construcción de una maqueta de una hélice de paso

Construcción de una maqueta de una hélice de paso controlable (CPP)

Trabajo Final de Grado

Facultad de Náutica de Barcelona

Universidad Politécnica de Cataluña

Trabajo realizado por:

David Rossich Mata

Dirigido por:

Juan Antonio Moreno Martínez

Grado en Sistemas en Ingeniería en Sistemas y Tecnología Naval

Barcelona, 20 de noviembre de 2020

Departamento de Ciencia e Ingeniería Náutica

“¿Usted haría un barco que se impulsase contra el viento y la corriente con encender una caldera bajo la cubierta? No tengo

tiempo para escuchar tonterías.”

― Napoleón Bonaparte sobre el barco a vapor de Robert Fulton

Agradecimientos

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Agradecimientos

Después de un intenso periodo de 12 meses, hoy escribo el apartado de agradecimientos para finalizar mi trabajo de fin de grado. Ha sido un periodo de aprendizaje intenso, no sólo en el campo científico, sino también a nivel personal. Escribir este trabajo ha sido muy importante para mí y es por eso por lo que me gustaría agradecer a todas las personas que me han ayudado y apoyado durante todo el proceso.

En primer lugar, me gustaría agradecer al Dr. Juan Antonio Moreno Martínez la confianza que depositó en mi cuando aceptó dirigir mi proyecto. Su ayuda, consejos y directrices me han permitido terminar este proyecto satisfactoriamente.

En segundo lugar y no por ello menos importante, a mi querido amigo D. Gerard Martínez, por su acompañamiento, su energía y su apoyo durante todo este tiempo que nos ha unido para siempre. De él he aprendido muchas cosas de ingeniería, he compartido momentos muy especiales, pero, sobre todo, me ha dado una lección de vida, me ha enseñado que la importancia de los problemas, a través de su mirada, es relativa, y que cada mañana debe ser un impulso para mejorar. Moltes gràcies, Amic. Em tens pel que necessitis.

También me gustaría agradecer al Ateneu de Fabricació de la Fábrica del Sol, las facilidades que me han dado en todo momento para desarrollar mi proyecto, así como la oportunidad de trabajar en otros.

A D. Roberto Rueda Plasencia, presidente del Club Ferroviari Vaporista de Mallorca, quien de forma totalmente desinteresada me ha instruido y asistido en el torneado de algunas piezas a la vez que me ha transmitido varios de sus conocimientos como Maquinista Naval.

Por último, agradecer a todos los amigos y familiares que me han ayudado y sobre todo los que han aguantado mis cambios de humor y momentos de desánimo. Mi primo Juanma, que me ayudó a imprimir cuando, a consecuencia del Covid19, no podía hacerlo en ningún sitio. Mi padre y mi madre por ser un apoyo constante y darme fuerza siempre que la he necesitado.

Sin todos vosotros no hubiese sido posible. Muchas gracias.


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Resumen

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Resumen

Este documento abarca el proceso de diseño y construcción de una maqueta de una hélice de control de paso controlable, con el fin de explicar el sistema de funcionamiento habitual de este tipo de hélices, reduciendo su complejidad, y poder entender sus principios más básicos, tanto mecánicos como de control, consiguiendo una maqueta con fines educativos y con la posibilidad de incluir nuevos sistemas en ella.

El documento contiene todas las fases del proceso, desde los objetivos iniciales hasta las pruebas realizadas con la maqueta.

Por una parte, la maqueta se realiza con materiales de bajo coste y por otra, la simplificación del mecanismo, son los dos factores que han condicionado todo el proceso de construcción, tanto para aprovechar sus ventajas como resolviendo sus inconvenientes.

Inicialmente se presentan unos requisitos de funcionamiento para poder realizar la maqueta con un presupuesto limitado. Estos requisitos deben reducirse ante la imposibilidad de cumplir los objetivos iniciales. La construcción se inicia y eso conlleva la aparición de inconvenientes que se Irán solucionando durante el proceso de fabricación.

La fase de pruebas es donde se pueden comprobar los resultados de los procesos anteriores y verificar el correcto funcionamiento de los distintos elementos de conforman la maqueta.


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Abstract

This document includes the design and construction process of a model of a controllable pitch propeller, in order to explain the usual operating system of this type of propeller, reducing its complexity, and to understand its most basic principles, both mechanical and control, getting a model for educational purposes and with the possibility of add in new systems in it.

The document contains all the phases of the process, from the initial objectives to the tests carried out with the model.

On the one hand, the model is made with low-cost materials and, on the other, the simplification of the mechanism, are the two factors that have conditioned the entire construction process, both to take advantage of its advantages and to solve its drawbacks.

Initially, some operating requirements are presented to be able to make the model with a limited budget. These requirements should be reduced due to the impossibility of meeting the initial objectives. Construction begins and that leads to the appearance of problems that will be solved during the manufacturing process.

The testing phase is where you can check the results of the previous processes and verify the correct functioning of the different elements that make up the model.

Tabla de contenidos

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Tabla de contenidos

AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................................................ V RESUMEN ....................................................................................................................................................... VII ABSTRACT ...................................................................................................................................................... VIII TABLA DE CONTENIDOS ...................................................................................................................................... IX LISTADO DE ILUSTRACIONES .............................................................................................................................. XIII LISTADO DE TABLAS ......................................................................................................................................... XXI LISTADO DE ECUACIONES................................................................................................................................. XXIII GLOSARIO ..................................................................................................................................................... XXV

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1

CAPÍTULO 2. OBJETIVOS .................................................................................................................... 3

2.1. OBJETIVOS PRINCIPALES .............................................................................................................................. 3 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................................... 3

CAPÍTULO 3. GESTIÓN DEL PROYECTO ................................................................................................ 5

3.1. DISEÑO .................................................................................................................................................... 5 3.2. PROGRAMACIÓN ........................................................................................................................................ 5 3.3. CONSTRUCCIÓN ......................................................................................................................................... 5 3.4. VALIDACIÓN Y PRUEBAS DEL MODELO ............................................................................................................ 6 3.5. CONCLUSIONES .......................................................................................................................................... 6 3.6. REDACCIÓN DE LA MEMORIA TÉCNICA ............................................................................................................ 6

CAPÍTULO 4. DISEÑO ......................................................................................................................... 7

4.1. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA CPP. ........................................................................................................... 7 4.1.1. LA HÉLICE. ................................................................................................................................. 7 4.1.2. SISTEMA HIDRÁULICO .................................................................................................................. 8

4.2. DISEÑO FINAL DEL MODELO. ...................................................................................................................... 11 4.2.1. ENSAMBLAJE DE LA HÉLICE ......................................................................................................... 12 4.2.2. SUBSISTEMA PARA EL AJUSTE DEL PASO DE LA HÉLICE ...................................................................... 20 4.2.3. MOTOR DEL PROPULSOR Y TRANSMISIÓN ..................................................................................... 24 4.2.4. MEDIDA DE LA VELOCIDAD ......................................................................................................... 25 4.2.5. COMPONENTES ELECTRÓNICOS ................................................................................................... 26 4.2.6. LA ESTRUCTURA ....................................................................................................................... 33

4.3. MODIFICACIONES EN LA HÉLICE .................................................................................................................. 34 4.3.1. SOSTENEDOR DE LA PALA ........................................................................................................... 36


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4.3.2. EVOLUCIÓN DEL PATÍN ............................................................................................................... 39 4.3.3. UNIONES CON LOS EJES. ............................................................................................................. 40

CAPÍTULO 5. PROGRAMACIÓN ........................................................................................................ 43

5.1. FUNCIONAMIENTO GENERAL ...................................................................................................................... 43 5.2. FASES DE FUNCIONAMIENTO DEL MODELO .................................................................................................... 45 5.3. NI LABVIEW ........................................................................................................................................... 47

5.3.1. PANEL DE CONTROL .................................................................................................................. 48 5.3.2. GUIA DEL USUARIO ................................................................................................................... 49 5.3.3. PROGRAMACIÓN DE LA COMUNICACIÓN UART ............................................................................. 54 5.3.4. PROGRAMACIÓN DEL MÁQUINA DE ESTADOS (MASTER) .................................................................. 57

5.4. FLOWCODE V8 ........................................................................................................................................ 64 5.4.1. INICIALIZACIÓN DE PERIFÉRICOS................................................................................................... 65 5.4.2. ASIGNACIÓN DE LAS RUTINAS DEL SERVICIO DE INTERRUPCIONES ...................................................... 65 5.4.3. EJECUCIÓN DEL BUCLE SINFÍN...................................................................................................... 69

CAPÍTULO 6. CONSTRUCCIÓN .......................................................................................................... 81

6.1. ENSAMBLAJE DE LA HÉLICE ......................................................................................................................... 81 6.1.1. MÁQUINAS PARA LA IMPRESIÓN.................................................................................................. 81 6.1.2. MATERIAL DE LA IMPRESIÓN ....................................................................................................... 82 6.1.3. SOFTWARE DE IMPRESIÓN .......................................................................................................... 84 6.1.4. PARÁMETROS DE IMPRESIÓN ...................................................................................................... 85 6.1.5. TOLERANCIAS DE IMPRESIÓN ...................................................................................................... 89 6.1.6. CORTE LÁSER ........................................................................................................................... 90 6.1.7. EXPOSICIÓN DE LAS PIEZAS QUE FORMAN EL ENSAMBLAJE DE LA HÉLICE. ............................................ 92

6.2. ENSAMBLAJE DE LA ESTRUCTURA Y EL MECANISMO CPP. ................................................................................ 93 6.3. LISTADO DE MATERIALES DEL MODELO ....................................................................................................... 102

6.3.1. ENSAMBLAJE DE LA HÉLICE ....................................................................................................... 102 6.3.2. PARTES MECÁNICAS DEL MODELO. ............................................................................................. 102 6.3.3. COMPONENTES ELECTRÓNICOS ................................................................................................. 103 6.3.4. PARTES DE LA ESTRUCTURA ...................................................................................................... 103 6.3.5. TORNILLERÍA .......................................................................................................................... 104

6.4. PRESUPUESTO DEL MODELO ..................................................................................................................... 105 6.4.1. ANÁLISIS DE LOS COSTES DE IMPRESIÓN ...................................................................................... 107 6.4.2. COSTES DE LAS PIEZAS IMPRESAS ............................................................................................... 109 6.4.3. COSTES DEL SISTEMA ELECTRÓNICO ........................................................................................... 109 6.4.4. COSTES DE LA ESTRUCTURA ...................................................................................................... 110 6.4.5. PRESUPUESTO FINAL ............................................................................................................... 110

CAPÍTULO 7. VALIDACIÓN ............................................................................................................... 111

7.1. VERIFICACIÓN DE LA INTERFAZ DE LABVIEW ............................................................................................... 111 7.1.1. EJEMPLO DE LA FASE DE VERIFICACIÓN ....................................................................................... 113

7.2. VERIFICACIÓN DEL SISTEMA ELECTRÓNICO. ................................................................................................. 115

Tabla de contenidos

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7.3. PRUEBAS CON EL MODELO Y LA INTERFAZ. .................................................................................................. 116

CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 117

CAPÍTULO 9. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 121

ANEXO 1. PLANOS ............................................................................................................................. 1


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Listado de Ilustraciones

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Ilustración 1. hélice de un mecanismo CPP. (SCHOTTEL CP PROPELLER,2020) ........................................... 7

Ilustración 2. Vista explosionada de una hélice CPP. (Description and service manual, Kamewa, 2020) ... 8

Ilustración 3. Tipo de sistema dependiendo de donde se sitúa el pistón. (Marine propellers and propulsión, 2020) ......................................................................................................................................... 9

Ilustración 4. Caja de transporte de aceite (Product Information MAN Alpha,2020).................................. 9

Ilustración 5. Secuencia de funcionamiento del sistema hidráulico de un CPP. ........................................ 10

Ilustración 6. Visión final del modelo. ........................................................................................................ 11

Ilustración 7. Composición de los subsistemas del modelo. ...................................................................... 11

Ilustración 8. Pieza "Núcleo". ..................................................................................................................... 12

Ilustración 9. Pieza "Cubo desplazador"..................................................................................................... 12

Ilustración 10. Pieza "Patín desplazador". .................................................................................................. 13

Ilustración 11. Pieza "Sostenedor de la pala" y vista de sección................................................................ 13

Ilustración 12. Pieza "Retenedor". ............................................................................................................. 14

Ilustración 13. Pieza "Pala". ........................................................................................................................ 14

Ilustración 14. Vista explosionada del ensamblaje de la hélice. ................................................................ 15

Ilustración 15. Vista de sección del ensamblaje de la hélice, vista lateral. ................................................ 15

Ilustración 16. Vista del diseño del ensamblaje de la hélice. ..................................................................... 16

Ilustración 17. Vista de sección del ensamblaje de la hélice, alzado. ........................................................ 16

Ilustración 18. Secuencia de movimiento del ensamblaje de la hélice. ..................................................... 17

Ilustración 19. Posición del cubo desplazador, patín de bloqueo y sostenedor de la pala en par cero, no se genera giro. ............................................................................................................................................ 18

Ilustración 21. Posición del cubo desplazador, patín de bloqueo y sostenedor de la pala en operación. 18

Ilustración 20. Posición del cubo desplazador, patín de bloqueo y sostenedor de la pala en par máximo. .................................................................................................................................................................... 18

https://d.docs.live.net/9791879f38c49e49/CPP%20TFG/CPP.docx#_Toc56723507









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Ilustración 22. Vista de sección del ensamblaje de la hélice, en la posición máxima permitida mecánicamente. ......................................................................................................................................... 19

Ilustración 23. Visión general del sistema de ajuste del paso. ................................................................... 20

Ilustración 24. Posición de los finales de carrera. ...................................................................................... 21

Ilustración 25. Composición de los elementos del subsistema de ajuste del paso. ................................... 21

Ilustración 26. Vista explosionada del sistema de empuje. ....................................................................... 22

Ilustración 27. Cálculo del paso de la hélice. .............................................................................................. 23

Ilustración 28. Visión general del sistema de transmisión. ........................................................................ 24

Ilustración 29. Vista de explosión soporte del motor DC. .......................................................................... 24

Ilustración 30. Subsistema de medida de la velocidad............................................................................... 25

Ilustración 31. Esquema eléctrico del modelo. .......................................................................................... 26

Ilustración 32. Arduino uno. ....................................................................................................................... 26

Ilustración 33. Controlador L298N. ............................................................................................................ 27

Ilustración 34. Esquema general de conexiones del controlador A4899. .................................................. 28

Ilustración 36. Transformador. ................................................................................................................... 29

Ilustración 36. Fuente de alimentación regulable. ..................................................................................... 29

Ilustración 37. Final de carrera. .................................................................................................................. 30

Ilustración 38. Pulsador de emergencia en pull up. ................................................................................... 30

Ilustración 39. Motor DC. ........................................................................................................................... 30

Ilustración 40. Módulo REED. ..................................................................................................................... 31

Ilustración 41. Interior del interruptor de lengüeta del módulo REED. ..................................................... 31

Ilustración 42. Configuración de los pines del módulo REED. .................................................................... 31

Ilustración 43. Brunzidor. ........................................................................................................................... 32

Ilustración 45. Motor paso a paso (Stepper). ............................................................................................. 32

Ilustración 45. Secuencia de activación de las bobinas para mover el motor. .......................................... 32

Ilustración 46. Visión global de la estructura. ............................................................................................ 33














xv

Ilustración 49. Primer diseño del cubo desplazador y el patín. ................................................................. 34

Ilustración 49. Núcleo con los patines y los sostenedores de las palas ensamblados. .............................. 34

Ilustración 49. Vista de sección del núcleo, el cubo desplazador, patín y sostenedor de la pala. Rodeado en rojo los vértices con conflicto................................................................................................................ 34

Ilustración 50. En la primera ilustración vista de sección del montaje ya resuelto, en la segunda vista de sección explotada, en la tercera solución final del problema. ................................................................... 35

Ilustración 51. Evolución del núcleo y del cubo deslizador. ....................................................................... 35

Ilustración 52. Primera versión del sostenedor de la pala. ........................................................................ 36

Ilustración 54. Giro del sostenedor imposibilitado por la posición del patin respecto al sostenedor. ..... 36

Ilustración 54. Giro del sostenedor posible gracias a la nueva posición del agujero de unión entre el patín y el sostenedor. .......................................................................................................................................... 36

Ilustración 55. Segunda versión del sostenedor. ....................................................................................... 37

Ilustración 56. Tercera visión del sostenedor. ........................................................................................... 37

Ilustración 60. Vista de sección del sostenedor de la pala definitivo. ....................................................... 38

Ilustración 60. Vista del sostenedor de la pala definitivo. ......................................................................... 38

Ilustración 60. Problema en la pala debido a que el agujero del sostenedor atraviesa la espiga. ............ 38

Ilustración 60. Solución al problema de la espiga subiendo el agujero de 1 a 2........................................ 38

Ilustración 61. Evolución del patín hasta llegar al patín de bloqueo. ........................................................ 39

Ilustración 63. Estriado para facilitar la unión entre el casquillo y el eje. .................................................. 40

Ilustración 63. Vista explosionada de la unión entre el núcleo, el casquillo y el eje. ................................ 40

Ilustración 65. Montaje del cubo desplazador en el eje empujador. ......................................................... 41

Ilustración 65. Despiece del montaje real del eje empujador con el cubo desplazador. .......................... 41

Ilustración 66. Vista explosionada de la unión entre el cubo desplazador y el eje por medio de dos prisioneros. ................................................................................................................................................. 41

Ilustración 67. Tramas enviadas desde el ordenador al microcontrolador y de este al ordenador. ......... 44

Ilustración 68. Grafcet de la máquina de estados programada en LabVIEW. ............................................ 47

Ilustración 69. Panel de control para el funcionamiento del modelo. ....................................................... 48

Ilustración 70. El display en el estado de “Standby”. ................................................................................. 49




















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Ilustración 71. El usuario puede introducir los datos en el apartado "Constantes". ................................. 49

Ilustración 72. El display en el estado de “Arranque”. ............................................................................... 50


Ilustración 74. El display en el estado de “Parada”. ................................................................................... 50


Ilustración 76. Display en el momento de cierre de programa. ................................................................. 51

Ilustración 77. El display en el estado de “Emergencia”. ........................................................................... 52

Ilustración 78. Display después de haber apretado el botón "REARME". .................................................. 52

Ilustración 79.El display en el estado de “Parada”. .................................................................................... 52


Ilustración 81. Vista general del programa de comunicación UART. ......................................................... 54

Ilustración 82. Primera parte del programa de comunicación UART. ........................................................ 54

Ilustración 83. Segunda parte del programa de comunicación UART. ....................................................... 55

Ilustración 85. Tercera parte del programa de comunicación UART. ........................................................ 55

Ilustración 85. Interior del Analog_TX.vi .................................................................................................... 55

Ilustración 86. Parte final del programa de comunicación UART. .............................................................. 56

Ilustración 87. Visión general de la máquina de estados. .......................................................................... 57

Ilustración 88. Visón de la fase "Standby" .................................................................................................. 58

Ilustración 89. Visón de la fase "Arranque". ............................................................................................... 59

Ilustración 90. Visón de la fase "Normal" ................................................................................................... 60

Ilustración 91. Subprograma que convierte el ángulo de la pala a el ángulo de giro del motor. .............. 61

Ilustración 92. Visón de la fase "Parada" .................................................................................................... 61

Ilustración 93. Visón de la fase “Emergencia”. ........................................................................................... 62

Ilustración 94. Visión del case en estado “False”. ...................................................................................... 62

Ilustración 95. Visón de la fase “Ir a Standby”. .......................................................................................... 63

Ilustración 96. Visión del case en estado “True”. ....................................................................................... 63









xvii

Ilustración 97. Visión principal del programa interno del microcontrolador............................................. 64

Ilustración 98. Inicialización de los perifericos. .......................................................................................... 65

Ilustración 99. Inicialización de las interrupciones. .................................................................................... 65

Ilustración 100. Ventana en Flowcode V8 para poder comprobar la frecuencia de interrupción. ............ 66

Ilustración 101. Macro asignada a la interrupción ISR_Timer. .................................................................. 66

Ilustración 102. Macro asignada a la interrupción ISR_Tacometro. .......................................................... 67

Ilustración 103. Macro asignada a la interrupción ISR_PPE. ...................................................................... 68

Ilustración 104. Macro asignada a la interrupción Lee_UART ................................................................... 68

Ilustración 105. Visión global del bucle sin fin global................................................................................. 69

Ilustración 106. Visión de la macro Escribe_UART. .................................................................................... 70

Ilustración 107. Visión de la macro PAP_ON. ............................................................................................. 70

Ilustración 108. Visión de la macro PAP_ON_antih. .................................................................................. 71

Ilustración 109. Visión de la macro PAP_OFF. ............................................................................................ 71

Ilustración 110. Visión de la macro Manejo_PAP. ..................................................................................... 72

Ilustración 111. Visión de la macro PAP_trapecio. .................................................................................... 73

Ilustración 112. Visión del estado 0 - Standby ........................................................................................... 74

Ilustración 113. Visión del estado 1 – Arranque. ....................................................................................... 75

Ilustración 114. Visión del estado 2 – Normal. ........................................................................................... 76

Ilustración 115. Visión del estado 3 – Parada. ........................................................................................... 78

