máquina impresora de metales utilizando la técnica de
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada
Posgrado en Tecnología Avanzada
Máquina impresora de metales utilizando la técnica de micro percusión.
TESIS
Que para obtener el grado de Maestro en Tecnología Avanzada
Presenta
Ernesto Torres Ramírez
Directores de tesis: Dr. Eduardo Castillo Castañeda Dr. Alberto Traslosheros Michel
ii
Agradecimientos.
A Dios que me permite estar vivo, por darme la capacidad para aprender cosas nuevas y por la
oportunidad de estudiar una maestría.
A todo el personal de CICATA Querétaro, en especial a los profesores de las materias cursadas por
su enseñanza y orientación.
A mis directores de tesis: Dr. Eduardo Castillo Castañeda y Dr. Alberto Traslosheros Michel por su
enseñanza, atención y apoyo durante el desarrollo del trabajo de tesis.
Al Centro Nacional de Metrología por el apoyo y facilidades de instalaciones y equipo utilizado
para el desarrollo del proyecto. Al personal de las diferentes áreas del centro por el apoyo
incondicional, en especial a Juan Carlos Hernández Zúñiga por su apoyo constante.
A mis padres, mi hermana, mi hermano y demás familia por el apoyo y motivación de siempre.
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Índice
Índice .................................................................................................................................................................. 1
Resumen. ........................................................................................................................................................... 3
Abstract. ............................................................................................................................................................. 3
Capítulo 1. Introducción. ................................................................................................................................... 4
1.1. Antecedentes.......................................................................................................................................... 4
1.2. Objetivos................................................................................................................................................. 5
1.2.1. Objetivo general. ................................................................................................................................. 5
1.2.2. Objetivos específicos. .......................................................................................................................... 5
1.3. Justificación. ........................................................................................................................................... 5
1.4. Metodología. .......................................................................................................................................... 6
Capítulo 2. Marco teórico. ............................................................................................................................... 13
2.1. Introducción a máquinas de grabado. ................................................................................................. 13
2.2. Clasificación y comparación de las máquinas de grabado. ................................................................. 14
2.2.1. Clasificación por técnica. ................................................................................................................... 14
2.2.2. Clasificación por tipo de funcionamiento. ........................................................................................ 16
2.2.3. Comparación de las máquinas de grabado portátiles. ..................................................................... 17
2.4. Características de la técnica de micro percusión. ............................................................................... 18
2.4.1. Funcionamiento del solenoide. ........................................................................................................ 20
2.4.2. Principios de conversión de energía electromecánica. .................................................................... 24
2.4.3. Análisis mecánico del solenoide. ...................................................................................................... 27
2.5. Posicionamiento polar. ........................................................................................................................ 28
2.6. Electrónica de control y de potencia. .................................................................................................. 30
2.6.1. Microcontrolador. ............................................................................................................................. 30
2.6.1.1. Comunicación serial RS232. ........................................................................................................... 30
2.6.2. Memoria SRAM. ................................................................................................................................ 31
2.6.3. Transistor de potencia, IGBT. ............................................................................................................ 32
2.6.4. Puente H. ........................................................................................................................................... 33
2.6.5. Motores a pasos. ............................................................................................................................... 34
2.7. Elementos mecánicos. .......................................................................................................................... 36
2.7.1. Tornillo y tuerca de precisión. .......................................................................................................... 36
2.7.2. Conector rotativo. ............................................................................................................................. 36
2.7.3. Transmisión banda y polea. .............................................................................................................. 36
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Capítulo 3. Diseño conceptual. ........................................................................................................................ 37
3.1. Introducción al diseño. ......................................................................................................................... 37
3.2. Análisis QFD. ......................................................................................................................................... 37
3.3. Consideraciones del diseño.................................................................................................................. 43
Capítulo 4. Diseño del prototipo. .................................................................................................................... 45
