubishi.
El principal objetivo de este trabajo de grado era diseñar e implementar un sistema de
electrónico para manejo de las señales digitales para el control de articulaciones del Robot
Movemaster RV-M1 de Mitsubishi.
Por medio de este documento se desarrollaron varias actividades de reconocimiento del
estado mecánico actual del Robot Movemaster RV-M1, de igual manera se identificarán las
señales funcionales para el sistema de control del Robot, dichas señales necesitan de un
tratamiento específico para que puedan ser recibidas correctamente por el dispositivo
encargado de ejercer la toma de decisiones en cuanto a movimiento del brazo. También se
estudiarán estrategias de control ante los actuadores encargados del movimiento del
Robot10
(ver ilustración 10).
10
BARRIOS GUTIÉRREZ Edwin Fernando, BERNAL CASTILLO Fredy David y TEJADA OME Camilo
Andrés, Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de
Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi,Universidad de San Buenaventura, Bogotá, Julio de 2011
32
Ilustración 10. Pruebas preliminares del Robot.
Fuente: BARRIOS GUTIÉRREZ Edwin Fernando, BERNAL CASTILLO Fredy David y TEJADA OME
Camilo Andrés, Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de
articulaciones de Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi, Universidad de San Buenaventura, Bogotá,
Julio de 2011.
Los autores concluyen que:
Es de total agrado para el grupo de investigación asegurar que se puede dar fé del
funcionamiento de todos los actuadores, sensores, cables y estructura soporte posibilitando
con ayuda de esta tesis el control del Robot Movemaster RV-M1 y si bien se tiene que dejar
el proyecto en etapa de desarrollo por motivos de tiempo y presupuesto, se puede asegurar
que es totalmente viable la continuación del proyecto y vale la pena su desarrollo en un
contexto educativo. Se espera que este desarrollo sirva de soporte a futuras investigaciones
que conlleven al fortalecimiento de los conocimientos de la automatización industrial.
1.3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
Se necesita rehabilitar el Robot manipulador Mitsubishi Movemaster RV-M1 el cual posee
motores como actuadores, finales de carrera y encoders como instrumentos de sensado para
los parámetros de movimiento, también consta de una tarjeta que acondiciona las señales de
los encoders, las cuales pueden ser utilizadas para su lectura; De la misma forma para el
control de posicionamiento del Robot en cada una de sus articulaciones.
¿Es factible el diseño e implementación de tarjetas electrónicas que permitan hacer posible
el control de movimiento y acondicionamiento de señales del Robot Mitsubishi
33
Movemaster RV-M1 para la incorporación de este sistema con fines académicos
proyectados a los estudiantes con propósitos de investigación?
1.4. JUSTIFICACIÓN.
Estos antecedentes y la actual proyección del programa de Ingeniería Mecatrónica de la
Universidad San Buenaventura, Bogotá, persuaden en la búsqueda de alternativas que
permitan el desarrollo de habilidades practico-teóricas por medio de proyectos de
investigación con afinidad a este ámbito de la Ingeniería. La presente propuesta plantea
una alternativa de solución a esta exigencia, a través de la recuperación del Robot industrial
Mitsubishi Movemaster RV-M1 para su correcta integración a procesos de enseñanza en la
formación de futuros ingenieros competentes de participar en diseños e implementación de
sistemas de este tipo, con el fin de aportar a la competitividad industrial en el país.
Adicional a la recuperación de este equipo de laboratorio se pueden mencionar que, para el
desarrollo de tecnologías nacionales es necesario fomentar la investigación de sistemas
robóticos, gracias a este tipo de proyectos permitirán la correcta apropiación de los
conocimientos que involucra el uso adecuado de estos equipos y el desarrollo de sistemas
más eficientes en la industria.
1.5. OBJETIVOS.
1.5.1. Objetivo general.
Diseñar e implementar un sistema electrónico de potencia que permita el
movimiento de las articulaciones del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.
1.5.2. Objetivos específicos.
Verificar los sistemas mecánicos y eléctricos que posee actualmente el Robot.
Diseñar el acondicionamiento de señal de los encoders, con el fin de conocer el
posicionamiento de cada articulación del Robot.
Diseñar un sistema de protección de parado de emergencia, al momento de
presentarse una obstrucción en la trayectoria del movimiento del Robot.
Diseñar un circuito electrónico que permita la lectura de los finales de carrera y la
activación de los frenos.
Diseñar tarjetas electrónicas de potencia para el manejo de las articulaciones del
Robot.
34
1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES.
Es preciso de antemano mencionar y aclarar los alcances y limitaciones que integra el
desarrollo de los objetivos planteados en los numerales anteriores. Esto es importante
puesto que aquí se plantean alternativas o valores agregados que no son tratados
específicamente como objetivos del proyecto.
1.6.1. Alcances.
Este proyecto está enfocado principalmente al ámbito académico, participando de manera
activa en la formación de profesionales del área de Ingeniería, más específicamente, a
aportar y adquirir conocimientos prácticos pudiendo así, añadir mejoras a esta plataforma.
El Robot tendrá tarjetas intercambiables de fácil acceso al operario en caso de fallas
eléctricas que puedan dejar inhabilitado el sistema.
Adicionalmente contará con un sistema de protección contra altas corrientes, con la
implementación de sensores de corriente. Cabe resaltar que el sistema tendrá una fuente
regulada de alta confiabilidad capaz de suplir los requerimientos eléctricos.
Dentro de las características propias del Robot, se tiene que el brazo posee 5 grados de
libertad dándole un amplio rango de movimientos.
Además el Robot quedará apto para la conexión de un PLC, y de este modo programar una
secuencia o rutina con base a sus características físicas, opcionalmente se puede integrar
una pantalla HMI al sistema.
Para corroborar el correcto funcionamiento del sistema eléctrico diseñado, se plantea
realizar una serie de secuencias programadas con un PLC.
1.6.2. Limitaciones.
Dentro de las limitaciones se encuentra la capacidad máxima de carga de 1kg la cual es una
condición propia del Robot, esto hace que el sistema tenga restricciones para el desarrollo
de tareas afines al traslado de objetos mayores a la carga mencionada, agregando también
el rango reducido de apertura del Gripper que conlleva a la manipulación de objetos de
escala pequeña (5cm x 5cm).
La base de giro del brazo es de 320º, por tanto esto limita su rango de movimiento teniendo
así puntos muertos en su área de trabajo.
Las principales limitaciones dependen del hardware que viene original del fabricante, por lo
tanto para su rehabilitación se deben diseñar todos los sistemas dentro de los alcances y
limitaciones inherentes al brazo.
35
Por otra parte, el Robot no cuenta con freno en la cintura, por consiguiente a la hora de que
el Robot este realizando una rutina, ésta puede llegar a ser afectada si una fuerza externa lo
mueve.
Además cabe aclarar que la estructura física del Robot, limita el transporte del mismo de
un lugar a otro, por ende debe ser anclado a una estación MPS.
36
2. MARCO DE REFERENCIA.
En la realización del proyecto, se aplican conocimientos adquiridos a través de la formación
profesional, y para poder comprender el desarrollo de las actividades realizadas, es
necesario tener en cuenta las bases fundamentales en la parte de electrónica, mecánica y
programación.
2.1. MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL.
Para la realización del proyecto, más precisamente en el diseño del sistema electrónico del
Robot y bases elementales sobre la robótica, es esencial que el lector tenga conocimiento de
bases fundamentales expuestas a continuación para la interpretación teórica apropiada,
algunos temas clave que abarcan lo anterior son: robótica, modulación por ancho de pulso
(PWM), motores DC, teoría básica sobre circuitos eléctricos, sensores y actuadores,
programación en PLC, entre otros.
2.1.1. Robótica
El termino Robot aparece por primera vez en 1921, en la obra teatral R.U.R. (Rossum‟s
Universal Robots) del novelista y autor dramático checo Karel Capek en cuyo idioma la
palabra “Robota” significa fuerza del trabajo o servidumbre.
El termino se aplica a autómatas construidos en los años veinte y treinta que se exhiben en
ferias, se trata de imitar movimientos de seres vivos pero también de demostrar técnicas de
control remoto, incluyéndose en algunos casos funciones sensoriales primarias; cabe
recordar que el termino Robot nace asociado a la idea de trabajo y producción en 1915.
Un concepto más apropiado de los Robots, es que son máquinas en las que se integran
componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos y de comunicaciones y dotadas de un
sistema informático para su control en tiempo real, percepción del entorno y programación.
La robótica industrial se trata fundamentalmente de dotar de flexibilidad a los procesos
productivos manteniendo al mismo tiempo la productividad que se consigue con una
máquina automática especializada. Se implementa en lugares difícilmente accesibles, con
riesgo de accidentes, en condiciones peligrosas para la salud, o trabajos difíciles por el
tamaño de los objetos que es necesario manipular, con el fin de no reemplazar al trabajador.
La robótica industrial, desde sus orígenes, estuvo muy orientada a las funciones de
manipulación. De hecho, suele considerarse que un Robot industrial es esencialmente un
Robot manipulador11
.
11
OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica manipuladores y Robots móviles. Barcelona, 2001. Marcombo,
S.A. p 2-3.
37
2.1.1.1 Esquema general del sistema Robot.
En la ilustración 11 se muestra el esquema básico de un Robot. Se identifica un sistema
mecánico, actuadores, sensores y el sistema de control como elemento básico necesario
para cerrar la cadena actuación-medidas-actuación.
Ilustración 11. Esquema básico de un Robot.
Fuente: OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica manipuladores y Robots móviles. Barcelona, 2001.
Marcombo, S.A. p. 4.
En el sistema mecánico puede distinguirse entre el órgano terminal, el brazo articulado, y
un vehículo. En la mayor parte de los Robots industriales no existe tal vehículo, estando fija
la base del brazo.
Desde el punto de vista del procesamiento de la información, en robótica se involucran
funciones de control de movimientos, percepción y planificación, como bucles de
realimentación de la información suministrada por los sensores internos, como del entorno.
Los sensores internos miden el estado de la estructura mecánica, y en particular, giros o
desplazamientos relativos entre las articulaciones, velocidades, fuerzas y pares, permitiendo
cerrar los bucles de control de las articulaciones de la estructura mecánica. Por otro lado los
sensores externos permiten dotar de sentidos al Robot. La información que suministran es
utilizada por el sistema de percepción para hacer posible la adaptación automática de su
comportamiento en función de las variaciones que producen su entorno, con la ayuda del
desarrollo de sistemas de percepción tales como sensores de visión, tacto y audición.
38
Finalmente, la planificación tiene como objetivo encontrar una trayectoria desde una
posición inicial a una posición objetivo, sin colisiones. Se plantea el problema en un
entorno que se supone conocido12
.
2.1.1.2. Clasificación de los Robots.
El entorno de los Robots es muy grande y diverso, donde según su arquitectura, servicios y
desarrollo tecnológico se ha tratado de clasificar de la mejor forma posible. Cabe aclarar
que cada vez más son más eficientes, dinámicos, confiables y seguros a la hora de realizar
sus tareas.
Robots manipuladores.
En la actualidad la mayor parte de los Robots industriales, son esencialmente brazos
articulados (véase la ilustración 12). Donde según la definición del “Robot Institute of
America”, un Robot industrial es un manipulador programable multifuncional diseñado
para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante
movimientos variados, programados para la ejecución de distintas tareas.
En la robótica subyace la idea de sustituir equipos capaces de automatizar operaciones
concretas por máquinas de uso más general que puedan realizar distintas tareas, ejecutadas
por un programa de las funciones de control ofreciendo una mayor flexibilidad, y la
posibilidad de implantar funciones complejas necesarias para controlar el manipulador13
.
Ilustración 12. Robot manipulador.
Fuente: OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica manipuladores y Robots móviles. Barcelona, 2001.
Marcombo, S.A. p 23.
12
OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica manipuladores y Robots móviles. Barcelona, 2001. Marcombo,
S.A. p 4. 13
Ibíd. p5.
39
Robots móviles.
Son Robots con grandes capacidades de desplazamiento, basados en carros o plataformas
dotados de un sistema locomotor de tipo rodante. Estos Robots son usados comúnmente en
la industria para trasladar objetos en cadenas de producción o en almacenes (Ver ilustración
13).14
Ilustración 13. Robot Móvil.
Fuente: Universidad de Alicante, Infraestructura de los Robots. [En línea] [Citado el: 9 Agosto de 2013.].
Disponible en la web: <http://m.sstti.ua.es/es/imagenes/infraestructuras/Robot-1.jpg>
Robots Androides.
Son Robots que intentan reproducir total o parcialmente la forma y el comportamiento
cinemático del ser humano. Actualmente, los Androides son todavía dispositivos muy poco
evolucionados y sin utilidad práctica, destinados especialmente a la experimentación. Un
ejemplo de un Robot androide es el ASIMO (véase ilustración 14), fabricado por Honda.15
14
BARRIOS GUTIÉRREZ Edwin Fernando, BERNAL CASTILLO Fredy David y TEJADA OME Camilo
Andrés, Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de
Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi, Universidad de San Buenaventura-Bogotá, Julio de 2011.P 15. 15
BARRIOS GUTIÉRREZ Edwin Fernando, BERNAL CASTILLO Fredy David y TEJADA OME Camilo
Andrés, Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de
Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi, Universidad de San Buenaventura-Bogotá, Julio de 2011.P 15.
40
Ilustración 14. Robot Androide ASIMO.
Fuente: Diseño-art, Asimo. [En línea] [Citado el: 9 Agosto de 2013.]. Disponible en la web:
<http://www.diseno-art.com/images/asimo2.jpg>
Robots zoomórficos.
Los Robots Zoomórficos constituyen una clase caracterizada principalmente por sus
sistemas de locomoción que imitan a los diversos seres vivos. Éstos se agrupan en dos
categorías: caminadores y no caminadores16
, (véase ilustración 15).
Ilustración 15. Robot Zoomórfico.
Fuente: Hombrelobo, TREX. [En línea] [Citado el: 9 Agosto de 2013.]. Disponible en la web:
<http://hombrelobo.com/uploaded_images/trex-746387.jpg>
Robots Híbridos.
Los Híbridos corresponden a aquellos de difícil clasificación, cuya estructura se sitúa en
combinación con algunas de las anteriores ya expuestas, bien sea por conjunción o
yuxtaposición. Por ejemplo, Robots articulados y con ruedas (conjunción) o un cuerpo
16
Ibíd. p 15.
41
formado por un carro móvil y de un brazo semejante al de los Robots industriales (véase
ilustración 16).17
Ilustración 16. Robot Hibrido.
Fuente: Blogspot, Hybrid Robot. [En línea] [Citado el: 9 Agosto de 2013.]. Disponible en la web:
<http://2.bp.blogspot.com/imagesCAUZUKZP.jpg>
2.1.2. Motores eléctricos DC.
Son máquinas que convierten la energía eléctrica en mecánica, también se conoce como
maquinaria de colector o conmutada.
La maquinaria rotatoria DC más sencilla posible se muestra en la ilustración 17. Consiste
en una sola espira de alambre que rota alrededor de una eje fijo. La parte rotante de la
máquina se llama el rotor; la parte estacionaria se denomina el estator. El campo magnético
de la máquina es suministrado por los polos norte y sur magnéticos mostrados sobre el
estator.
17
BARRIOS GUTIÉRREZ Edwin Fernando, BERNAL CASTILLO Fredy David y TEJADA OME Camilo
Andrés, Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de
Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi, Universidad de San Buenaventura-Bogotá, Julio de 2011.P16.
42
Ilustración 17. Máquina rotatoria DC.
Fuente: CHAPMAN, Stephen J. Máquinas eléctricas. 3 ed. Mc Graw Hill. p 484.
Nótese que la espira del rotor yace en una ranura labrada en un núcleo ferromagnético. El
hierro del rotor, junto con la forma curva de las caras polares, provee la anchura de
entrehierro constante entre el rotor y el estator. Para minimizar la reluctancia del camino
del flujo a través de la máquina, el flujo magnético debe tomar el camino más corto posible
a través del aire entre la cara polar y la superficie del rotor18
.
2.1.3. Modulación Por Ancho De Pulso (PWM)
La modulación por anchura de pulsos ó (PWM, del inglés pulse-width modulation) es una
técnica de modulación en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en
relación al período. Cuando más tiempo pase la señal en estado alto, mayor será la
velocidad del motor.
2.1.3.1. Ciclo útil (Duty Cycle).
Recibe este nombre la relación de tiempos entre el estado alto y bajo de la señal utilizada.
Se expresa como un porcentaje entre el periodo y el ancho del pulso. Cuando el ciclo útil es
cercano al 100%, el motor girará a una velocidad cercana a la máxima, ya que la tensión
promedio aplicada en sus terminales será casi igual a V+ (Véase ilustración 18). Si el ciclo
18
CHAPMAN, Stephen J. Máquinas eléctricas. 3 ed. Mc Graw Hill. p 483.
43
útil se aproxima a 0%, el motor girará muy despacio, debido a que la tensión promedio será
casi cero.19
Ilustración 18. Ciclo Útil PWM.
Fuente: Ucontrol. Ucontrol. Desarrollo de sistemas de automatización y control. [En línea] [Citado el: 8 de
Agosto de 2013.]. Disponible en la web:
<http://www.ucontrol.com.ar/Articulos/PWM_modulacion_por_ancho_de_pulsos/PWM_modulacion_por_an
cho_de_pulsos.htm>
2.1.3.2. Aplicaciones.
El uso de señales PWM es utilizada comúnmente en la industria en aplicaciones como lo
son: generación de señales sinusoidales, control de velocidad de un motor DC, control de
carga de una batería, control de intensidad de luz de una lámpara (dimmer), entre otras.