Ilustración 116. Visión del estado 3 – Emergencia. .................................................................................... 79

Ilustración 117. Impresora BCN3D Sigma R17. (BCN3D, 2020) .................................................................. 81

Ilustración 118. Prusa mini. (Prusa.2020) .................................................................................................. 82

Ilustración 119. Vista del panel principal del software “Cura” para impresión 3D. ................................... 84

Ilustración 121. Cuadrado sin aplicar el formato STL. ................................................................................ 84

Ilustración 121. Cuadrado una vez aplicado el formato STL. ..................................................................... 84

Ilustración 122. Geometría del Núcleo en formato STL. ............................................................................ 85

Ilustración 123. Alturas de capa en una impresión. ................................................................................... 85











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Ilustración 124. Comparación de dos piezas impresas a diferentes espesores de pared. ......................... 86

Ilustración 125. Diferentes porcentajes de relleno con sus correspondientes pesos. ............................... 86

Ilustración 126. Generación desde la base o desde todas las partes. ........................................................ 87

Ilustración 127. explicación del ángulo de soporte. ................................................................................... 87

Ilustración 128. Orientación de las capas para mejorar la resistencia de una pieza. ................................ 88

Ilustración 129: preparación de los parámetros de la pieza "núcleo". ...................................................... 88

Ilustración 130. Tolerancias de impresión 3D. ........................................................................................... 89

Ilustración 131. Ajuste de tolerancias entre el cubo desplazador y el núcleo. .......................................... 89

Ilustración 132. Ajuste de tolerancias entre el núcleo y el eje exterior. .................................................... 89

Ilustración 133. Pruebas de tolerancias para el ajuste entre los patines, el cubo desplazador y el sostenedor de la pala. ................................................................................................................................ 89

Ilustración 135. Corte para la comprobación de las tolerancias. ............................................................... 90

Ilustración 135. Espigas con diferentes tolerancias para poder obtener la correcta. ................................ 90

Ilustración 136. Vista del asistente de corte con el nesting realizado. ...................................................... 91

Ilustración 137. Pancha de metacrilato introducida en el láser antes de ser cortada. .............................. 91

Ilustración 138. Ajuste de los parámetros del láser y origen. .................................................................... 91

Ilustración 139. Pieza "Núcleo". ................................................................................................................. 92

Ilustración 140. Pieza "Cubo desplazador". ................................................................................................ 92

Ilustración 141. Pieza "Patín de bloqueo". ................................................................................................. 92

Ilustración 142. Pieza "Sostenedor de la pala". .......................................................................................... 92

Ilustración 143. Pieza "Retenedor". ........................................................................................................... 92

Ilustración 145. Perfiles, escuadras y tornillos de montaje. ....................................................................... 93

Ilustración 145. Montaje de la estructura. ................................................................................................. 93

Ilustración 146. Alineación de la parte exterior de la estructura. .............................................................. 93

Ilustración 147. Despiece y montaje del motor principal y su estructura impresa en 3D. ........................ 94

Ilustración 148. Ensamblaje del mecanismo de paso de la hélice. ............................................................ 94




















xix

Ilustración 150. Torneado del casquillo del cubo desplazador. ................................................................. 95

Ilustración 150. Roscado de los agujeros para la unión entre el cubo desplazador y el eje empujador. .. 95

Ilustración 151. Despiece de la unión entre la varilla empujadora el cubo deslizador, esta unión se lleva a cabo con unos prisioneros. ........................................................................................................................ 95

Ilustración 153. Ensamblaje del sistema de ajuste del paso de la hélice. .................................................. 96

Ilustración 153.Roscado de los perfiles para poder poner las patas. ........................................................ 96

Ilustración 154. Montaje de la chumacera del eje del sin fin y a su vez montaje del metacrilato con sus respectivos perfiles. ................................................................................................................................... 96

Ilustración 155. Montaje del motor principal en la estructura con sus respectivos engranajes y la correa. .................................................................................................................................................................... 97

Ilustración 156. Casquillo torneado con Nylon para poder unir el eje principal y el núcleo de la hélice, esta pieza está unida solidariamente en el eje con pegamento de doble componente, como se puede ver en la segunda ilustración el tubo tiene un estriado para facilitar la unión. ............................................... 97

Ilustración 157. Avellanado de las piezas agujereadas. ............................................................................. 98

Ilustración 158. Secuencia de montaje de la hélice. .................................................................................. 98

Ilustración 159: Secuencia de montaje de los componentes electrónicos. ............................................... 99

Ilustración 160. Secuencia del cableado del modelo. .............................................................................. 100

Ilustración 161. Visión final del modelo desde el costado de babor. ...................................................... 101

Ilustración 162. Visión final del modelo desde el costado de estribor. ................................................... 101

Ilustración 163. Porcentaje del coste de la pieza "Patín de bloqueo". .................................................... 107

Ilustración 164. Porcentaje del coste de la pieza "Retenedor". ............................................................... 107

Ilustración 165. Porcentaje del coste de la pieza "Cubo desplazador". ................................................... 107

Ilustración 166. Porcentaje del coste de la pieza "Núcleo" ..................................................................... 107

Ilustración 167. Porcentaje del coste de la pieza "Sostenedor de la pala". ............................................. 107

Ilustración 168. Comparativa de las horas de impresión. ........................................................................ 108

Ilustración 169: Comparativa del coste de cada pieza. ............................................................................ 108

Ilustración 170. Visión del Laboratorio UART........................................................................................... 112

Ilustración 171. Comprobación del panel de control en la fase de funcionamiento "Normal". .............. 113

Ilustración 172. Comprobación del Laboratorio UART en la fase de funcionamiento "Normal"............. 114




















xx

Ilustración 173. Panel de verificación de los sensores y actuadores del modelo. ................................... 115

Ilustración 174. Visión general del programa de verificación de sensores y actuadores. ....................... 116

Ilustración 175. Pruebas con el modelo. .................................................................................................. 116


Listado de Tablas

xxi

Listado de Tablas

Tabla 1. Gráfico del par de la pala en porcentaje según el paso de la pala. .............................................. 19

Tabla 2. Asignación de valores a la variable "Estado" según la fase de trabajo. ....................................... 58

Tabla 3. Listado de las partes que componen la hélice. ........................................................................... 102

Tabla 4. Listado de las partes mecánicas que componen al modelo. ...................................................... 102

Tabla 5. Listado de los componentes electrónicos utilizados en el modelo, a excepción de los cables de conexión ................................................................................................................................................... 103

Tabla 6. Listado de las partes que forman la estructura del modelo. ...................................................... 103

Tabla 7. Listado de la tornillería utilizada en el modelo........................................................................... 104

Tabla 8. Cálculo del coste de pieza "Núcleo" con la calculadora de costes de impresión. ...................... 105

Tabla 9. Listado de costes de las piezas impresas. ................................................................................... 109

Tabla 10. Listado de costes de los componentes electrónicos. ............................................................... 109

Tabla 11. Listado de costes de la estructura. ........................................................................................... 110

Tabla 12. Presupuesto final del modelo. .................................................................................................. 110


xxii

Listado de Ecuaciones

xxiii

Listado de Ecuaciones

Ecuación 1. Cálculo del par del paso de la pala. ......................................................................................... 19

Ecuación 2. Vueltas del motor en función del paso de la hélice. ............................................................... 23

Ecuación 3. Cálculo de la velocidad del eje. ............................................................................................... 25

Ecuación 4. Cálculo del duty cicle. .............................................................................................................. 27

Ecuación 5. Frecuencia de interrupción en función del precaler aplicado. ............................................... 66

Ecuación 6. Recta de la velocidad del motor del modelo, revoluciones en función del voltaje. ............... 77

Ecuación 7. Coste de amortización de la impresora. ............................................................................... 106


xxiv

Glosario

xxv

Glosario

B

boleanos. Su definición es aquello que admite solo dos posibles respuestas y cuyos valores se excluyen el uno del otro. En programación True (Verdadero) o False (Falso) y en electronica se corresponden a 1 (Voltaje en alto) y 0 (Voltaje en cero).

Bosquejo. Un bosquejo es la primera traza, boceto o diseño que se realiza de una obra pictórica o de cualquier otra producción de la creatividad humana.

Bucle. Un bucle es una secuencia que repite varias veces un mismo trozo de código, hasta que la condición asignada al bucle deja de cumplirse.

Byte Es la unidad de información de base utilizada en

computación y en telecomunicaciones, y que resulta equivalente a un conjunto ordenado de ocho bits, un bit es un dígito del sistema de numeración binario., 54

C

CPP (Controllable Pich Propeller). Una hélice de controlable es un tipo de hélice cuyas palas pueden girar alrededor de su eje largo para cambiar su ángulo de ataque.

D

Duty cicle. En electrónica, el ciclo de trabajo, ciclo útil o régimen de trabajo es la relación que existe entre el tiempo en que la señal se encuentra en estado activo y el periodo de la misma.

E

Efecto warping. Es muy común que al imprimir piezas que ocupan mucha superficie, las esquinas tiendan a levantarse. Esto es debido a la contracción: el material sale del extrusor a 260 grados centígrados, choca con la plataforma que está a unos 60, y se enfría, creando una contracción

Es un formato de archivo informático de diseño asistido por computadora (CAD) que define geometría de objetos 3D, excluyendo información como color, texturas o propiedades físicas que sí incluyen otros formatos CAD. Este formato se aproxima a la superficie de un modelo sólido con triángulos., 82

Estructura Case. Con la estructura de control CASE podemos evaluar una variable y realizar acciones dependiendo del valor de esta. La diferencia con el IF

consiste en que el número de posibilidades de la evaluación de esta variable no tiene por que ser si o no, pudiendo hacer cosas para un número indeterminado de valores.

F

Full Duplex. Es un término utilizado en telecomunicación para definir a un sistema que es capaz de mantener una comunicación bidireccional, enviando y recibiendo mensajes de forma simultánea.

G

GRAFCET. Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition que significa diagrama de control con etapas y transiciones, es un modelo de representación gráfica, de los sucesivos comportamientos de un sistema lógico, predefinido por sus entradas y salidas.

H

Hardware. En informática se refiere a las partes físicas, tangibles, de un sistema informático, sus componentes eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos.

Hélice. Es un dispositivo mecánico formado por un conjunto de elementos denominados palas o álabes, montados de forma concéntrica y solidarias de un eje que, al girar, las palas trazan un movimiento rotativo en un plano.

Hidrosoluble. Que es soluble en agua.

I

Imputs. Conjunto de datos que se introducen en un sistema o un programa informáticos.

ISR. "Rutina de servicio de interrupción". Un ISR (también llamado controlador de interrupción) es un programa. proceso invocado por una solicitud de interrupción de un hardware dispositivo. Maneja la solicitud y la envía al CPU, interrumpiendo el activo está. Cuando se completa el ISR, se reanuda el proceso.

L

Lapso. Porción de tiempo que transcurre entre dos hechos o dos cosas, generalmente de la misma naturaleza.


xxvi

M

Match Pattern. Función en NI LabVIEW que se encarga de encotrar un valor indicado

Microcontrolador. Microcontrolador es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria.

Modelo. Es un bosquejo que representa un conjunto real con cierto grado de precisión y en la forma más completa posible, pero sin pretender ser una réplica de lo que existe.

N

Nesting. Anidamiento.

P

Paso de una hélice. El término «paso» representa la distancia teórica a la que se mueve una hélice cuando hace una rotación completa. Es decir, con un paso de 21 pulgadas, por ejemplo, avanzará 21 pulgadas en una rotación completa.

Periféricos. En informática, periférico es la denominación genérica para designar al aparato o dispositivo auxiliar e independiente conectado a la unidad central de procesamiento de una computadora.

Prescaler. que es un circuito de conteo electrónico para reducir la señal de la frecuencia eléctrica del oscilador, en sí es un divisor de frecuencia programable. En realidad es un timer.

Programación visual. Se refiere a la programación en la que se utiliza más de una dimensión para expresar la semántica. Los lenguajes de programación visual permiten a los usuarios crear programas mediante la manipulación de elementos gráficos, en lugar de especificarlos exclusivamente de manera textual.

R

RO-RO. Ro-Ro es un acrónimo del término inglés roll on-roll off, con el cual se denomina a todo tipo de buque, o barco, que transporta cargamento rodado, tanto automóviles como camiones.

S

Señales analógicas.. Es aquella que presenta una variación continua con el tiempo, que a una variación suficientemente significativa del tiempo le corresponderá una variación igualmente significativa del valor de la señal.

Señales digitales. La señal digital es un tipo de señal en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango.

Software. Es el soporte lógico de un sistema informático, que comprende el conjunto de los componentes lógicos necesarios que hacen posible la realización de tareas específicas.

String. Cadena de caracteres, es una secuencia ordenada (de longitud arbitraria, aunque finita) de elementos que pertenecen a un cierto lenguaje formal o alfabeto análogas a una fórmula o a una oración.

U

UART. Transmisor-Receptor Asíncrono Universal, es el dispositivo que controla los puertos y dispositivos serie. Cuando un dispositivo se comunica usando el protocolo serial, su UART transmite en la línea

Capítulo 1. Introducción

1

Capítulo 1. Introducción

A principios del siglo XIX el ingeniero checo Josef Ressel inventó lo que hoy conocemos como hélice. Su objetivo era transmitir, mediante las palas, la energía cinética que estas generan. La primera vez que se utilizó una hélice como medio de propulsión fue en el curso del río Krka en Carniola (Italia). A partir de entonces, los sistemas de propulsión han ido evolucionando constantemente.

Una de estas evoluciones ha dado lugar a la hélice de paso controlable. Se trata de una hélice que puede variar su paso para obtener un rendimiento optimizado para cada situación de trabajo. Para poder entender mejor el principio de funcionamiento de este tipo de hélices podemos hacer un símil con un tornillo. El ángulo del hilo del tornillo sería el paso de la hélice, cuanto mayor sea el ángulo de inclinación, más distancia recorre el tornillo en cada rotación, de igual manera, a medida que el paso va aumentando, la embarcación aumenta su velocidad al mismo régimen de revoluciones del eje propulsor.

La primera patente de palas reversibles, esencia del sistema CPP (Controllable Pich Propeller), fue concebida hace más de 150 años, en 1844. En 1934 fue introducido el sistema hidráulico para obtener el cambio de posición de las palas, ya que los sistemas mecánicos, utilizados hasta la fecha, no eran capaces de generar la suficiente potencia para girar las palas.

Las principales ventajas de un sistema CPP son que la velocidad del buque puede ser fácilmente controlada, los buques pueden mantener un buen gobierno a muy baja velocidad, las maniobras se ejecutan rápidamente y tanto el atraque como zarpada se pueden realizar de forma muy suave. Estas características hacen que el sistema de propulsión CPP sea ideal para buques que deben realizar muchas maniobras, como ferris o buques de carga rodada (RO-RO).

Uno de los objetivos principales de este trabajo, es resolver el diseño de un propulsor para construir un modelo a pequeña escala, simplificándolo y consiguiendo un modelo totalmente funcional y fácilmente manipulable, implementando un sistema de software basado en las fases de funcionamiento de un sistema CPP real que permita controlar la velocidad del giro de la hélice y el ajuste del paso de las palas.

Los modelos a pequeña escala son bosquejos que representan un conjunto real con cierto grado de precisión y en la forma más completa posible, pero sin pretender ser una réplica de lo que existe. Los modelos son muy útiles para la demostración, evaluación del diseño y promoción la del mismo, así como, para explicar o comprender mejor la realidad, cuando es imposible trabajar directamente en la realidad en sí.


2

Una de las motivaciones para empezar a realizar este trabajo era aprender a solucionar un proyecto que interrelaciona diferentes disciplinas técnicas. Aplicar los conocimientos de sistemas aprendidos durante los años de universidad y aprovechando mis conocimientos en diseño e impresión 3D. Otra de las motivaciones fue la necesidad de aprender programación y electrónica aplicada al mundo naval.

Este trabajo se estructura en cuatro bloques. En primer lugar, fase de diseño en la que se proyecta el modelo. Seguidamente la fase de programación que estructura el software de funcionamiento del modelo. En tercer lugar, la fase de construcción en la que diseño y programación se ensamblan para llegar a la última fase de validación donde se comprueba la utilidad y eficacia del proyecto.

Capítulo 2. Objetivos

3

Capítulo 2. Objetivos

En este capítulo se explicarán los objetivos propuestos al inicio del proyecto. En el desarrollo de esta memoria se podrá comprobar cómo van progresando y de qué modo se alcanzan estos objetivos.

2.1. Objetivos principales

El proyecto tiene dos objetivos. El primero es un objetivo académico y el segundo es un objetivo de ingeniería.

El objetivo académico pretende obtener un modelo reducido y funcional de un propulsor naval, basado en una hélice de paso controlable. La finalidad sería demostrar la base de esta tecnología y dar lugar a una plataforma para la futura implementación de más sistemas sobre esta representación, a escala, del propulsor.

El objetivo de ingeniería sería, por lo tanto, resolver el diseño del propulsor para construirlo a pequeña escala, simplificando de este modo, los mecanismos actualmente utilizados en la industria naval, para implementar, con un bajo coste, un modelo que funcione en su totalidad, tanto para el control de la velocidad de giro de la hélice como para el ajuste del paso de las palas, pudiendo manejar estas variables de funcionamiento desde un sistema de control y supervisión virtual.

2.2. Objetivos específicos

Para conseguir el objetivo principal necesitamos conseguir los siguientes objetivos:

1. Diseño 3D en Solidworks.

Para la realización de este proyecto se ha utilizará el programa Solidworks de diseño 3D, para poder desarrollar el modelo, tanto el mecanismo como la estructura que lo contiene. El diseño 3D servirá para fabricar las piezas del modelo, también para definir la situación de cada uno de los elementos que componen la maqueta y, por último, analizar las relaciones de movimiento entre los componentes.

2. Impresión 3D.

El método de fabricación de las piezas que compondrán el modelo será la impresión 3D. Se trata de un método de fabricación que permite realizar prototipos de productos con facilidad, mejorando el diseño y reduciendo los costes.


4

3. Programación en NI Labview.

El software que emplearemos para la programación en el ordenador será NI Labview. Se trata de una plataforma de desarrollo para diseñar sistemas con lenguaje de programación visual.

4. Programación en Flowcode V8.

El software que emplearemos para la programación del microcontrolador será Flowcode V8. Es un entorno de desarrollo integrado para implementar sistemas embebidos a través de un entorno visual.

5. Comunicaciones.

El sistema de comunicación entre NI Labview y el microcontrolador necesita de una transmisión de datos fluida y a tiempo real. Para ello emplearemos el protocolo RS-232 (Recommended Standard 232) Con este protocolo conseguiremos coordinar las dos partes.

6. Electrónica.

Necesitaremos tener conocimiento de electrónica para proyectar la instalación entre los sensores y motores con el microcontrolador.

7. Manipulación y mecanizado de diferentes materiales.

Para montar la maqueta será necesario manipular diferentes tipos de materiales, para ello se tendrá que ampliar los conocimientos en el uso de herramientas de taller y el mecanizado de piezas.

Capítulo 3. Gestión del proyecto

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Capítulo 3. Gestión del proyecto

Este proyecto se divide en cuatro apartados principales: la fase de diseño, la fase de programación, la fase de construcción y la fase de validación y pruebas del modelo de la hélice de paso controlable. Basado en estos tres apartados, se ha seguido el siguiente guion para la elaboración del proyecto:

3.1. Diseño

Se trata de una fase iterativa con la finalidad de conseguir el diseño más apropiado.

1. Estudio de los actuales sistemas de hélices de paso controlable.

2. Simplificación del ensamblaje de la hélice.

3. Simplificación del sistema de control del mecanismo de accionamiento.

4. Diseño de ingeniería de detalle de cada uno de los componentes de la hélice.

5. Arreglo de la estructura envolvente.

6. Impresiones previas de comprobación.

7. Análisis estático de los componentes más críticos.

8. Energización del modelo.

9. Elementos para el accionamiento mecánico.

3.2. Programación

En este apartado se realizan cada una de las fases de la programación del modelo.

1. Distribución de funciones entre el microcontrolador y el PC.

2. Estrategia de comunicación entre el microcontrolador y el PC.

3. Programación del Panel de Control y del programa “Master”con NI Labview.

4. Programación del microcontrolador con el programa Flowcode V8.

3.3. Construcción

En este apartado se unen el proyecto de diseño y el de programación para fabricar el modelo.

1. Documentación gráfica de la fase de diseño.

2. Listado de materiales.

3. Compra de los materiales.

4. Pruebas de los materiales y componentes para garantizar el objetivo.


6

5. Montaje del modelo.

A pesar de la diferenciación entre los distintos apartados anteriores, debo aclarar que la

Programación y la Construcción se han ido realizando de manera simultánea.

3.4. Validación y pruebas del modelo

Se comprueban cada uno de los elementos de funcionamiento para, de esta manera, validar el funcionamiento del modelo.

1. Validación del sistema de comunicación entre NI Labview y el microcontrolador.

2. Verificación de la maqueta y de todos sus componentes electrónicos.

3. Comprobación del correcto funcionamiento del sistema de control y supervisión del

modelo.

3.5. Conclusiones

Una vez realizadas correctamente las fases anteriores, se comprueba que se hayan cumplido los objetivos iniciales y los procesos intermedios. Se extraen las conclusiones sobre el funcionamiento del modelo, las fases de producción y las posibles mejoras.