4.1. Diseño del mecanismo. ........................................................................................................................ 45
4.1.1. Diseño final del mecanismo. ............................................................................................................. 47
4.1.2. Selección de componentes y materiales. ......................................................................................... 49
4.2. Diseño electrónico de potencia. .......................................................................................................... 51
4.3. Diseño de interfaz de control y comunicación. ................................................................................... 52
4.3.1. Programa de interfaz......................................................................................................................... 55
4.3.2. Programa interfaz gráfica en Octave. ............................................................................................... 57
Capítulo 5. Posicionamiento y activación de solenoide. ................................................................................ 61
5.1. Análisis de movimiento. ....................................................................................................................... 61
5.2. Activación del solenoide. ..................................................................................................................... 64
Capítulo 6. Construcción del mecanismo. ....................................................................................................... 65
Capítulo 7. Pruebas y resultados. .................................................................................................................... 67
7.1. Pruebas de desempeño. ....................................................................................................................... 67
7.1.1. Prueba 1, comportamiento de señal de salida de IGBT. .................................................................. 68
7.1.2. Prueba 2, comportamiento de desplazamiento del vástago. .......................................................... 70
7.1.3. Prueba 3, cuadro 20 pixeles por lado. .............................................................................................. 71
7.1.4. Prueba 4, impactos diferente fuerza en metales. ............................................................................ 73
7.1.5. Prueba 5, pruebas con puente H. ..................................................................................................... 77
Capítulo 8. Conclusiones.................................................................................................................................. 84
Referencias....................................................................................................................................................... 87
Trabajos citados. .............................................................................................................................................. 89
Apéndice. ......................................................................................................................................................... 90
Apéndice A. Diseño a detalle de la máquina de grabado. ......................................................................... 90
Apéndice B. Diagramas y diseño de PCB. ................................................................................................. 105
Apéndice C. Programas. ............................................................................................................................ 113
C1. Programa de interfaz gráfica en Octave. ............................................................................................ 113
C2. Programa de control en microcontrolador PIC18F4553. .................................................................... 114
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Resumen.
La tesis presenta el diseño, desarrollo y fabricación de prototipo de máquina impresora de metales
que emplea la técnica de micro percusión para grabar imágenes en escala de grises en superficies
metálicas planas. Esta técnica permite formar una imagen a base de impactos micrométricos a
diferente profundidad dependiendo del valor de intensidad del pixel que se está grabando. El
conjunto de puntos o impactos, que representan cada pixel de la imagen, forman una imagen
impresa en la superficie del metal sin afectar las características físicas del material. Tales impactos
son generados con una punta de diamante acoplada al vástago de un solenoide que al ser
energizado desplaza a la punta de diamante hacia la superficie a grabar. El análisis se hace en
diferentes materiales metálicos para observar los distintos impactos y la profundidad alcanzada.
El posicionamiento de la máquina es con coordenadas polares, se tiene ángulo y desplazamiento
para alcanzar la posición deseada. La máquina posiciona a la punta de diamante en el centro de la
imagen, ese es el origen del grabado y forma círculos concéntricos de diferentes radios para
abarcar la superficie a grabar. La máquina no se detiene para generar los impactos, golpea la
superficie la punta de diamante cada vez que está en una posición tal que el control le indica que
debe impactar. El enfoque del proyecto está en el control del solenoide que define el diámetro del
impacto y se pretende mejorar la velocidad de impresión respecto al posicionamiento cartesiano.
Abstract.
On this thesis, a design, development and manufacture of a metal engraving prototype machine is
presented. This machine uses the micro percussion technique to engrave grayscale images on flat
metallic surfaces. This technique allows to form an image based on micrometric impacts at
different depths depending on the intensity value of current pixel. A set of points or impacts,
representing each pixel of the image, creates an image printed on metal surface without affecting
the physical characteristics of the material. Those impacts are generated with a diamond tip
mounted on solenoid’s plunger. When solenoid is energized the diamond tip moves towards the
engraving surface. Different metallic materials are analyzed to observe the impact results and the
reached depth.
Machine positioning is achieved through polar coordinates, with angle and displacement to fix the
desired position. Engraving starts with the diamond tip located on the image center, in this way
forming concentric circles with different radius so the surface to engrave is covered. The machine
doesn’t stop to generate impacts, hits the surface with diamond tip every time that the control
indicates the tip is in a position. This project is mainly focus on the solenoid’s control to define
impact diameter and to improve of printing speed positioning the diamond tip with polar
coordinates in comparison to Cartesian ones.