En relación a los motores, se puede decir que la modulación por ancho de pulsos es una
técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par
motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica.
2.1.4. Transductores y sensores.
Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un
significado más extenso: la ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de
cantidades físicas que, por su naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente
por los sentidos20
. Transductor, en cambio, sugiere que la señal de entrada y la de salida no
19
Ucontrol. Ucontrol. Desarrollo de sistemas de automatización y control. [En línea] [Citado el: 8 de Agosto
de 2013.]. Disponible en la web:
<http://www.ucontrol.com.ar/Articulos/PWM_modulacion_por_ancho_de_pulsos/PWM_modulacion_por_an
cho_de_pulsos.htm> 20
PALLÁS ARENY, Ramón: Sensores y Acondicionadores de Señal. Barcelona, España, 2003, Marcombo 4ta
Edición .p 2.
44
deben ser homogéneas. Según lo anterior se presentan a continuación aquellos sensores y
transductores integrados en el Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.
2.1.4.1. Codificadores Incrementales.
Un codificador es un dispositivo que genera una salida digital como resultado de un
desplazamiento ya sea linear o angular. Se pueden clasificar en dos: codificadores de
incremento y los codificadores absolutos. El primer tipo detectan el cambio de posición a
partir de una posición de datos y el segundo tipo proporciona la posición angular real.21
En un codificador de posición incremental hay un elemento lineal o un disco con poca
inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar. Dicho
elementos posee dos tipos de zonas o sectores, con una propiedad que las diferencia,
dispuestas de forma alternativa y equidistante tal como se indica en la ilustración 19. De
este modo, un cambio de posición produce un cambio definido en la salida. La resolución,
de un sensor angular, dada como impulsos de salida está determinada por:22
Donde D es el diámetro del disco y X la anchura de cada sector codificado.
Ilustración 19. Codificador de posición incremental.
Fuente: PALLÁS ARENY, Ramón: Sensores y Acondicionadores de Señal. Barcelona, España, 2003,
Marcombo 4ta Edición.
21
VENEGAS REQUENA, Javier: Encoders. [En línea] [Citado el: 8 de Agosto de 2013.]. Disponible en la
<web: http://www2.elo.utfsm.cl/~elo212/docs/Encoders-jvr-v01.pdf> 22
PALLÁS ARENY, Ramón: Sensores y Acondicionadores de Señal. Barcelona, España, 2003, Marcombo 4ta
Edición. p 360.
45
Codificador en Cuadratura
Corresponde a un tipo de codificador incremental que utiliza dos sensores ópticos
posicionados con un desplazamiento de ¼ de ranura el uno del otro, generando dos señales
de pulsos digitales desfasada en 90º o en cuadratura. A estas señales de salida, se les llama
comúnmente A y B. Mediante ellas es posible suministrar los datos de posición, velocidad
y dirección de rotación del eje. Si se incluye la señal de referencia, se le denomina I
(índice).
Usualmente, si la señal A adelanta a la señal B (la señal A toma valor lógico “1” antes que
la señal B, por ejemplo), se establece el convenio de que el eje está rotando en sentido
horario, mientras que si “B” adelanta a “A”, el sentido será anti horario (Ver ilustración
20).23
Ilustración 20. Disco ranurado y señales en cuadratura.
Fuente: VENEGAS REQUENA, Javier: Encoders. [En línea] [Citado el: 1 Septiembre de 2013.]. Disponible
en la web: <http://www2.elo.utfsm.cl/~elo212/docs/Encoders-jvr-v01.pdf>
2.1.4.2. Sensores de contacto.
El final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o
limit swicht, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del
recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo
de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden
contener interruptores normalmente abiertos (NA), cerrados (NC) o conmutadores
dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados.
23
VENEGAS REQUENA, Javier: Encoders. [En línea] [Citado el: 1 Septiembre de 2013.]. Disponible en la
web: <http://www2.elo.utfsm.cl/~elo212/docs/Encoders-jvr-v01.pdf>
46
Ilustración 21. Final de carrera configuración interna.
Fuente: DACS, Sensores. [En línea] [Citado el: 3 Septiembre de 2013.]. Disponible en la web:
<http://sensoresdeproximidad.blogspot.com/>
Generalmente estos sensores están compuestos por dos partes (Ver ilustración 21): un
cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Su uso
es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento
rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una
carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, Robots, etc.24
2.1.4.3. Dispositivos de protección contra corrientes.
Para poder proteger a los motores se estudiaron los siguientes dispositivos que permiten
detectar altas corrientes.
Tabla 1. Especificaciones de dispositivos de protección contra corrientes.
Dispositivo Descripción Ilustración
Fusible
Hilo o chapa metálica, fácil de fundirse, que
se coloca en algunas partes de las
instalaciones eléctricas, para que, cuando la
corriente sea excesiva, la interrumpa
fundiéndose25
.
24
DACS, Sensores. [En línea] [Citado el: 3 Septiembre de 2013.]. Disponible en la web:
<http://sensoresdeproximidad.blogspot.com/> 25
REAL ACADEMIA ESPAÑOLA, Fusible. [En línea] [Citado el: 26 Octubre de 2013.]. Disponible en la
web: <http://lema.rae.es/drae/?val=fusible>
47
Relé térmico
El relé térmico electrónico ha sido diseñado
para proteger motores eléctricos. Estos
aparatos operan en el principio de
monitorear la corriente del circuito
arrancador motor y, cuando la corriente
excede de unas condiciones prefijadas, o no
pasa corriente por alguna fase, el aparato
iniciará el circuito de disparo que
desconectará la potencia del arrancador
protegiendo así al circuito y al motor26
.
Sensor efecto
Hall
Cuando fluye una corriente a través de un
sensor Hall y este se aproxima a un campo
magnético perpendicular; entonces se crea
un voltaje saliente proporcional al producto
de la fuerza del campo magnético y de la
corriente27
.
La aplicación de este elemento en el Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1 es de gran
utilidad ya que por medio de este se puede medir la corriente que circula por los motores.
2.1.5. Amplificadores Operacionales.
Es un amplificador diferencial de ganancia muy alta que se utiliza como bloque
constructivo para el diseño de una amplia gama de circuitos electrónicos28
. El nombre de
amplificador operacional proviene de una de las utilidades básicas de este, como son la de
realizar operaciones matemáticas en computadores analógicos (características operativas).
Originalmente los amplificadores operacionales (AO) se empleaban para operaciones
matemáticas (Suma, Resta, Multiplicación, División, Integración, Derivación, etc.) en
calculadoras analógicas, de ahí su nombre.29
26
General Electric, Relé Térmico Electrónico RE. [En línea] [Citado el: 26 Octubre de 2013.]. Disponible en
la web:
<http://www.gepowercontrols.com/es/product_portfolio/control_automation/overloads/Electronic_Overload_
Relay.html> 27
Motor Brushless, Sensor de efecto HALL ( o sonda Hall ) en los motores brushless dc. [En línea] [Citado
el: 26 Octubre de 2013.]. Disponible en la web: <http://www.motorbrushless.es/index.php/sensor-de-efecto-
hall-o-sonda-hall> 28
DRAKE MOYANO, José María: Instrumentación Electrónica de Comunicaciones. Santander, 2005.
Universidad de Cantabria, Escuela técnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicación.3p. 29
PINTOR, Nicolau: Lecciones de electrónica. [En línea] [Citado el: 1 Septiembre de 2013.]. Disponible en
la web: <http://www.ifent.org/temas/amplificadores_operacionales.asp>
48
Las configuraciones más conocidas de los amplificadores operacionales son las siguientes:
I. El amplificador inversor.
El amplificador inversor (Ver ilustración 22) es el circuito amplificador operacional más
básico. Utiliza realimentaci6n negativa para estabilizar la ganancia de tensi6n total30
.
La ganancia de tención y la impedancia de entrada están dadas por las siguientes
expresiones:
Ilustración 22. Amplificador Inversor.
Fuente: MALVINO, Albert Paul: Principios de Electrónica. Aravaca, Madrid. McGraw-Hill/Interamericana
de España, S.A.U. Sexta Edición. p 685.
II. El amplificador no inversor.
El amplificador no inversor (Ver ilustración 23) es otro circuito básico de amplificador
operacional. Utiliza realimentación negativa para estabilizar la ganancia total de tensión.
Con este tipo de amplificadores la realimentación negativa también, provoca el incremento
de la impedancia de entrada y la disminución de impedancia de salida31
.
La ganancia de tensión y la impedancia de entrada están dadas por las siguientes
expresiones:
(1)
(2)
30
MALVINO, Albert Paul: Principios de Electrónica. Aravaca, Madrid. McGraw-Hill/Interamericana de
España, S.A.U. Sexta Edición. p 685. 31
Ibíd. 691p.
49
Ilustración 23. Amplificador no inversor.
Fuente: MALVINO, Albert Paul: Principios de Electrónica. Aravaca, Madrid. McGraw-Hill/Interamericana
de España, S.A.U. Sexta Edición. p 691.
III. Amplificador Comparador.
El amplificador operacional comparador (Ver Ilustración 24) suele usarse para comparar
una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia (Vref).
El voltaje de salida (Vout) está dado por el siguiente rango.
(3)
Ilustración 24. Amplificador Comparador.
Fuente: MOLINA, José Luis: Profesor Molina. [En línea] [Citado el: 1 Septiembre de 2013.]. Disponible en
la web: <http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/ampli_oper.htm>
50
2.1.6. Inversor de giro tipo puente H.
Está basado en hacer girar los motores impulsores de mecanismos como Robots, máquinas
herramientas (CNC) o cualquier otro sistema electromecánico que requiera de movimiento
de piezas.
El “puente H” o “H bridge” también conocido como “puente completo”, adopta la letra H
para su nombre debido a la forma que presenta dentro de un circuito esquemático
simplificado, (Ver ilustración 25). En la barra central se encuentra ubicado el motor y en
cada “rama lateral” ascendente o descendente se ubican los conmutadores que, activados de
manera apropiada, brindarán al sistema los movimientos necesarios para que el motor
utilizado pueda girar en un sentido u otro.32
Ilustración 25. Esquema básico simplificado de un puente H.
Fuente: Mario.Puente H para motores CC. [En línea] [Citado el: 3 Septiembre de 2013.]. Disponible en la
web: <http://www.neoteo.com/puente-h-con-mosfet-para-motores-cc/>.
Según la ilustración anterior, para accionar el motor, se debe activar los switch de
conmutación por pares opuestos. Para un giro seguro en uno de los dos sentidos, se debe
cerrar S1 y S4, observando que S2 y S3 permanezcan abiertas. En el caso inverso sería S2 y
S3 cerradas, mientras que S1 y S4 deberán permanecer abiertas. Un error en la activación
provocará un corto en la fuente de alimentación.
2.1.7. Controlador Lógico Programable (PLC).
Estos controladores evolucionaron ya que la industria buscó formas más económicas para la
automatización de líneas de producción, particularmente en la fabricación de equipos,
bienes de consumo y productos de la industria pesada. Así el PLC ha sustituido los sistemas
32
Mario. Puente H para motores CC. [En línea] [Citado el: 3 Septiembre de 2013.]. Disponible en la web:
<http://www.neoteo.com/puente-h-con-mosfet-para-motores-cc/>
51
eléctricos basados en relés, cableados, y más recientemente en circuitos lógicos
neumáticos.33
Un PLC típico tiene cuatro componentes diferentes pero interrelacionados, estos son:
I. Una sección de entrada / salida, que conecta el PLC con el mundo exterior (la máquina
con sus sensores, válvulas de solenoide e interruptores, lámparas, calentadores y
motores eléctricos).
II. Una unidad de procesamiento central (CPU), que es basado en un microprocesador.
Contando también con elementos de memoria RAM y ROM (véase la ilustración 26).
Ilustración 26. Unidad de procesamiento de un PLC.
Fuente: PRIETO Paloma, Lenguajes de Programación. [En línea] [Citado el: 5 Octubre de 2013.].
Disponible en la web: <http://recursostic.educacion.es/observatorio/web/ca/component/content/article/502-
monografico-lenguajes-de-programacion?start=3>.
III. Una unidad de programación, que puede ser una consola portátil de programación, un
PLC de tipo escritorio PROGRAMMER especial, similar a un ordenador portátil, o un
ordenador de sobremesa con monitor. (véase la ilustración 27).
33
ROHNER, Peter. Automation with programmable logic controllers. Sydney, Australia, 1996. Southwood
Press, Marrickville, NSW. p 1-2.
52
Ilustración 27. Unidad de Programación
Fuente: RS, PLC programming console. [En línea] [Citado el: 5 Octubre de 2013.]. Disponible en la web:
<http://ae.rsdelivers.com/product/omron-electronics/cqm1hpro01e/cqm1h-pro01e-plc-programming-
console/4329557.aspx>
IV. Una fuente de alimentación a los sensores de potencia de entrada y señales de salida
que conducen a las lámparas, motores, calentadores y solenoides de las válvulas de
potencia de fluidos (usualmente 24V DC).34
2.1.8 Concepto de herramientas CAD.
Las herramientas CAD (Diseño Asistido por Computadora, de sus siglas en inglés
Computer Aided Design) son asociadas por la mayoría con el dibujo, sin embargo, dado
que el diseño incluye otras fases, el término CAD es empleado tanto para el dibujo, como
para el resto de las herramientas que ayudan al diseño.
El gran impacto que han producido las herramientas CAD sobre el diseño de circuitos
electrónicos ha producido que un gran número de compañías dedicas a la fabricación de
software hayan sacado al mercado programas dedicados a esta rama. Las primeras de éstas
tenían una interfaz de usuario poco amigable, pero la adición de interfaces gráficas de los
actuales programas, hace que cualquier usuario intermedio, sin un gran conocimiento sobre
este tipo de programas, sea capaz de aprenderlos en un par de horas.
La producción de hardware tenía una gran desventaja en comparación con la producción
de software, este era el alto coste del ciclo (Ver ilustración 28).
34
ROHNER, Peter. Automation with programmable logic controllers. Sydney, Australia, 1996. Southwood
Press, Marrickville, NSW. p 1-2.
53
Ilustración 28. Antiguo proceso en la producción de hardware.
Fuente: Future Works: Manual de Orcad Layout. [En línea] [Citado el: 7 Septiembre de 2013.]. Disponible
en la web:
<http://www.futureworkss.com/tecnologicos/electronica/manuales/Manual%20del%20orcad%20Layout.pdf>
Los diseñadores de herramientas CAD tuvieron la idea de incluir dentro de éstas,
herramientas que permitieran al usuario simular el funcionamiento que tendría el producto
sin necesidad de ser armado, con esto abaratando la producción de hardware. En la
ilustración 30 se muestra el proceso actual.
En el ciclo actual de diseño de hardware las herramientas CAD están presentes en todos los
pasos; en el primer paso donde se captura un esquema del circuito, en la simulación (cabe
mencionar que estas herramientas permiten atender un nivel de simulación, dependiendo de
qué tan apegada a la realidad quiera el usuario que sea y por último las herramientas que
sirven para la realización de PCB (Printed Circuit Board))35
, (ver ilustración 29).
Ilustración 29. Proceso actual en la producción de hardware.
Fuente: Future Works: Manual de Orcad Layout. [En línea] [Citado el: 7 Septiembre de 2013.]. Disponible
en la web:
<http://www.futureworkss.com/tecnologicos/electronica/manuales/Manual%20del%20orcad%20Layout.pdf>
35 Future Works: Manual de Orcad Layout. [En línea] [Citado el: 7 Septiembre de 2013.]. Disponible en la
web:
<http://www.futureworkss.com/tecnologicos/electronica/manuales/Manual%20del%20orcad%20Layout.pdf>
54
3. METODOLOGÍA
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN.
Se optará por el método empírico-analítico para el desarrollo de una serie de
procedimientos que permitan lograr avances en el cumplimiento de los objetivos
específicos planteados anteriormente.
Con el fin de determinar una base metodológica sustentada para concluir los objetivos
propuestos, se presentan a continuación los procedimientos que se deben cumplir con el
ánimo de llevar a un buen término el proyecto.
Tabla 2. Desarrollo de la metodología.
Objetivo Específico 1
Verificar los sistemas mecánicos y eléctricos que posee actualmente el Robot.
Procedimiento Propuesto
Se propone la aplicación del concepto de “Ingeniería inversa”; y a partir de los resultados
allí obtenidos, se procederá a indagar el procedimiento para repotenciación del Robot.
Las actividades y tareas ligadas con este procedimiento se describen a continuación.
Tarea. Actividades
1. Características del Robot
1.1 Se procederá principalmente a analizar el manual
que provee el fabricante del Robot, con el objetivo de
conocer nuevas bases para el desarrollo de esta
investigación y así poder identificar las características
generales del Robot.
Recursos Requeridos:
Material bibliográficos (manuales, libros, etc.), Robot
Mitsubishi Movemaster RV-M1, herramientas.
2. Chequeo general sistema
2.1 Se prosigue con la revisión de los componentes
electromecánicos que actualmente posee el Robot,
verificando que esté en correcto funcionamiento de
acuerdo a las especificaciones ofrecidas por el manual
del usuario.
55
2.2 Realizar mantenimiento general a las piezas y
componentes que lo requieran y si es necesario realizar
el reemplazo de los elementos defectuosos según su
valoración.
2.3 Identificar la estructura física del Robot con el
objetivo de descubrir piezas o partes faltantes al sistema.
Objetivo Específico 2
Diseñar el acondicionamiento de señal de los encoders, con el fin de conocer el
posicionamiento de cada articulación del Robot.
Procedimiento Propuesto
Para cumplir con este objetivo se debe identificar cada una de las señales de los encoders, y
realizar la etapa de acondicionamiento para que cualquier PLC pueda leerlas.