3.6. Redacción de la memoria técnica

En este apartado se redacta la memoria del TFG. Se ponen por escrito, de manera ordenada, cada uno de los apartados en los que se ha dividido el proceso de trabajo.

Capítulo 4. Diseño

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En este capítulo enumera todos los pasos que se han requerido para poder llegar al diseño final del modelo.

4.1. Funcionamiento del sistema CPP.

Para poder entender el sistema se debe explicar por separado alguno de los subsistemas que tiene el mecanismo.

4.1.1. La hélice.

La hélice no es una hélice convencional fija, ésta al poder cambiar su paso tiene partes móviles que permiten su movimiento. Las piezas más importantes son las siguientes:

1. Núcleo: es el cuerpo de la hélice. 2. Pistón: permite por medio del

sistema hidráulico el movimiento del cubo.

3. Eje de la hélice: permite el movimiento de rotación de la hélice.

4. Cubo desplazador: éste es el componente más importante del mecanismo de manivela, permite cambiar el movimiento horizontal del pistón en movimiento circular para el giro de la pala.

5. Pala: ésta tiene una forma totalmente diferente a las palas de una hélice fija, ya que esta es totalmente plana, no helicoidal como en el caso de una hélice fija, ya que esta puede variar el paso.

Ilustración 1. hélice de un mecanismo CPP. (SCHOTTEL CP PROPELLER,2020)


8

En la siguiente ilustración podemos ver una vista explosionada de todas las partes que forman una hélice de paso controlable.

En esta vista se puede ver de qué manera se unen todos los componentes. Él núcleo es la estructura que sostiene y centra al cubo desplazador, éste es movido por el eje empujador o por un pistón como se ha comentado anteriormente, en cada uno de los costados del cubo desplazador deslizan los patines, estos encajan en el bulón inferior del sostenedor de la pala, donde se atornilla la pala. La unión de los sostenedores de las palas, los patines y el cubo desplazador, permite generar un mecanismo de manivela en cada pala para así controlar el ángulo de las palas respecto al origen simultáneamente y de esta manera controlar el paso de la hélice.

Ilustración 2. Vista explosionada de una hélice CPP. (Description and service manual, Kamewa, 2020)

4.1.2. Sistema hidráulico

Un sistema CPP requiere de mucho torque para poder girar las palas de la hélice, para poder alcanzar ese nivel de fuerza es necesario un sistema hidráulico.

Hay dos posibles configuraciones del sistema hidráulico, por un lado, éste puede tener el pistón en la hélice, éste necesita de un eje para transportar el líquido hidráulico al núcleo de la hélice, y el segundo sistema que tiene el pistón seguidamente de la desmultiplicadora, este sistema tiene un eje empujador para mover el cubo desplazador.

2. Pala

15. Sostenedor de la pala

17. Núcleo

25. Cubo desplazador

26. Patín


9

El sistema consta de siguientes componentes:

• Sistema de presión hidráulica: es el encargado de mantener en todo momento la presión para poder accionar el movimiento.

• Soporte del mecanismo de manivela: es el carenado que alberga el mecanismo de manivela de la hélice.

o Tapa del mecanismo: se puede extraer para poder realizar el mantenimiento del mecanismo.

• Mecanismo de manivela: el mecanismo está formado por diferentes piezas que trabajan de la misma forma que una manivela.

o Pistón: Pieza que se mueve a causa de la presión que se ejerce en sus paredes el aceite en movimiento horizontal. Este tiene en las 4 paredes un carril perpendicular a la dirección de movimiento del pistón, donde un cuadrado se desplaza.

o Cubo desplazador: es una pieza se desplaza perpendicularmente a la dirección del pistón donde encaja el bulón.

o Sostenedor de la pala: pieza que acopla el cuadrado con la base de la pala que tiene forma circular. Al aplicar fuerza en el bulón que tiene la pieza este realiza un momento sobre esta la pala realiza un movimiento rotatorio.

o Pala. • Caja de transporte de aceite: contiene un anillo que permite la distribución de manera

adecuada la entrada y salida de aceite en los conductos, esta permite que el mecanismo pueda girar sin perder la presión de aceite.

o Entradas de aceite: inyectan el aceite en uno de los dos conductos del tubo transportador.

▪ Popa. ▪ Proa.

o Purgador de aceite. o Clavija de antirrotación.

• Tubos de transporte de aceite. o Interior : se encarga de transportar el

líquido de popa o Exterior: se encarga de llevar el líquido de

proa. • Manguito de unión de los ejes. • Sensor de posición: Permite conocer la posición

del paso de la hélice en todo momento.

Ilustración 3. Tipo de sistema dependiendo de donde se sitúa el pistón. (Marine propellers and propulsión, 2020)

Ilustración 4. Caja de transporte de aceite (Product Information MAN Alpha,2020).


10

Para explicar el funcionamiento del sistema se han realizado una serie de ilustraciones para simplificar la explicación.

Ilustración 5. Secuencia de funcionamiento del sistema hidráulico de un CPP.

1. Se muestran cada uno de los componentes del sistema hidráulico y también se los movimientos del pistón y de la pala.

2. En morado el sistema de transporte de aceite. 3. En morado el pistón que mueve el cubo desplazador 4. En amarillo el líquido hidráulico que empuja el cubo desplazador hacia proa y en verde

el líquido hidráulico que empuja el cubo desplazador hacia popa 5. Cubo desplazado hacia popa, girando las palas en sentido. (posible posición de reversa

de la embarcación) 6. Cubo desplazado hacia a proa, gira las palas en sentido opuesto al anterior (posible

posición de avance de la embarcación)


11

4.2. Diseño final del modelo.

En este apartado se expone el modelo final, y se explica cada uno de los subsistemas que se han creado para poder simplificar un sistema real.

Ilustración 6. Visión final del modelo.

Esta es la visión final del diseño del modelo, uno a uno se va a explicar cada uno de

subsistemas que lo forman. En una vista de planta podemos ver todos los subsistemas.

Ilustración 7. Composición de los subsistemas del modelo.


12

4.2.1. Ensamblaje de la hélice

A la hora de empezar el modelo la primera parte que se proyectar que adaptar fue la hélice, el

primer requisito que se tuvo en cuenta a la hora de diseñar el mecanismo fue la manera de

accionarlo, este tenía que ser mecánico, un sistema hidráulico fabricado en piezas 3D podía

generar problemas de estanqueidad en el circuito, esta es la razón principal de descartar el a

éste para la fabricación de la hélice.

El sistema consta de las siguientes partes principales:

1. Núcleo

La función del núcleo es permitir armar a los demás componentes. Es el cuerpo de la hélice

y permite la rotación de toda la hélice.

Ilustración 8. Pieza "Núcleo".

Sus puntos característicos son:

1. Base para el retenedor.

2. Orificio de entrada del eje exterior.

3. Orificio para el sostenedor de la pala.

4. Entrada del cubo desplazador.

2. Cubo desplazador

El cubo desplazador se en encarga de transmitir el movimiento del eje empujador a cada

uno de los patines de bloqueo.

Ilustración 9. Pieza "Cubo desplazador".


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1. Redondeos para evitar la fricción con el núcleo.

2. Orificio para el eje empujador.

3. Railes para los para los patines de bloqueo.

3. Patín de bloqueo

Permite la unión de manivela entre el cubo desplazador y el sostenedor de la pala por

medio de un bulón, para transformar un movimiento horizontal en rotación.

Ilustración 10. Pieza "Patín desplazador".


1. Bulón de unión con el sostenedor de la pala.

2. Chaflanes para evitar la fricción.

3. Forma alargada para bloquear de manera mecánica el movimiento del paso.

4. Sostenedor de la pala

La función del sostenedor de la pala es permitir el cambio de paso de la pala, por un lado,

permite el giro y por otro sostiene la pala.

Ilustración 11. Pieza "Sostenedor de la pala" y vista de sección.


14


1. Rebaje para incluir el tornillo y la tuerca de la fijación de la pala

2. Orificio para el tornillo de fijación de la pala.

3. Apoyo para la pala

4. Redondeo para minimizar la ficción entre el sostenedor de la pala y el

retenedor.

5. Orificio para el tornillo de fijación de la pala.

6. Cajera para le espiga de la pala

7. Orificio para la unión del bulón del patín de bloqueo.

5. Retenedor

Permite que el sostenedor de la pala pueda girar, pero lo retiene para que no salga del

núcleo.

Ilustración 12. Pieza "Retenedor".


1. Orificios de fijación con el núcleo.

2. Orificio para el sostenedor de la pala.

6. Pala

Ilustración 13. Pieza "Pala".


15

Para comprobar el montaje de la hélice se ha preparado una serie de ilustraciones con vistas

de sección y de explosión del mecanismo.

En esta vista explosionada del ensamblaje de la hélice podemos ver el orden de montaje de los

componentes:

Ilustración 14. Vista explosionada del ensamblaje de la hélice.

1. El núcleo esta unido al eje exterior.

2. Se introduce al núcleo por el orificio de popa de este.

3. El patín de bloqueo va situado en el rail del cubo desplazador.

4. El sostenedor de la pala se une al patín del bloqueo por medio del bulón.

5. El retenedor esta unido con el núcleo sin ningún grado de libertad gracias a unos

tornillos.

6. La pala. Esta unida al sostenedor de la pala, por medio de un tornillo y una espiga.

En la siguiente vista de sección se pueden ver los componentes montados.

Ilustración 15. Vista de sección del ensamblaje de la hélice, vista lateral.


16

Una vez unido el ensamblaje queda de la siguiente manera:

Ilustración 16. Vista del diseño del ensamblaje de la hélice.

Para poder comprender mejor su funcionamiento se explican la siguiente vista de sección.

Ilustración 17. Vista de sección del ensamblaje de la hélice, alzado.


17

1. La estructura del núcleo sujeta los demás componentes y permite el deslizamiento del

cubo.

2. El cubo deslizador se mueve dentro del núcleo y este mueve los patines de bloqueo.

3. El orificio del eje exterior que permite la rotación.

4. Orificio para el eje empujador que permite el control del movimiento del cubo.

5. Patín de bloqueo, gracias a sus rebajes la superficie en contacto con el cubo y el

sostenedor es pequeña.

6. Sostenedor de la pala agarra la pala gracias a la fricción de la espiga de la pala y su

tornillo.

7. El retenedor retiene al sostenedor de la pala.

8. Pala.

Finalmente, esta secuencia explica el movimiento del mecanismo en una posición de reversa,

una posición de paso cero y una de paso avante.

Ilustración 18. Secuencia de movimiento del ensamblaje de la hélice.


18

4.2.1.1. Movimiento de manivela de la hélice

Este es la relación de movimientos entre el cubo desplazador, el patín de bloqueo y el

sostenedor de la pala. Esta relación permite transformar el movimiento horizontal del eje

empujador en movimiento rotatorio en la pala.

Para poder entenderlo se ha preparado una secuencia de la relación entre los componentes.

1. Fuerza que transmite el bulón del patín al sostenedor de la pala.

2. Línea imaginaria de la dirección del movimiento del patín.

3. Centro de giro del sostenedor de la pala.

4. Momento generado en el sostenedor.

5. Línea imaginaria entre el centro del bulón y el centro de giro del sostenedor.

6. Fuerza aplicada con el eje empujador.

7. Distancia de aplicación de la fuerza entre el centro del bulón y el centro del

sostenedor.

Ilustración 21. Posición del cubo desplazador, patín de bloqueo y sostenedor de la pala en operación.

Ilustración 20. Posición del cubo desplazador, patín de bloqueo y sostenedor de la pala en par máximo.

Ilustración 19. Posición del cubo desplazador, patín de bloqueo y sostenedor de la pala en par cero, no se genera giro.


19

El movimiento anterior se puede describir de con la siguiente ecuación.

𝑀𝑃𝑎𝑠𝑜 = 𝐹 𝑥 𝐷 𝑥 𝑐𝑜𝑠 ∝ Ecuación 1. Cálculo

del par del paso

de la pala.

( 1 )

Donde:

MPaso: Momento de par del paso de la pala.

F: Es la fuerza aplicada en el bulón del patín.

D: Distancia entre el centro del bulón y el centro del sostenedor.

∝ : Es el ángulo entre la línea imaginaria de la dirección de movimiento del patín (negra) y la

línea entre el centro del bulón y el centro del sostenedor de la pala (amarilla).

A partir de esta fórmula se ha construido la gráfica de par del paso de la hélice.

Tabla 1. Gráfico del par de la pala en porcentaje según el paso de la pala.

Para evitar la situación de par cero se ha diseñado la pieza del patín de bloqueo para que

mecánicamente bloque el mecanismo a partir de 70 grados de paso. La situación máxima de

par del mecanismo de la hélice es la siguiente:

Ilustración 22. Vista de sección del ensamblaje de la hélice, en la posición máxima permitida mecánicamente.


20

4.2.2. Subsistema para el ajuste del paso de la hélice

Este subsistema se encarga transmitir el paso al ensamblaje de la hélice por medio del eje

empujador.

La visión general de cómo se enlaza el ensamblaje de la hélice con este subsistema es la

siguiente.

Ilustración 23. Visión general del sistema de ajuste del paso.

1. Ensamblaje de la hélice.

2. Eje exterior.

3. Eje empujador.

4. Subsistema para el ajuste del paso.

4.2.2.1. Subsistema para el ajuste del paso

Este se compone de las siguientes partes:

1. Rodamiento para el eje empujador: actúa como un quita vueltas, de manera que la

parte de dentro del rodamiento está en contacto con el eje empujador y la parte

exterior con el soporte del empujador, este sostiene al rodamiento y no permite el giro

de la parte exterior.

2. Eje empujador: transmite el movimiento del subsistema de ajuste paso al ensamblaje

de la hélice.

3. Eje exterior: transmite la rotación al ensamblaje de la hélice.

4. Motor paso a paso: el motor paso a paso permite mover el sinfín controladamente y

con mucha precisión.


21

5. Acoplamiento flexible entre el motor y el sinfín:

permite la unión entre el eje del motor paso a paso

y el sinfín, éste tiene cierta flexibilidad para poder

generar menos vibraciones y alinear mejor los dos

ejes.

6. Carro: éste desliza por un perfil en V, permitiendo

el guiado del sistema de ajuste del paso, evita el

momento producido por el sinfín y da rigidez al

sistema.

7. Finales de carrera: controlan la zona de operación

del paso de la hélice y centran el carro para

conseguir el paso 0, sitúan el carro en la posición

de origen.

8. Sistema de empuje.

Ilustración 25. Composición de los elementos del subsistema de ajuste del paso.

Ilustración 24. Posición de los finales de carrera.


22

4.2.2.2. Sistema de empuje

El sistema de empuje a su vez este compuesto de los siguientes componentes:

Ilustración 26. Vista explosionada del sistema de empuje.

1. Sinfín: permite transformar el movimiento rotatorio del motor en lineal.

2. Tuerca para el sinfín: la relación con el sinfín la desplaza horizontalmente, esta esta

unido a un cubo de aluminio por medio de 4 tornillos.

3. El cubo de aluminio: une la tuerca del sinfín con la parte

inferior del empujador.

4. Parte inferior del empujador: une al carro con el movimiento

del sinfín, esta pieza permite ajustar la parte superior del

empujador horizontal y verticalmente.

5. La parte superior del empujador: sostiene la parte exterior del

rodamiento y permite la alineación vertical y horizontal con el

eje empujador a la hora del montaje.


23

4.2.2.3. Cálculo para el control del paso

Para poder controlar el paso de la hélice se debe relacionar el movimiento del cubo

desplazador con las vueltas que da el motor. De manera que se tiene que igualar la distancia

que se mueve el sinfín con la distancia que se mueve el cubo desplazador y ponerla en función

del ángulo de paso de la pala, la distancia entre el centro del bulón del patín y el centro del

sostenedor y finalmente las vueltas del motor y el paso del sinfín.

Ilustración 27. Cálculo del paso de la hélice.

Cuando relacionamos las dos partes extraemos la siguiente ecuación, ésta deja las vueltas del

motor en función del paso de la hélice.

𝛽 = 𝐿

𝑃 𝑥 𝑠𝑒𝑛 𝛼 = 8,5 𝑥 𝑠𝑒𝑛 𝛼

Ecuación 2.

Vueltas del

motor en función del paso

de la hélice.

( 2 )

Donde:

• 𝛽: Vueltas del motor del motor en grados.

• L: Distancia del centro del bulón al centro del sostenedor, en este caso es una

constante y es 8,5mm.

• P: Paso del sinfín, es una constante y en este caso es 1mm/vuelta.

• 𝛼: Ángulo de paso de la pala.


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4.2.3. Motor del propulsor y transmisión

Este subsistema se encarga del movimiento de rotación del eje exterior y por consecuencia el

de la hélice.

Ilustración 28. Visión general del sistema de transmisión.

El motor mueve un engranaje que, finalmente, mueve el engranaje del eje exterior por medio

de una correa que los une. Para poder calcular la longitud de la correa, se han diseñado todos

los componentes por software con las medidas reales exactas, de esta manera se ha podido

con Solidworks dimensionarla.

Para poder soportar el momento generado por el motor se ha diseñado el siguiente soporte:

Ilustración 29. Vista de explosión soporte del motor DC.

1. Engranaje del motor.

2. Motor DC.

3. Parte inferior del soporte del motor DC, esta permite sostener el motor sin ningún

grado de libertad.

4. Parte superior del soporte del motor DC, es la encargada de sujetar la parte inferior del

soporte a la estructura evitando los momentos generados por el motor y permitiendo

la tensión de la correa gracias al perfil de soporte.


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4.2.4. Medida de la velocidad

La medida de la velocidad se realizado con un sensor REED, este es un interruptor que se activa

cada vez que pasa un campo magnético cerca, en este caso el de un imán que va rotando al

lado del eje.

Ilustración 30. Subsistema de medida de la velocidad.

1. Imán: conjunto a su soporte esta unido al eje exterior, crea el campo magnético para

poder contar las vueltas.

2. Módulo REED: interruptor de campo magnético, se activa cada vez que el imán pasa

por delante.

3. Soporte del módulo: permite ajustar la altura del módulo REED.

4. Soporte de corredera: sostiene al soporte del módulo REED y permite ajustar la

distancia horizontal del conjunto.

La medida de la velocidad se realiza contando el lapso entre dos impulsos que recibe el

módulo REED. La ecuación de la velocidad es la siguiente:

𝑁 = 60 𝑥 𝑓 Ecuación 3. Cálculo

de la velocidad

del eje.

( 3 )

Donde:

N: son las RPM (Revoluciones por minuto)

f: es la frecuencia en Hz.


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4.2.5. Componentes Electrónicos

El circuito eléctrico del modelo es el siguiente:

Ilustración 31. Esquema eléctrico del modelo.

4.2.5.1. Placa Arduino

El Arduino es una placa basada en un microcontrolador ATMEL. Los microcontroladores son circuitos integrados en los que se pueden grabar instrucciones, que se escriben con lenguaje de programación, estas instrucciones permiten crear programas que interactúan con los circuitos de la placa. El Arduino tiene diferentes entradas y salidas. La información de estas entradas y salidas se traslada al microcontrolador que analiza y gestiona la información. De este modo, con Arduino podemos controlar diferentes motores y sensores.

La placa de Arduino dispone de entradas Ilustración 32. Arduino uno.


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analógicas y entradas y salidas digitales. Hay dos tipos de salidas digitales: las normales y las PWM. Las primeras envían un valor alto (5V) o un valor bajo (0V). Las salidas PWM (modulación por ancho de pulsos) modulan la señal de la fuente de energía. Esta técnica modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, de modo que se controla la cantidad de energía que se envía a una carga. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el periodo. Expresando matemáticamente:

𝐷 =𝜏

𝑇

Ecuación 4. Cálculo del duty

cicle.

( 4 )

Donde:

D: es el ciclo de trabajo

Τ: es el tiempo en la función positiva (ancho de pulso)

T: es el periodo de la función

De esta manera, el Arduino puede enviar valores intermedios entre 0 y 5 voltios (en segmentos de un byte, es decir, dividiendo el rango 0V-5V entre 255) para así poder encender o apagar un motor y al mismo tiempo controlar su velocidad.

4.2.5.2. Placa de potencia L298N

Se trata de un módulo controlador de motores que permite controlar la velocidad de dos motores DC o un motor paso a paso gracias a dos puentes H (es un componente formado por 4 transistores que nos permiten invertir el sentido de la corriente y así invertir el giro del motor).

En este proyecto se controla un solo motor DC con esta placa. Por este motivo sólo se explicará el funcionamiento de cómo se controla un motor.

Los pines IN1 a IN4 sirven para controlar el sentido de los motores. En el proyecto se utilizará la salida del motor B, que se controla con IN3

Ilustración 33. Controlador L298N.


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e IN4. Si IN3 está en HIGH e IN4 está en LOW, el motor girará hacía un lado y si la posición es inversa, girará en sentido contrario. De no ser así, se deberían invertir las conexiones. Estos pines se conectan a las salidas digitales del Arduino.

Para poder controlar la velocidad del motor B es necesario quitar el Jumper y usar el pin ENB y conectarlo a una salida PWM del Arduino.