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Capítulo 1. Introducción.
1.1. Antecedentes.
El grabado es un arte antiguo, es el acto de producir figuras y diseños en metal y otras sustancias
por incisión o corrosión (Hasluck, 1912). En la actualidad se han desarrollado diferentes técnicas
para realizar grabados en diferentes materiales.
El grabado en metal es un proceso usado en la industria para generar marcas permanentes de
identificación, como números de serie, códigos de información o códigos de producto. (Natalis &
Maderno, 2002) Estas impresiones son creadas usando un dispositivo de marcado para grabar en
metal (Numbeall Stamp & Tool Co., 2013). En las técnicas que permiten grabado o marcado en
metal, se encuentran los procedimientos químicos, el estampado, el maquinado, el rayado, el
pulido, la micro percusión y el láser.
Para que un método de marcado sea eficiente este debe:
- Evitar dañar la pieza de trabajo.
- Ser práctico para usar.
- Ofrecer un resultado legible y durable.
- Ofrecer costo aceptable por grabado. (Paoli, 2010).
Las máquinas comerciales de grabado actuales se dividen en portátiles, fijas, rotativas y de
superficies planas. El proyecto a desarrollar está enfocado a realizar una máquina impresora de
metales que empleé la técnica de micro percusión, será portátil y grabará en superficies planas. En
la industria las impresoras de metal portátiles son útiles para grabar en cualquier posición la
información o identificación de la pieza metálica recién fabricada.
La técnica de grabado con micro percusión utiliza como actuador principal un solenoide, el cual
transforma la energía eléctrica en energía mecánica (Natori, 1979). Este actuador
electromagnético es el encargado de generar el movimiento mediante la atracción de un vástago
acoplado a una punta de diamante o carburo, la cual impacta en la superficie y crea los impactos
micrométricos.
Los fabricantes de solenoides ofrecen una gran variedad de solenoides con diferentes
características, como tamaño, configuración y requerimientos de carga (Pawlak & Nehl, 1988).
Existen solenoides de tipo lineal, rotativo, de retención, de operaciones proporcionales y
especiales, además los fabricantes constantemente buscan mejorar su desempeño, reducir el
costo y mejorar su calidad (Natori, 1979).
Solenoides de rápida respuesta se encuentran en varias aplicaciones en la industria automotriz,
aeronáutica y manufacturera, por lo tanto el control debe responder más rápido para controlar la
acción final del solenoide, ya sea controlar el flujo de presión, activar un mecanismo o producir
impactos en piezas de trabajo, como se pretende actúe el mecanismo a desarrollar.
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1.2. Objetivos.
1.2.1. Objetivo general.
Construir una máquina de impresión empleando la técnica de micro percusión para metales duros
y suaves, mediante posicionamiento polar y utilizando componentes económicos.
1.2.2. Objetivos específicos.
- Diseñar y construir una máquina de impresión para metales duros y suaves.
- El prototipo de máquina debe generar impactos mediante posicionamiento polar.
- Construir el prototipo de máquina de grabado con elementos económicos.
1.3. Justificación.
El proyecto a desarrollar pretende diseñar y construir una máquina de impresión de metales que
empleé la técnica de micro percusión. Los asesores del proyecto han desarrollado máquinas de
grabado similares, con mesa de trabajo por posicionamiento cartesiano y polar y han encontrado
mejoras para su desempeño y funcionamiento. La máquina a desarrollar tiene como objetivo
aplicar estas mejoras, se busca encontrar un método de posicionamiento del solenoide más rápido
con el que se obtenga la impresión de una imagen en una pieza de metal en menor tiempo.
Para conocer los problemas de las máquinas de grabado en el mercado, se realizó una
comparación de las máquinas portátiles comerciales. Se observó que la mayoría tiene como
restricción principal el tamaño de la pieza a grabar, ya que las piezas deben ser montadas en una
mesa para poder ser maquinadas. Con la máquina propuesta queremos eliminar o reducir estas
restricciones, ofreciendo la opción de montar la máquina en la placa a grabar. Otra restricción es la
velocidad del grabado y que algunas máquinas solo aceptan caracteres alfanuméricos para
impresión de códigos en partes metálicas, por lo que el proyecto pretende realizar una máquina
portátil, que grabe piezas de cualquier tamaño y que acepte cualquier tipo de carácter o imagen.