Tarea. Actividades
1. Reconocimiento de los
encoders
1.1 Determinar el funcionamiento de las señales que
provienen de la tarjeta de fábrica del Robot.
1.2 Realizar pruebas para la verificación del
comportamiento de las señales frente al cambio de
posición de los motores.
2. Diseño del acondicionador de
señal.
2.1 Diseñar el acondicionador de señal para el manejo de
las señales provenientes de los encoders, realizando una
etapa de amplificación entre un rango de [5Vpp] a
[24Vpp] con el fin de que se puedan leer estas señales
por medio un PLC.
Objetivo específico 3
Diseñar un sistema de protección de parado de emergencia, al momento de presentarse una
obstrucción en la trayectoria del movimiento del Robot.
Procedimiento Propuesto
Para evitar daños en las tarjetas de potencia y en los motores debido a los altos picos de
corriente, es necesario implementar un sistema que permita la detección de exceso de carga
en los motores. También para prevenir que el Robot se estrelle con un objeto externo.
Tarea Actividades
1. Medición de la corriente
nominal de los motores
1.1 Se procede a alimentar cada motor del sistema (con y
sin carga) y posteriormente medir la corriente de cada
uno.
56
1.2 Identificar qué tipo de movimientos son críticos para
el Robot, conociendo el consumo de corriente de cada
articulación.
2. Diseño del circuito para la
protección de los motores.
2.1 Mediante el proceso experimental, se busca la mejor
solución al problema planteado.
2.2 Diseñar el acondicionamiento de señal que requiere
el sensor, de acuerdo a los parámetros que se deseen.
Objetivo Específico 4
Diseñar un circuito electrónico que permita la lectura de los finales de carrera y la
activación de los frenos.
Procedimiento Propuesto
Es importante la integración de este circuito puesto que el Robot no cuenta con este
sistema, es de gran necesidad tener presente las señales generadas por los finales de carrera
ubicados en los topes de las articulaciones, esto indica que el Robot no puede avanzar más
de lo que le permite su estructura física. El Robot posee dos frenos en las articulaciones
principales (Hombro y Codo) y se deben manipular adecuadamente a la hora de realizar
movimientos.
Tarea. Actividades
1. Funcionamiento (Finales de
carrera y frenos
electromagnéticos)
1.1 Se identifica las conexiones eléctricas de los finales
de carrera comprobando la relación que tienen con la
tarjeta de señales del Robot.
1.2 Identificar el correcto funcionamiento de los frenos
en pruebas de movimiento.
2. Parámetros para la
elaboración de la tarjeta
2.1 Conocer el consumo de corriente que se necesita para
la activación de la bobina del freno.
2.2 Se plantea qué elementos electrónicos son necesarios
para la realización de la tarjeta controladora del frenado
y señales de sensores de contacto.
3. Diseño e implementación de
la tarjeta.
3.1 Se procede al diseño del PCB para la integración de
los finales de carrera y los frenos electromagnéticos.
Objetivo Específico 5
Diseñar tarjetas electrónicas de potencia para el manejo de las articulaciones del Robot.
Procedimiento Propuesto
Se realizaran pruebas de laboratorio para obtener datos necesarios que servirán para la
construcción de la nueva tarjeta de potencia, en dichas pruebas se medirán las propiedades
eléctricas como corriente y voltaje a los que operan los actuadores y determinar el
57
comportamiento de las señales de salida de los sensores; con la ayuda del material
bibliográfico y fuentes virtuales.
Tarea. Actividades
1. Parámetros para la
elaboración de tarjetas de
potencia.
1.1 Con los datos obtenidos en el objetivo 3, se optará
por realizar el diseño de un circuito inversor de giro
capaz de soportar las especificaciones de los motores.
1.2 Se realizarán pruebas basadas en simulaciones con el
fin de corroborar el diseño del circuito inversor de giro a
implementar.
1.3 Realizar pruebas de laboratorio con el fin de buscar
posibles fallas al diseño previo por medio de un PWM.
Identificando la frecuencia de trabajo de los motores.
1.4 Adaptar el circuito electrónico para el control por
medio de un PLC, esto conlleva el manejo de señales de
24V DC para todo tipo de señal.
2. Diseño e implementación de
la tarjeta.
2.1 Definición de la tarjeta final a implementar en el
sistema.
2.2 Se procede al diseño del PCB del circuito diseñado.
2.3. Se integrará la tarjeta a la caja de control.
Actividades Complementarias
Realizar una serie de secuencias programadas a través de un PLC.
Procedimiento Propuesto
Se plantea verificar el funcionamiento del sistema electrónico diseñado, para ello se opta
por programar un PLC para ejecutar una serie de movimientos en el Robot. Se procede a
implementar el PLC FESTO FEC Compact ya que la Universidad cuenta con éstos.
Tarea. Actividades
1. Programa de lectura de
pulsos de los encoders.
1.1 Identificar y configurar los módulos de lectura rápida
del PLC.
1.2 Se procede a realizar movimientos repetitivos con
velocidad constante en las articulaciones con un rango
determinado, comprobando que la lectura de los
encoders sea la misma en las pruebas.
1.3 Realizar la actividad anterior con diferentes
velocidades (baja, media y alta), y así identificar en que
58
velocidades se pierden datos de lectura.
2. Programa de rampa de
velocidad.
2.1 Con los datos obteniditos de las actividades
anteriores, se desarrolla el cálculo de la rampa de
velocidad a implementar en el sistema.
2.2 Se procede a realizar pruebas planteando una
referencia de posición e identificar el error obtenido con
el fin de determinar la velocidad máxima adecuada en la
rampa.
2.3 Cumpliendo con la actividad anterior se procede a
realizar pruebas con referencias de posición bajas,
medianas y altas. Con el fin de identificar el
comportamiento de la rampa.
3. Conexión de los PLCs por
cascada.
3.1 Configurar los módulos de comunicación de los
PLCs y realizar pruebas de laboratorio con el fin de
verificar la comunicación.
3.2 Realizar una rutina de movimientos programados con
el fin de verificar el funcionamiento de las tarjetas de
potencia diseñadas.
3.2. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN.
Este proyecto pertenece a la línea de investigación institucional Tecnologías actuales y
sociedad de la Universidad de San Buenaventura, Bogotá. La línea investigación de la
Facultad de Ingeniería a la que se enfocada es el análisis y procesamiento de señales (APS)
donde específicamente se abarca los núcleos problémicos de: control, automatización y
robótica.
59
4. DISEÑO INGENIERIL
Para el desarrollo ingenieril, es de gran importancia seguir una metodología para cumplir
con el objetivo general del proyecto. Aunque la metodología presentada anteriormente
parece lineal y consecutiva, algunos de los objetivos pueden realizarse simultáneamente,
puesto que en algunas actividades y tareas se relacionan entre sí, así mismo y de acuerdo a
los resultados que se obtengan en las pruebas, algunas de las actividades tendrán que
reconsiderarse, con el motivo de corregir problemas que se presenten durante el desarrollo
de los objetivos.
4.1 OBJETIVO 1. Verificar los sistemas mecánicos y eléctricos que posee actualmente
el Robot.
4.1.1 Actividad 1.
Se plantea un estudio minucioso del manual del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1,
con el ánimo de encontrar las limitaciones de trabajo tanto de alimentación eléctrica, como
de carga mecánica, además de explorar las características intrínsecas de los motores que
permiten el movimiento de las articulaciones. (Grados de Libertad, tipo de movimientos por
ejes, sensores internos y externos, tarjetas electrónicas, entre otros).
El cumplimiento de esta actividad se realizó a través de la revisión de dos fuentes
principalmente, a saber: el manual de funcionamiento del Robot36
y material especializado
en el tema de robótica37
. La lectura de cada uno de ellos permitió comprender los diversos
conceptos asociados con las partes fundamentales del sistema, sus articulaciones y
principales tipos de movimiento (ver ilustración 30). Esta información se contrastó con
mediciones y observaciones sobre el sistema real para llegar al resumen que se presenta a
continuación:
36
Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation. 37
Theory of applied Robotics, Kynematics Dynamics and Control; Reza N. Jazar, Springer 2007
60
Ilustración 30. Principales Componentes Brazo Robot.
Cada una de las articulaciones del Robot (representadas con colores en la ilustración
anterior), le aportan un grado de libertad al Robot (5 en total: cintura, hombro, codo,
muñeca, muñeca en giro); todas ellas son articulaciones de rotación, en algunos casos en el
mismo plano (J2, J3, J4) o en algunos otros en planos de movimiento perpendiculares (J1,
J5). Así mismo cada articulación cuenta con finales de carrera que permiten la fácil
detección del recorrido final, en el espacio de trabajo del Robot.
61
Finalmente se analizó en detalle el espacio de trabajo del Robot38
realizando una
comparación de los datos arrojados por el manual de usuario, donde se especifica el grado
de libertad en cada articulación y se constatan los alcances mencionados a través de la
manipulación manualmente del Robot por medio de un transportador (ver tabla 3). Detalles
adicionales acerca del funcionamiento del Robot y sus capacidades puede encontrarse en el
manual en cuestión.
Tabla 3. Comparación de datos.
Manual del Robot Constancia
Articulación Grados Grados Ilustración
Espacio
de
trabajo
del
Robot
Cintura 300º 300º
Hombro 130º 130º
38
Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 1-8.
62
Codo 110º 110º
Muñeca 180º 182º
Fuente: Tabla desarrollada por los autores con datos del manual, Industrial Micro-Robot System Model RV-
M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 1-7.
De la tabla anterior se concluye que el movimiento en las articulaciones es correcto y que el
sistema no posee obstrucciones que impidan operar el Robot en el espacio de trabajo.
4.1.2 Actividad 2.
Se procederá a corroborar el estado actual del Robot tomando como referencia las
especificaciones descritas en el manual de funcionamiento, para ello se examinará la
estructura interna del mismo haciendo énfasis en los mecanismos y cableados que posee,
siguiendo las instrucciones planteadas a continuación.
Para verificar el estado interno actual del Robot (Ver ilustración 31), se procede a retirar las
cubiertas protectoras39
, cabe aclarar que el Robot carece de las cubiertas de la base, por
consiguiente se tiene acceso a los componentes internos del Robot y así permitir verificar el
estado y funcionamiento de los componentes electromecánicos como motores, correas,
frenos electromagnéticos, finales de carrera, levas de accionamiento de finales de carrera,
eslabón de la articulación J3, conexiones eléctricas, etc.
39
Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-11.
63
Ilustración 31. Estructura interna del Robot.
A propósito de lo mencionado anteriormente, en la anterior ilustración se visualiza el retiro
de las cubiertas protectoras, nótese que a simple vista no se pueden localizar con exactitud
todos los componentes, para tener un conocimiento previo del funcionamiento del Robot, es
necesario conocer la ubicación y cantidad de cada uno de los componentes
electromecánicos que posee el Robot internamente, para ello se procede a examinar el
manual del usuario donde se especifica detalladamente estos componentes internos (ver
ilustración 32).
64
Ilustración 32. Esquema del Robot.
Fuente: Ilustración Adaptada del Manual del Robot, Industrial Micro-Robot System Model RV-M1,
Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-9.
Debido a la antigüedad y uso que tuvo este Robot, se procede a realizar una rápida
inspección a los motores, cada uno de ellos fueron desmontados de la estructura del Robot,
gracias a esto se pudo determinar que las articulaciones J1, J2 y J3 comparten un tipo de
motor, mientras que J4 y J5 poseen un motor distinto (ver tabla 5). Este proceso de
inspección y mantenimiento de los motores, más específicamente la verificación de las
escobillas se realizó siguiendo los procedimientos descritos en el manual del Robot (ver
ilustración 33).
65
Ilustración 33. Límite de desgaste en escobillas.
a) Límite de desgaste
b) Estado actual
Fuente: a) Ilustración Adaptada del manual del Robot, Industrial Micro-Robot System Model RV-M1,
Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-14.
Después de realizar la inspección se puede concluir, que todas las escobillas de los motores
del Robot se encuentran en buen estado cumpliendo con la recomendación que el manual
aporta, se deduce que los motores pueden funcionar con normalidad con estas escobillas.
Culminada la tarea anterior, se verifica el estado general de las correas de transmisión;
condición física y ajuste de tensión, con el fin de identificar posibles fallas del sistema de
transmisión. Se puede apreciar a simple vista que las correas no poseen fisuras ni desgaste
(poca socavación entre los dientes), según el manual se debe aplicar una fuerza (gramos
fuerza) provocando una deflexión aproximada en cada una de las correas como se muestra
en la siguiente tabla.
Tabla 4. Deflexión y carga en las correas.
Articulación Deflexión Carga
Cintura 2.7 mm 22 a 37 gf
Hombro 1.6 mm 22 a 37 gf
Muñeca 1.2 mm 11 a 19 gf
Fuente: Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-29.
66
Se procede a realizar el procedimiento mencionado anteriormente, donde el resultado fue el
ajuste correcto en cada una de las correas. A continuación se muestra uno de los resultados
obtenidos en el sistema de transmisión de la muñeca (ver ilustración 34).
Ilustración 34. Tensión en las correas de transmisión
a) Tensión recomendada
b) Estado actual
Fuente: a) Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-23.
Adicionalmente en esta actividad fue posible verificar el funcionamiento de los frenos
electromagnéticos que poseen las articulaciones J2 y J3 (ver ilustración 32 y 35),
comprobando que se energice la bobina de cada uno y en este caso que la parte superior del
brazo y antebrazo se liberen.
Ilustración 35. Freno electromagnético.
Posteriormente fue factible revisar el estado y funcionamiento de los finales de carrera (en
la ilustración 32 se muestra la ubicación de cada uno), se pudo comprobar el buen estado de
los finales de carrera, existen problemas menores de activación respecto al final de carrera
de la articulación J2, pero estos podrán resolverse con posterioridad. Cabe aclarar que se
67
verificó la activación de cada uno por medio de sus respectivas levas de accionamiento con
la manipulación manualmente del Robot.
Finalizada la actividad anterior, se procederá a revisar el estado de la estructura externa del
Robot, se realizará en esta etapa un diagnóstico preliminar de las cubiertas protectoras.
Como resultado se observa que las piezas exteriores presentan un desgaste natural que se
refleja en el deterioro del color y adicionalmente algunas partes en específico como los
elementos de sujeción de la pinza (ver ilustración 36).
Ilustración 36. Estructura externa del Robot.
Uno de los primeros problemas que se pueden observar a partir de esta rápida inspección
resulta ser el deterioro y ausencia de algunos de los tornillos de sujeción y fisuras menores
68
en las tapas protectoras de la articulación del hombro (partes 2 y 3), también la ausencia de
las tapas de la base (parte 1) mencionado anteriormente (ver ilustración 31), lo que obliga a
pensar en el remplazo de las mismas en etapas posteriores de este proyecto de
investigación.
Con el desarrollo de este objetivo se logró realizar la siguiente tabla donde muestran las
especificaciones eléctricas de cada componente electromecánico que posee el Robot
actualmente.
Tabla 5. Especificaciones de los principales componentes electromecánicos del Robot.
Componente Especificaciones Cantidad
Motor DC (J1, J2 y J3) 24V DC; 30W 3
Motor DC (J4 y J5) 24V DC; 11W 2
Frenos electromagnéticos (J2 y J3) 12V DC; 3.6W 2
Finales de carrera (J1 a J5) Normalmente cerrados 5
Motor DC (Gripper) 12V DC; 11W 1
Robot (Capacidad máxima) 1.2 Kg No aplica
Robot (Peso) 20 Kg No aplica
Fuente: Tabla desarrollada por los autores con datos del manual, Industrial Micro-Robot System Model RV-
M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 1-7, 1-16, 3-38.
4.2 OBJETIVO 2. Diseñar el acondicionamiento de señal de los encoders, con el fin
de conocer el posicionamiento de cada articulación del Robot.
4.2.1 Actividad 1.
Para la realización de esta actividad es necesario analizar e identificar las señales que
provienen de la tarjeta electrónica que posee el Robot, cada motor excepto el motor que
controla el movimiento de la pinza, posee un encoder de tipo incremental ranurado
alimentado a través de esta tarjeta; a su vez la señal de salida del encoder es filtrada y
procesada. En la siguiente ilustración se muestra la tarjeta anteriormente mencionada.
69
Ilustración 37. Tarjeta de señales.
Mediante el cable multifilar ubicado en el conector J1 (ver ilustración 37), se alimenta esta
tarjeta con una tensión de 5V DC, también por este mismo cable se transportan las señales
de los encoders y los finales de carrera. Gracias al trabajo de grado “Diseño de sistema
electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de Robot
MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi”40
, se ha identificado previamente cada uno de los
cables de esta tarjeta.
Cada encoder arroja 2 señales iguales en amplitud aproximadamente de 5Vpp pero
desfasadas una de la otra, dependiendo del sentido de giro en que se opere el motor. “Al
girar el motor genera una señal cuadrada, el escalado hace que las señales tengan un desfase
de ¼ de periodo si el motor gira en un sentido, si gira en el sentido contrario el desfase es
de ¾ de periodo, lo que se utiliza para discriminar el sentido de giro”.41
40
BARRIOS GUTIÉRREZ Edwin Fernando, BERNAL CASTILLO Fredy David y TEJADA OME Camilo
Andrés. Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de
Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi. Universidad de San Buenaventura, Bogotá, Julio de 2011. 41
ROMERO BARCOJO, Alfonso. Unidad Didáctica. Control y robótica. Sección: Sensores. [En línea]
[Citado el: 3 Octubre de 2013.]. Disponible en la web: <http://cmapspublic2.ihmc.us/rid=1H2F1807L-
JP0SG2-J1J/encoder.pdf>
70
En la siguiente ilustración se muestra el desfase de las señales del encoder, como se puede
observar la señal B es la señal que se desfasa con respecto a la señal A, dependiendo el
sentido de giro de motor.