En la entrada Vin se conecta la fuente de alimentación del motor DC, que puede variar entre 12 V y 14 V; y en la entrada GND se conecta la toma de tierra tanto del Arduino como de la fuente de alimentación.

4.2.5.3. Driver A4899

Ilustración 34. Esquema general de conexiones del controlador A4899.

Se trata de una placa de potencia para poder controlar el motor paso a paso más fácilmente. Además, incluye un protector contra sobre corrientes.

El control de corriente ajustable permite configurar la salida de corriente máxima con un potenciómetro para evitar subidas de tensión en el motor. Como se puede ver en el esquema del Driver tiene los siguientes pines:

• VMOT: Se conecta directamente a la fuente de alimentación del motor, en este caso a

12V.

• GND: Es el pin que se conecta a la masa de la fuente de alimentación. Es necesario

añadir que entre este pin y el pin VMOT, el fabricante del motor recomienda añadir un

condensador de 100uF

• 2B – 2A – 1A – 1B: Alimentación de las bobinas del motor. El número 1 indica la

primera bobina y el 2 la segunda. A y B son el positivo y negativo de la bobina

respectivamente.


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• VDD: Es el pin de alimentación lógica del Driver, en este caso lo alimentamos con los

5V del Arduino, aunque también puede ser alimentado con 3.5V.

• GND: Es la masa del circuito lógico del Driver.

• RESET: Cuando el valor es HIGH enciende el Driver.

• STEP: Son los pasos que recibe el motor, en este caso conectado a una salida digital del

Arduino.

• DIR: Este pin controla la dirección del motor. Está conectado también a una salida

digital del Arduino.

4.2.5.4. Fuentes de alimentación

Las fuentes de alimentación de cada uno de los motores están formadas por dos partes:

• Un transformador de ordenador portátil convencional con una salida de 18.5V a 3.5A

• Fuente de alimentación regulable que se encarga de disminuir el voltaje dependiendo

del motor que necesitamos alimentar. Tiene una entrada que se conecta al

transformador y una salida que se conecta al controlador correspondiente, además de

dos pulsadores para aumentar o disminuir el voltaje de fuente.

Ilustración 36. Transformador.

Ilustración 36. Fuente de alimentación regulable.


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4.2.5.5. Finales de carrera

Se trata de sensores mecánicos situados al principio y al final del recorrido del carro. Su función es enviar señales de comprobación de la posición de la hélice. Disponen de tres pines: VDD, GND y Dout. Los primeros alimentan el circuito y el último envía señales cuando el carro toca el final de carrera.

Estos sensores están normalmente abiertos y es cuando el carro toca la palanca que envía una señal HIGH.

4.2.5.6. Pulsador de emergencia

Se trata de un mecanismo que activa la fase de emergencia de la máquina. Funciona utilizando un pulsador y una resistencia Pull Up como el indicado en el esquema. Cuando el circuito está en reposo, S1 sin pulsar, la caída de tensión es 5V (HIGH), en cambio cuando S1 está pulsado se deriva toda la corriente a masa y la caída de tensión es 0V (LOW). En este caso se ha utilizado una resistencia de 1M que evita que midamos un valor erróneo eliminando de las mediciones el ruido eléctrico.

Se ha elegido el sistema de PULL UP para comprobar, cada vez que el sistema arranca, si el pulsador funciona correctamente. El sistema PULL DOWN no permitía hacer esta comprobación.

4.2.5.7. Motor DC

Este motor lo utilizamos para conseguir la rotación del eje principal.

Ilustración 37. Final de carrera.

Ilustración 38. Pulsador de emergencia en pull up.

Ilustración 39. Motor DC.


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4.2.5.8. Módulo REED

El módulo REED funciona activándose, por proximidad con un imán, cuando acercamos el imán al módulo el dispositivo se activa. A medida que el imán se aleja, el interruptor de lengüeta se desactiva. De este modo, podemos utilizarlo como cuentavueltas, cada vez que el imán se acerca presenta una interrupción en el código del Arduino, así contamos las veces que corta en un periodo y saber la velocidad.

Ilustración 41. Interior del interruptor de lengüeta del módulo REED.

Ilustración 42. Configuración de los pines del módulo REED.

El pin número 1 (DO) nos da una señal digital cada vez que el imán se acerca al módulo.

El pin número 2 (VCC) Es la entrada de corriente al módulo, en este caso a 5V

El pin número 3 (GND) Es la masa.

El pin número 4 no se utiliza.

Ilustración 40. Módulo REED.


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4.2.5.9. Brunzidor

s un transductor electroacústico que produce un sonido o zumbido continuo o intermitente de un mismo tono. Sirve como mecanismo de señalización o aviso.

4.2.5.10. Motor paso a paso (Stepper)

Es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, esto significa que es capaz de girar una cantidad de grados concreta. Este motor presenta las ventajas de tener precisión y respectividad en cuanto al posicionamiento.

Para poder utilizarlo es necesario enviar una secuencia apropiada y así poder cambiar la dirección del flujo de la corriente que pasa a través de sus bobinas. Esta secuencia se envía a través del Driver A4899 que cada vez que recibe la orden de avanzar envía la siguiente secuencia de pulsos.

Utilizamos el motor paso a paso para mover el paso de la hélice.

Ilustración 45. Motor paso a paso (Stepper). Ilustración 45. Secuencia de

activación de las bobinas para mover el motor.

Ilustración 43. Brunzidor.

https://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_electroac%C3%BAstico


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4.2.6. La estructura

Para contener el modelo se ha diseñado una estructura modulable que permite gracias a una

unión simple con perfiles y escuadras sujetar cada uno de los subsistemas, además esta

estructura al ser de aluminio es robusta y ligera. Al ser modulable permite introducir nuevos

subsistemas o substituir fácilmente los actuales.

Está formada por las siguientes partes principales:

Ilustración 46. Visión global de la estructura.

1. Unión con escuadras: permite colocar perfiles en el sitio deseado, estas uniones se

pueden montar posteriormente al montaje de la estructura ya que las tuercas de

unión se pueden introducir en el perfil por un costado.

2. Perfil 20 x 20: permite construir una estructura rígida ligera y robusta.

3. Perfil en V: perfil guía para el carro del ensamblaje del ajuste del paso.

4. Soporte del motor: soporte para el motor paso a paso.

5. Patas: patas de goma, ayudan a prevenir las vibraciones del modelo.

6. Chumaceras: sostienen el eje exterior y en consecuencia al ensamblaje de la hélice.

7. Metacrilato: es una base de metacrilato donde se atornillan los componentes

electrónicos.

8. Tapa de madera: protege el cableado de los componentes electrónicos.


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4.3. Modificaciones en la hélice

En este apartado vamos a tratar las modificaciones del diseño de las piezas del ensamblaje de la hélice que se han ido producióndo a medida que el dieño y la construcción han ido abanzando. Este ha sido un diseño iterativo y por lo tanto, cada pieza se ha ido adaptando a las necesidades de construcción que requería el modelo.

Se van a explicar los problemas que han ido surgiendo y las soluciones aplicadas en los nuevos diseños.

En esta configuración de diseño surgieron los siguientes problemas:

1. Al ensamblar las piezas del diseño era necesario añadir el sostenedor de la pala primero y seguidamente los patines deslizadores y por último encajar en cada uno de los patines el cubo deslizador. Esta tarea se hacía muy complicada ya que el sostenedor de pala superior no se aguantaba en el momento de introducir el cubo desplazador.

2. El movimiento del cubo deslizador se veía afectado a causa roce de éste con el vértice interior del orificio del sostenedor de la pala, tal y como se muestra en la imagen.

Ilustración 49. Primer diseño del cubo desplazador y el patín.

Ilustración 49. Núcleo con los patines y los sostenedores de las palas ensamblados.

Ilustración 49. Vista de sección del núcleo, el cubo desplazador, patín y sostenedor de la pala. Rodeado en rojo los vértices con conflicto.


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La solución al primer problema fue desarrollar un mecanismo de retenedores que permitían introducir primero el cubo desplazador en el núcleo y seguidamente montar el patín, el sostenedor de la pala y el retenedor de manera independiente en cada una de las palas. Esta solución facilita el montaje y el mantenimiento ya que se puede desmontar pieza a pieza sin tener que desmontar el núcleo por completo.

Ilustración 50. En la primera ilustración vista de sección del montaje ya resuelto, en la segunda vista de sección explotada, en la tercera solución final del problema.

En cuanto al segundo problema, la solución fue alargar el cubo deslizador, estudiando el punto donde ninguno de los vértices tuviese contacto entre ellos. Con el software de SolidWorks se estudió la carrera que generaba el sostenedor de la pala para poder moverse los grados deseados. Una vez conocida la distancia se pudo alargar proporcionalmente el cubo deslizador. Esto generó un segundo problema ya que la carrera del cubo deslizador tenía contacto con la parte de proa del núcleo. Finalmente se solucionó alargando el núcleo por la parte de proa siguiendo su línea polinómica, aumentando, así, el orificio para el cubo deslizador. El cubo deslizador se decidió hacer finalmente simétrico y hacer el eje interior totalmente pasante para no generar momentos de fuerza críticos en la mitad del cubo, también se realizaron totalmente rectos los raíles de los patines si ningún borde que perjudicara su movimiento.

Ilustración 51. Evolución del núcleo y del cubo deslizador.


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4.3.1. Sostenedor de la pala

Esta es la secuencia de la secuencia de la evolución de los diferentes sostenedores de la pala pensados.

El primero presentaba los siguientes problemas:

1. La pala tenía muy poca superficie de contacto con el sostenedor. Esto generaba tensiones altas en la sujeción que podían partir el material al ser las paredes tan estrechas.

2. En este sostenedor se incluyen dos orificios para la sujeción de la pala. El problema de estos orificios era que no había suficiente espacio para introducir tornillos de medida estándar.

3. Al estar desfasado 90º el orificio de unión entre el patín y el sostenedor de la pala con la propia pala, no generaba momento de fuerza ya que la distancia respecto a la fuerza, era 0.

Ilustración 52. Primera versión del sostenedor de la pala.

Ilustración 54. Giro del sostenedor imposibilitado por la posición del patin respecto al sostenedor.

Ilustración 54. Giro del sostenedor posible gracias a la nueva posición del agujero de unión entre el patín y el sostenedor.


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En segunda versión se resolvieron los problemas anteriores de la siguiente manera:

1. El primer problema se resolvió aumentado la superficie de contacto entre la pala y el sostenedor con lo que los problemas de tensiones altas en la zona de sujeción quedaron resultados, además se aumentó el grosor de las paredes.

2. El segundo problema se resolvió aumentando el tamaño del orificio hasta métrica 3 (M3), una medida estándar que facilitó la compra de la tornillería.

3. El tercer problema se solucionó alineando, en el mismo eje, el orificio del patín con la pala.

Sin embargo, esta segunda versión generaba otros problemas:

1. Al haber solamente un tornillo de sujeción, la pala tenía un movimiento de rotación en el eje del tornillo.

2. La superficie donde se sujetaba el tornillo era curva hecho que impedía el apriete del tornillo.

Ilustración 55. Segunda versión del sostenedor.

La tercera versión solucionaba el problema del movimiento de la pala añadiendo al sostenedor un encaje rectangular que sujetaba la pala impidiendo el movimiento.

Esta versión, no solucionaba el problema del apriete y además generaba otro problema:

Al quedar el orificio centrado en la espiga, la pala se debilitaba.

Ilustración 56. Tercera visión del sostenedor.


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Finalmente, la última y definitiva versión, solucionaba todos los problemas anteriores del siguente modo:

1. Se añade un rebaje en forma de cuadrado en los dos lados del orificio del tornillo, de esta manera queda una zona plana que facilita el apriete del tornillo y además las medidas del rebaje coinciden con las medidas de la tuerca de modo que el tornillo no necesita sujeción para poder ser apretado y las dos piezas quedan perfectamente enrasadas.

2. Se extruyó el sostenedor hasta conseguir que el orficio de la pala quedase más cetrado y reducir las tensiones.

Ilustración 60. Vista de sección del sostenedor de la pala definitivo.

Ilustración 60. Vista del sostenedor de la pala definitivo.

Ilustración 60. Problema en la pala debido a que el agujero del sostenedor atraviesa la espiga.

Ilustración 60. Solución al problema de la espiga subiendo el agujero de 1 a 2.


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4.3.2. Evolución del patín

La primera versión no incluía el bolón de encaje. Su principal problema era que necesitaba imprimir una pieza a parte de dimensiones muy pequeñas, este es uno de los problemas de adaptar un ensamblaje de medida real a una maqueta. Se pensó que era mejor imprimirlo forando conjunto con el patín, como una sola pieza.

La segunda versión generaba problemas de fricción con el cubo deslizador. Por este motivo se achaflanaron todos los cantos de la pieza para reducir la superficie de fricción. Se desplazó el bolón hacia un lado para poder aumentar el par del movimiento del paso de la pala.

Finalmente se estudió cuál era la distancia de recorrido del patín respecto al cubo deslizador para, así, aumentar la longitud del patín y conseguir un bloqueo mecánico para restringir el movimiento del paso de pala. Este és un mecanismo de seguridad que evita que si por un problema de software el motor paso a paso no para de girar, el patín nunca llegue a una situación de par no deseada.

Ilustración 61. Evolución del patín hasta llegar al patín de bloqueo.


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4.3.3. Uniones con los ejes.

Al pensar la forma de unión entre el núcleo con el eje exterior y el cubo deslizador con el eje interior se decidió hacer una unión por ajuste. Esto significa que la unión se hace gracias a la fricción que hay entre el material de los ejes con el material de plástico de cada una de las piezas a unir. Por esa razón los diámetros de estas piezas impresas eran los mismos que el de los ejes. En el proceso de montaje se comprobó que aunque la tolerancia entre estos diámetros era muy pequeña, no se generaba suficiente fricción y los ejes patinaban dentro de las piezas.

Para solucionar este problema se tornearon las dos piezas para poder añadir un casquillo de ajuste por pieza.

En el primer caso, el núcleo, se fabricó un casquillo de nylon y se fijó con el eje mediante una cola de doble componente, al ser poco poroso el nylon, se practicaron unas estrias, tanto en el eje como en el casquillo, para ayudar a la cola y conseguir una unión más sólida. En el núcleo se realizaron cuatro agujeros para poder introducir tornillos que roscaran solamente en el casquillo. Esta solución permite conseguir que el núcleo se pueda desmontar de la línea de ejes sin tener que desmontarla completamente.

Para el segundo caso, el cubo deslizador, también se fabricó un casquillo, esta vez de aluminio. La unión entre el casquillo y el cubo deslizador se hizo también con una cola de doble componente.

Se practicaron, tanto en el casquillo como en el eje empujador, unos agujeros roscados para conseguir una unión mediante dos prisioneros.

Esta unión también permite poder desmontar las hélices sin tener que desmontar la línea de ejes.

Ilustración 63. Estriado para facilitar la unión entre el casquillo y el eje.

Ilustración 63. Vista explosionada de la unión entre el núcleo, el casquillo y el eje.


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Ilustración 66. Vista explosionada de la unión entre el cubo desplazador y el eje por medio de dos prisioneros.

Ilustración 65. Montaje del cubo desplazador en el eje empujador.

Ilustración 65. Despiece del montaje real del eje empujador con el cubo desplazador.


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Capítulo 5. Programación

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En este capítulo vamos a tratar la parte de programación del modelo.

5.1. Funcionamiento general

Antes de explicar la programación en sí, se debe detallar el funcionamiento general esté se divide en dos partes, por un lado, la del ordenador y por el otro la del microcontrolador.

Por un lado en el ordenador hay un programa “Master”que controla las fases de la máquina de estados, es el que interacturá directamente con el usuario permitiendo que éste tenga el control total de la máquina. Esta programación sólo incluye las tareas más generales de la máquina.

El software con el que he realizado el progama “Master” es NI Labview que permite, por un lado, realizar la programación visual y, por otro lado, diseñar una interfaz de control para el usuario (Front Panel).

Por otra parte, en el microcontrolador, la programación permite controlar cada uno de los dispositivos y sensores que hay en la maqueta, de modo que este progama es esclavo del “Master” y por lo tanto, cada vez que el “Master” envía en qué fase debe estar, él realiza las funciones específicas de la fase.

El software utilizado en este caso ha sido Flowcode V8. Este software permite una programación visual del microcontrolador.

Se ha decido realizar la programación de esta manera para si poder repartir las tareas de una forma óptima, de manera que la función del programa “Master” es la de decidir en qué fase se sitúa el modelo por medio de una máquina de estados que interactúa con el usuario a través de la interfaz de usuario del NI LabVIEW (panel de control), y por la otra parte tenemos el microcontrolador que se encarga de realizar cada una de las tareas específicas que se necesita realizar según las fases de trabajo que envía la máquina de estados, estas son tareas más concretas para controlar todo el hardware que hay en el modelo.

El flujo de datos entre ambos programas se ha resuelto montando dos cadenas de datos que contienen todos los parámetros de control y de lectura necesarios para el funcionamiento de la maqueta. La transmisión entre estos dos programos es “Full Duplex”. Esto significa que los dos programas pueden recibir y enviar datos a la vez.


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Las dos cadenas contienen valores digitales (0 - 1) y análogicos y estan motadas de la seguiente manera:

Ilustración 67. Tramas enviadas desde el ordenador al microcontrolador y de este al ordenador.

Cadena 1 (Trama enviada desde el microcontrolador). Es la cadena que envia datos desde el microcontrolador. Los datos están separados mediante el siguiente carácter “_”. Los datos que envia son los siguientes:

• Señales digitales. o A.C. (Arranque completado): Señal que envía el microcontrolador cuando ha

terminado la secuencia de arranque. Sirve para que la interfaz de NI Labview se sincronice con la fase del microcontrolador.

o P.C. (Parada completada): Señal que envía el microcontrolador cuando ha terminado la secuencia de parada. Sirve para que la interfaz de NI Labview se sincronice con la fase del microcontrolador.

o S.E. (Señal de emergencia): Señal que envía el microcontrolador cuando éste entra en emergencia por hardware. Sirve para que la interfaz de NI Labview se sincronice con la fase del microcontrolador.

• Señales analógicas. o Vel.Real (Velocidad real): Valor de la velocidad real medida en el eje. o ACC.Control (Acción de Control): Valor de la acción de control enviada al PWM

del motor DC.


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Cadena 2 (Trama enviada desde el PC). Es la cadena que envia los datos desde el ordenador de control al microcontrolador. Los datos están separados mediante el siguiente carácter “_”. Los datos que envía son los siguientes:

• Señales digitales. o S.G (Sentido de giro): Sentido de rotación del eje principal de la hélice. o N/A: Valor para una posible ampliación de los datos a enviar. o N/A: Valor para una posible ampliación de los datos a enviar.

• Señales analógicas. o E (Estado): Valor del estado de la Máquina de Estados en NI Labview. Sirve

para sincronizar el NI Labview con el microcontrolador. o A.P. (Ángulo de la Pala): Consigna del paso de la pala. o C.V (Consigna de Velocidad): Valor de la velocidad esperada. o Kp: Constante Proporcional del PID. o Ki: Constante Integral del PID. o Kd: Contante Derivativa del PID. o Tmax (Periodo Máximo del Trapecio):ajusta la velocidad de giro del motor

paso a paso. o Tmin (Periodo Mínimo del Trapecio), ajusta la velocidad de giro del motor paso

a paso. o Ac (Porcentaje de Aceleración): ajusta la aceleración del motor paso a paso. o Dc (Porcentaje de Desceleración): ajusta la aceleración del motor paso a paso. o Ts: es el tiempo de muestreo del PID. o N/A: Valor para una posible ampliación de los datos a enviar.

5.2. Fases de funcionamiento del modelo

En cada una de las fases de esta máquina de estados se realizan diferentes acciones. Para poder entender mejor el funcionamiento, primero se van a explicar cada una de las fases

• Fase 0 – “Standby”

Estado donde el software de NI Labview está corriendo, pero el usuario no ha dado la orden de poner en marcha el sistema.

o Es un estado de transición. o Establece la comunicación entre NI Labview y Arduino. o Cambiamos de estado pulsando un botón (booleano), “START” o Finalizamos programa en caso de la decisión del operario, pulsando “EXIT”

durante un segundo.

• Fase 1 – “Arranque” Estado donde el usuario decide arrancar el motor, para realizar la comprobación de los sensores.

o Mandar en PWM a 0 “velocidad del eje”. o Mandar el paso a 0. Se comprueban los finales de carrera, en caso de que un

final de carrera este en alto, desplazar a 0 y en caso de que ningún final de


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carrera este en alto, desplazar el carro hasta encontrar otro final de carrera y seguidamente desplazar a 0.

o Se cambia a fase 2 después de comprobar que todo está “OK”.

• Fase 2 – “Normal” Estado donde el usuario decide el paso y las RPM y la maquina entra en su estado operacional.

o Se lee la consigna de velocidad, y se realiza el PID con los datos del sensor. Para controlar adecuadamente el “PWM”

o Se lee consigna de paso y se activa el motor siguiendo el gradiente de aceleración determinado.

o Se cambia a la fase 3 por medio del botón de “STOP”.

• Fase 3 – “Parada” Estado donde el usuario decide parar la rotación de los motores.

o Poner las consignas de velocidad y de paso a 0 para así hacer lo mismo que en la fase 2 con un gradiente de desaceleración.

o Se cambia a la fase 5 inmediatamente.