Además las máquinas comerciales de grabado no ofrecen variación en el tamaño de impacto en el
mismo grabado, por lo que el prototipo pretende generar impactos con diferentes diámetros
según el valor del pixel en la escala de grises.
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1.4. Metodología.
Muchos problemas en la ingeniería mecánica pueden ser solucionados aplicando el conocimiento
práctico de ingeniería, fabricación y economía. Otros problemas requieren ideas mucho más
imaginativas e invenciones para su solución.
El proceso de diseño comienza con la identificación de una necesidad y una decisión de hacer algo
sobre ello. Después de muchas repeticiones, el proceso se termina con la presentación de las
soluciones para satisfacer la necesidad. Dependiendo la naturaleza de la tarea de diseño, varias
fases de diseño pueden ser repetidas en todas partes de la vida del producto, del inicio a la
terminación, como se muestra en la figura 1 (Albano et al., 1999) cada fase del proceso de diseño.
Figura 1. Diagrama del proceso de diseño.
Los pasos del diseño se listan y describen brevemente a continuación:
Identificación de la necesidad.
La identificación de necesidad generalmente comienza el proceso de diseño, las
alternativas de solución son generadas después de que las exigencias son establecidas. El
reconocimiento de la necesidad a menudo constituye un acto sumamente creativo.
Definición del problema.
Hay una diferencia entre la identificación de la necesidad y la definición del problema. La
definición del problema es una fase más esencial y debe incluir todos los datos específicos
para el objeto que debe ser diseñado.
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Síntesis.
Conceptuar la solución a través de la síntesis, que implica la tarea de satisfacer varias
exigencias funcionales que usan un juego de entradas como parámetros de diseño o de
producto dentro de las restricciones dadas.
Análisis y optimización.
En este paso se analiza la solución propuesta para establecer sus condiciones óptimas y los
ajustes de parámetro. Así, podemos sintetizar varios componentes de un sistema,
analizarlos, optimizarlos y regresar a la síntesis para ver qué efecto esto tiene sobre las
partes restantes del sistema.
Evaluación.
La evaluación es una fase significativa del proceso de diseño total. La evaluación es la
prueba final de un diseño acertado y por lo general implica las pruebas de un prototipo en
el laboratorio. Aquí deseamos descubrir si el diseño realmente satisface las necesidades.
Presentación.
La comunicación del diseño a otros es la presentación final, es un trabajo de venta. El
ingeniero, presenta una nueva solución con el sector administrativo, la dirección o
personas de supervisión, e intenta vender o demostrarles que su solución propuesta es la
mejor de todas. (Albano et al., 1999)
En el presente proyecto las fases desde la identificación de la necesidad hasta la evaluación del
diseño final o prototipo están bien definidas y se realizarán. En cuanto a la presentación como
trabajo de venta no se realiza de tal forma, pero si el presente documento tiene la finalidad de
mostrar que el prototipo propuesto cuenta con ventajas que lo hacen destacar y con desventajas
que se encontraron y la forma en que se pueden evitar.
Las actividades de investigación, sus objetivos y entregables, siguiendo los pasos establecidos por
el proceso de diseño, se detallan en la siguiente tabla:
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Tabla 1. Actividades de desarrollo y análisis.
ACTIVIDADES OBJETIVO ENTREGABLE
Reconocer el problema. Conocer la necesidad que se cubrirá con el desarrollo del prototipo.
Documentos con descripción de la necesidad.
Investigar artículos relacionados a impresión en metales.
Leer artículos científicos relacionados al proyecto y resumirlos.
Documento con resúmenes de artículos.
Investigar términos técnicos importantes sobre la impresión de metales.
Leer libros y obtener información sobre conceptos relacionados al proyecto.
Documento con conceptos relacionados al proyecto.