Ilustración 38. Desfase de las señales del encoder.
Con la información anterior, se procede a energizar la tarjeta, moviendo manualmente la
articulación de la cintura del Robot y por medio del osciloscopio identificar las señales que
provienen del encoder del motor de la cintura.
En la siguiente ilustración se puede apreciar la señal arrojada por el encoder con el motor
girando en sentido horario, el canal 0 (CH0) de color verde muestra la señal B y el canal 1
(CH1) de color azul muestra la señal A. La medición tomada con el osciloscopio tiene una
escala de 5V por división.
71
Ilustración 39. Señal encoder sentido horario.
Fuente: Datos obtenidos con NI-myDAQ de National Instruments, licencia estudiantil 4.3.1.
A simple vista se identifica el desfase que tiene cada señal, el comportamiento de la señal B
tiene un desfase de ¼ frente a la señal A, también se conoce la frecuencia de estas señales
(5.2KHz) esto es importante ya que el acondicionador de señal debe ser capaz de trabajar a
esta frecuencia o superior.
Se realiza la misma medición con el motor girando en sentido anti-horario, en la siguiente
ilustración se muestran las señales del encoder para este caso. El comportamiento de la
señal B tiene un desfase de ¾ frente a la señal A, con las 2 mediciones se concluye que
mientras el motor gira para un sentido en específico, las señales se desfasan una de la otra.
72
Ilustración 40. Señal encoder sentido anti-horario.
Fuente: Datos obtenidos con NI-myDAQ de National Instruments, licencia estudiantil 4.3.1.
4.2.2 Actividad 2.
4.2.2.1 Diseño de acondicionador de señal.
Con el fin que cualquier PLC pueda leer la señal del encoder, es necesario amplificar el tren
de pulsos generado por los encoders (5Vpp) a una señal con una amplitud de 24Vpp.
Para la realización de esta tarea se usarán amplificadores operacionales (AO) configurados
como amplificadores no inversores puesto que solo es necesario amplificar la señal.
A continuación se presenta una tabla comparativa con los amplificadores operacionales más
comunes con el fin de seleccionar el más indicado para este diseño.
73
Tabla 6. Tabla comparativa de AO.
Especificaciones Amplificador Operacional
LM741 LM358 LM324 LM348
Voltaje de alimentación ±22V 32V o ±16V 32V o ±16V ±18V
Corriente de salida 25mA 20mA 20mA 25mA
Ancho de banda 1.5 MHz 1 MHz 1.2MHz 1 MHz
Numero de Amplificadores 1 2 4 4
Empaquetado TO-99
PDIP
PDIP
SOIC
PDIP
SOIC
PDIP
SOIC
Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.
Los circuitos integrados (CI) LM348 y el LM741 funcionan con fuente dual lo que obliga a
implementar una fuente de este tipo al sistema, como se necesita amplificar únicamente
voltajes positivos no es necesario usar una fuente dual y como estos CI lo requieren, no se
usarán para el desarrollo de esta actividad.
Los circuitos integrados LM358 y LM324, son más versátiles en la alimentación, puesto
que pueden operar con fuente simple sin perder su desempeño, además poseen más de un
amplificador, en el caso del LM324 posee 4, para este diseño se usarán únicamente 2 y se
dejarán 2 amplificadores disponibles con el fin de usarlos para otros propósitos dentro de
las tarjetas de potencia del Robot. Otras ventajas de este amplificador es el empaque en
tecnología superficial (SMT), esto permite ahorrar espacio y costos, también el ancho de
banda es suficientemente amplio para trabajar con la frecuencia de los encoders, por las
razones ya mencionadas se usará este amplificador para el diseño del acondicionamiento de
señal para los encoders. Ahora se procede al diseño de la siguiente manera.
Con la siguiente expresión se calcula la ganancia de tensión del amplificador.
De la ecuación (4) se reemplazan los valores como se muestra a continuación.
74
De la ecuación (1) de ganancia de tensión del amplificador se despeja la resistencia R2.
Se supone la resistencia R1 con un valor comercial con el fin de calcular R2, en la siguiente
tabla se realizan iteraciones con el fin de obtener las resistencias más cercanas al valor
comercial.
Tabla 7. Resistencias calculadas.
1 2 3 4 5 6 7
R1[Ω] 2.2K 2.7K 3.9K 4.7K 5.6K 10K
R2[Ω] 8.36K 10.26K 14.82K 17.86K 21.28K 43.2K
R3[Ω] 1.74K 2.1K 3.08K 3.72K 4.43K 8.1K
La resistencia R3 cumple la función de equilibrar las corrientes de malla en las entradas del
amplificador y se calcula mediante la siguiente expresión.
En la tercera columna de la tabla 7, se aprecian los valores más aproximados a los valores
comerciales (ver Anexo A), para este caso se seleccionaron las siguientes resistencias,
adicionalmente se calcula la potencia disipada con el fin de seleccionar el vatiaje adecuado
de las resistencias a implementar.
Con la expresión 7 se calcula la potencia para cada una de las resistencias como se muestra
a continuación.
Reemplazando los valores de las resistencias comerciales a implementar se tiene que.
Valor comercial 2.7 KΩ a ¼ W
75
Valor comercial 10 KΩ a ¼ W
Valor comercial 2.2 KΩ a ¼ W
En la siguiente ilustración se muestra el circuito esquemático con las resistencias calculadas
anteriormente para el acondicionador de señal de los encoders.
Ilustración 41. Acondicionador de señal para encoders.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
Se procede a realizar la simulación del circuito anterior, por medio del generador de
funciones se simula la “Señal del encoder A” con un valor de 5Vpp y por medio del
osciloscopio se observa el comportamiento de las señales, en la siguiente ilustración se
muestra el resultado de esta simulación. Escala canal A: 2.5V por división; canal B: 4.7V
por división.
76
Ilustración 42. Simulación acondicionador de señal para encoders.
Fuente: Simulación desarrollada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
De la simulación anterior se concluye que el acondicionador de señal es adecuado para
implementar este circuito al Robot, con el fin de leer todas las señales de los encoders por
medio de un PLC.
Con el fin de comprobar los resultados obtenidos con la simulación, se procede a realizar el
montaje físico del circuito de la ilustración 41. En la siguiente ilustración se presentan los
resultados obtenidos con el circuito acondicionador diseñado.
Ilustración 43. Resultados obtenidos con el acondicionador de señal.
77
En la ilustración anterior se aprecia la señal del encoder de color amarillo (CH1) y su
amplificación de color azul (CH2) con un valor pico a pico de 20.6V esto se debe a que se
está alimentado el circuito a 24V, si se desea obtener un valor de pico a pico de 24V en la
salida de la amplificación, se recomienda alimentar el circuito con un voltaje nominal de
26V, pero en éste caso el acondicionador garantiza que cualquier PLC pueda leer este tren
de pulsos arrojado por el encoder, ya que los niveles lógicos estándar vienen definidos por
el rango de tensión comprendida entre 18V y 24V para el estado High (alto) y 0.5V a 5V
para el estado Low (bajo)42
.
4.3 OBJETIVO 3. Diseñar un sistema de protección de parado de emergencia, al
momento de presentarse una obstrucción en la trayectoria del movimiento del
Robot.
4.3.1 Actividad 1.
Uno de los inconvenientes surgidos durante los procesos de diseño que se estudiaron, fue el
de encontrar la manera de proteger a los motores contra picos altos de corriente producto de
una colisión del brazo robótico o exceso de carga, por medio de esta actividad se busca dar
solución a este factor.
Se procede a alimentar cada uno de los motores del Robot según las especificaciones de la
tabla 4, con el fin de conocer la corriente nominal de trabajo con carga y sin carga.
Teniendo en cuenta que la capacidad máxima del Robot es de 1.2Kgf43
, se realizan las
mediciones de corriente con una carga de 1.1Kgf y con un voltaje de alimentación de 24V
DC (ver ilustración 44).
42
FEC Compact, FESTO. Hardware description, R Muller, Esslinger 2003, Appendix A-5. 43
Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, Table 1.3.1, P. 1-7.
78
Ilustración 44. Prueba de medición de corriente con carga.
En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos en las pruebas realizadas.
Tabla 8. Medición de corriente de los motores.
Articulación
Corriente (A)
Sin carga Con carga
Cintura 1.4A 2A
Hombro 2.35A 2.75A
Codo 1.7A 2.2A
Muñeca 1.7A 2A
Muñeca Giro 2.5A 2.65A
Pinza 200mA N.A.
79
Según la tabla anterior, se identifica que el movimiento crítico del Robot es el que realiza la
articulación del hombro (J2), puesto que esta articulación tiene un mayor consumo de
corriente, por consiguiente se toma como referencia la corriente que circula por el motor de
esta articulación, para el diseño del circuito electrónico de protección contra picos de
corriente elevadas.
4.3.2 Actividad 2.
Para diseñar el circuito que protegerá a los motores contra exceso de carga, se proponen 2
diseños previamente estudiados durante el desarrollo de la investigación en el semillero
SIFMS (Sistemas Flexibles de Manufactura), los cuales mediante los resultados obtenidos
se evaluarán con el fin de determinar cuál es el más indicado para implementarlo en la
tarjeta de potencia del Robot.
4.3.2.1 Protección de sobrecarga en los motores mediante amplificadores
operacionales.
Los motores tienen un índice de corriente nominal de 2.5 Amperios, para esta corriente se
diseñará la protección. Se utilizará una resistencia de un valor muy bajo que permita medir
un voltaje y que sea directamente proporcional a la magnitud de la corriente, para este caso
una resistencia de 0,1 ohmios, para la corriente máxima del circuito se tiene un voltaje de
nodo de 250mV, para lo cual se debe implementar un acondicionador de señal que aumente
el rango de acción de los voltajes, para poder activar un contacto que abra el circuito en el
caso de llegar al límite de corriente soportado por los motores.
El rango de voltajes en la resistencia es de mínimo 0V y máximo 0.25V, y se desea
aumentar la ganancia de tensión (ver ilustración 45) a un nivel TTL con el fin de poder
utilizar esta señal con un relé que abrirá el circuito en caso de sobrecarga.
Ilustración 45. Rango de voltajes para el acondicionador.
Según la ilustración anterior se tiene que la ganancia de la amplificación (ecuación 4) del
acondicionador es:
80
*
+
*
+
De la ecuación (5) se despeja la resistencia R2.
Se recomienda hacer 2 etapas de amplificación, porque amplificar 20 veces en una sola
etapa puede ocasionar problemas de ruido en la respuesta de salida del amplificador, para
evitar esto se amplificará en 2 etapas. En la primera etapa se amplificará 10 veces y la
segunda 2 veces.
Se supone la resistencia R1 con un valor comercial con el fin de calcular R2, en la siguiente
tabla se realizan iteraciones con el fin de obtener las resistencias más cercanas al valor
comercial.
Tabla 9. Resistencias calculadas.
1 2 3 4 5 6 7
1[Ω] 2.2K 2.7K 3.9K 4.7K 5.6K 10K
2[Ω] 19.8K 24.3K 35.1K 42.3K 50.4K 90K
3[Ω] 1.98K 2.43K 3.51K 4.23K 5.04K 9K
La resistencia R3 se calcula con la expresión (6).
En la séptima columna de la tabla 9, se aprecian los valores más aproximados a los valores
comerciales (ver Anexo A), para este caso se seleccionaron las siguientes resistencias,
adicionalmente se calcula la potencia disipada con el fin de seleccionar el vatiaje adecuado
de las resistencias a implementar.
Reemplazando los valores en la ecuación (7) de las resistencias comerciales a implementar
se tiene que.
alor comercial 10 KΩ a ¼ W
alor comercial 9.1 KΩ a ¼ W
81
alor comercial 91 KΩ a ¼ W
De los cálculos anteriores se puede identificar que se usaron resistores comerciales a ¼ de
vatio, a simple vista se nota que los cálculos arrojan que se puede implementar resistores de
⁄ vatio, pero para procesos como soldadura y la disponibilidad comercial de estos, se
usarán resistores a ¼ de vatio.
Se muestra en la siguiente ilustración el circuito esquemático de la primera etapa de
amplificación con las resistencias calculadas anteriormente, para el acondicionador de señal
para la detección de picos de corrientes elevados, se implementa el amplificador
operacional LM324AM igualmente que el objetivo 2 – actividad 2 debido a que cumple con
los requisitos para este diseño (ver tabla 6).
Ilustración 46. Primera etapa de amplificación.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
Con el fin de comprobar el funcionamiento del circuito se procede a realizar la simulación
respectiva del mismo, en el canal A (color rojo) se aprecia el voltaje de entrada (0.25V) y
en canal B (color azul) el voltaje de salida de esta primera etapa de amplificación (2.32V).
En la ilustración 47 se muestra el comportamiento de las señales en esta primera etapa de
amplificación. Escala canal A: 71mV por división; canal B: 0.43V por división.
82
Ilustración 47. Simulación primera etapa de amplificación.
Fuente: Simulación desarrollada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
En la segunda etapa de amplificación se debe amplificar con una ganancia de 2.17 con el
fin de obtener la ganancia total del acondicionador de señal. Con la siguiente expresión se
calcula lo anterior.
De la ecuación (5) se despeja la resistencia R2.
Se supone la resistencia R1 con un valor comercial con el fin de calcular R2, en la siguiente
tabla se realizan iteraciones con el fin de obtener las resistencias más cercanas al valor
comercial.
Tabla 10. Resistencias calculadas.
1 2 3 4 5 6 7
1[Ω] 2.2K 2.7K 3.9K 4.7K 5.6K 10K
2[Ω] 2.5K 3.1K 4.5K 5.5K 6.5K 11.7K
3[Ω] 1.17K 1.44K 2.08K 2.53K 3K 5.4K
La resistencia R3 se calcula con la expresión (6).
83
En la quinta columna de la tabla 10, se aprecian los valores más aproximados a los valores
comerciales (ver Anexo A), para este caso se seleccionaron las siguientes resistencias,
adicionalmente se calcula la potencia disipada con el fin de seleccionar el vatiaje adecuado
de las resistencias a implementar.
Valor comercial 4.7 KΩ a ¼ W
Valor comercial 5.6 KΩ a ¼ W
Valor comercial 2.7 KΩ a ¼ W
Se muestra en la siguiente ilustración el circuito esquemático de la amplificación con las
resistencias calculadas anteriormente, para el acondicionador de señal para la detección de
corrientes elevadas.
Ilustración 48. Acondicionador de señal completo.
Fuente: Ilustración realizada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
0Para la simulación del acondicionador de señal, se implementa un generador de funciones
en este caso una señal triangular con el fin de conocer el comportamiento de la señal de
entrada versus la señal de salida del acondicionador. En el canal A (color rojo) se aprecia
el voltaje de entrada (2.32V) y en canal B (color azul) el voltaje de salida del
84
acondicionador de señal diseñado (5.1V). En la ilustración 49 se muestra el resultado de
esta simulación. Escala canal A: 0.1V por división; canal B: 0.9V por división.
Ilustración 49. Simulación acondicionador de señal completo.
Fuente: Simulación desarrollada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
Una vez diseñado el acondicionador de señal, es necesario realizar una etapa de potencia
capaz de activar un relevo, con el fin de apagar el motor al momento de presentarse una
sobrecarga en este. A continuación se muestra la tabla comparativa donde se muestra las
especificaciones de los relevos más comunes en el mercado.
Tabla 11. Especificaciones eléctricas de relevos.
Especificaciones
Relevos
HRS2H-
DC5V
HRS2H-
DC12V
SFK-
105DM
70-OAC-
5
Máximo voltaje 30V DC 30V DC 250V AC 140V AC
Máxima corriente 1A 1A 20A 3A
Voltaje nominal de la
bobina
5V DC 12V DC 5V DC 3-8V DC
Potencia nominal de la 200mW 200mW 0.9W 130mW
85
bobina
Tipo de contacto 2-NC
2–NO
2-NC
2–NO
NO NO
Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.
Para la selección del relevo se debe tener en cuenta la corriente que va a circular por el
contactor, según la tabla 8 la corriente máxima en el motor del hombro es de 2.8 Amperios
y teniendo en cuenta que los motores al momento de vencer la inercia poseen picos de 4
Amperios , el relevo debe soportar estos picos de corriente, en la tabla anterior se identifica
que relevo que soporta mayor corriente es el SFK-105DM además la activación de la
bobina es por medio de lógica TTL lo cual lo hace indicado para ser utilizado en el diseño.
Para que el circuito acondicionador sea capaz de activar el relé, se usará un transistor como
interruptor, para este caso se usará un transistor tipo NPN, para la selección de éste se debe
tener en cuenta los siguientes parámetros.
Para brindar un factor de seguridad más amplio al diseño, se plantea que la corriente de
colector en el transistor a seleccionar debe ser el doble de la corriente que consume la
bobina del relé. A continuación se muestra la tabla comparativa donde se muestra las
especificaciones de diferentes transistores.
Tabla 12. Especificaciones eléctricas de transistores.
Especificaciones Transistores
2N2222 2N3904 2SD400 BC337-25
Voltaje Colector Emisor 40V DC 40V DC 25V DC 45V DC
Corriente de colector 600mA 200mA 1A 1A
Potencia disipada 1.8W 0.62W 0.8W 0.62W
86
hfe 150 100 30 40
Tipo NPN NPN NPN NPN
Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.