• Fase 4 – “Emergencia” Estado de imprevistos donde es importante que a partir de algún error ocasionado en cualquier otra fase de trabajo el mecanismo se pare bruscamente para asegurar la seguridad.

o Se para el motor paso a paso. o Se pone el PWM a 0.

• Fase 5 – “Ir a SB”

Estado de transición entre las fases de Parada y Emergencia y la fase de Standby.


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5.3. NI LabVIEW

En este apartado se describirá la programación realizada con el software de NI Labview, tanto del funcionamiento del panel de control, como la programación de la máquina de estados.

Antes de explicar cómo funcionan el panel de control y la programación, es importante mencionar todas las condiciones de transición de la máquina de estados programada. Para ello se ha realizado el siguiente GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition):

Ilustración 68. Grafcet de la máquina de estados programada en LabVIEW.


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5.3.1. Panel de control

El usuario controlará la máquina con el panel de control. En la siguiente figura se numeran cada uno de sus controles.

Ilustración 69. Panel de control para el funcionamiento del modelo.

Para poder utilizarlo, explicamos sus partes:

1. Selección del puerto COM. Sirve para que el usuario pueda escoger el puerto al que necesita conectar su ordenador.

2. Boton “START” 3. Boton “STOP” 4. Boton “Rearme” 5. Boton “EXIT” 6. Display. Sirve para comunicar

mensajes internos de la máquina al usuario.

7. Led de estado. Se ilumina dependiendo de la fase en que se encuentra la máquina.

8. Mando analógico de velocidad. 9. Mando digital de velocidad.

10. Interruptor del sentido de giro del eje.

11. Mando analógico para el paso de la hélice.

12. Mando digital para el paso de la hélice.

13. Indicador analógico de la velocidad real de la hélice.

14. Indicador digital del a velocidad real de la hélice.

15. Constantes del PID 16. Constantes del paso de la hélice. 17. Display para visualizar las cadenas

RX y TX. 18. Gráfica de la acción de control del

PID.


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5.3.2. Guia del usuario

En este apartado se explican las instrucciones que debe conocer el usuario que utiliza el Panel de Control para el óptimo funcionamiento de la máquina.

Una vez arrancado el programa, el usuario debe seguir el siguiente protocolo para los siguientes estados:

5.3.2.1. Estado normal

1. Comprobar que en el displey (6) aparece la frase “Introduzca parámetros” y que el led de estado (7) esté parpadeando.

Ilustración 70. El display en el estado de “Standby”.

2. Introducir los parámetros (15 y 16) adecuados.

Ilustración 71. El usuario puede introducir los datos en el apartado "Constantes".

3. Arrancar la máquina pulsando el botón “START” (2). 4. Esperar a que el arranque se efectue, en ese momento en el display (6) aparecerá el

mensaje “Arrancando máquina” y el led de estado (7) quedará encendido.


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Ilustración 72. El display en el estado de “Arranque”.

5. En el momento que aparezca en el displey (6) “Introduzca consignas en controles” y el led de estado (7) parpadee rápidamente, se podrán introducir las consigas de velocidad (8 – 9), de giro (10) y de paso (11 – 12).


6. La velocidad real se podrá leer en su indicador (13). 7. La acción de control estará graficada (18). 8. Para parar la máquina, el usuario deberá pulsar el botón “STOP” (3). 9. Esperar a que la parada finalice, en ese momento, el display (6) mostrará el mesaje

“Parando máquina” y el led de estado (7) permanecerá encendido.

Ilustración 74. El display en el estado de “Parada”.


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10. Una vez la parada se haya completado, volvemos al estado inicial Standby, en que podemos salir del programa definitivamente apretando el boton “EXIT” (5). Sonará un sonido que indica que el programa ha finalizado y aparecerá en el displey (6) el mensaje “Aplicación cerrada”.


Ilustración 76. Display en el momento de cierre de programa.

5.3.2.2. Estado de emergencia

La emergencia se puede activar en tres situaciones:

1. Cuando la máquina está arrancando. 2. Cuando la máquina está en funcionamiento operacional. 3. Cuando la máquina está parando.

La gestión de la emergencia se resolverá de la siguiente manera:

1. Para poder activar el Estado de Emergencia, el usuario deberá apretar el botón “EXIT” (5). De igual manera la emergencia se podrà activar automáticamente por algún sensor de la máquina.

2. El usuario sabrá que se encuentra en Estado de Emergencia por el sonido específico que emitirá el Panel de Control, en el display (6) aparecerá el mensaje “Rearme la máquina si está fuera de peligro” y el led de estado (7) parpadeará una vez por segundo.


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Ilustración 77. El display en el estado de “Emergencia”.

3. El usuario deberá comprobar cuál es el motivo de la emergencia y solucionar el problema.

4. Una vez el problema está resuelto, el usuario podrá restablecer el funcionamineto de la máquina apretando el botón “Rearme” (4).

5. En este momento, el led de estado (7) se apagará y en el displey (6) aparecerá la siguiente pregunta: “¿Desea parar normalmente la máquina? Pulse START en caso afirmativo. Pulse EXIT en caso negativo”. El led de estado (7) estará apagado.

Ilustración 78. Display después de haber apretado el botón "REARME".

6. Para parar la máquina como en el funcionamiento normal, el usuario deberá pulsar el botón “START” (2). Seguidamente, en el display (6) aparecerá el mensaje “Parando máquina” y el led de estado (7) permanecerá encendido.

Ilustración 79.El display en el estado de “Parada”.


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7. Para poder ir directamente a cambiar los parámetros de entrada, el usuario pulsará el botón “EXIT” (5).

8. Comprobar que el programa vuelve al punto inicial. En el displey (6) aparece la frase “introduzca parámetros” y que el led de estado (7) está parpadeando.



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5.3.3. Programación de la comunicación UART

Como paso previo a la explicación del programa general, hay que entender el funcionamiento del programa de comunicación UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), encargado de recibir la cadena RX y procesar los datos del microcontrolador al mismo tiempo que recopila los datos del programa “Master”, monta la cadena TX y la envia al microcontrolador.

Este subprograma lo utiliza el programa “Master” cada vez que necesita enviar o recibir información.

Se han realizado una serie de capturas de cada parte para poder comprender bien la programación. Cada una de estas incluye números que explican las parte principales.

Ilustración 81. Vista general del programa de comunicación UART.

El funcionamiento del programa UART es el siguiente:

Ilustración 82. Primera parte del programa de comunicación UART.


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1. Quantifica el número de bytes recibidos y en caso de ser mayor que 0, procesa la información. En caso de ser 0 el programa sigue a la espera.

2. Lee la trama RX. 3. Compara el número de separadores que hay en la trama con el número esperado de

datos a recibir, menos 1 y en caso de coincidir se para la trama, y en caso de ser distintos, el programa mantiene el valor de la cadena de la iteración anterior. Este es un mecanismo de seguridad que sirve por si en algún momento hubiera pédida de datos o una cadena no esperada, no se procesaria la información.

Ilustración 83. Segunda parte del programa de comunicación UART.

4. Cuando el microcontrolador envia la cadena de datos RX, los decimales estan separados por un punto, de esta manera Flowcode V8 diferencía los decimales. En cambio NI Labview utiliza comas para diferenciar los decimales. En este momento se reemplazan todos los puntos por comas.

5. Estos módulos “Match Pattern” cada vez que encuentran un separador substraen la primera parte de la trama y redirigen el resto al siguiente “Match Pattern”. Este proceso se repite tres veces para los imputs digitales y tres mas para los analógicos.

6. Hasta ahora la cadena de datos era un String. En este momento cambia a números y seguidamente los digital imputs se cambian a datos boleanos.

7. Repite lo mismo que el paso 6 pero sin transformar a datos boleanos.

Ilustración 85. Tercera parte del programa de comunicación UART.

Ilustración 85. Interior del Analog_TX.vi


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8. Inyecta los valores binarios para después convertirlos en un String, seguidamente

monta la cadena TX concatenando los valores digitales con los separadores pertinentes.

9. Carga los valores analógicos, delimitando sus decimales a dos cifras, y los concatena con sus correspondientes separadores.

10. Concatena las dos tramas TX (digital y analógica) para formar la trama final. 11. Compara la trama anterior con la actual. En caso de haber diferencias, ejecuta el caso

verdadero del Case, por lo contrario, si la trama es igual, ejecuta el caso falso del Case. 12. Cambia las comas por puntos para que, así, Flowcode V8 pueda entenderlo. Escribe la

trama en el puerto serial. 13. En el caso falso del Case se mantiene visible la trama en el display. 14. Cada vez que hay un flanco ascendente (nuevo envio de datos) se enciende un Led

identificador del envio de trama.

Ilustración 86. Parte final del programa de comunicación UART.


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5.3.4. Programación del máquina de estados (Master)

En este apartado se explica la programación de la máquina de estados realizada en NI LabVIEW, como en el apartado anterior también se han realizado capturas con indicadores numéricos para poder entender cada uno de los pasos de la programación:

Esta es la visión general de la máquina de estados programada:

Para poder explicar claramente el programa se explicarán cada una de las fases que se encargan del buen funcionamiento de la máquina.

El código principal consta de una estructura “Case” que trabaja en falso, solamente se cambiará en caso de salir del programa. Dentro del Case (falso) hay un bucle sin fin que contiene otra estructura “Case” donde se incluyen las cinco fases diferenciadas que conforman la máquina de estados.

5.3.4.1. Standby

Esta fase es el bucle de espera que permite la inicialización del programa. Este estado se prolonga en el tiempo de manera ilimitada, hasta que alguna acción del usuario lo modifica.

En este estado se aprovecha para inicializar la transmisión de datos con el microcontrolador por la comunicación serial.

Ilustración 87. Visión general de la máquina de estados.


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Ilustración 88. Visón de la fase "Standby"

8. La comunicación serial se produce a una velocidad de transmisión de 9600 Baudios. 9. El usuario debe introducir el puerto COM de su ordenador. 10. La periodicidad del búcle es de 250ms, en los que se envía un mensaje al usuario

“Introduzca los datos”. 11. Se ejecuta un led intermitente que confirma el encendido de la máquina. 12. El usuario podrá introducir las constantes de funcionamiento tanto del PID como las

del paso de la hélice. Estas serán invariables en las siguientes fases de funcionamiento y se enviarán al microcontrolador.

13. Se envia el estado de “Standby” al microcontrolador por medio del programa de transmisión de datos. Hay que aclarar que cada vez que cargamos una fase a la variable “Estado” lo que realmente se esta enviando es un número, en la tabla siguiente se puede ver la asignación de valores para cada fase de trabajo.

Tabla 2. Asignación de valores a la variable "Estado" según la fase de trabajo.

Fase de trabajo Valor asignado a la variable “Estado”

Ir a SB 0

Arranque 1

Normal 2

Parada 3

Emergencia 4


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14. El usuario tiene la opción de apretar “START” o “EXIT”. El el primer caso se inicia el funcionamiento de la máquina y el segundo será para salir definitaivamente del programa. En este caso, es necesario mantener pulsado el botón durante un segundo. Cualquira de las dos opciones pondrá fin al búcle de espera. El botón “EXIT” controla la estructura “Case” del código principal y también la de envio de datos. En caso de estar pulsado se ponen los dos casos en verdadero, indicando, con un mensaje y un sonido, que la aplicación está cerrada. Finalmente el programa se cierra.

15. Se envia un mensaje al usuario: “Introduzca parámertros”

5.3.4.2. Arranque

Ilustración 89. Visón de la fase "Arranque".

Esta fase es el momento de introducir los parámetros indicados por el usuario en el microcontrolador que además realizará diferentes acciones de comprobación de la máquina.

1. Se transmite el estado de arranque al microcontrolador. 2. Se comprueba en qué estado se encuentran la señal de emergencia y el botón

“EXIT”. En caso de que cualquiera de los dos este pulsado, el programa cambiará de su fase a “fase de emergencia”. Si ninguno de los dos está pulsado y el microcontrolador no envía la señal de “arranque completado” el programa seguirá en la fase de arranque. Y finalmente, si ninguno de los dos está pulsado y la señal de “arranque completado” se envía, el programa cambiará a “fase normal”.

3. Se guardan los valores de la trama para la siguiente iteración del bucle de la máquina de estados.


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4. Se envía un mensaje al usuario: “Arrancando máquinas”. 5. Se ponen a 0 los indicadores tanto de velocidad como de acción de control. 6. Se guarda el estado del botón “EXIT” para la iteración siguiente. 7. El bucle está temporizado cada 100ms.

5.3.4.3. Normal

Ilustración 90. Visón de la fase "Normal"

Esta fase es la de trabajo de la máquina donde el usuario puede variar tanto el paso de la hélice como su velocidad.

1. Se cargan al microcontrolador los parámetros de “estado”, “consigna de velocidad” y “ángulo de paso”.

2. Se enciende un led intermitente para indicar el funcionamiento normal de la máquina.

3. Se envía al microcontrolador el sentido del giro del eje. 4. Se envía al usuario un mensaje: “Introduzca consignas en controles”. 5. El bucle está temporizado cada 100ms. 6. Se guarda el estado del botón “EXIT” para la iteración siguiente. 7. Se realiza la lectura de la velocidad angular del eje para mostrarla en el indicador

de velocidad real y también de la acción de control. 8. Se guardan los valores para la siguiente iteración del bucle de la máquina de

estados. 9. “Estructura Case” para controlar la máquina de estado.

a. Cuando ninguno de los botones está pulsado ni recibimos señal del pulsador de emergencia, seguimos en fase normal.

b. Cuando se pulsa el botón “STOP” la máquina de estados cambia a la fase de parada.


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c. Cuando se pulsa el botón “EXIT” o el pulsador de emergencia, cambia a la fase de emergencia.

d. En caso de pulsar “STOP”, “EXIT” o pulsador de emergencia simultáneamente, el programa cambiará a fase de emergencia.

10. Subprograma que convierte la consigna de paso a grados que tiene que dar el motor paso a paso, es la relación de paso del sin fin con el paso de la pala.

5.3.4.4. Parada

Ilustración 92. Visón de la fase "Parada"

Esta fase gestiona la parada de la máquina.

1. Se transmite el estado al microcontrolador. 2. Se recibe la velocidad real del eje y la acción de control. 3. En caso de pulsar “EXIT” o señal de emergencia el programa pasará a fase de

emergencia. En caso de no recibir ninguna señal se seguirá en el estado de parada, y en caso de recibir “parada completada” del microcontrolador, el programa cambiará a fase “ir a Standby”.

4. El bucle está temporizado a 100ms. 5. Se envía un mensaje al usuario: “Parando maquinas”. 6. Se guarda el estado del botón “Exit” para la iteración siguiente.

Ilustración 91. Subprograma que convierte el ángulo de la pala a el ángulo de giro del motor.


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5.3.4.5. Emergencia

Ilustración 93. Visón de la fase “Emergencia”.

Esta fase se encarga de gestionar los casos de emergencia que pueden producirse en la máquina.

1. Estructura Case que sirve para enviar el estado de emergencia al microcontrolador cuando la parada de emergencia es por software. Comparamos si en la interacción anterior estaba el botón “EXIT” pulsado y en caso afirmativo mantenemos ese valor en las siguientes iteraciones para así asegurarnos de que el estado de emergencia se ha enviado, este será el caso verdadero. Por lo contrario, el caso falso, no se reenviará el estado de emergencia ya que la emergencia será producida por el hardware.

2. Leemos la señal de emergencia del microcontrolador y hacemos una comparativa con el botón “Rearme”, de este modo cuando la señal es verdadera el selector de casos mantendrá la fase de emergencia, y cuando la emergencia por hardware ya no exista, la comparativa entre el botón “Rearme” y la señal de emergencia será verdadera y el selector escogerá la fase “ir a Standby”.

3. El bucle está temporizado a 500ms. 4. Se envía un mensaje al usuario: “Rearme la máquina si está fuera de peligro”. 5. Un led parpadea intermitentemente y el software emite un sonido para identificar que

estamos en estado de emergencia. 6. Se guarda el estado del botón “EXIT” para la iteración siguiente. 7. Se ponen indicadores de velocidad y acción de control a cero. 8. Se guardan los registros para la siguiente iteración del bucle.

Ilustración 94. Visión del case en estado “False”.


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5.3.4.6. Ir a Standby

Ilustración 95. Visón de la fase “Ir a Standby”.

Se trata de un estado transitorio en el que se decide de qué modo se vuelve a la fase de “Standby”.

1. Se hace la comparativa con el estado anterior, esta será el selector de la estructura Case que viene después.

2. En el caso afirmativo de que el estado anterior sea emergencia, el Case será verdadero.

a. Se envía un mensaje al usuario: “¿desea parar normalmente la máquina? Pulse “START” en caso afirmativo. Pulse “EXIT” en caso negativo”

b. El bucle está temporizado a 250ms. c. En caso de pulsar “START”, el programa

cambiará al estado de parada. d. En caso de pulsar “EXIT”, el programa

detendrá la máquina de estados y volverá a la fase de inicio “Standby”.

3. Por lo contrario, en el caso negativo de que el estado anterior sea emergencia, el Case será falso y por lo tanto el programa acabará directamente con la máquina de estados e irá a la fase de inicio “Standby”.

4. Se reinician todos los indicadores y pantallas. 5. El bucle está temporizado en 500ms. 6. Se guarda el estado del botón “EXIT” para la iteración siguiente.

Ilustración 96. Visión del case en estado “True”.


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5.4. Flowcode V8

En este apartado se explicará la programación realizada con el software Flowcode V8 para el funcionamiento del microcontrolador. Para poder explicar de manera mas clara cada uno de los pasos realizados en la proggramación se completado este apartado con capturas numeradas.

Esta es la visión global del programa:

Ilustración 97. Visión principal del programa interno del microcontrolador.

Se pueden diferenciar tres partes:

1. Inicialización de periféricos. 2. Asignación de las rutinas del servicio de interrupciones. 3. Ejecución del bucle sinfín


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5.4.1. Inicialización de periféricos

Se inicializan los periféricos tanto de salida como, de entrada. En primer lugar, se resetean los puertos del microcontrolador (Puertos B, C y D). Estas acciones sólo se realizan una vez al principio del programa.

Seguidamente se inicializa el terminal UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter).

Por último, se habilita el PWM (Pulse Widht Modulation).

5.4.2. Asignación de las rutinas del servicio de interrupciones

Antes de empezar con este apartado, es necesario aclarar qué es una interrupción. Se trata de un aviso provocado por un módulo del microcontrolador, por un cambio en el estado de un pin o un recordatorio de que ha pasado cierto tiempo. Como su nombre indica, este aviso interrumpirá la tarea que se está haciendo en ese momento y pasará a ejecutar una rutina de servicio o de gestión de la interrupción. Para utilizarlas es necesario habilitarlas y asignar sus rutinas de servicio (ISR – Interrupt Service Routine). Hay dos tipos de interrupciones, las internas y las externas. Las internas son provocadas por el mismo microcontrolador y las externas son provocadas por una señal externa al microcontrolador.

Se habilitan cada una de las interrupciones del microcontrolador que se necesitan para el funcionamiento del programa. Éstas son:

1. ISR Timer. 2. ISR Tacómetro. 3. ISR Pulsador parada de emergencia. 4. ISR UART.

Ilustración 98. Inicialización de los perifericos.

Ilustración 99. Inicialización de las interrupciones.


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5.4.2.1. ISR Timer (Interrupción interna).

Para contar el tiempo en un microcontrolador se utiliza un oscilador de cristal, que es un circuito oscilador electrónico que utiliza la resonancia mecánica de un cristal vibratorio de un material piezoeléctrico para crear una señal eléctrica con una frecuencia precisa. En el caso del Arduino, la frecuencia es de 16 millones de hercios. Si hiciésemos interrupciones a esta frecuencia colapsaríamos el microcontrolador. Es por este motivo que es necesario aplicar un prescaler, y calcular una nueva frecuencia de interrupción. Esta interrupción interna se activa cada vez que se rebasa el timer del Arduino.

Ilustración 100. Ventana en Flowcode V8 para poder comprobar la frecuencia de interrupción.

En este caso se ha aplicado un Prescaler de 1/256, así la frecuencia de interrupción será la siguiente:

𝐹. 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑢𝑝𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑠𝑐𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒𝑟=

16000000

256== 244.141 𝐻𝑧

Ecuación 5. Frecuencia

de interrupción en función

del precaler aplicado.

( 5 )

Ilustración 101. Macro asignada a la interrupción ISR_Timer.

Cada vez que hay una interrupción se activa la macro “ISR_Timer0” que contiene un contador que incrementa la variable Tacom_clock. Esto sirve para contar el número de interrupciones que ha provocado el oscilador entre dos sucesos determinados.


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5.4.2.2. ISR Tacómetro (Interrupción externa).

Esta interrupción se activa cada vez que el Arduino recibe una señal por el pin digital 0, que corresponde al módulo REED y tiene asignada la siguiente macro:

Ilustración 102. Macro asignada a la interrupción ISR_Tacometro.

1. Calcula el tiempo entre cada paso del imán y resetea la cuenta de la variable Tacom_clock.

2. Gestión de rebotes. En caso de que el incremento del tiempo sea menor a 0.005s utilizará, para el cálculo de velocidad, el incremento de tiempo anterior. Así, se eliminan los rebotes y el indicador de velocidad del panel de control no nota la diferencia.