Redactar el objetivo del proyecto. Conocer los requerimientos del prototipo a construir. Documento con objetivo redactado y aprobado.
Redactar la hipótesis del proyecto. Enunciar la respuesta tentativa al problema que se tiene. Documento con hipótesis redactada y aprobada.
Construir el prototipo. Construir un prototipo de máquina que resuelva la necesidad y cumpla con los requerimientos planteados al inicio.
Prototipo de máquina impresora de metales funcionando.
- Describir requerimientos. Conocer las características y funciones con las que debe cumplir la máquina.
Documento con listado de requerimientos.
- Crear diseño conceptual de prototipo.
Darse una idea de las características de los elementos que conforman el prototipo.
Diseño conceptual, dibujo en AutoCAD con medidas generales.
- Seleccionar elementos (componentes y materiales).
Elegir los componentes y materiales a usar para la construcción del prototipo.
Listado de elementos seleccionados.
- Adquirir componentes. Obtener los componentes y materiales. Elementos adquiridos.
- Unir vástago con punta diamante. Unir el actuador con la herramienta. Solenoide con vástago punta de diamante.
- Construir control de solenoide. Controlar el solenoide dependiendo de una señal de entrada.
Control electrónico que manipule la acción del solenoide.
- Diseñar y construir guía de desplazamiento.
Obtener una guía donde el solenoide se pueda montar y se tenga un desplazamiento.
Dibujo AutoCAD guía. Guía construida.
- Montar actuador en guía de desplazamiento.
Acoplar el solenoide a la guía para obtener un desplazamiento generado por un motor.
Solenoide montado en guía y desplazándose.
- Diseñar y construir estructura de soporte de guía de desplazamiento.
Obtener una estructura que soporte la guía y la haga rotar. Dibujo AutoCAD estructura. Estructura construida.
- Montar guía en estructura. Acoplar la guía a la estructura para generar el movimiento del solenoide.
Guía desplazándose y girando sobre la estructura.
- Diseñar y construir interfaz de control de la máquina con una pc.
Controlar el movimiento del prototipo para colocar y accionar al solenoide en base a una imagen a escala de grises en una computadora.
Prototipo con interfaz de usuario que controla el posicionamiento y actuar del solenoide.
Realizar experimentos. Obtener resultados que permitan la corrección en la construcción del prototipo.
Documentos con datos obtenidos.
- Realizar pruebas de impacto con diferentes metales.
Conocer el impacto que deja la punta de diamante en diferentes metales variando la tensión eléctrica aplicada.
Documentos con datos, gráficas e imágenes.
- Realizar pruebas de impacto con desplazamiento.
Conocer si la resolución planeada se respeta y cómo se comporta el solenoide montado en la guía.
Documentos con datos, gráficas e imágenes.
- Realizar pruebas de interfaz máquina-pc.
Conocer si la interfaz acciona correctamente el posicionamiento y actuar del solenoide.
Software que tome la imagen, la convierta en código y envíe los datos al microcontrolador.
- Realizar pruebas de resolución y precisión de impresiones.
Conocer si el posicionamiento y el impacto corresponden al valor de entrada, en base a experimentos anteriores.
Prototipo funcional, cumpliendo con los requerimientos iniciales.
Analizar los resultados de las diferentes pruebas.
Reunir los datos obtenidos de las pruebas para analizarlos y comprobar la hipótesis.
Documento con datos en forma de gráficas, imágenes y tablas.
Redactar tesis. Redacción y aprobación de tesis. Tesis aprobada.
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En la figura 2 se muestra el diagrama de actividades para realizar el diseño y construcción del
prototipo de máquina de grabado. En el primer paso para detectar la necesidad en la industria
sobre la identificación de partes de metal, basamos el estudio en la revisión de documentos que
detallan las técnicas más usadas en la industria para el grabado de piezas de metal. Estas técnicas
son usadas porque ofrecen calidad, velocidad y no afectan las características físicas del material.
La opinión y hallazgos en un proyecto similar de mis asesores fueron tomados en cuenta en la
detección de necesidades y se revisó la forma de cubrir la mayoría de los aspectos mencionados.