Los transistores 2SD400 y BC337-25 soportan una mayor corriente en el colector que los
otros transistores presentes en la tabla, pero poseen una baja ganancia de corriente y
potencia de disipación. El 2N3904 no cumple con los parámetros de diseño ya mencionados
y por consiguiente se usará el transistor 2N2222 puesto que sus especificaciones eléctricas
son ideales para este circuito y su disponibilidad comercial. Se realiza el diseño para la
activación del relevo como se muestra a continuación.
Con los datos anteriores se procede a calcular la resistencia de base RB (Ver ilustración 50)
que permitirá la activación del relé. Adicional se agrega un diodo en paralelo a la bobina
polarizado inversamente con el fin de evitar que la corriente generada por la bobina se
devuelva hacia el circuito.
Ilustración 50. Circuito de activación para el relé.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
Con la siguiente expresión se calcula la corriente de base necesaria para activar el
transistor. Para este caso se usará un (FSE) factor de sobre excitación de 3.
87
Reemplazando valores se tiene que.
Posteriormente se calcula la resistencia de base (RB), por medio del análisis de mallas entre
la base y el emisor, se determina de la siguiente manera.
De la expresión anterior se despeja la resistencia de base.
alor comercial 1.2 kΩ a ¼ W
En la ilustración 51 se muestra el circuito de protección contra picos de corriente diseñado
previamente.
Ilustración 51. Diseño # 1, protección de sobrecarga en los motores con amplificadores
operacionales.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
Adicionalmente se muestra la simulación del circuito donde se aprecia el comportamiento
del transistor y la carga, se puede apreciar que el circuito de disparo es indicado para la
activación del relé, la señal del canal A (rojo) se interpreta como el voltaje de base
88
necesario para saturar el transistor y la señal del canal B (azul) es el comportamiento del
voltaje en la carga (relé). Escala canal A: 1V por división; canal B: 2.5V por división.
Ilustración 52. Simulación protección de sobrecarga en los motores con
amplificadores operacionales.
Fuente: Simulación desarrollada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
La facilidad de diseño y el bajo costo que requiere el circuito anterior lo hace adecuado
para la protección de los motores del Robot, pero posee una gran desventaja y es que este
circuito no tiene la capacidad de sensar corrientes negativas a menos que se diseñe otro
acondicionador para este propósito, lo cual ocuparía mayor espacio en la tarjeta de
potencia, otra desventaja es que se deberá diseñar un acondicionador especial para cada
motor puesto que la corriente cambia según la articulación y la aplicación al momento de
operar el Robot. A continuación se propone la siguiente alternativa para darle solución al
objetivo planteado.
4.3.2.2 Protección de sobrecarga en los motores mediante un sensor de efecto hall.
De acuerdo al funcionamiento de los dispositivos mencionados en la tabla 1, se deduce que
la implementación de un fusible no es factible puesto que al momento de un pico de
corriente el hilo se fundirá y habría que reemplazarlo por uno nuevo, también es un
dispositivo no controlable. Por otro lado el relé térmico se usa principalmente en la
industria para motores de alta potencia, son robustos y tienen una curva de respuesta
exponencial, en otras palabras este dispositivo tiene un tiempo de respuesta al paso de
entrada de corriente muy lento, por este motivo estos dispositivos se descartan para
proteger a los motores contra picos altos de corriente.
89
Se implementará de un sensor de efecto hall para la detección de sobrecarga en los motores,
porque tiene un tiempo de respuesta al paso de entrada de corriente de 5s permitiendo
detectar rápidamente los cambios bruscos de corriente. También es dinámico puesto que
permite sensar corrientes positivas y negativas, en el caso de los motores se interpreta en el
sentido de giro.
Para este caso, se usará el sensor de efecto hall de referencia ACS714LLC-05B, que tiene
un rango de medición de corriente de ± 5 Amperios, también porque este sensor es el único
de su tipo que se maneja comercialmente en el país, en la siguiente tabla se muestran sus
principales especificaciones eléctricas.
Tabla 13. Especificaciones eléctricas del sensor ACS714LLC-05B.
Especificaciones Valor
Voltaje de alimentación 5V DC
Rango máximo de corriente ±5A
Sensibilidad 180mV/A
Tiempo de respuesta 5μs
Fuente: Datos obtenidos del datasheet del fabricante disponible en la web <
http://www.sigmaelectronica.net/manuals/ACS714.pdf>
Adicionalmente la hoja de datos del fabricante aporta la siguiente ilustración donde se
detalla la curva de voltaje de salida del sensor versus la corriente sensada, indicando que si
aumenta la corriente a sensar aumentará el voltaje, este sensor tiene un comportamiento
lineal.
Ilustración 53. Curva voltaje Vs. corriente sensada.
Fuente: Ilustración obtenida del datasheet del fabricante disponible en la web:
<http://www.sigmaelectronica.net/manuals/ACS714.pdf>
90
Con los datos anteriores se procede al diseño del circuito acondicionador que proteja a los
motores contra las sobrecargas. Para ello se implementará un comparador, donde debe
seguir la lógica planteada en el diagrama de flujo que se muestra en la ilustración 54.
Ilustración 54. Diagrama de flujo del comparador.
Para la selección del comparador se presenta a continuación la siguiente tabla comparativa,
donde se muestran diferentes CI comparadores con sus respectivas especiaciones eléctricas.
Tabla 14. Especificaciones eléctricas de comparadores.
Especificaciones Comparadores
LM331 LM392 LM393 LM339
Máximo voltaje
alimentación
5V DC ó
±15V DC
32V DC ó
±16V DC
36V DC ó
±18V DC
36V DC ó
±18V DC
Corriente de salida 3mA 16mA 16mA 16mA
Tiempo de respuesta 200ns 1.3s 1.3s 300ns
Numero de
comparadores
1 2 2 2
Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.
91
Se implementará el comparador LM339 porque éste CI posee 2 comparadores, como
también por encapsulado SMT que permite ahorrar espacio en el diseño de la tarjeta y
también tiene el tiempo de respuesta más rápido que el LM392 y LM393.
A continuación se muestra el circuito empleado con el comparador LM339. También es
necesario usar una resistencia Pull-up de 3.3KΩ (ver ilustración 55), puesto que el
comparador a usar es de colector abierto.
Ilustración 55. Circuito comparador con amplificadores operacionales.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
Por medio de la entrada VS y las salidas de Va y Vb se determina la tabla de verdad (ver
tabla 15) con el fin de cumplir la condición deseada. Cabe aclarar que los datos son
obtenidos de la ilustración 53 con una corriente pico de ± 4A, este valor se tomó como
referencia para realizar el análisis del circuito a diseñar; puesto que los motores al momento
de iniciar un movimiento tienen un pico de corriente elevado (± 4A) mientras vencen la
inercia.
Tabla 15. Tabla de verdad del comparador.
Corriente (A) Vs Va Vb
4 A 3.3v 1 0
-4 A 1.7v 0 1
92
Según la tabla anterior, cuando el motor presente una carga de ±4 Amperios se generará
una señal de nivel alto cumpliendo la condición estipulada. Adicionalmente al circuito
mostrado en la ilustración 55 es necesario agregar un CI que sirva como memoria para
mantener el estado, esto es importante debido a que si detecta una colisión en el sistema y
la corriente se eleva rápidamente, el circuito debe reaccionar inmediatamente
desenergizando el motor y mantener este estado hasta que se verifique que el sistema sea
seguro para funcionar nuevamente. Con el fin de buscarle solución a lo anterior se
implementará un Flip-Flop JK el cual dotará de memoria al circuito, donde el terminal (Set)
será la señal de salida del comparador y el terminal (reset) permitirá resetear el estado
anterior una vez el Robot no tenga obstrucciones o exceso de carga.
En la siguiente ilustración se aprecia el diagrama esquemático del acondicionador de señal
con memoria.
Ilustración 56. Acondicionador de señal con memoria.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
De la ilustración anterior se puede apreciar que con un voltaje Vs=3.3v (4 Amperios) el
comparador relaciona el voltaje de entrada con el voltaje de referencia (Vref_1) y activa el
terminal Set del Flip-Flop JK, esto indica que se detectó una corriente alta y hasta que no se
corrija esta falla, el estado de memoria no cambiará hasta presionar el reset.
Como el relé a implementar es normalmente abierto (NO) se debe invertir la lógica del
Flip-Flop JK, específicamente cuando el sensor de corriente no detecte picos de corrientes
altas, el relé deberá permanecer activo energizando al motor continuamente y en caso de
detectar un pico de corriente alto, el contacto del relé deberá abrirse y así desenergizar el
motor. Se implementará el circuito de activación de la ilustración 50.
93
Adicionalmente se incorpora una alarma sonora al circuito con el fin de alertar al operador
frente a una falla. En la siguiente tabla se muestran las especificaciones eléctricas del
Buzzer a implementar.
Tabla 16. Especificaciones eléctricas del Buzzer.
Especificaciones Valor
Voltaje de operación 3V-7V
Corriente nominal de operación 50mA
Decibeles 80dB
Fuente: Datos obtenidos del datasheet del fabricante disponible en la web < http://www.sigmaelectronica.net/manuals/OBO-1205A.pdf>.
Con el fin de evitar una caída de corriente al conectar directamente este Buzzer a la salida
Q1 del Flip-Flop JK, se implementará un transistor tipo NPN, para la selección de éste se
debe tener en cuenta los siguientes parámetros.
Para la selección del transistor se presenta a continuación la siguiente tabla comparativa,
donde se muestran transistores superficiales con el fin de ahorrar espacio en la tarjeta a
diseñar.
Tabla 17. Especificaciones eléctricas de transistores superficiales.
Especificaciones Transistores NPN
MMBT2222A MMBT3904 MMBT4124
Voltaje Colector Emisor 40V DC 40V DC 25V DC
Corriente de colector 600mA 200mA 200mA
Potencia disipada 350mW 350mW 300mW
hfe 150 150 300
Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.
94
Se podrían implementar cualquiera de los transistores de la tabla anterior, puesto que
cumplen con los parámetros de diseño requeridos, el transistor MMBT2222A es el único
que se logró encontrar comercialmente en el país. Al implementar los otros transistores
implicarían mayores gastos porque sería necesario importarlos.
Con la expresión (12) se calcula la corriente de base necesaria para activar el transistor.
Para este caso se usará un (FSE) factor de sobre excitación de 3.
Posteriormente se calcula la resistencia de base (RB), por medio del análisis de mallas entre
la base y el emisor, se determina de la siguiente manera.
De la expresión anterior se despeja la resistencia de base.
alor comercial 3.9 kΩ a ¼ W
Adicionalmente se añade en paralelo a este Buzzer un acondicionador de señal que permita
amplificar esta señal de alarma de 5V DC a 24V DC con el fin de que el sistema de control,
en este caso un PLC pueda leer esta señal al momento de una colisión o exceso de carga en
el Robot.
Se usará el circuito diseñado en la sección 4.2-Actividad 2, por que posee las mismas
características y sirve para ser utilizado con la misma finalidad que aquí se propone.
En la siguiente ilustración se muestra el circuito de protección contra picos de corrientes
elevadas usando un sensor de corriente de efecto hall con acondicionador de señal con
memoria (para apreciar detalladamente el esquema véase Anexo B).
95
Ilustración 57. Diseño # 2, sensor de corriente de efecto hall con acondicionador de
señal con memoria.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en Proteus 8 Professional. Licencia estudiantil.
Nótese que los terminales de voltaje de referencia se conectan a un potenciómetro que
permitirá regular esta referencia, esto es útil puesto que para cada motor las condiciones de
corriente nominal son diferentes lo que hace dinámico a este circuito, porque se puede
implementar a cualquier motor de las articulaciones del Robot, esta ventaja permite
seleccionar a este diseño como el más apropiado para la protección de los motores y
posteriormente la integración de este circuito a la tarjeta de potencia. A continuación se
muestra el montaje de prueba del circuito.
Ilustración 58. Montaje circuito de protección de carga en los motores.
96
Posteriormente al montaje del circuito fue posible verificar su funcionamiento y de
antemano realizar mediciones corroborando que los cálculos realizados y los datos
obtenidos sean similares, en la siguiente tabla se muestran los datos recopilados en pruebas
de laboratorio.
Tabla 18. Resultados obtenidos del circuito de protección de carga de los motores.
Mediciones obtenidas
Corriente en
el motor
Voltaje de
salida en el
sensor
Vref
1
Vref
2
Estado
lógico
Flip-Flop
Corriente de
Colector Q1
Corriente de
Colector Q2
2.8A 3.1V 3V 2V
1
0 38mA 0A
2.5A 2.8V 3V 2V
0
1 0A 310mA
4.4 OBJETIVO 4. Diseñar un circuito electrónico que permita la lectura de los
finales de carrera y la activación de los frenos.
4.4.1 Actividad 1.
4.4.1.1 Finales de carrera.
Con anterioridad en el objetivo 1 - actividad 2 se realizó una rápida inspección a los finales
de carrera verificando que el estado mecánico sea el correcto. En esta actividad se
identificará las conexiones eléctricas de los finales de carrera comprobando la relación que
tienen estos con la tarjeta de señales del Robot.
Los finales de carrera están configurados normalmente cerrados (NC) polarizados a 0V, los
cuales a su vez envían señales a través de la tarjeta de señales (ver ilustración 37) por
medio del CON3, lo anterior se identifica por medio del plano eléctrico que proporciona el
manual de usuario (ver anexo C). Pero la situación actual del Robot indica que estas
conexiones se encuentran ausentes puesto que los cables están desconectados del conector
mencionado (ver ilustración 59).
97
Ilustración 59. Conexiones deshabilitadas de los finales de carrera.
La ausencia de estas conexiones indica que se pueden tomar 2 alternativas para darle
solución a este objetivo: como primera opción, conectar los cables al puerto CON3 cómo se
indica en el manual del usuario y como segunda opción, se plantea diseñar un circuito
electrónico nuevo para este fin. A simple vista la primera opción parece ser la más
adecuada por que las conexiones quedarían como estaban originalmente de fábrica, pero si
se desea que las señales de estos finales de carrera sean leídas por cualquier PLC, se debe
amplificar estas señales a una tensión de 24V DC, el problema principal que existe con esta
opción es que la tarjeta de señales que posee el Robot, está diseñada para operar con una
tensión de 5V DC. Con el fin de darle solución a esta problemática se decide diseñar un
circuito electrónico que permita polarizar directamente los finales de carrera a 24V DC y
así garantizar que un PLC interprete esta señales al momento en que las articulaciones del
Robot lleguen hasta el tope de su recorrido. El desarrollo de esta tarea se realiza en la
actividad 2 de esta sección.
4.4.1.2 Frenos electromagnéticos.
Actualmente el Robot posee frenos electromagnéticos (ver ilustración 35) que permiten
bloquear el movimiento de las articulaciones: hombro (J2) y codo (J3) (ver ilustración 32).
Los frenos en su estado inicial detienen las articulaciones ya mencionadas y cuando se
energizan, se abren liberando a las articulaciones. En la tabla 5 se pueden detallar sus
98
especificaciones eléctricas, adicionalmente en la siguiente ilustración se muestra el freno de
la articulación del codo.
Ilustración 60. Freno electromagnético articulación J3.
Adicionalmente se comprobó con las pruebas realizadas en el objetivo 3 - actividad 1, que
los frenos son capaces de detener las articulaciones ya mencionadas, con la carga máxima
de operación del Robot (ver ilustración 44). Otro de los puntos a estudiar es que estos
frenos carecen de un circuito de potencia necesario para su activación, por ende es preciso
diseñar e implementar este circuito al Robot.
4.4.2 Actividad 2.
Con la información obtenida en la actividad anterior, se procede a realizar el diseño del
circuito electrónico que permita la lectura de los finales de carrera y la activación de los
frenos. Se integrará lo anterior en una sola tarjeta electrónica con el fin de ahorrar espacio y
también aprovechar que las conexiones de estos elementos se encuentran en la misma
ubicación dentro de la base del Robot (ver ilustración 59).
4.4.2.1 Diseño del circuito de disparo para los frenos.
A continuación se diseña el circuito de activación de los frenos tomando en cuenta la
información de la tabla 4. Para esto se usará un transistor NPN tipo Darlington puesto que
este tipo de transistores son capaces de soportar corrientes altas en su colector, por su alta
99
potencia de disipación y la alta ganancia de corriente (Hfe). El transistor debe cumplir con
los siguientes parámetros de diseño.
Con el fin de seleccionar el transistor adecuado se realiza una tabla comparativa entre
diferentes transistores, en este caso tipo Darlington puesto que soportan mayor potencia y
corriente en el punto de saturación, usar un transistor convencional puede provocar
calentamiento y posteriormente dañar el integrado, a continuación se muestra la tabla
comparativa donde se muestra las especificaciones de diferentes transistores.
Tabla 19. Especificaciones eléctricas TIP 122.
Especificaciones Transistores
2SD1071 TIP122 TIP142
Voltaje Colector Emisor 450V DC 100V DC 100V DC
Corriente de colector 6A 5A 10A
Potencia disipada 40W 65W 125W
hfe 500 1000 1000
Tipo NPN NPN NPN
Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.
El transistor 2SD1071 tiene gran capacidad de carga en el colector y es capaz de trabajar a
una tensión elevada, una de la desventaja es su baja ganancia de corriente hfe y su elevado
costo, el TIP142 también es una buena opción puesto que es un transistor de alta potencia,
pero si se llegase a implementar a este diseño, el circuito quedaría sobre dimensionado, de
igual manera el TIP122 posee características similares a los anteriores pero con la gran
diferencia que es un integrado común y comercial, posee un bajo costo en el mercado y es
un elemento confiable de larga duración. Se seleccionará este último transistor para el
proceso de diseño que se muestra a continuación.