3. Cálculo de la velocidad del eje en RPM.


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5.4.2.3. ISR Pulsador parada de emergencia (Interrupción externa)

Esta interrupción se activa cada vez que el Arduino recibe una señal por el pin digital 1, que corresponde al pulsador de emergencia y tiene asignada la siguiente macro:

Ilustración 103. Macro asignada a la interrupción ISR_PPE.

Si el estado actual es Standby o Emergencia, no se realiza ninguna acción. En caso de no cumplir la condición se cambia la variable PEHard, se pone en 1 y estado a 4.

5.4.2.4. ISR UART (Interrupción externa)

Esta interrupción se activa cada vez que el Arduino recibe una señal por el puerto UART y tiene asignada la siguiente macro:

Ilustración 104. Macro asignada a la interrupción Lee_UART


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1. Guarda la trama recibida en una variable. 2. Calcula la longitud de la trama recibida. 3. Desglosa la trama y carga cada uno de los valores en su correspondiente variable.

5.4.3. Ejecución del bucle sinfín.

Esta parte del programa ser repite constantemente y sólo puede variar a causa de las interrupciones. Esta es su visión global:

Ilustración 105. Visión global del bucle sin fin global.

1. Bucle While infinito, una vez dentro sólo se puede salir quitando la alimentación al microcontrolador.

2. Switch controlado por la variable Estado, selecciona la fase de trabajo del microcontrolador. Hay cinco estados de trabajo:

a. Estado 0 – Standby. Cuando Estado vale 0. b. Estado 1 – Arranque. Cuando Estado vale 1. c. Estado 2 – Normal. Cuando Estado vale 2. d. Estado 3 – Parada. Cuando Estado vale 3 e. Estado 4 – Emergencia. Cuando Estado vale 4.

Antes de explicar cada uno de los estados, es necesario entender el funcionamiento de las macros (secuencia de acciones) que los componen.

• Escribe_UART

• PAP_ON

• PAP_ON_antih

• PAP_OFF

• PID_Vel

• Manejo_PAP o PAP_trapecio


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5.4.3.1. Escribe_UART

Escribe_UART es una macro que sirve para poder transmitir los datos a enviar a través del puerto UART. Esta macro monta la trama que hay que enviar y la carga en el puerto UART.

Ilustración 106. Visión de la macro Escribe_UART.

Tiene dos modos de funcionamiento:

a) Normal. En este modo monta la trama que envía el Arduino. b) ECHO. Monta la trama que recibe de NI Labview y se la reenvía. Este mecanismo sirve

para comprobar que la trama se ha enviado correctamente.

La macro funciona del siguiente modo, en los dos casos:

1. Convierte todas las variables en “string”. 2. Intercala variables con separadores para poder montar la trama.

5.4.3.2. PAP_ON

Esta macro se utiliza cada vez que hay que mover un paso en el motor paso a paso.

1. Se activa el driver, enviando cinco voltios por el pin digital 9 (Reset)

2. Le indica al driver A4899 el sentido de rotación, en este caso sentido horario, enviando 0 voltios por el pin digital 7 (Dir)

3. Envía una secuencia de 0-1 por el PIN digital 8 (Step). Cada vez que se envía esta secuencia, el motor se mueve un paso.

A B

Ilustración 107. Visión de la macro PAP_ON.


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5.4.3.3. PAP_ON_antih

Esta macro se utiliza cada vez que hay que mover un paso en el motor paso a paso.

1. Se activa el driver, enviando cinco voltios por el PIN digital 9 (Reset)

2. Le indica al driver A4899 el sentido de rotación, en este caso sentido antihorario, enviando 5 voltios al pin digital 7 (Dir).

3. Envía una secuencia de 0-1 por el PIN digital 8 (Step). Cada vez que se envía esta secuencia, el motor se mueve un paso.

5.4.3.4. PAP_OFF

Esta macro sirve para parar el motor paso a paso. Pone en 0 los tres pines digitales del driver A4899, los pines son: Reset, Step y Dir.

Ilustración 109. Visión de la macro PAP_OFF.

Ilustración 108. Visión de la macro PAP_ON_antih.


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5.4.3.5. Manejo_PAP

Esta macro sirve para llegar a la consigna de pasos enviada desde NI Labview.

Ilustración 110. Visión de la macro Manejo_PAP.

1. Calcula el número de pasos que necesita hacer para los grados que envía NI Labview. 2. Compara, en un bucle While, el número de pasos ya realizados con la posición deseada

a la que se quiere llegar, dependiendo de si la consigna deseada es positiva o negativa, girará en sentido horario o en sentido antihorario, incrementa un contador para recorrer todos los pasos.

3. Cada iteración del bucle utiliza las macros PAP_ON o PAP_ON_antih según el sentido de giro deseado.

4. Modula el retardo entre un bucle y el siguiente para controlar la velocidad del motor paso a paso en cada instante.

5. Apaga el motor con la macro PAP_OFF.


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5.4.3.6. PAP_trapecio

Esta macro sirve para calcular el tiempo de retardo necesario en cada iteración del bucle de la macro Manejo_PAP para que el motor empiece a girar despacio, acelere hasta una velocidad determinada que mantiene el tiempo indicado y desacelera hasta parar el motor, llegando así a la consigna indicada por el usuario.

Ilustración 111. Visión de la macro PAP_trapecio.

1. Calcula las pendientes de aceleración y deceleración para cada una de las consignas de pasos enviadas.

2. Calcula el porcentaje recorrido del trapecio para saber en qué parte de él se encuentra.

3. Dependiendo de la situación en que esté del trapecio, acelera, mantiene o decelera la velocidad.


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Una vez explicadas las macros, voy a explicar cada uno de los estados, hay que tener en cuenta que cada uno de los estados se repite constantemente al estar dentro de un bucle While, el switch escogerá cada uno de los estados o bien por una instrucción de NI Labview o por una de hardware.

5.4.3.7. Estado 0 – Standby

En este estado el microcontrolador esperará las instrucciones de NI Labview.

Ilustración 112. Visión del estado 0 - Standby

1. Resetea las variables a transmitir a NI Labview. 2. Monta la trama de envío y envía los datos por el puerto UART, utilizando la macro de

Escribe_UART. 3. Activa el brunzidor durante 200 ms.

5.4.3.8. Estado 1 – Arranque

Este estado comprobará si la hélice está situada en el centro, centrando el carro entre los dos finales de carrera.

Este modo sólo funcionará en caso de que la variable Estado no valga 4.


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Ilustración 113. Visión del estado 1 – Arranque.

1. Comprueba el estado de los finales de carrera. 2. En caso de que los dos estén activados, cambia el estado de la variable PEHard a 1 y el

estado de la variable Estado a 4. 3. En caso de que ninguno de los dos esté activado, mueve el carro hacia popa. 4. En caso de que esté activado el final de carrera de popa mueve el carro hasta tocar el

final de carrera de proa, contando los pasos realizados, divide los pasos contados entre dos para centrar el carro.

5. Es caso de que esté activado el final de carrera de proa, realiza el paso 4 de manera inversa.

6. Envía la variable de arranque completado por el puerto UART. 7. Activa el bruncidor indicando que se ha terminado el arranque.

En este estado se han utilizado las siguientes macros:

• PAP_ON

• PAP_ON_antih

• PAP_OFF

• Escribe_UART


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5.4.3.9. Estado 2 – Normal

Este es el estado operacional de la máquina. Desde NI Labview llegan las consignas para cada motor y para el sentido de giro, además de que se controlan los casos de emergencia.

Ilustración 114. Visión del estado 2 – Normal.


1. Indica el sentido de giro al driver L298N 2. Posible implementación del PID.


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3. Acciona el motor con la señal de Acción de Control. Se ha realizado un control de lazo abierto aun así se ha dejado preparado un apartado para poder implementar un PID y se ha calculado la recta de velocidad en función del voltaje del motor que es la siguiente:

⍵ =50

7 𝑥 𝑉

Ecuación 6. Recta de la velocidad del motor

del modelo, revoluciones en función del voltaje.

( 6 )

Donde:

o ⍵ es revoluciones por minuto. o V es Voltaje.

Esto sirve para substituir la variable de control del PID. Seguidamente se calcula el duty cicle del PWM.

4. Carga el duty al driver L298N para controlar el motor. 5. Envía, por el puerto UART, la Acción de Control. 6. Acciona el manejo del motor paso a paso.


• Escibe_UART

• PID_Vel

• Manejo_PAP


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5.4.3.10. Estado 3 – Parada

Este estado se encarga de gestionar la parada de la máquina parando los motores suavemente.

Ilustración 115. Visión del estado 3 – Parada.


1. Detiene el motor DC progresivamente, calcula el duty del motor y lo envía al driver L298N para parar el motor adecuadamente.

2. Envía Parada Completada por el puerto UART. 3. Activa el bruncidor para indicar que la parada se ha efectuado.


• Escribe_UART


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5.4.3.11. Estado 4 – Emergencia

Este estado gestiona las emergencias tanto de software como de hardware.

Ilustración 116. Visión del estado 3 – Emergencia.

1. Si Emergencia se ha activado por Hardware, se envía PEHard (Señal de Emergencia) a NI Labview por el puerto UART, para que el programa Máster comunique el Estado de Emergencia al Panel de Control, en este momento sincronizamos las dos interfazs.

2. Se pone el PWM en 0 apagando, así, el motor DC y el motor paso a paso. 3. Se activa el bruncidor con el sonido característico de una emergencia.


• Escribe_UART


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Capítulo 6. Construcción

81


La construcción del modelo se ha llevado a cabo en dos fases diferenciadas, por un lado, el ensamblaje de la hélice y por otro lado el ensamblaje mecánico y la estructura del modelo.

6.1. Ensamblaje de la hélice

Para poder fabricar algunas de las piezas del modelo se ha utilizado el método de la impresión 3D, este es un método de fabricación por adición donde un objeto tridimensional es creado mediante a la superposición de capas sucesivas de un material. Las impresoras 3D son por lo general más rápidas, más baratas y fáciles de usar que otras tecnologías de fabricación por adición, aunque como cualquier proceso industrial, están sometidas a un compromiso entre su precio de adquisición y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos.

6.1.1. Máquinas para la impresión

En este proceso se han utilizado dos máquinas diferentes para la impresión, esto se debe a que la primera fue cedida por el Ateneu de Fabricació de la Fàbrica del Sol y a causa de la pandemia fue imposible seguir con la fabricación allí. Estas dos máquinas son las siguientes:

• La primera de ellas es una “BCN3D SIGMA R17” esta es una máquina profesional. Esta máquina puede imprimir con una velocidad elevada con una precisión considerable además de que cuenta con un nivel de ruido reducido. Se caracteriza por su robustez a la hora de impresión y tiene una tasa de fallos a la hora de imprimir muy baja, lo que significa que puede estar muchas horas de impresión sin tener que ser manipulada ni controlada. Ésta dispone de un doble extrusor que permite imprimir piezas con dos materiales a la vez. Cuenta con un volumen de impresión de 210 x 297x210mm. Puede imprimir muchos tipos de materiales diferentes, gracias a la temperatura de su cama y de sus extrusores. El único problema que puede tener para un usuario no habitual en el campo es el precio de adquisición de la máquina.

Ilustración 117. Impresora BCN3D Sigma R17. (BCN3D, 2020)


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• La segunda máquina que se ha utilizado ha sido una “PRUSA MINI” esta es una máquina de impresión no profesional que a un bajo coste proporciona una impresión fiable, en un tamaño muy compacto, su volumen de impresión en 180 x 180 x 180mm, esta dispone de un extrusor que puede imprimir menos materiales que la Sigma a causa de la temperatura máxima, tiene una estructura menos robusta que la Sigma y por eso la precisión y la velocidad no son tan elevadas, por estas razones su precio es mucho más bajo que la anterior, esto facilita que esta sea una impresora doméstica.

6.1.2. Material de la impresión

Un factor a tener en cuenta a la hora de la impresión del modelo es el material a la hora de imprimir, este ha sido el PLA (ácido poliláctico), es mayormente conocido por su facilidad de impresión.

El rango de temperatura de impresión está entre 190-220ºC. Este parámetro dependerá de cada uno de los fabricantes de filamento.

Presenta una resistencia mecánica baja, es decir, se trata de un material frágil a la vez que duro. Esto implica que, una vez impresa la pieza no es muy aconsejable realizar tratados mecánicos sobre ellas. No obstante, se pueden realizar con sumo cuidado y sin aplicar demasiado esfuerzo sobre las mismas.

En referencia a la temperatura, cualquier objeto o pieza impresa en PLA se vuelve endeble a temperaturas entorno a 60-70ºC.

Menos contracción entre capas. Esto permitirá que no se produzca el “efecto warping” o que las capas intermedias-altas se agrieten por mala adhesión entre ellas todo lo contrario al ABS(acrilonitrilo butadieno estireno).

Más de un cambio de fase cuando este material se calienta, manteniendo un estado más líquido que otros materiales.

Un olor más agradable y no tóxico, puesto que, como ya se ha mencionado anteriormente, el PLA se fabrica a partir de maíz. Esto lo hace ideal para impresiones en hogares y sobre todo en entorno frecuentados por muchas personas.

Ilustración 118. Prusa mini. (Prusa.2020)


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Se ha decidido utilizar este material para fabricar el modelo sobre todo por los siguientes motivos:

• Bajo precio

• Impresión precisa

• Sin errores de impresión.

• El material no es tóxico.

Se debe tener en cuenta que para conseguir un modelo más profesional se debería cambiar de material, para conseguir unas propiedades mecánicas más adecuadas como por ejemplo el ABS.

Las propiedades del PLA elegido son las siguientes:

• Temperatura de impresión recomendada: 190 – 230ºC

• Temperatura de la base calefactada recomendada: 50 – 70ºC

• Diámetro: 2.85mm

• Bobina de 1000g

El otro material que se ha utilizado ha sido el PVA (Acetato de polivinilo) este material tiene la particularidad de ser soluble en agua, la impresión es compatible con el PLA, por esa razón es un material para la impresión de soportes, su coste es elevado. Las propiedades del PVA escogido son las siguientes:

• Temperatura de impresión recomendada: 190 – 220ºC

• Temperatura de la base calefactada recomendada: 80 – 100ºC

• Diámetro: 2.85mm

• Bobina de 400g


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6.1.3. Software de impresión

El software de impresión ha sido “BCN 3D CURA”. Este software permite, de una manera intuitiva, aplicar todos los parámetros de impresión para cado uno de los extrusores, y crear el código de impresión (G-code), que permite a la maquina realizar los movimientos para imprimir la pieza adecuadamente. En él se puede configurar cada una de las máquinas con sus características.

Ilustración 119. Vista del panel principal del software “Cura” para impresión 3D.

Una vez realizado el diseño de las piezas el software paramétrico permite pasar el formato a STL ("STereoLithography”) formato de transmisión de datos 3D estándar, este formato se aproxima a la superficie de un modelo sólido con triángulos. Para un modelo simple, como el cuadrado que se muestra en la ilustración, se puede aproximar a sus superficies con doce triángulos, como se muestra en la ilustración. Cuanto más compleja sea superficie, más triángulos se deberán realizar, como se muestra en la ilustración. Este formato es permite la compatibilidad entre el software de diseño y el de impresión con Cura.

Ilustración 121. Cuadrado sin aplicar el formato STL.

Ilustración 121. Cuadrado una vez aplicado el formato STL.


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6.1.4. Parámetros de impresión

Se deben ajustar los parámetros de cada una de las piezas, en este apartado se explican todos los conceptos que se han tenido en cuenta.

Estos parámetros cambian tanto el peso de, la resistencia, el acabado superficial y el tiempo de impresión de la pieza. Estos son los siguientes:

Altura de capa (Layer height): Ajusta el espesor de la capa de impresión, depende de las características del cada equipo y puede ajustarse libremente o por valores prestablecidos. Mientras más pequeña sea la medida de la capa, mayor será la resolución vertical (eje Z) de la impresión, sin embargo, esto afectará directamente el tiempo de impresión. Por ejemplo, la misma pieza impresa con una altura de capa de 0.10mm tomará aproximadamente 2 veces más tiempo que impresa con una altura de capa de 0.20mm.

Ilustración 123. Alturas de capa en una impresión.

Ilustración 122. Geometría del Núcleo en formato STL.


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Espesor de pared (Wall thikness ): Se refiere al espesor que tendrán las paredes del objeto impreso. Es común que la pieza no se imprima completamente sólida, sino que se imprime un caparazón con una estructura interna. Este parámetro controlará el espesor que tendrán las caras externas de la pieza impresa.

Ilustración 124. Comparación de dos piezas impresas a diferentes espesores de pared.

En el caso de objetos huecos, este parámetro deberá ajustarse acorde al espesor de pared de dicho objeto, y a de medir múltiplos del diámetro de la boquilla del extrusor (En el caso de este proyecto ese diámetro es 0.4mm).

Densidad del relleno (Infill density): Se refiere al relleno que se utilizará como estructura interna en el caso de objetos completamente sólidos, permitiendo ahorrar material y disminuir el peso de la pieza. La impresora crea una retícula que dará fortaleza a la pieza, pero dejará espacios vacíos al interior del objeto. La densidad de dicha retícula se controla por porcentaje, 10% equivale a que, de todo el volumen interno de la pieza sólo el 10% tendrá material, 50% equivale a que, del volumen total, la mitad quedará vacía y la mitad tendrá material y 100% equivale a que la pieza quedará totalmente rellena (sólida). Esto afectará en el peso de la pieza, el tempo de impresión y sus propiedades mecánicas. En el software se pueden escoger el patrón de relleno para conseguir la mejor robustez, dependiendo del esfuerzo.

Ilustración 125. Diferentes porcentajes de relleno con sus correspondientes pesos.


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Base del modelo (Build plate adhesion): Establece el tipo de base que se construirá para la pieza. La base sirve para agregar área de contacto entre la mesa de impresión y la pieza, haciendo que sea más difícil desprenderla y por lo tanto evitando problemas en la impresión.

Capas en la parte superior o inferior del modelo (Top/Bottom thiknes): Se refiere al espesor que tendrán las caras horizontales del modelo en su parte superior. Esta opción varía la rigidez de dichas caras.

Soporte: Al momento de requerir soportes para poder imprimir la pieza, será necesario definir el tipo de soporte a utilizar, los más comunes son en líneas escalonadas, retícula. Para las piezas que han necesitado soporte en el caso del proyecto se ha impreso con doble extrusor con la impresora Sigma R17 esta permite colocar en un extrusor el material de la pieza, PLA y en el otro el material de soporte, en este caso el PVA, que al ser hidrosoluble permite la extracción de los soportes más fácilmente.

• Creación de soportes que sólo tocan la mesa o soportes por todo: Controla si se crean soportes en todas las partes de la pieza que lo requieren o sólo en aquellas partes donde los soportes se construirán desde la base de impresión. Se debe considerar que los soportes que se crean sobre la pieza no son muy estables y dañarán el acabado final, los soportes que están impresos desde la base dan más estabilidad a la impresión.

Ilustración 126. Generación desde la base o desde todas las partes.

• Ángulo de soporte (Overhang angle): Establece el ángulo de pared a partir del cual el software genera soportes. Dicho ángulo se mide de la mesa a la pared y si es menor al establecido, el software agregará soporte. Para PLA el ángulo máximo recomendado es 45°.

Ilustración 127. explicación del ángulo de soporte.

• Densidad de soporte (Support infill): Controla la densidad o cantidad de soporte a construir dentro del área que requerirá soporte. Normalmente no se utilizan porcentajes mayores al 20% debido a que será muy difícil desprender el soporte de la pieza.


88

La orientación: esta es la clave de la resistencia, si se quiere evitar que nuestra pieza parta al someterla a alguna fuerza debemos orientar la pieza de forma que las capas sean perpendiculares al punto en el que se aplicará la fuerza.

Las partes más débiles de una pieza impresa en 3D son los puntos de unión entre las capas debido a que cada capa se imprime cuando la superior se ha enfriado lo que hace que la unión no sea perfecta.

Para ello a la hora del diseño este parámetro también se debe tener en cuenta para facilitar la impresión a posteriori.

Una vez explicados todos los parámetros se explica un ejemplo.

El núcleo es la pieza más importante del ensamblaje de la hélice, en ella se han aplicado los siguientes parámetros:

Altura de capa: 0.15mm, se consiguen las propiedades mecánicas necesarias sin perder velocidad.

Grosor de la pared: 3mm, este ha sido dimensionado para poder roscar cada uno de los tonillos de los retenedores.

Relleno: 35%, el relleno de esta pieza es superior a lo recomendado debido a sufrir muchos esfuerzos.

Soporte: esta pieza ha requerido de soporte, este era necesario para conseguir una buena precisión en los orificios de los retenedores, sostenedores y el cubo deslizador.

Ilustración 129: preparación de los parámetros de la pieza "núcleo".

Ilustración 128. Orientación de las capas para mejorar la resistencia de una pieza.


89

6.1.5. Tolerancias de impresión

Para poder conseguir un mecanismo funcional se deben conseguir unas tolerancias correctas entre los componentes. En líneas generales nuestras recomendaciones en cuanto a las tolerancias son:

• 0,15 mm para partes que vayan a encajar entre sí.

• 0,20 mm para partes que vayan a rotar.

• 0,25 mm para partas que vayan a deslizar entre sí.