En el análisis del tipo de código de identificación, en la industria se graban números de parte,
códigos de barra y códigos en dos dimensiones. Los códigos en dos dimensiones están siendo
usados debido a que almacenan mayor información que los códigos de barra y puede leerse con
cualquier dispositivo que tenga cámara y pueda procesar la imagen. (Soon, 2008)
En la definición del tipo de máquina de grabado a utilizar en base a lo que habían trabajado mis
asesores se definió una máquina tipo portátil. El modo de posicionamiento se definió de la misma
forma, ya habían trabajado en posicionamiento cartesiano y se requiere probar si es más rápido el
grabado con posicionamiento polar. La técnica de micro percusión ya había sido utilizada, es
económica y además se quería probar un método para hacer que la punta de diamante regrese a
su posición de reposo, esto energizando en sentido inverso el solenoide.
Una vez seleccionado el método, se definieron los requerimientos del prototipo utilizando la
herramienta del despliegue de la función de calidad, QFD. Teniendo estos requerimientos se
procede a realizar el diseño en programa de diseño asistido por computadora “CAD”, para tener
una idea preliminar y posteriormente con los elementos adquiridos se realiza un diseño con las
medidas reales.
En la selección del solenoide, las características principales de búsqueda son: cuente con
alimentación a 12 volt, sea de tipo “push” o empuje y el vástago cuente una punta de empuje para
acoplar la punta de diamante. La búsqueda arrojó 3 solenoides en el mercado y se eligió el de
menor tamaño para tener un prototipo con dimensiones que le permitieran fácil transportación,
debido a la portabilidad requerida. Para la caracterización del solenoide se realizaron pruebas para
conocer su frecuencia de funcionamiento óptimo y se probó a 40 v con pulsos continuos con
tiempo de encendido máximo de 1.25 milisegundos.
Teniendo caracterizado el solenoide y el diseño definido, se realizó la construcción del prototipo.
Para realizar esto se debía primero seleccionar los motores y elementos mecánicos, por lo que se
adquirieron los motores a pasos, poleas, banda, tornillo de precisión, tuerca, barra, rodamiento
lineal, baleros y conector rotatorio. Posteriormente se enviaron a maquinar las piezas en aluminio
y polímero teniendo los dibujos técnicos con las medidas definitivas.
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En la definición del control de posicionamiento y profundidad se estableció que un
microcontrolador generaría el control de los pasos de motor para el posicionamiento y el tamaño
de pulso para generar la profundidad de los impactos. La interfaz seleccionada fue la
comunicación serial a través de un convertidor serial TTL a USB para comunicar una computadora
con el microcontrolador.
Se implementó la interfaz de comunicación y el control en un microcontrolador de 40 pines. Se
armó el circuito de control y potencia en tablilla de pruebas y una vez funcionando se diseñó el
diagrama y tarjeta impresa para fabricar las tarjetas.
Teniendo las piezas maquinadas e implementadas las interfaces de comunicación y control se
construyó el prototipo, para poder realizar pruebas funcionales con el prototipo y con una
estructura de pruebas que ayudó a la caracterización del solenoide. Finalmente con los resultados
de las pruebas se valida si los resultados son los esperados o se encuentran fallas que puedan ser
mejoradas.
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Figura 2. Diagrama general de actividades.
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En el diagrama general de actividades se muestra que se realizarán pruebas de impacto previo a la
construcción del prototipo. Las pruebas se realizarán al posicionamiento polar, a la medición de
dureza en las probetas y la medición de impactos en relación a los pulsos. Para probar el
posicionamiento polar primero se debe realizar la programación del microcontrolador y realizar la
electrónica complementaria, se debe considerar además cómo serán generadas las trayectorias
para generar impactos precisos y a una velocidad de grabado mayor que la generada con
posicionamiento cartesiano.
Para medir los impactos en relación a los pulsos se requiere probar con un controlador de regreso
rápido, que es un puente H que permite energizar al solenoide en un sentido y enviar un pulso
pequeño en dirección contraria para observar si el solenoide regresa a su posición de reposo con
mayor velocidad. Siguiendo la metodología la construcción del prototipo se realiza al terminar las
pruebas, pero por un retraso en la construcción del controlador de regreso rápido se dejaron estas
pruebas al final para avanzar en la interfaz de comunicación y control.