100
Se diseñará el circuito de activación (ver ilustración 61) suponiendo que el elemento de
control es un PLC (24VDC-500mA) a continuación se calcula la corriente de base
necesaria para activar el transistor, se usará un FSE de 3 para esta aplicación.
Se reemplazan los valores en la expresión 12 y se tiene lo siguiente.
Ilustración 61. Circuito de activación para frenos electromagnéticos.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
Posteriormente se calcula la resistencia de base (RB), por medio del análisis de mallas entre
la base y el emisor, se determina de la siguiente manera.
De la expresión anterior se despeja la resistencia de base.
Valor comercial 12KΩ a ¼ W
101
Cabe mencionar que por la baja potencia que requiere el freno para su activación no es
necesario implementar un disipador térmico a los transistores. En la siguiente ilustración se
aprecia el esquema del circuito diseñado para la activación de los frenos.
Ilustración 62. Esquema del circuito de activación para los frenos electromagnéticos.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
En la siguiente simulación se aprecia el voltaje en la base necesario para saturar el
transistor (Canal A) y el comportamiento del voltaje en la carga (freno) (Canal B), cuando
el elemento de control (PLC) activa el transistor y provoca que la bobina se energice y la
articulación se libere. Escala canal A: 5V por división; canal B: 2.5V por división.
Ilustración 63. Simulación circuito de disparo para frenos.
Fuente: Simulación desarrollada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
102
Posteriormente al montaje del circuito fue posible verificar su funcionamiento y de
antemano realizar mediciones corroborando que los cálculos realizados y los datos
obtenidos sean similares, en la siguiente tabla se muestran los datos recopilados en pruebas
de laboratorio.
Tabla 20. Mediciones obtenidas circuito de disparo para frenos.
Mediciones obtenidas
Freno Voltaje de
alimentación (VDD)
Corriente de
Base (Ib)
Corriente de
colector (Ic)
Voltaje de
colector (Vc)
Codo 12V DC 1.92 mA 300mA 10.6V
Hombro 12V DC 1.92 mA 302mA 10.7V
4.4.2.2 Diseño del circuito electrónico para la lectura de las señales de los finales de
carrera.
Para diseñar el circuito que integrará los finales de carrera se debe conocer de antemano la
configuración de los cables de cada final de carrera (LSX), se realiza la siguiente tabla
donde se muestra esta configuración.
Tabla 21. Configuración del cableado de los finales de carrera.
Final de Carrera Colores
NC Común
LS1 Blanco Negro
LS2 Rojo Negro
LS3 Amarillo Negro
LS4 Verde Negro
LS5 Azul Negro
La información de la tabla anterior se corrobora en la ilustración 59.
Para el diseño de este circuito se configuran los finales de carrera polarizándolos a 0V DC
por medio del terminal común (COM) y por terminal normalmente cerrado (NC) se
obtendrá la señal hacía el elemento de lectura (PLC), cabe mencionar que se utiliza esta
configuración por que el Robot actualmente se encuentra conectado así. Además se necesita
103
una resistencia pull-up a 24V DC porque al momento de activarse un final de carrera, se
abre el contacto que conecta los 0V DC y por medio de la resistencia se eleva la tensión del
circuito a 24V DC hacia el elemento de lectura. En la siguiente ilustración se muestra el
circuito ya mencionado.
Ilustración 64. Conexiones finales de carrera.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
Adicionalmente se integrará al diseño de esta tarjeta la conexión de la alimentación de los
motores, puesto que estos cables se encuentran ubicados dentro de la base del Robot con
sus respectivas borneras (ver ilustración 65).
Ilustración 65. Cables de alimentación de los motores y frenos.
De la ilustración anterior se genera la siguiente tabla, donde se indica la configuración de
los cables de cada motor y frenos.
104
Tabla 22. Configuración de colores de los motores y los frenos.
Elemento electromecánico Colores Conector
Motor Cintura (J1) Negro Rojo CON1
Motor Hombro (J2) Café Rojo CON2
Motor Codo (J3) Amarillo Naranja CON2
Motor Muñeca (J4) Verde Azul CON2
Motor Muñeca Giro (J5) Gris Morado CON3
Motor Gripper (J6) Café-Negro Rojo-Negro CON4
Freno Hombro (J2) Blanco Negro CON3
Freno Codo (J3) Rosado Azul CON3
4.4.3 Actividad 3.
Para el diseño del circuito PCB, se debe calcular el ancho de las pistas necesario para el
manejo de la máxima corriente a la cual trabajan los motores (ver tabla 8). El cálculo se
basa en la aplicación del estándar general para el diseño de circuitos impresos ANSI-IPC
2221 desarrollado por la IPC (Association Connecting Electronics Industries)44
.
Para determinar el ancho de pista necesario para el diseño de la tarjeta, se calcula con la
siguiente expresión.
(
(
)
)
Dónde:
K1, K2 y K3 = Son constantes para el cálculo y tiene distintos valores dependiendo si la
pista que se calcula es interna o externa en este caso se usará las constantes de pistas
externas. Todas las unidades son en medidas en el sistema imperial.
Las pistas de circuitos tienen una altura estándar de 1 Onza/Pie².
44
The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, IPC-2221, Generic Standard on
Printed Board Design, February 1998. Northbrook, Illinois.
105
Para el cálculo del ancho de pista (vía) se diseñará con un factor de seguridad del 33% que
esto en términos de corriente equivale a 1 Amperio de más, tomando como la corriente de
trabajo de los motores a 3 Amperios, reemplazando valores en la expresión 13 se obtiene el
ancho de pista óptimo para este diseño.
(
(
)
)
Con el cálculo anterior se procede a diseñar el circuito en ISIS Proteus 8, en la hoja de
anexo D, se muestra el esquema diseñado. Adicionalmente en la siguiente ilustración se
expone el PCB del circuito ya mencionado.
Ilustración 66. Circuito PCB finales de carrera y frenos.
Fuente: Ilustración realizada por los autores en ARES Proteus 8 Professional. Licencia estudiantil.
Para concluir con este objetivo, se conectaron los respectivos finales de carrera, frenos
electromagnéticos y motores. Se comprobó por medio del terminal de salida la señal de
106
cada uno de los finales de carrera con movimientos manuales hasta el tope de cada
articulación del Robot.
Por medio de una fuente de 24V DC se simula el elemento de control, para la activación de
los frenos electromagnéticos, obteniendo como resultado la liberación de las articulaciones
J2 y J3, corroborando el funcionamiento del circuito de activación diseñado.
Adicionalmente se alimentaron directamente los motores del Robot, por medio de esta
tarjeta y así poder verificar que el ancho de las pistas diseñadas soportan la corriente
requerida por los motores en el momento de operación a plena carga (1.1 Kg). En la
siguiente ilustración se muestra la tarjeta diseñada.
Ilustración 67. Tarjeta electrónica para la lectura de finales de carrera y activación de
frenos electromagnéticos.
107
4.5 OBJETIVO 5. Diseñar tarjetas electrónicas de potencia para el manejo de las
articulaciones del Robot.
4.5.1 Actividad 1.
Con los datos obtenidos de las tablas 5 y 8, se procede a realizar el diseño del circuito que
sea capaz de invertir el sentido de giro de los motores y que permita regular la velocidad
por medio del PWM.
En la placa del motor (ver ilustración 68) se aprecia que la corriente nominal es de 2.1
Amperios, pero los datos obtenidos en la tabla 8 indican que la corriente de operación del
motor de la articulación del hombro (articulación con mayor esfuerzo) es de 2.5 Amperios,
llegando a alcanzar hasta 2.8 Amperios en el momento del arranque, el circuito inversor de
giro deberá ser capaz de funcionar en correctas condiciones, incluso cuando se presenten
estos picos momentáneos de corriente.
Ilustración 68. Ficha técnica de los motores.
Según lo anterior se toma como referencia los parámetros del motor de la articulación J2
para el diseño de este circuito ya que este motor realiza el mayor esfuerzo en todo el
sistema, esto indica que para los otros motores del Robot se usará el diseño que se realiza a
continuación.
Para este proceso se usará un arreglo de transistores en corte y saturación capaces de
manejar el voltaje y la corriente requerida por el motor, para la selección de estos se debe
tener en cuenta los siguientes parámetros suponiendo que el elemento de control es un PLC.
Elemento de control (PLC) <24V DC – 500mA>
Motor <24V DC – 2.5A>
108
Se calcula la ganancia de corriente que debe tener el arreglo de transistores. Para este
diseño se implementó un FSE (factor de sobre excitación) de 3 y se diseñará para soportar
una corriente de 2.8 Amperios.
Con las características anteriores se tiene que el transistor a seleccionar debe cumplir los
siguientes parámetros:
Para ello se eligió el transistor Darlington TIP 122 y su complemento el TIP 122 ya
mencionado en el objetivo 4 – actividad 2.
Sus especificaciones eléctricas se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 23. Especificaciones eléctricas de los transistores TIP 122 y 127.
Especificaciones TIP 127 TIP 122
Tipo PNP NPN
Corriente de Colector (Ic) 5A 5A
Voltaje Colector Emisor (Vce) 100v 100v
Hfe 1000 1000
Potencia disipada 65W 65W
Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.
Se determina la corriente de base necesaria para que los TIP entren en saturación, con la
expresión 12 se determina de la siguiente manera.
109
Por cuestiones de diseño se implementará un circuito de disparo (ver ilustración 69) el cual
permitirá excitar las bases de los transistores Darlington, a simple vista se aprecia que no es
necesario ya que el circuito de control ofrece 500mA, pero para brindarle mayor seguridad
al diseño se usará el transistor 2N3904 para este propósito, en la siguiente tabla se muestran
sus especificaciones eléctricas.
Tabla 24. Especificaciones eléctricas del transistor 2N3904.
Especificaciones Valor
Tipo NPN
Corriente de Colector (Ic) 200mA
Voltaje Colector Emisor (Vce) 40v
Hfe 100 mínimo 300 máximo
Potencia disipada 5mW
Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.
Ilustración 69. Circuito de disparo para el transistor TIP 122 y 127.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
En la ilustración anterior se muestra el arreglo de transistores que permitirá activar el
motor, se procede a calcular las resistencias de la siguiente manera.
110
Se supone la resistencia de colector RC1= 2KΩ, con la siguiente expresión se calcula la
corriente de colector que circulará en el transistor 2N3904.
Reemplazando valores se tiene que.
Se calcula la resistencia de base para el transistor TIP 127 de la siguiente manera.
Se despeja el valor de Rb2 obteniendo el siguiente resultado.
alor comercial 2.7 kΩ a ¼ W
Por medio de la siguiente expresión se calcula la corriente de base para el transistor
2N3904.
Una vez conocida la corriente de base, se calcula la resistencia que permita excitar la base
del circuito de disparo, para ello se realiza el análisis de mallas de la siguiente manera.
alor comercial 39 kΩ a ¼ W
Una vez calculadas las resistencias del circuito de disparo para el transistor Darlington TIP
127, se procede a realizar la misma tarea para el transistor complemento TIP122.
111
Como la corriente de colector es aproximadamente la misma de emisor se deduce lo
siguiente.
Por medio del análisis de mallas se calcula la resistencia de base 3.
alor comercial 39 kΩ a ¼ W
Ilustración 70. Circuito de activación para el motor.
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
De la ilustración anterior se puede apreciar el diseño del arreglo de transistores calculado,
donde se aprecia el correcto funcionamiento y los parámetros diseñados matemáticamente.
112
También se observa que la corriente fluye en un solo sentido (positivamente) puesto que el
diseño que se realizó indica la mitad de un puente H.
Para invertir el sentido de la corriente, es necesario adicionar a este circuito la otra mitad
del puente y como los parámetros de diseño son los mismos, se procede a adicionar el
diseño calculado previamente, a continuación se muestra el circuito inversor de giro
completo.
Ilustración 71. Circuito inversor de giro (sentido horario).
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
En la ilustración 72 se muestra la simulación del circuito inversor de giro diseñado, en este
caso con la corriente en sentido horario, esto se logra activando los interruptores S1 y S4,
entrando en saturación los transistores Q1 y Q7 dejando el paso de corriente en sentido
positivo (2.5 A) y también el voltaje (22.5V DC). Cabe aclarar que el voltaje en la carga es
menor al de alimentación (24V DC) porque los transistores consumen 1.4V DC entre la
base y emisor. Escala canal A (señal PLC): 20V por división; canal B (voltaje carga):
13.3V por división.
113
Ilustración 72. Simulación circuito inversor de giro (sentido horario).
Fuente: Simulación desarrollada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
A continuación se accionan los interruptores S2 y S3 (ver ilustración 73), para invertir el
sentido de la corriente generando un cambio de giro en el motor, es importante aclarar que
los interruptores solo se pueden accionar por pares intercalados, puesto que accionar las 2
partes del puente H al mismo tiempo ocasionará un cortocircuito entre la fuente de
alimentación y tierra, sobrecalentando los integrados hasta el punto de dañarse.
Adicionalmente se puede notar la presencia de 4 diodos polarizados inversamente, estos se
usan con el fin de evitar que la corriente generada por la bobina del motor se devuelva
hacia el circuito de control, así se logra evitar daños a los integrados utilizados.
114
Ilustración 73. Circuito inversor de giro (sentido anti-horario).
Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
Los resultados positivos de la simulación (ver ilustración 74), dan pie para comenzar el
proceso de pruebas sobre elementos reales (ver ilustración 75), para ello se procedió con la
construcción de los mismos y alimentando el circuito con una tensión de 24V DC, se
conectaron los motores de las diferentes articulaciones con carga y sin carga.
Adicionalmente se generó una tabla donde se muestran los resultados obtenidos en pruebas
de laboratorio (ver tabla 25). Escala canal A (señal PLC): 20V por división; canal B
(voltaje carga): 20V por división.
Ilustración 74. Simulación circuito inversor de giro (sentido anti-horario).
Fuente: Simulación desarrollada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.
115
Ilustración 75. Montaje físico del circuito inversor de giro.
Tabla 25. Mediciones obtenidas en pruebas de laboratorio.
Mediciones obtenidas
Articulación Voltaje de
alimentación (VDD)
Corriente Motor
sin carga
Corriente Motor
con carga
Voltaje
Motor
Cintura 24V DC 1.52A 2.1A 22.3V DC
Hombro 24V DC 2.4A 2.8A 22V DC
Codo 24V DC 1.8A 2.25A 22.3V DC
Muñeca 24V DC 1.8A 2.2A 22.2V DC
Muñeca
giro 24V DC 2.62A 2.7A 22V DC
Adicionalmente y con la ayuda de una tarjeta de adquisición (NI myDAQ) se pudieron
generar diferentes pulsos para controlar el voltaje de entrada a los motores, en otras palabras
la implementación de un PWM y así mismo cambiar el sentido de giro de los motores, a
continuación se muestra el diagrama de bloques desarrollado en NI LabVIEW2011. Para ver
detalladamente el diagrama véase anexo E.
116
Ilustración 76. Diagrama de bloques (VI) desarrollado en NI LabVIEW.
Fuente: Desarrollado por los autores en NI LabVIEW2011 Licencia estudiantil.
Una vez generado el diagrama de bloques, se procede a realizar la interfaz gráfica la cual
permitirá controlar la velocidad del motor por medio de PWM, el sentido de giro y la
frecuencia del tren de pulsos a generar. En la siguiente ilustración se muestra esta interfaz.
Ilustración 77. Interfaz gráfica desarrollada en LabVIEW2011.
Fuente: Desarrollado por los autores en NI LabVIEW2011 Licencia estudiantil.
117
Para realizar las pruebas con PWM, se prosigue a conectar el motor de la cintura (J2) al
circuito diseñado y se conecta la señal del PWM por uno de los terminales que conmutan el
arreglo de transistores (ver ilustración 73). Por medio de la barra (Slide) se modifica el
ciclo útil del tren de pulsos haciendo que varíe la velocidad del motor, adicionalmente se
logró identificar que los transistores no sufren un sobrecalentamiento a la hora de
implementar el PWM. Otro de los puntos a estudiar es seleccionar la frecuencia de trabajo
adecuada para los motores, se identificó que al usar frecuencias mayores a 200Hz causan
ruido magnético al momento de activar el motor, esto puede llegar a ocasionar daños graves
en el devanado del motor, por esto se empezó a disminuir la frecuencia cada 10Hz hasta
encontrar la más adecuada, los mejores resultados se obtuvieron en una frecuencia entre el
rango de [90-100]Hz, donde el motor no presenta intermitencias, el movimiento es
constante, y sin ruido. Usar una frecuencia menor a esta presenta intermitencias en el
movimiento del motor y también calentamiento excesivo.
Para concluir esta actividad, se puede estimar que el circuito diseñado es indicado para
controlar la velocidad y el sentido de giro de los motores, sería preciso integrar este circuito a
la tarjeta de potencia del Robot pero una de las limitaciones que posee es el número de
componentes que se utilizan, esto aumenta costos de producción y se necesitará más espacio
para distribuir dichos componentes, la posibilidad de que ocurra un cortocircuito está
presente en cualquier tipo de circuito electrónico, realizar un reemplazo de algún componente
por causa de daño es una tarea tediosa por la cantidad de componentes que se usan para este
diseño. Con el fin de darle solución a lo anterior se propone usar un integrado que permita la
inversión de giro y el control de velocidad de los motores. A continuación se muestra una
tabla comparativa entre diferentes integrados utilizados con este propósito.
Tabla 26. Especificaciones eléctricas Puente H comerciales.
Especificaciones Puente H
L293B L298N L6203
Voltaje de alimentación 36V DC 50V DC 52V DC
Voltaje lógico 4.5V DC 7V DC 7V DC
Corriente de salida 2A 4A 5A
Frecuencia de conmutación 50KHz 25KHz 100KHz
Potencia disipada 5W 30W 20W
Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.