Una vez seguido este criterio se debe ajustar con pruebas entre los componentes las tolerancias en cada punto para su debido funcionamiento. Seguidamente exponemos unas varias pizas para comprobar las tolerancias.

Ilustración 131. Ajuste de tolerancias entre el cubo desplazador y el núcleo.

Ilustración 130. Tolerancias de impresión 3D.

Ilustración 133. Pruebas de tolerancias para el ajuste entre los patines, el cubo desplazador y el sostenedor de la pala.

Ilustración 132. Ajuste de tolerancias entre el núcleo y el eje exterior.


90

6.1.6. Corte láser

Para acabar el ensamblaje de la hélice se han cortado las palas con un láser de corte. Para ello se han seguido los siguientes pasos:

• La elección del material: a la hora de escoger el material había que tener en cuenta las restricciones de toxicidad que provoca el corte laser en un plástico, desde el Ateneu de Fabricació se propuso que el metacrilato era un material que no producía toxicidad, este se ajustaba perfectamente a las medidas del sostenedor, ya que a la hora de comprarlos se podía disponer de diferentes grosores.

• Ajustar tolerancias: antes de realizar el corte definitivo de las palas se realizó una prueba de tolerancias, en este caso la prueba era importante ya que al ser maquinas diferentes, por un lado la impresora 3D y por el otro el láser de corte, se debía comprobar cuál era el ajuste más correcto, para ello se cortaron 3 diferentes mediadas de la espiga, la primera con una tolerancia de -1%, segunda sin tolerancia y la tercera con +1%. Una vez comprobada la tolerancia correcta, se aplicó en las palas.

• Nesting: Antes de realizar el corte en el software de Solidworks se introdujo las dimensiones del material a cortar, en este caso eran las de un DIN A3, el software tiene un asistente de cortes, que permite estructurar, en unas dimensiones predefinidas, la distancia entre las piezas y la distancia al borde de la plancha y automáticamente realza el anidado de las piezas más óptimo, para así aprovechar el material. En mismo software exporta un archivo de corte con diferentes capas, en este caso solo dos, la de corte en una capa azul y la plancha de metacrilato a cortar en negro.

Ilustración 135. Corte para la comprobación de las tolerancias.

Ilustración 135. Espigas con diferentes tolerancias para poder obtener la correcta.


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Ilustración 136. Vista del asistente de corte con el nesting realizado.

• Corte: una vez exportado el archivo de corte en el láser se debe ajustar la potencia y la velocidad de corte del láser, para tipo de material es diferente, el mismo fabricante del láser indica unas recomendaciones. Una vez ajustados los parámetros se marca el punto de origen del archivo de corte en la plancha y se realiza el corte.

Ilustración 138. Ajuste de los parámetros del láser y origen.

Ilustración 137. Pancha de metacrilato introducida en el láser antes de ser cortada.


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6.1.7. Exposición de las piezas que forman el ensamblaje de la hélice.

Ilustración 139. Pieza "Núcleo".

Ilustración 140. Pieza "Cubo desplazador".

Ilustración 141. Pieza "Patín de bloqueo".

Ilustración 143. Pieza "Retenedor". Ilustración 142. Pieza "Sostenedor de la pala".


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6.2. Ensamblaje de la estructura y el mecanismo CPP.

En este apartado se muestran los pasos del montaje final de la estructura y del mecanismo CPP. Los pasos se muestran en una secuencia de ilustraciones que describen el proceso.

Se cortan los perfiles a la medida correcta a partir de un plano de corte.

Ilustración 145. Perfiles, escuadras y tornillos de montaje.

Ilustración 145. Montaje de la estructura.

Ilustración 146. Alineación de la parte exterior de la estructura.


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Se montan los motores con sus ensamblajes correspondientes.

Ilustración 148. Ensamblaje del mecanismo de paso de la hélice.

Ilustración 147. Despiece y montaje del motor principal y su estructura impresa en 3D.


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Se tornan las piezas: Núcleo, cubo desplazador, casquillo del eje exterior y del eje empujador.

Ilustración 150. Torneado del casquillo del cubo desplazador.

Ilustración 150. Roscado de los agujeros para la unión entre el cubo desplazador y el eje empujador.

Ilustración 151. Despiece de la unión entre la varilla empujadora el cubo deslizador, esta unión se lleva a cabo con unos prisioneros.


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Roscado de los perfiles para poder colocar las patas de la estructura y montaje del ensamblaje del paso de la hélice en la estructura.

Ilustración 154. Montaje de la chumacera del eje del sin fin y a su vez montaje del metacrilato con sus respectivos perfiles.

Ilustración 153. Ensamblaje del sistema de ajuste del paso de la hélice.

Ilustración 153.Roscado de los perfiles para poder poner las patas.


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Ilustración 156. Casquillo torneado con Nylon para poder unir el eje principal y el núcleo de la hélice, esta pieza está unida solidariamente en el eje con pegamento de doble componente, como se puede

ver en la segunda ilustración el tubo tiene un estriado para facilitar la unión.

Ilustración 155. Montaje del motor principal en la estructura con sus respectivos engranajes y la correa.


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Se han avellanado los agujeros para poder incluir el tornillo en la forma del núcleo. También se ha realizado lo mismo con los tornillos que unen los retenedores con el núcleo.

Se procede a montar la hélice, primeramente, se hace coincidir el sostenedor de la pala y el patín, seguidamente fijamos los retenedores al núcleo y para acabar fijamos éste al eje principal.

Ilustración 158. Secuencia de montaje de la hélice.

Ilustración 157. Avellanado de las piezas agujereadas.


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En la primera ilustración se puede ver como se realizaron todos los agujeros de los componentes electrónicos, seguidamente se puede ver como se añaden a cada componente unos separadores a cada tornillo de fijación para no estar en contacto con el metacrilato, en la tercera se puede ver todos los componentes ya montados en la maqueta y en la cuarta como se empieza a cablear todo el sistema eléctrico.

Ilustración 159: Secuencia de montaje de los componentes electrónicos.


100

Finalmente se añade el transformador y se cablea con cada una de las fuentes de alimentación de los motores se hacen todas las uniones en la protoboard y se añade una tapa de madera para no proporcionar mayor protección al cableado.

Ilustración 160. Secuencia del cableado del modelo.


101

Ilustración 161. Visión final del modelo desde el costado de babor.

Ilustración 162. Visión final del modelo desde el costado de estribor.


102

6.3. Listado de materiales del modelo

En este apartado se listan cada uno de los componentes y piezas que forman el modelo. Diferenciándolos en las siguientes cinco categorías:

• Ensamblaje de la hélice.

• Partes mecánicas del modelo.

• Componentes electrónicos.

• Partes de la estructura.

• Tornillería.

6.3.1. Ensamblaje de la hélice

Tabla 3. Listado de las partes que componen la hélice.

6.3.2. Partes mecánicas del modelo.

Tabla 4. Listado de las partes mecánicas que componen al modelo.

Ensamblaje de la hélice Unidades

Casquillo de acople del cubo desplazador 1

Casquillo de acople del núcleo 1

Cubo deslizador 1

Núcleo 1

Pala 4

Patín de bloqueo 4

Sostenedor de la pala 4

Partes mecánicas del modelo Unidades Partes mecánicas del modelo Unidades

Acople del motor al sin fin 1 Placa de subjepcion del motor DC 1

Acople entre el carro y el empujador 1 Resistencia 1M 1

Barilla sinfín 8x100 1 Rodamiento 15mm 1

Carro 1 Rodamiento 8mm 1

Chumacera para el sinfin 1 Soporte del motor DC1 1

Correa de transmisión 1 Soporte del motor DC2 1

Cubo de unión al sin fin 1 Soporte del motor paso a paso 1

Eje exterior 1 Soporte empujador 1

Eje interior 1 Empujador del eje 1

Engranaje (20mm) 1 Soporte final del carrera 1

Engranaje (4mm) 1 Soporte imán al eje exterior 1

Imán 1 Tuerca del sin fin 1

Pieza corredera del módulo REED 1 Chumacera del eje exterior 2

Pieza soporte del módulo REED 1 Rodamiento 20mm 2


103

6.3.3. Componentes electrónicos

Tabla 5. Listado de los componentes electrónicos utilizados en el modelo, a excepción de los cables de conexión

6.3.4. Partes de la estructura

Tabla 6. Listado de las partes que forman la estructura del modelo.

Componentes electrónicos Unidades

Arduino UNO R3 1

Brunzidor 1

Capacitor 100uF-25V 1

Driver A4899 1

Final de carrera 2

Fuente de alimentación 2

L298N Dual H Bridge 1

Mini protoboard 1

Módulo REED 1

Motor DC 1

Motor paso a paso 1

Pulsador de emergencia 1

Regleta de conexión 1

Transformador 1

Ensamblaje de la hélice Unidades

Escuadra 44

Metacrilat per el soport dels components 1

Patas de la estructura 4

Perfil en V 2020 1

Perfil2020(158) 2

Perfil2020(260) 2

Perfil2020(300) 14

Perfil2020(500) 2

Perfil2020(700) 4

Perfil2020(82) 2

Tapa de madera para la electronica 1

Tapa para las patas 2


104

6.3.5. Tornillería

Tabla 7. Listado de la tornillería utilizada en el modelo.

Tornillería Unidades

Arandela M4 110

Arandela M4 Grower 85

Barilla M4 2

Prisioneros M2 2

Prisioneros M3 2

Prisioneros M4 6

Tornillo M2 16

Tornillo M3 23

Tornillo M4 4

Tornillo M4 allen 4

Tornillo M4 para perfil 20x20 85

Tuerca M3 19

Tuerca M4 frenada 2

Tuerca M4 para perfil 20x20 89

Tuerca palomilla 2


105

6.4. Presupuesto del modelo

En este apartado se desglosarán todos los costes de la maqueta, es importante aclarar que las tablas de costes difieren de la tabla final de materiales debido a que durante la construcción de la maqueta se han producido fallos que han generado costes adicionales. Así mismo, la impresión de las piezas se ha ido adaptando a las modificaciones de diseño, por lo que algunas se han impreso varias veces.

Por último, algunas piezas no se han tenido que comprar, sino que se han empleado piezas recicladas.

Antes de hacer el presupuesto final de la maqueta hay que tener en cuenta el precio de las piezas a imprimir. Para poder calcular este precio he desarrollado una calculadora con todos los parámetros para tener en cuenta. En este caso se pondrá el ejemplo con la pieza “Núcleo”.

En cada una de las piezas, hay parámetros fijos y parámetros variables que dependen de cada pieza.

Tabla 8. Cálculo del coste de pieza "Núcleo" con la calculadora de costes de impresión.

Coste plástico [€/kg] 19,9 Masa de la pieza [kg] 0,217

Coste soporte [€/kg] 147,5 Tiempo impresión [h] 38,16

Coste luz [€/kWh] 0,150 Masa del soporte [kg] 0,037

Consumo medio [kW] 0,5

Coste por hora de luz [€/h] 0,075 Desglose de los costes

Coste de impresora (€) 2.500,00 € Coste material

Tiempo amortizacion [años] 2 - Material 4,32 €

Días activa al año 250 - Electricidad 2,86 €

Horas por dia [h] 8 - Soporte 5,46 €

Coste de amortización [€/h] 0,63 € Coste operario

- Preparación 10,00 €

Tasa de fallos % 0,1 - Postproducción 10,00 €

Coste por hora del operador [€/h] 20,00 € Coste amortización 23,85 €

Tiempo preparación [h] 0,5

Tiempo postproducción [h] 0,5 Coste fallos 5,65 €

Coste pieza 62,14 €

Parámetros fijos Parámetros variables


106

Los parámetros fijos son:

1. Coste del material – Es el coste de la bobina del material que se empleará para

imprimir. 2. Coste soporte - Es el coste del material para realizar los soportes de las piezas. Este

material es hidrosoluble lo que permite una mejor postproducción de la pieza, de manera que sea fácil separar los soportes de la propia pieza.

3. Coste por hora de luz – Es la multiplicación del coste de luz y el consumo medio de kilovatios de la máquina.

4. Coste de la impresora – Es el coste de adquisición de la impresora. 5. Tiempo amortización – Es el tiempo que se calcula que la máquina se amortizará.

Suelen ser 2 años que es lo que duran las garantías de los fabricantes. 6. Días activa al año - Son los días que la impresora trabaja al año. Días laborables en un

año. 7. Horas por día – Ocho horas de trabajo diario. 8. Coste de amortización. Viene dado por la siguiente fórmula:

𝐶. 𝐴. =𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑖𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑎

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑥 𝑑í𝑎𝑠 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜 𝑥 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑎

Ecuación 7. Coste de

amortización de la

impresora.

( 7 )

9. Tasa de fallos – Es el porcentaje de fallos que suelen tener la máquina o el usuario realizando la impresión de las piezas.

10. Coste por hora del operador – Es lo que cobra el operario tanto durante la producción como en la postproducción.

11. Tiempo de preparación – El tiempo que tarda el operario en preparar las piezas y la máquina para la impresión.

12. Tiempo de postproducción - Es el tiempo posterior a la impresión.

Los parámetros variables son:

1. Masa de la pieza – Es el peso, en kilos, de la pieza. Este dato nos lo proporciona el software de impresión.

2. Tiempo de impresión – Es el tiempo que emplea la máquina en imprimir la pieza. Este dato lo proporciona el software de impresión.

3. Masa del soporte - Es el peso, en kilos, del soporte. Este dato nos lo proporciona el software de impresión.

Los costes se desglosan de la siguiente manera:

1. Coste material – Se divide entre lo que cuesta el material, la electricidad y el soporte. 2. Coste operario – Coste del tiempo empleado en la preparación y postproducción. 3. Coste amortización – Calculo de amortización por €/hora. 4. Coste fallos – Es el coste calculado para el porcentaje de fallos.


107

6.4.1. Análisis de los costes de impresión

En este apartado se realizada un análisis de los costes de impresión 3D.

Ilustración 166. Porcentaje del coste de la pieza "Núcleo" Ilustración 165. Porcentaje del coste de la pieza "Cubo desplazador".

Ilustración 163. Porcentaje del coste de la pieza "Patín de bloqueo".

Ilustración 164. Porcentaje del coste de la pieza "Retenedor".

Ilustración 167. Porcentaje del coste de la pieza "Sostenedor de la pala".


108

Ilustración 168. Comparativa de las horas de impresión.

Ilustración 169: Comparativa del coste de cada pieza.

Una vez expuestas las gráficas de análisis se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• La tasa de fallos es un factor a tener en cuenta ya que influye un 9% en el precio final de la pieza.

• Los costes más altos de las piezas son la preparación y post producción, sobre todo en las piezas sin soportes.

• Si la pieza tiene un tiempo de impresión muy elevado, el coste de amortización de la máquina pasa a ser el coste más elevado, en caso de que la pieza no requiera de mucha precisión se puede reducir estudiando otro tipo de impresoras con un coste de adquisición inferior para poder bajar este parámetro.

• El coste del material es un factor poco relevante, solo afecta cuando las horas de impresión son elevadas.

• Las piezas con soporte son más caras, un factor a tener en cuenta a la hora del diseño se debe evitar en la medida de lo posible el uso de soportes a la hora de la impresión, ya que por un lado el coste del material del soporte es más elevado y por el otro el conlleva añadir a la pieza el coste de post producción para la retirada del soporte.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Cubodeslizador

Núcleo Patín debloqueo

Retenedor Sostenedor dela pala

Tie

mp

o d

e im

pre

sió

n (

h)

Horas de impresión

0

10

20

30

40

50

60

70

Cubodeslizador

Núcleo Patín debloqueo

Retenedor Sostenedor dela pala

Co

ste

(€

)

Coste de las piezas


109

6.4.2. Costes de las piezas impresas

Según esta calculadora, los costes de impresión de la maqueta son:

Tabla 9. Listado de costes de las piezas impresas.

6.4.3. Costes del sistema electrónico

Tabla 10. Listado de costes de los componentes electrónicos.

Nombre de la pieza Precio del material Precio real Unidades Precio total

Núcleo 4,32 € 62,14 € 2 124,27 €

Cubo deslizador 0,74 € 27,34 € 3 82,02 €

Patín de bloqueo 0,02 € 11,14 € 4 44,55 €

Sostenedor de la pala 0,22 € 12,51 € 4 50,02 €

Retenedor 0,11 € 11,89 € 4 47,55 €

Pieza corredera del módulo REED 0,08 € 12,01 € 1 12,01 €

Pieza soporte del módulo REED 0,32 € 14,62 € 1 14,62 €

Soporte empujador 0,64 € 18,05 € 1 18,05 €

Empujador del eje 0,52 € 16,77 € 1 16,77 €

Soporte del motor DC1 0,46 € 15,97 € 1 15,97 €

Soporte del motor DC2 0,39 € 15,73 € 1 15,73 €

Soporte final del carrera 0,12 € 12,26 € 2 24,53 €

Totales 25 466,10 €

Nombre del componente Fabricante Precio/unidad Unidades Precio total

Placa arduino Arduino 24,09 € 3 72,27 €

Protoboard Breadboard 6,95 € 2 13,90 €

A 4988 ELEGOO 9,99 € 2 19,98 €

Regulador de tensión ARCELI 10,99 € 4 43,96 €

Motor paso a paso Longruner 15,98 € 2 31,96 €

Motor DC Walfront 11,79 € 1 11,79 €

Cables macho-macho AZDelivery 4,12 € 2 8,24 €

Cables macho hembra AZDelivery 2,72 € 2 5,44 €

L298N Driver Motor Neuftech 14,90 € 2 29,80 €

Modulo REED Sharp 8,90 € 1 8,90 €

Finales de carrera ELEGOO 7,99 € 6 47,94 €

Condensador 100uf Jackcon 0,19 € 10 1,86 €

Zumbador RS Pro 3,60 € 1 3,60 €

Pulasador de emergencia Cetronic 3,68 € 1 3,68 €

Total 303,32 €


110

6.4.4. Costes de la estructura

Tabla 11. Listado de costes de la estructura.

6.4.5. Presupuesto final

En este presupuesto sólo se han tenido en cuenta el coste de los materiales, no se ha considerado el coste de adquisición del software requerido, por contar con licencia de estudiantes. Tampoco se presupuestado las horas de trabajo, aun así, sí que se han contabilizado y serian del orden de las 1500 horas.

Tabla 12. Presupuesto final del modelo.

Estructura Unidades Precio Total

Rodamiento 20 1,00 9,84 € 9,84 €

Rodamiento 16 2,00 11,60 € 23,20 €

Eje exterior (20mm) 1,00 7,75 € 7,75 €

Eje interior (15mm) 1,00 6,85 € 6,85 €

Perfil de aluminio (1000mm) 12,00 5,00 € 60,00 €

Perfil en V (500mm) 1,00 5,33 € 5,33 €

Chumacera 3,00 13,25 € 39,75 €

Carro de la guia 1,00 6,49 € 6,49 €

Kit de escuadras, tuercas, tornillos

para perfil de 20*203,00 10,57 € 31,71 €

Engranaje (20mm) 1,00 6,87 € 6,87 €

Engranaje (4mm) 1,00 6,87 € 6,87 €

Correa de transmisión 1,00 5,48 € 5,48 €

Bloque con rosca para el sin fin 1,00 7,18 € 7,18 €

Sin fin 1,00 9,12 € 9,12 €

Metacrilato (500*500mm) 1,00 24,18 € 24,18 €

Barilla del sin fin 8/100 1,00 9,55 € 9,55 €

Rosca sin fin 8/100 1,00 48,00 € 48,00 €

Tornilleria de montaje variada 1,00 18,00 € 18,00 €

Palas de la hélice (Metacrilato) 2,00 11,62 € 23,24 €

Total 349,41 €

Costes del modelo Totales

Costes de impresión 466,10 €

Costes del sistema electrónico 303,32 €

Costes de la estructura 349,41 €

Presupuesto final 1.118,83 €

Capítulo 7. Validación

111


La verificación del modelo se ha realizado en 3 fases, la primera donde se ha comprobado la interfaz de NI LabVIEW, la segunda donde se ha verificado el correcto funcionamiento del sistema electrónico, y finalmente la tercera han sido las pruebas con el modelo y la interfaz de usuario en este apartado explicaremos cada una de ellas.

7.1. Verificación de la interfaz de LabVIEW

Para poder verificar la máquina de estados realizada en NI LabVIEW se ha creado un laboratorio, éste simula al microcontrolador, de esta manera podemos conseguir testear todas las situaciones y así comprobar que la máquina de estados funciona correctamente, para así después descartar problemas una vez conectado al microcontrolador.

En este laboratorio, se puede simular por un lado la recepción de la trama en el microcontrolador, así se comprueba que la maquina envía la trama correcta en cada momento, por otro lado, podemos enviar datos a la interfaz de NI LabVIEW, tanto digitales como analógicos para simular los finales de carrera, el pulsador de emergencia, el módulo REED, la acción de control y la velocidad real en el eje.

Para poder comunicar las dos interfaces se ha creado dos puertos COM internos en el ordenador interconectados, el puerto COM 1 para la máquina de estados y el puerto COM 2 para el laboratorio.


112

La visión del laboratorio es la siguiente:

1. Selección del puerto COM. 2. Señales digitales que recibe

el microcontrolador de NI LabVIEW.

3. Señales analógicas que recibe el microcontrolador de NI LabVIEW. (Solo los 3 principales)

4. Salidas digitales del microcontrolador.

5. Salidas analógicas del microcontrolador.

6. Comprobación de la trama de entrada y de salida al microcontrolador.

Ilustración 170. Visión del Laboratorio UART.


113

7.1.1. Ejemplo de la fase de verificación

En este ejemplo se muestra una de las verificaciones realizadas.

1. En este caso la máquina de estados se encuentra en fase “Normal” se puede comprobar por el mensaje en el display “Introduzca consignas en controles” y por el estado del Led.

2. Envío de la señal de arranque completado (S.A.), la primera cifra de la trama de envió del microcontrolador.

3. Envío de la variable “Estado”, en fase Normal debe ser 2. 4. Envío de la velocidad de consigna. 5. Envío de la consigna de paso, en este caso se debe comprobar que la consigna se ha

transformado de grados del paso a grados del motor. 6. Envío de la velocidad real desde el microcontrolador 7. Lectura de la velocidad real desde el panel de control. 8. Envío desde el microcontrolador de la acción de control. 9. Lectura de la acción de control en el panel de control.

Ilustración 171. Comprobación del panel de control en la fase de funcionamiento "Normal".


114

Se han comprobado cada una de las fases, de esta manera se ha podido validar la máquina de estados antes de conectarla al microcontrolador.

Ilustración 172. Comprobación del Laboratorio UART en la fase de funcionamiento "Normal".


115

7.2. Verificación del sistema electrónico.

Para poder verificar el sistema electrónico se ha realizado un programa comprueba las salidas y las entradas del microcontrolador. De esta manera podemos comprobar si el sistema electrónico está bien cableado. Con este programa se pueden verificar los siguientes dispositivos:

1. Verificación del funcionamiento del motor paso a paso. 2. Verificación del motor DC. 3. Verificación de los finales de carrera 4. Verificación del módulo REED. 5. Verificación del brunzidor. 6. Verificación del pulsador de emergencia. 7. Verificación del sentido de giro. 8. Verificación del tacómetro. 9. Frecuencia de comunicación.

Ilustración 173. Panel de verificación de los sensores y actuadores del modelo.


116

Visión general del programa de verificación de los componentes electrónicos.

Ilustración 174. Visión general del programa de verificación de sensores y actuadores.

Una vez verificados todos los actuadores y sensores del modelo se puede proseguir con la verificación del resto del sistema.

7.3. Pruebas con el modelo y la interfaz.

Finalmente, para finalizar con la validación del modelo se ha realizado la conexión entre el microcontrolador y la interfaz de NI LabVIEW.

Esta fase ha comprobado que los dos sistemas, por un lado, el microcontrolador y por otro, la máquina de estados funcione adecuadamente.

Ilustración 175. Pruebas con el modelo.

Capítulo 8. Conclusiones

117


El propósito de este trabajo era obtener un modelo reducido de un propulsor naval basado en una hélice de paso controlable. La finalidad era de mostrar la base de esta tecnología y dar lugar a una plataforma para la futura implementación de más sistemas sobre esta representación a escala.

Por otro lado, se pretendía resolver el diseño del propulsor para construirlo a pequeña escala, simplificando de este modo, los mecanismos utilizados actualmente en la industria naval, para implementar, a bajo coste, un modelo que funcionase en su totalidad, controlando la velocidad y el ajuste del paso de las palas. Todo ello manejado desde un control de supervisión virtual.

Terminados los trabajos de diseño, programación, construcción y validación del modelo hemos conseguido:

1. Simplificar el mecanismo real según lo esperado en el proceso de diseño, consiguiendo

un modelo robusto y funcional.

2. Implementar los controladores, actuadores y sensores que permiten el movimiento

controlado del sistema.

3. Conseguir un modelo válido para el ensayo, demostración e investigación, totalmente

escalable, al estar diseñado con un programa CAD paramétrico.

4. Programar un sistema de intercambio de información con el usuario de modo que sea

posible manipular los distintos modos de funcionamiento del modelo, gracias a la

interfaz de usuario y la máquina de estados interna.

5. Comunicar el microcontrolador con la interfaz de NI LabVIEW sin el uso de librerías,

esto ha permitido una distribución de tareas independiente, optimizando así, las

funciones que deben hacer cada uno de los componentes.

6. Validar, en cada caso, que la comunicación entre el modelo y el ordenador sea la

correcta, comprobando que las tramas TX y RX sean las adecuadas para cada

momento.

7. Crear una aplicación que permite instalar el programa en diferentes dispositivos,

aunque no tengan la interfaz de NI LabVIEW.

En cuanto a los objetivos específicos planteados al iniciar el trabajo, se ha conseguido diseñar en 3D mediante el programa SolidWorks; imprimir en 3D; programar con NI LabVIEW y Flowcode V8, construir la base de las comunicaciones, implementar los circuitos electrónicos, así como manipular y mecanizar distintos materiales, para conseguir el resultado final del modelo.


118

Haber conseguido los objetivos principales y específicos planteados al inicio no significa que no hayan aparecido errores y problemas que deberían ser resueltos para mejorar el resultado del proyecto.

El principal problema ha sido que el proyecto inicial ha ido creciendo a medida que avanzaba. Cada paso hacia adelante generaba nuevos problemas y retos que alargaban en el tiempo el trabajo. El desconocimiento a la hora de realizar este tipo de proyectos ha sido la causa de la falta de previsión de los tiempos de trabajo.

Otros problemas técnicos para resolver son:

1. Para optimizar el funcionamiento del modelo sería necesario rediseñar el ensamblaje

de la hélice, cambiando la distancia entre el centro del sostenedor de la pala y el patín

de bloqueo. Se conseguiría mejor fluidez y exactitud en el ajuste del paso. Cambiar el

diseño de una pieza, supone el rediseño de todas las piezas relacionadas con ella,

como el cubo desplazador, los retenedores y el núcleo.

2. El motor que acciona el eje principal no tiene suficiente potencia debido a la fricción

que generan los elementos relacionados con el giro de la hélice. Se podría resolver

este problema calculando la resistencia que generan y redimensionando la potencia

del motor.

3. El material elegido no es adecuado, el PLA tiene muy buenas características de

fabricación, pero las propiedades mecánicas del material son bajas, una vez cotejado

el diseño e impreso en PLA para probar el modelo, se podría cambiar de material llegar

a unas propiedades mecánicas más adecuadas, el material propuesto es el ABS.

4. Las tolerancias entre los componentes impresos han generado holguras que provocan

brusquedades en su movimiento. Principalmente esto ocurre entre los retenedores y

los sostenedores de las palas y la relación entre el cubo desplazador y los patines de

bloqueo. Una de las causas de este contratiempo ha sido el hecho de tener que

cambiar de máquina durante el proceso de impresión, por las restricciones de la

pandemia. Y el segundo motivo ha sido no haber podido hacer suficientes pruebas de

tolerancia de cada pieza. La suma final de cada uno de los errores de tolerancia genera

una inexactitud mayor de la deseada.

5. En cuanto a las conexiones eléctricas, se ha diseñado un sistema accesible, sin

soldaduras, que permite el cambio de componentes cada vez que sea necesario. Esta

ventaja, a su vez, genera un problema: la robustez eléctrica no es la adecuada para

este modelo. Una vez testeado el sistema eléctrico correctamente, se debería diseñar

e implementar una PCB (Placa de Circuito Impreso) que tendría las ventajas del

sistema anterior y solucionaría los inconvenientes.

6. La medida de la velocidad no es totalmente correcta debido a que por cada vuelta del

eje sólo se realiza una medición. Se han intentado implementar varios imanes que

permitiesen más lecturas en cada vuelta, pero como el diámetro del eje es tan

pequeño los campos magnéticos de los imanes interfieren entre sí generando lecturas

incorrectas. La solución sería cambiar el sensor REED por un encoder mecánico. Por

otro lado, la gestión de interrupciones en Flowcode V8, también ha provocado errores

en la medida de la velocidad.


119

7. Como se comenta en el punto anterior, el software Flowcode V8, ha generado

problemas de compilación durante la programación del microcontrolador. Trabajar

con una interfaz gráfica de programación, ofrece muchas ventajas, como es el caso de

NI LabVIEW, pero si esta interfaz está en fase de desarrollo, puede generar numerosos

problemas. Además de resolver los problemas de programación de nuestro modelo, se

han tenido que resolver las carencias de la propia interfaz.

8. Tal y como está diseñada la trama que envía el microprocesador, éste no nos indica en

qué estado se encuentra en cada momento. Este hecho puede provocar problemas de

desincronización que se podrían solucionar fácilmente añadiendo un parámetro más a

la trama que envía el microcontrolador.

9. En el momento que se produce una emergencia el programa entra en Fase de

Emergencia y el usuario se percata por que el Panel de Control emite un sonido

característico y el display lo notifica, pero el usuario no puede comprobar, desde el

Panel de Control, cuál es el motivo de la emergencia. La solución podría ser un registro

de emergencias que indicase la causa que la ha generado, para ello se tendría que

aumentar la trama que emite el microcontrolador además de realizar una gestión de

errores de hardware más robusta, teniendo en cuenta, en la programación del

microcontrolador, cada uno de los sensores por separado.

10. Finalmente, la gestión de las emergencias por hardware es ineficiente en este modelo.

Muchas de las situaciones de posibles emergencias en un modelo más robusto o en un

sistema real, no están contempladas. Sería necesario estudiar cada uno de los casos

posibles de emergencia e implementarlos en la programación.

Para concluir, se podrían abrir varias líneas de investigación que ampliarían y darían vigor a este trabajo:

1. Implementar un control PID para controlar la velocidad del eje. Para ello se tendría

que substituir el módulo REED por un encoder, como ya hemos explicado

anteriormente.

2. Implementar un control que relacione el par que genera la hélice con el paso de ésta.

3. Desarrollar un Panel de Control, no virtual, en la propia estructura para simular los

mandos de gobierno.

4. Conseguir un sistema autónomo, desde el punto de vista de su monitoreo, añadiendo

a un panel de control físico un dispositivo que contenga un sistema operativo y un

monitor para poder ejecutar el programa desarrollado en esta versión.

5. Para realizar pruebas en canales hidrodinámicos se deberia implementar una versión

funcional de para su instalación en modelos de embarcaciones.


120

Capítulo 9. Bibliografía

121

Capítulo 9. Bibliografía

[1] ¿QUÉ ES UN MICROCONTROLADOR? [En línea] / aut. SHERLIN.XBOT.ES. - 4 de Setiembre de 2020. - http://sherlin.xbot.es/microcontroladores/introduccion-a-los-microcontroladores/que-es-un-microcontrolador.

[2] 37 SENSOR KIT TUTORIALFOR UNO V2.0 / aut. Elegoo // Catálogo. - 2020.

[3] Arduino desde cero en Español - Capítulo 33 [En línea] / aut. Bitwise Ar. - 4 de Noviembre de 2019. - https://www.youtube.com/watch?v=u0SG681s8aA.

[4] Como funciona un Servomotor [En línea] / aut. vt en linea. - 5 de Octubre de 2019. - https://www.youtube.com/watch?v=mk9UkQCeENc.

[5] Como usar el driver controlador de motores L298N [En línea] / aut. vt en linea. - 15 de Octubre de 2019. - https://www.youtube.com/watch?v=c0L4gNKwjRw.

[6] Comunicación ARDUINO y LabVIEW [En línea] / aut. ARDUINOLOVER. - 15 de Diciembre de 2019. - https://www.youtube.com/watch?v=iCiXRY3s9xo&list=PL6Y9w9klwszH2o4MQMvQlzBLanJvNXWm0&index=5.

[7] Controllable pitch main propellers [Libro] / aut. Kamewa. - 1990.

[8] DRIVER A4988 CON MOTORES DE PASO [En línea] / aut. GM25 Electrónica & Mas. - 4 de Noviembre de 2019. - https://www.youtube.com/watch?v=gzNP6-GI7Cc.

[9] Electrónica Digital para Ingenieros [Sección de libro] / aut. Ruiz Pedro Juan Sotorrío / aut. libro Sánchez Pedro Sotorrío.

[10] ENCYCLOPEDIA OF SHIP TECHNOLOGY [Libro] / aut. Babicz Jan. - [s.l.] : Stora Enso Oyj, 2008.

[11] Flowcode Training video 19 Interrupts [En línea] / aut. Flowcode. - 18 de Setiembre de 2020. - https://www.youtube.com/watch?v=vB--2o8uHP8.

[12] Flowcode V8 [En línea] / aut. Flowcode. - 8 de Marzo de 2020. - https://www.matrixtsl.com/flowcode/.

[13] Hands-On Introduction to LabVIEW for Scientists and Engineers [Sección de libro] / aut. Dr John Essick. - [s.l.] : Oxford, 2018.


122

[14] Hélice (dispositivo) [En línea] / aut. Wikipedia. - 17 de 02 de 2020. - https://es.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9lice_(dispositivo).

[15] How To Control a Stepper Motor with A4988 Driver and Arduino [En línea] / aut. How to Mechatronics. - 15 de Setiembre de 2019. - https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/how-to-control-stepper-motor-with-a4988-driver-and-arduino/.

[16] Impresión 3D [Sección de libro] / aut. GONZÁLEZ SERGIO GÓMEZ. - [s.l.] : Marcombo, 2020.

[17] LabVIEW Core 1 Ejercicios [Libro] / aut. National Instruments. - Edición de Agosto 2012.

[18] LabVIEW Graphical Programming [Sección de libro] / aut. Jennings Richard. - 2019.

[19] Las tolerancias en Impresión 3D [En línea] / aut. 3DFILS. - 16 de Diciembre de 2019. - https://www.3dfils.com/es/blog/31_tolerancia3d?id_category=4.

[20] MAN Alpha - Product indormation [Libro] / aut. MAN. - 2013.

[21] Maniobra de un buque monohélice de paso controlable en aguas restringidas [Libro] / aut. Gilardoni Cap. Eduardo O.. - 1999.

[22] Marine propellers and propulsion [Libro] / aut. Carlton John. - [s.l.] : Elsevier, 1994.

[23] Parámetros de impresión [En línea] / aut. ARQDIS. - 20 de Enero de 2020. - http://www.arqdis.ibero.mx/blog/principales-parametros-fdm/.

[24] Pololu Electronics [En línea] / aut. Pololu Electronics. - 15 de Setiembre de 2019. - https://www.pololu.com/product/1182.

[25] Programar PIC con Flowcode para controlar coche robótico [En línea] / aut. BENSLIMAN ADNANE. - 4 de Agosto de 2020. - https://www.youtube.com/watch?v=TzGraCvVZw8.

[26] PWM Explicado [En línea] / aut. Joyplanes RC . - 6 de Octubre de 2019. - https://www.youtube.com/watch?v=Q2N2OEicXJE.

[27] Qué es el paso de la hélice [En línea] / aut. SemirrigidasOnline. - 15 de Agosto de 2020. - https://semirrigidasonline.es/que-es-el-paso-de-la-helice/.

[28] SCHOTTEL CP PROPELLER [Libro] / aut. SCHOTTEL. - 2005.

[29] Señales analógicas y digitales [En línea] / aut. Ecured. - https://www.ecured.cu/Se%C3%B1ales_anal%C3%B3gicas_y_digitales.

Anexo 1. Planos

1

Anexo 1. Planos

En este anexo se adjuntan los planos de las piezas que componen el ensamblaje de la hélice.

Está estructurado de la siguiente manera:

1. Plano del “Núcleo”. 2. Plano del “Cubo deslizador”. 3. Plano del “Patín de bloqueo”. 4. Plano del “Sostenedor de la pala”. 5. Plano del “Retenedor”.

20,00

20,

00

52,00

40,

00

A

A

35,00

30

,00

25,00

15,

00

25,00

90,00

SECCIÓN A-A

45

3

1

1

2

Vista desde popa

Borde de popa Borde de proa

1

2

3

4

5

TIEMPO DE IMPRESIÓN:

DESCRIPCIÓN TÉCNICA MATERIAL PIEZA:

TÍTULO DEL PROYECTO:

FECHA:

ESCALA:1:1 HOJA 1 DE 1

A4

Carril de desplazamiento del cubo deslizador

Perfil polinómico

Orificio de encaje del eje de la hélice

Orificio de encaje del bulón en el núcleo

Núcleo

A A

B B

C C

D D

E E

F F

4

4

3

3

2

2

1

1

AUTOR: David Rossich Mata

6

7

8

PESO (g):

Orificio de empotramiento del retenedor del bulón

PIEZA:

PLA

217

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM

TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:

UNIVERSIDAD: UPC

REVISIÓN: B

Núm

TIPO DE BOQUILLA: 0.4 mm

ALTURA DE CAPA: 0.2 mm (normal)

VELOCIDAD DE IMPRESIÓN: 60 m/s

ANCHO SUELO: 1.6 mm

PORCENTAJE DE RELLENO: mm

PARÁMETROS DE IMPRESIÓN 3DNúm

5

4

3

2

1 6

7

8

9

10

TIPO DE PATRÓN: Zig Zag

ANCHO PARED: 3 mm

VELOCIDAD DE TRASLADO: 100 m/s TEMP IMPRESIÓN: 190 ºc

TEMP MESA: 65 ºc

MATERIAL SOPORTE: PLV

NECESIDAD DE SOPORTE: Sí

23 h 29 min

Construcción de una maqueta de hélice de paso controlable (CPP)

15,00

40,

00

R5,00

2

1

40,00

10,

00

50,

00 A

A

A

3

3

2

44

1

30,

00

5,0

0

BSECCIÓN A-A

R1,00

DETALLE BESCALA 2 : 1

4

R1,00

DETALLE AESCALA 2 : 1

4

1

2

3

4

5




FECHA:

ESCALA:1:1

A4

Redondeo antifricción entre núcleo y cubo deslizador

Acople de la barilla actuadora

Pista deslizamiento patines

Redondeo antifricción entre cubo deslizador y bulón

Cubo deslizador

A A

B B

C C

D D

E E

F F

4

4

3

3

2

2

1

1


6

7

8

PESO (g):

PIEZA:

PLA

37



UNIVERSIDAD: UPC

REVISIÓN: C

Núm


ALTURA DE CAPA: 0.1 mm (fino)

VELOCIDAD DE IMPRESIÓN: 60 mm/s

ANCHO SUELO: 1.6 mm

PORCENTAJE DE RELLENO: 35


5

4

3

2

1 6

7

8

9

10


ANCHO PARED: 3 mm

VELOCIDAD DE TRASLADO: 100 mm/s TEMP IMPRESIÓN: 190 ºc

TEMP MESA: 65 ºc


NECESIDAD DE SOPORTE: No

10 h 17 min


HOJA 1 DE 1

18,00

5,0

0

4,0

0 R1,00 2 3

0,50 X 45° 1

1,00 X 45°

10,00

4

5,00

3,00

1

2

3

4

5




FECHA:


A4

Redondeo para evitar enganchones en el mecanismo

Chaflán para reducir el rozamiento entre patín y cubo deslizador

Pin de contacto entre el bulón y el patín

Superfície de tope, bloquea el giro del bulón mecánicamente

Patín de bloqueo

A A

B B

C C

D D

E E

F F

4

4

3

3

2

2

1

1


6

7

8

PESO (g):

PIEZA:

PLA

1



UNIVERSIDAD: UPC

REVISIÓN: A

Núm




ANCHO SUELO: 1.6 mm



5

4

3

2

1 6

7

8

9

10


ANCHO PARED: 1.6 mm


TEMP MESA: 65 ºc



0 h 58 min


25,00

18,00

5,00

3,10

7,5

0

41,

37

3,00

R1,00

A

A

1

2

3,00 R8,87

14,

00

5,0

0 1

1,00

SECCIÓN A-A

6,00

6,0

0

10,10 4

3

5

1

2

3

4

5




FECHA:


A4

Ranura de empotramiento de la pala

Taladro pasante tornillo de la fijación de la pala

Encaje antirotación de tuerca y el tornillo

Redondeo antifricción

Sostenedor de la pala

A A

B B

C C

D D

E E

F F

4

4

3

3

2

2

1

1


6

7

8

PESO (g):

Orificio para el acople del pin del patín

PIEZA:

PLA

9



UNIVERSIDAD: UPC

REVISIÓN: A

Núm



VELOCIDAD DE IMPRESIÓN: 50 mm/s

ANCHO SUELO: 1.6 mm

PORCENTAJE DE RELLENO: 25 mm


5

4

3

2

1 6

7

8

9

10


ANCHO PARED: 1.6 mm

VELOCIDAD DE TRASLADO: 100 mm/s TEMP IMPRESIÓN: 190 ºc

TEMP MESA: 65 ºc



4 h 21 min


35,00

25,00

18,00

2,00

1

7,5

0 5

,00

1

2

3

4

5




FECHA:


A4

Orificio para el tornillo de fijación entre el retenedor y el núcleo

Retenedor

A A

B B

C C

D D

E E

F F

4

4

3

3

2

2

1

1


6

7

8

PESO (g):

PIEZA:

PLA

6



UNIVERSIDAD: UPC

REVISIÓN: B

Núm




ANCHO SUELO: 1.6 mm



5

4

3

2

1 6

7

8

9

10


ANCHO PARED: 1.6 mm


TEMP MESA: 65 ºc


NECESIDAD DE SOPORTE: No

1 h 27 min


construcción de una maqueta de una hélice de paso

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