118
Para la selección de un CI que permita la inversión de giro y el control de velocidad de los
motores, se debe tener en cuenta la corriente y la potencia disipada. A simple vista el L293B
se descarta por la baja corriente de salida y potencia de disipación, el integrado L6203 tiene
alta corriente de salida pero la potencia de disipación no es suficiente para los motores (véase
ilustración 68). Se usará el integrado L298N ya que tiene una corriente de salida de 4A y una
potencia de 30W, esto es suficiente para soportar los requerimientos de los motores del
Robot.
4.5.2 Actividad 2.
Una vez seleccionado el integrado se plantea el primer prototipo de las tarjetas de potencia
para el control de movimiento de las articulaciones del Robot, el cual tiene que integrar la
amplificación de los encoders y el circuito inversor de giro. A lo largo de este proyecto se ha
venido desarrollando diferentes actividades donde se diseña, prueba e implementa estos
circuitos fundamentales para las tarjetas de potencia, por eso se decide realizar un PCB de
prueba en el cual se integra lo anterior. En objetivo 3 – actividad 3 se calculó el ancho de
pistas adecuado para manejar la corriente requerida por los motores, para este diseño
preliminar se usará el mismo ancho de pistas.
Mediante la herramienta ISIS se realiza el diagrama y posteriormente se exporta este diseño a
ARES con el fin de realizar el PCB para la tarjeta de prueba.
A continuación se muestra el PCB diseñado.
Ilustración 78. Diseño preliminar de la tarjeta de potencia PCB.
Fuente: Ilustración realizada por los autores en ARES Proteus 8 Professional. Licencia estudiantil.
119
Adicionalmente se implementan en esta tarjeta unos Jumper o puentes que permiten
seleccionar el rango de voltajes del circuito de control, en este caso se puede seleccionar
señales TTL (5V) o señales de 24V en el caso de un PLC. Al tratarse de una tarjeta de prueba
no se usarán componentes de tecnología superficial. Para comprobar el funcionamiento de
esta tarjeta, se procede a realizar pruebas de laboratorio donde se utiliza la tarjeta de
adquisición de datos NI myDAQ, para generar el tren de pulsos del PWM y controlar el
sentido de giro, posteriormente se alimentó la tarjeta de señales del Robot para obtener el tren
de pulsos de los encoders y con esto poder validar el correcto funcionamiento de este circuito
de prueba, en la siguiente ilustración se muestra la tarjeta diseñada.
Ilustración 79. Tarjeta de potencia de prueba.
Las pruebas realizadas con esta tarjeta arrojaron buenos resultados, por medio del
osciloscopio se comprobó la amplificación de la señal de los encoders, como se aprecia en el
video anexo (Amplificación_ Encoders). También se realizaron pruebas de movimiento
variando el ancho de pulso del PWM y adicionalmente se implementó el montaje de la
ilustración 58 que protege a los motores de exceso de carga, en este caso se puede apreciar en
el video anexo (Prueba_ Protección), donde el Robot inicia el movimiento y se estrella contra
el tope, desactivando automáticamente el motor en presencia de un pico alto de corriente.
Para comprobar el funcionamiento de la tarjeta con señales de 24V DC, se procede a
implementar un PLC FEC-34 Compact, se seleccionó este PLC porque mediante el
convenio con FESTO LTDA se permitió el acceso a las instalaciones con el fin de realizar
pruebas con el Robot, y permitió el uso de estos elementos mediante el periodo de pruebas,
adicionalmente este tipo de PLC se encuentra en las instalaciones de la Universidad lo que
da la posibilidad de realizar pruebas en ocasiones futuras con este PLC en laboratorios y
talleres establecidos con las asignaturas relacionadas al tema. A continuación se muestran
las características principales de este PLC.
120
Tabla 27. Especificaciones PLC FEC-34 Compact.
Características FEC-FC34-FST
Voltaje de alimentación 24V DC
Corriente de salida 600 mA
Valor Nominal Verdadero 15V DC
Valor Nominal Falso 5V DC
Salidas Digitales 12
Entradas Digitales 8
Entradas Rápidas 2 / velocidad máxima 2KHz
Salidas Rápidas 2 / velocidad máxima 2KHz
Módulos de comunicación Ethernet-Serial
Programación FST Versión 4.10
Fuente: Datos obtenidos de la hoja de datos del fabricante disponible en la web
<http://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/10562/>.
Para que la tarjeta de prueba funcione con señales de 24V DC es necesario cambiar la
posición de los Jumper, y se procede a realizar la programación del PLC, para generar el
tren de pulsos que controle la velocidad del motor.
Las salidas rápidas del PLC Compact, permiten realizar acciones a mayor velocidad
(2KHz) que las salidas normales que tiene el PLC, este solo cuenta con 2 salidas rápidas
(O0.6 – O0.7). Mediante el software FST 4.10 se desarrolla el programa de la siguiente
manera. A continuación se presenta el diagrama de flujo.
121
Ilustración 80. Diagrama de flujo FASTOUT.
Configurar el módulo de salidas rápidas que tiene el PLC.
El PLC incorpora dentro de sus librerías, diferentes módulos de programación los cuales
permiten realizar operaciones matemáticas, configurar entradas y salidas rápidas,
conversiones, establecer parámetros de comunicación, entre otras tareas. Para configurar las
salidas rápidas del PLC se inserta el siguiente módulo al proyecto de programación creado.
Se procede a configurar el “Driver Configuration” y se inserta el Driver FASOUT.
Ilustración 81. Configuración del módulo de salida rápida.
Fuente: Ilustración tomada del software del fabricante FST versión 4.10.
Una vez importado el módulo, se debe configurar los parámetros que establece la hoja de
ayuda del software, a continuación se muestra lo anterior.
122
Ilustración 82. Parámetros de configuración del módulo FASOUT.
Fuente: Ilustración tomada de la hoja de ayuda del software del fabricante.
Con lo anterior se procede a importar el módulo al programa principal, y se configura en
condiciones iniciales (FI) de la siguiente manera.
FU32= 0 (Inicializar el módulo)
FU33=7 (Se configura la salida rápida # O0.7)
FU34-FU35=0 (Tiempo de encendido (ms) del pulso y tiempo de apagado del pulso)
FU36=0 (Numero de pulsos a generar, cero = infinito).
En la bandera Fw1000 se guarda el parámetro que indica si la salida rápida completo el
número de pulsos asignado o no. Ya terminado el proceso de parametrización en
condiciones iniciales, se procede a activar la salida rápida para generar el tren de pulsos, se
debe tener en cuenta los siguientes parámetros para esto (ver ilustración 84).
123
Ilustración 83. Parámetros de activación del módulo FASTOUT.
a) Parámetros de activación del
módulo.
b) Diagrama en lenguaje tipo escalera.
Fuente: Ilustración tomada de la hoja de ayuda del software del fabricante.
Se configuran los parámetros de la siguiente manera.
FU32= 2 (Inicializar la salida rápida).
FU33=7 (Se configura la salida rápida # O0.7).
FU34= Se le asigna la bandera FW500 con el objetivo de poder modificar el valor en
tiempo real del tiempo de encendido.
FU35=Se le asigna la bandera FW501 con el objetivo de poder modificar el valor en tiempo
real del tiempo de apagado.
FU36=0 (Numero de pulsos a generar, cero = infinito).
Para configurar los parámetros del tiempo de encendido y apagado, se debe tener en cuenta
la frecuencia optima de trabajo del motor, en la actividad 1 de este objetivo se identificó
previamente la frecuencia del motor (100Hz). Se determina el rango que debe tener el
tiempo de encendido y apagado.
El PLC tiene una resolución de 0.5 mili segundos, reemplazando valores en la expresión
anterior se tiene que.
124
Lo que indica que la frecuencia máxima que el PLC puede aportar es de 2KHz. Se
establece el rango de tiempo de la siguiente manera.
Reemplazando valores se tiene que.
Con lo anterior se tiene que 20 es el rango de trabajo de los pulsos. Por ejemplo si en
tiempo de encendido se tiene el valor de 14 ms el valor del tiempo de apagado deberá ser de
6ms ya que no se puede superar el valor de 20, si llegase a pasar esto la frecuencia de salida
cambiará y el motor puede sufrir daños.
Para la realización de pruebas se descarga el programa al PLC por medio del puerto
Ethernet, y se conecta la tarjeta de prueba diseñada con anterioridad y se conecta la señal
del encoder de la articulación J1 con su respectivo motor. En la siguiente ilustración se
detalla la tarjeta y el PLC. Adicionalmente se comprueba el correcto funcionamiento de la
tarjeta y el PLC en el video anexo (Pruebas_Movimiento_PLC).
Ilustración 84. Tarjeta de prueba con PLC FEC.
Adicionalmente, se estableció un rango de velocidades como se muestra a continuación,
donde se modifica a través de las banderas FW500 y FW501 el tiempo de encendido y
apagado del ancho de pulso.
125
Tabla 28. Rango de velocidades del PWM.
Velocidad Tiempo encendido (FW500) Tiempo de apagado (FW501)
Alta 20ms 0ms
Media 10ms 10ms
Baja 5ms 15ms
Los resultados obtenidos con diferentes velocidades, permiten concluir que la velocidad más
adecuada para el control del Robot es la media, ya que la velocidad alta es demasiada rápida
y el Robot realiza movimientos bruscos, dando la posibilidad a colisiones y daños en los
elementos mecánicos del Robot, también con una velocidad muy baja el consumo de
corriente es mucho mayor lo que puede ocasionar daños eléctricos a los motores y al circuito
de potencia implementado.
Adicional a estas pruebas se valida el diseño de la tarjeta de potencia y se procede a realizar
el diseño final de las tarjetas a implementar en una caja de control. Por medio de la
herramienta ISIS Proteus, se realiza el diseño esquemático del circuito de la tarjeta de
potencia (véase anexo F).
Según la norma de circuitos impresos ANSI-IPC 2221 desarrollado por la IPC (Association
Connecting Electronics Industries), la distribución y agrupación de los elementos
electrónicos debe ser clasificada por clase y tipo, adicionalmente se calcula el ancho de pistas
para esta tarjeta con el fin de soportar 5 Amperios, esto se hace con el objetivo de brindarle
seguridad y durabilidad a la tarjeta. A continuación se realiza el cálculo con la expresión 13.
(
(
)
)
También se utilizará tecnología superficial, con el fin de reducir espacio y costos al momento
de la fabricación de las 6 tarjetas que controlarán las articulaciones del Robot. Adicional al
diseño previo de los circuitos, se agregan condensadores de 1000uF a 25V DC entre VCC y
0V con el fin de minimizar el ruido eléctrico ocasionado por los motores. Con los parámetros
anteriores se exporta el diseño a ARES Proteus y se diseña la tarjeta final que permitirá
controlar la velocidad, sentido de giro, amplificar la señal de los encoders y proteger a los
motores contra picos altos de corriente. A continuación se muestra el resultado obtenido en
ARES.
126
Ilustración 85. Diseño del PCB de la tarjeta de potencia final.
Fuente: Ilustración realizada por los autores en ARES Proteus 8 Professional. Licencia estudiantil.
Se procede a realizar el impreso, y con el fin de validar la funcionalidad de la tarjeta se
muestra en el video (Pruebas_Tarjeta_Final) el funcionamiento de la articulación de la
cintura J1 conectando la tarjeta a un PLC FEC y realizando pruebas de movimientos, sensado
de corriente, amplificación de encoders y PWM.
127
Ilustración 86. Tarjeta de potencia final.
Se fabrican 6 impresos más, los cuales permitirán el control de movimientos de todas las
articulaciones del Robot. El nuevo sistema de control se ha centralizado en un gabinete de
conexiones eléctricas (Ver Ilustración 87). Las conexiones del gabinete o tablero de control
principal se hicieron teniendo en cuenta el listado de señales expuesto a continuación.
Tabla 29. Listado de señales para el sistema de control.
Listado de señales para el sistema de control
Entradas Digitales
Señal de encoder motor J1 x 2
Señal de encoder motor J2 x 2
Señal de encoder motor J3 x 2
Señal de encoder motor J4 x 2
Señal de encoder motor J5 x 2
Señal de alarma articulación J1
Señal de alarma articulación J2
128
Señal de alarma articulación J3
Señal de alarma articulación J4
Señal de alarma articulación J5
Señal de alarma articulación J6
Señal de paro de emergencia
Señal de RESET
Señal de START
Señal de STOP
Señal final de carrera articulación J1
Señal final de carrera articulación J2
Señal final de carrera articulación J3
Señal final de carrera articulación J4
Señal final de carrera articulación J5
Salidas Digitales
Sentido de giro motor J1
Señal PWM motor J1
Sentido de giro motor J2
Señal PWM motor J2
Sentido de giro motor J3
Señal PWM motor J3
Sentido de giro motor J4
Señal PWM motor J4
Sentido de giro motor J5
Señal PWM motor J5
Señal Indicador de alarma
Señal de RESET
Señal de activación freno hombro
Señal de activación freno codo
Adicionalmente en la siguiente ilustración se expone la distribución de los componentes
presentes en la caja de control, también se anexan los planos eléctricos para tener
conocimiento detallado de las conexiones, esto será fundamental para realizar
mantenimientos, corrección de errores y análisis para futuras expansiones en el sistema de
control, para lo anterior revisar la hoja de anexos G.
129
Ilustración 87. Distribución de componentes de la caja de control.
La distribución se plantea de la siguiente manera:
1. Pulsador e indicador de RESET.
2. Selector de START y STOP.
3. Hongo de parada de emergencia.
4. Ranura para expansión HMI.
5. Breaker totalizador.
6. Borneras de distribución 110V AC.
7. Borneras de distribución 24V DC.
8. Borneras de distribución 12V DC.
9. Borneras de distribución 5V DC.
10. Borneras de distribución 0V DC.
11. Borneras de conexión de motores.
12. Borneras de conexión entradas digitales.
13. Borneras de conexión salidas digitales.
14. Tarjetas de potencia articulaciones J1 a J6.
Con el fin de comprobar el funcionamiento de la caja de control y el Robot, se desarrollan
actividades adicionales basadas en programación de rutinas pre-grabadas mediante un PLC
como se expone a continuación.
130
4.6 ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS.
Mediante la realización de estas actividades complementarias, se comprueba el
funcionamiento de las tarjetas diseñadas, esto se hace mediante la programación de
secuencias pre-establecidas con un PLC para que el Robot ejecute una serie de
movimientos y rutinas programadas. En este apartado se explicará el proceso de captura de
datos o pulsos de los encoders, esto permitirá generar tablas relacionadas con la posición
del Robot y el número de pulsos por articulación, además la implementación de
operaciones matemáticas para la realización de la rampa de aceleración y desaceleración.
4.6.1 Actividad 1.
Con el fin de conocer la posición del Robot, es necesario realizar un programa que permita
el conteo de pulsos generado por el encoder de cada articulación.
Para configurar el módulo de entradas rápidas, se debe verificar de antemano cuales son las
salidas rápidas físicas que posee el PLC. En este caso el PLC Compact tiene 2 (I1.2-I1.3).
A continuación se muestra el diagrama de flujo empleado.
Ilustración 88. Diagrama de flujo contador rápido.
131
Una vez identificadas las entradas rápidas se procede a configurar el “Driver
Configuration” y se inserta el Driver FECCNTR (ver ilustración 89).
Ilustración 89. Configuración del módulo de entrada rápida del PLC.
Fuente: Ilustración tomada del software del fabricante FST versión 4.10.
Cabe mencionar que una vez importado el módulo no se podrá importar uno del mismo
tipo, si se desea usar la otra entrada rápida se configura el módulo según los parámetros
establecidos en la hoja de ayuda del software. A continuación se muestran estos
parámetros.
Ilustración 90. Parámetros de configuración del módulo de entradas rápidas.
Fuente: Ilustración tomada de la hoja de ayuda del software del fabricante.
132
Con la tabla anterior se procede a importar el módulo al programa, y se configura en
condiciones iniciales de la siguiente manera.
FU32= 1 (Parametrización del módulo).
FU33=0 (Se configura la entrada rápida # 1).
FU34-FU35-FU37=0 (no se desea activar ni iniciar algún programa o actividad).
FU38=1 (Reiniciar el contador a 0 en condiciones iniciales).
En la bandera FW101 se guarda el parámetro que indica si el contador rápido esta
encendido o no. Ya terminado el proceso de parametrización, se procede a activar el
contador rápido como se muestra en la siguiente ilustración.
Ilustración 91. Activación del módulo FECCNTR.
a) Parámetros de activación del
módulo.
b) Diagrama en lenguaje
escalera.
Fuente: Ilustración tomada de la hoja de ayuda del software del fabricante.
Se pregunta por el estado del contador rápido y por medio del registro FU33 se muestra el
valor actual de la entrada rápida, este a su vez se almacena en FW200 para su manipulación
como dato (ver ilustración 92).
133
Ilustración 92. Parametrización del estado actual del contador rápido.
a) Parametros de estado del contador.
b) Diagrama en lenguaje escalera.
Fuente: Ilustración tomada de la hoja de ayuda del software del fabricante.
Se procede a realizar pruebas de conteo de pulsos de los encoders de cada articulacion, para
ello se posiciona el Robot en el tope de su movimiento y por medio de PWM se cambia la
velocidad del motor (baja, media, alta). Realizando 2 pruebas una en sentido horario y la
otra en sentido anti-horario esto con el fin identificar posibles errores de lectura, a
continuacion se genera la siguiente tabla donde se presentan el resultados de las pruebas
donde se relaciona el numero de pulsos en cada articulacion a diferentes velocidades.
Tabla 30. Lectura de pulsos a diferentes velocidades.
Articulación
Numero de Pulsos
Velocidad Baja Velocidad Media Velocidad Alta
Ton
5ms
Toff
15ms
Ton
10ms
Toff
10ms
Ton
20ms
Toff
0ms
Cintura (J1) Prueba 1: 17050
Prueba 2: 17048
Prueba 1: 17105
Prueba 2: 17066
Prueba 1: 17107
Prueba 2:17087
Hombro (J2) Prueba 1: 13116
Prueba 2: 13086
Prueba 1: 13116
Prueba 2: 13119
Prueba 1: 13188
Prueba 2: 13278
Codo (J3) Prueba 1: 7338
Prueba 2: 7324
Prueba 1: 7355
Prueba 2: 7361
Prueba 1: 7372
Prueba 2: 7367
Muñeca (J4) Prueba 1: 8908
Prueba 2: 8917
Prueba 1: 8921
Prueba 2: 8911
Prueba 1: 8937
Prueba 2: 8928
134
Muñeca Giro (J5) Prueba 1: 10686
Prueba 2: 10710
Prueba 1: 10852
Prueba 2: 10841
Prueba 1: 10884
Prueba 2: 10890
De las pruebas realizadas, se concluye que a velocidades altas hay pérdida de datos
(pulsos), puesto que el PLC no es capaz de leer todos los pulsos, después de varias pruebas
se disminuyó la velocidad periódicamente hasta encontrar un valor que permita el
movimiento del Robot a la máxima velocidad (Ton=15ms, Toff=5ms) sin perder datos, en
velocidades medias y bajas la cantidad de pulsos es aproximadamente la misma por ende se
puede establecer estos valores como determinados para realizar la rampa de aceleración que
tendrá el sistema.
4.6.2 Actividad 2.
Para el control de velocidad del Robot, es necesario realizar una rampa de aceleración y
desaceleración, se procede a dividir la rampa en 3 partes iguales, donde la pendiente acelera
hasta un punto determinado, luego se mantiene constante y luego empieza el proceso de
desaceleración hasta que el sistema llega nuevamente a condiciones iniciales (ver
ilustración 93).
Ilustración 93. Rampa de velocidad deseada.
Como se pudo apreciar en la tabla 30, se tomará como referencia los pulsos de la
articulación de la cintura (J1), 17000 aproximadamente. Con este dato se puede realizar el
posicionamiento de la articulación indicando que destino (en pulsos) se desea llevar a esta
articulación. Para obtener el valor de la rampa se calcula de la siguiente manera:
135
Como se mencionó anteriormente el número de pulsos actual de la articulación se guarda en
la bandera FW200, según lo anterior se calcula el error de posición.
Anteriormente de la tabla 29 se obtuvieron los valores óptimos de velocidad máxima y
mínima para la rampa, con estos valores se realiza la siguiente lógica con la cual se calcula
el Ton y el Toff del ancho de pulsos del PWM.
Ilustración 94. Diagrama de flujo rampa de velocidad.
Si se desea tener mayor conocimiento de la programación de la rampa de velocidad se
recomienda al lector ir a la página de anexos H, donde se puede apreciar el código utilizado
en esta actividad.
136
Luego de distintas pruebas de funcionalidad de la rampa que se programó, como se puede
apreciar en el video anexo (Movimientos_Rampa), que el Robot se le asigna una posición y
siempre llega a la misma posición en distintas pruebas, dando buenos resultados con la
rampa implementada.
Cabe mencionar que la rampa tiene los valores de la velocidad máxima (Ton=15ms,
Toff=5ms), se pudo analizar que para movimientos pequeños esta velocidad es demasiada
alta, por ende se procede a realizar 2 rampas de velocidad distintas (Rampa baja, rampa
alta) esto con el fin que cuando se asigne un destino al Robot, el programa decida que
rampa utilizar según la posición, esto se determina bajo los siguientes rangos.
Tabla 31. Rangos de posición para rampa de aceleración.
Rango de posición (Pulsos) Tipo de rampa
Destino > 6000 Rampa aceleración alta
Destino < 6000 Rampa de aceleración baja
La lógica es la misma como se planteó en el diagrama de flujo de la ilustración 94, solo que
el programa antes de realizar los cálculos de tiempo de encendido y apagado, decidirá a que
rampa llamar. Para la rampa de aceleración baja, la velocidad de inicio se determina con los
valores de (Ton=5ms, Toff=15ms) y para la desaceleración (Ton=2ms, Toff=18ms).
Para el control de todas las articulaciones se procede a utilizar 3 PLCs en modo cascada con
el fin realizar secuencias simultaneas a continuación se muestra el procedimiento para esto.
4.6.3 Actividad 3.
Como se pudo apreciar con anterioridad en la tabla 29, la gran cantidad de señales de
entrada (20) como de salida (15) que se necesitan para el control del Robot obligan a
utilizar un PLC con varios módulos de expansión de entradas y salidas rápidas.
Implementar un PLC con dichas características, genera costos adicionales al proyecto y a la
Universidad, se optará por implementar 3 PLC FEC-34 Compact en modo cascada, puesto
que FESTO LTDA hizo el préstamo de estos equipos, de igual manera en la Universidad se
cuenta con estos mismos.
Se procede a la configuración de los PLCs, uno como maestro y dos como esclavos. Para
generar la lista de PLCs enlazados a la red se importan los módulos IP_TABLE, EASY_S y
EASY_R, donde el primero se encarga de establecer la lista de clientes conectados a la red,
el segundo de enviar datos y el tercero de leer datos que provienen de otras direcciones.
Antes de importar los módulos de comunicación se debe configurar de antemano la
dirección IP de cada uno de los PLCs a enlazar en la red, esto se hace insertando el TCP/IP
Driver como se muestra en la siguiente ilustración.
137
Ilustración 95. Configuración de dirección IP.
Fuente: Ilustración tomada del software del fabricante FST versión 4.10.
Se debe configurar la IP a los 3 PLCs, asignando una dirección cercana entre los 3.
Posteriormente se importa el módulo IP_TABLE y se configura según los parámetros que
se muestran a continuación.
Ilustración 96. Parametrización del módulo IP_TABLE.
Fuente: Ilustración tomada de la hoja de ayuda del software del fabricante.
Dónde:
FU32=1 (Asignar una IP nueva)
FU33=1 (Número de la tabla a asignar)
FU34=192 (Primer número de la dirección IP)
FU35=168 (Segundo número de la dirección IP)
FU36=1 (Tercero número de la dirección IP)
FU37=70 (Cuarto número de la dirección IP)
138
Se debe importar éste módulo para los otros 2 PLCs, y configurar la asignación de tabla y la
dirección IP de cada uno. Una vez configurado los 3 PLCs, se importa el módulo de
EASY_S y se configura de la siguiente manera.
Ilustración 97. Parametrización del módulo EASY_S.
Fuente: Ilustración tomada de la hoja de ayuda del software del fabricante.
Dónde:
FU32=1 (Número de asignación de tabla).
FU33=1 (Tipo de dato bandera).
FU34=4 (Número de datos a enviar).
FU35= 0 (Primer operando local a enviar).
FU36=5 (Primer operando remoto).
FU37=FW600 (estado del envió de datos).
Este módulo se configura en el PLC maestro y será el encargado de enviar datos a los
esclavos con el fin de dar órdenes y ejecutar tareas simultáneas en los 3 PLCs al mismo
tiempo. Al terminar dichas tareas cada esclavo deberá enviar un dato al maestro indicando
que ya terminó la tarea y que está disponible para realizar una nueva acción.
Para establecer la lectura de datos en los PLCs esclavos, es necesario parametrizar el
módulo de lectura EASY_R como se muestra en la ilustración 98.
139
Ilustración 98. Parametrización del módulo EASY_R.
Fuente: Ilustración tomada de la hoja de ayuda del software del fabricante.
Dónde:
FU32=1 (Número de asignación de tabla).
FU33=1 (Tipo de dato bandera).
FU34=4 (Número de datos a recibir).
FU35= 0 (Primer operando local a recibir).
FU36=5 (Primer operando remoto).
FU37=FW601 (estado del recibo de datos).
Una vez configurados los módulos de comunicación se procede a realizar la secuencia
programada que el Robot ejecutará. Los pasos de la secuencia son los siguientes, donde se
establece un destino, lectura de pulsos, rampa de velocidad y comunicación en modo
cascada.
1. Inicio
2. Configurar módulos de recibo y envió de datos, módulos de entradas rápidas y
establecer parámetros de condiciones iniciales del sistema.
3. Establecer destinos a cada una de las articulaciones del Robot.
4. PLC maestro inicia la secuencia de movimientos en las articulaciones J1 y J2.
5. Una vez terminado PLC maestro ordena a los 2 esclavos a realizar las
secuencias de las articulaciones J2, J3, J4, J5 y pinza.
6. Terminado el proceso, se puede programar otra serie de destinos o puntos para
realizar una nueva rutina de movimientos.
Las pruebas de movimientos con la secuencia programada, dieron resultados exitosos y se
puede decir que el Robot se puede implementar en futuras aplicaciones como laboratorios,
estaciones de procesos automatizados y procesos de investigación en el área de ingeniería
de la Universidad de San Buenaventura. Adicionalmente para culminar estas actividades
complementarias, se concluye que utilizar 3 PLCs, hace que la programación de estos
utilice extensas líneas de código, esto puede ocasionar retardo en lectura y en procesos de
140
máquina, se recomienda utilizar un PLC que tenga las siguientes características (ver tabla
32).
Tabla 32. Requerimientos del PLC ideal.
Características Cantidad
Número de entradas digitales 20 o mayor
Número de salidas digitales 10 o mayor
Compatibilidad de HMI N.A
Comunicación Ethernet, Serial, Rs480.
Mediante la orientación aportada por FESTO LTDA, se recomiendo utilizar el PLC FED
CEC el cual integra módulos de entradas y salidas suficientes para integrar todo en un solo
PLC, adicionalmente éste posee la convertibilidad de la pantalla HMI FED UIM para ver
las especificaciones de estos componentes ver la hoja de anexos I.
141
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
A lo largo de la presente investigación, se logró culminar satisfactoriamente con los
objetivos propuestos investigando diferentes alternativas para solución de éstos y así poder
seleccionar la mejor opción para llegar al fin de este proceso investigativo. También se
evidencia que gracias a los conocimientos adquiridos y aplicados, se obtuvo como resultado
la repotenciación del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.
Gracias a la inspección realizada al Robot, se determinó que su estructura física y
sus componentes electromecánicos se encuentran en buen estado y es apto para su
uso en distintas aplicaciones en el ámbito académico, se recomienda realizar
acciones de mantenimiento preventivo periódicamente según las indicaciones que
ofrece el manual del usuario.
La implementación de un sistema de seguridad en las tarjetas de potencia permite
proteger al Robot y al nuevo sistema de potencia diseñado, esto aporta confiabilidad
a la hora de ser manipulado el Robot en talleres y laboratorios programados por la
Universidad, se recomienda no modificar los parámetros (voltaje de los
potenciómetros) establecidos en las tarjetas ya que esto puede ocasionar daños
eléctricos en las tarjetas y en los motores (Ver anexo J).
Debido a la naturaleza de las señales en las tarjetas diseñadas solo permite
manipular el Robot por medio de un PLC, también el gran número de entradas y
salidas rápidas que se requieren para esta aplicación obligó a utilizar 3 PLCs en
cascada por qué no se contaba con uno que tuviera el número de entradas y salidas
rápidas para esta aplicación, por ende, se recomienda utilizar un PLC FED CEC, el
cual permitirá integrar el sistema de control completo, reduciendo espacio,
conexiones y tiempo de programación.
Se pretendía implementar un panel de control (HMI) al sistema, pero por la falta de
compatibilidad de los PLCs utilizados en el proyecto, no fue posible integrar esto al
sistema, sin embargo la caja de control cuenta con la ranura para poder adaptar la
HMI como futura mejora para facilitar el control del Robot y hacer más versátil la
interacción entre el usuario y la máquina. Se recomienda usar la HMI FED UIM,
por su compatibilidad con el PLC recomendado, además será de gran utilidad a la
hora de reforzar los conocimientos adquiridos en los diferentes cursos que se
relacionan con el tema.
La implementación de tarjetas de potencia independientes para cada articulación,
permite el fácil reemplazo al momento de presentarse alguna falla eléctrica en el
sistema, el cómodo acceso dentro de la caja de control permite realizar operaciones
de mantenimiento preventivo y correctivo con mayor facilidad, se recomienda antes
de realizar el reemplazo de alguna de las tarjetas, leer detalladamente el documento
142
y analizar el esquema eléctrico de cada una de ellas, esto permite tener
conocimientos previos a las acciones de mantenimiento correctivo.
Por medio de pruebas de laboratorio, se determinó que al realizar cambios de giro
bruscos genera un pico alto de corriente que supera la capacidad máxima de
operación del circuito inversor de giro, esto ocasiona daños eléctricos a las tarjetas y
los motores, por esto se recomienda hacer rutinas de movimientos pausados, es
decir que se debe esperar a completar un movimiento para poder empezar a realizar
uno nuevo.
Debido al gran número de componentes (fuentes, PLCs, borneras) y otros elementos
que conforman el gabinete de control, se recomienda que a futuro se adquiera un
gabinete con más espacio con el fin de integrar todo el sistema en un solo elemento,
puesto que actualmente se dejó los 3 PLCs, y las fuentes de alimentación por fuera
del gabinete de control. Adicionalmente se recomienda usar una fuente de voltaje
que tenga las salidas correspondientes de voltaje necesarias para el Robot (24V DC,
12V DC y 5V DC) con una corriente de salida de 10 Amperios.
Para la realización del programa del Robot se plantearon netamente operaciones
matemáticas para efectuar la rampa de velocidades en cada una de las
articulaciones, esto se debe a la complejidad de programación. Se sugiere
implementar técnicas de control para la ejecución de movimientos debido a que
éstos permiten que el sistema sea más estable.
143
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147
ANEXOS
148
A. VALORES DE RESISTORES COMERCIALES
149
150
B. SENSOR DE CORRIENTE HALL CON ACONDICIONADOR DE SEÑAL
151
152
C. PLANO ELÉCTRICO DE LAS CONEXIONES DE LOS FINALES DE
CARRERA.
153
154
D. ELECTRÓNICO TARJETA DE FINALES DE CARRERA Y FRENOS.
155
156
E. DIAGRAMA DE BLOQUES (VI) DESARROLLADO EN LABVIEW 2011.
157
158
F. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO TARJETA DE POTENCIA FINAL.
159
160
G. PLANOS GABINETE DE CONTROL.
161
162
H. CÓDIGO DE RAMPA DE VELOCIDAD EN FST 4.10.
163
STEP 0
IF destino
> V6000
THEN JMP TO 1
OTHRW JMP TO 2
STEP 1"" RAMPA GRANDE
IF N F999.0
THEN
CFM 3 " 32-bit multiplication
WITH destino " Low word of 1. operand
WITH V0 " High word of 1. operand
WITH V2 " Low word of 2. operand
WITH V0 " High word of 2. operand
LOAD FU32 " Low word of the result
TO R3
LOAD FU33 " High word of the result
TO R4
CFM 4 " 32-bit division, 1.Op. / 2.Op.
WITH R3 " Low word of 1. operand
WITH V0 " High word of 1. operand
WITH V3 " Low word of 2. operand
WITH V0 " High word of 2. operand
LOAD FU32 " Low word of the result
TO rampa
LOAD FU33 " High word of the result
TO R4
164
SET F999.0
IF F999.0
THEN LOAD destino
- FW200
TO ERROR
IF FW200
< rampa
THEN LOAD V15
TO TimeON
LOAD V5
TO TimeOFF
IF FW200
> rampa
THEN
CFM 3 " 32-bit multiplication
WITH ERROR " Low word of 1. operand
WITH V0 " High word of 1. operand
WITH V10 " Low word of 2. operand
WITH V0 " High word of 2. operand
LOAD FU32 " Low word of the result
TO R5
LOAD FU33 " High word of the result
TO R6
CFM 4 " 32-bit division, 1.Op. / 2.Op.
WITH R5 " Low word of 1. operand
WITH R6 " High word of 1. operand
WITH rampa " Low word of 2. operand
WITH V0 " High word of 2. operand
LOAD FU32 " Low word of the result
165
TO FW9000
LOAD FW9000
* V3
TO TimeON
LOAD V20
- TimeON
TO TimeOFF
IF TimeON
< V2
THEN LOAD V2
TO TimeON
LOAD V18
TO TimeOFF
IF FW200
>= destino
THEN CFM 1 'FASTOUT Fast output
WITH V1
WITH V7
WITH V0
WITH V0
WITH V0
RESET F999.0
RESET P1
IF TimeON
<> TimeOnA
THEN LOAD TimeON
TO TimeOnA
CFM 1 " Fast output
166
WITH V2 " 0:Init;1:Stop output;2,3,4,5:Start
WITH V7 " Output number (0..7)
WITH TimeOnA " Ontime (* 0,5 ms)
WITH TimeOFF " Offtime (* 0,5 ms)
JMP TO 1
167
I. HOJA DE DATOS PLC FED CEC. Y HMI UIM
168
169
170
J. TABLA DE VOLTAJES PREDETERMINADOS EN POTECIÓMETROS DE
LAS TARJETAS
171
ARTICULACION IP+ [V] IP- [V]
CINTURA J1 3.55 1.45
HOMBRO J2 3.5 1.5
CODO J3 3.45 1.55
MUÑECA J4 3.45 1.55
MUÑECA GIRO J5 3.6 1.4