Figura 3. Diagrama de pruebas de impacto.
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Capítulo 2. Marco teórico.
2.1. Introducción a máquinas de grabado.
Existen en el mercado mundial máquinas de impresión o grabado en metales de diferentes tipos y
con diferentes aplicaciones en la industria. Estas máquinas se dividen por modo de
funcionamiento, esto es si son portátiles, fijas, rotativas o para superficies planas.
También se dividen por la técnica que emplean para realizar el grabado, entre las técnicas más
importantes en la actualidad se encuentran el láser, la micro percusión y el maquinado, siendo
estas técnicas de las más precisas y las que cuentan con mayor participación en el mercado.
Además de estas técnicas, se encuentran las técnicas como el pirograbado, los procedimientos
químicos, el rayado y el pulido, que son utilizadas en menor medida en la industria debido a su
complejidad o a su baja precisión.
La calidad del producto está relacionada con la precisión de las máquinas utilizadas para su
fabricación, normalmente la maquinaria de alta precisión, en el orden de las micras, está formada
con tecnologías de alto costo, (Castillo, Traslosheros, & Okazaki, 2008) un punto importante a
considerar al momento de buscar una máquina que cubra las necesidades de la industria. La
técnica que aún sigue siendo costosa es el grabado por láser, debido a que la tecnología que utiliza
es relativamente nueva, requiere de componentes adicionales para ofrecer seguridad y ofrece alta
precisión en el grabado. Por modo de funcionamiento las máquinas fijas son las más costosas, que
por las dimensiones de sus componentes el costo total para fabricarlas es elevado.
Hay patentes de máquinas de marcado por impactos, que realizan grabado de imágenes o texto en
metal. En todos estos aparatos patentados el posicionamiento utilizado es por medio de
coordenadas cartesianas, cuentan con una mesa para sujetar a la pieza a grabar y la forma de
realizar el grabado es automático.
Este proyecto tiene como objetivo crear una máquina portátil que utilice la técnica de micro
percusión para impresión en metal, utilizando posicionamiento por coordenadas polares, que se
posicione sobre la pieza a grabar y que realice el grabado de forma automática. Se realizarán
comparaciones por técnicas y máquinas comerciales para conocer si la técnica elegida tiene
oportunidad de competir en el mercado actual.
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2.2. Clasificación y comparación de las máquinas de grabado.
2.2.1. Clasificación por técnica.
En la tabla 2 se detallan las características de cada técnica y se detallan sus ventajas y desventajas,
esto para conocer cada una de las técnicas de manera general y conocer cuál de las técnicas se
puede emplear y qué resultados podemos esperar de los grabados a realizar.
Tabla 2. Comparación de las características de las técnicas de grabado. (Paoli, 2010).
Técnica. Ventajas. Desventajas.
Pirograbado. (Faleur, 2011)
- Solución rápida y económica. - Solo se puede emplear en madera. - Técnica artesanal.
Procedimientos químicos. (BELLPLEX SRL, 2012)
- Alta precisión. - Rapidez de grabado. - Costo razonable.
- Solo se puede emplear en metales. - Utiliza materiales tóxicos.
Maquinado. (Rowmark, n.d.) (Zydonik, 1999)
- Alta calidad en el marcado. - Amplio rango de materiales.
- Velocidad relativamente lenta. - Necesarias múltiples herramientas de corte. - Requiere lubricación y limpieza. - Genera viruta. -Mantenimiento frecuente a la herramienta de corte para asegurar la calidad del grabado.
Rayado. (Rowmark, n.d.) (Zydonik, 1999)
- Grabado rápido, detallado y fino. - Solución económica. - Silenciosa, sin motor.
- Limitada distancia de impacto. - No se puede emplear en materiales suaves. (plástico, madera) - No se puede variar la profundidad o ancho de grabado.
Pulido. (Rowmark, n.d.) (Zydonik, 1999)
- Ilimitada distancia de impacto. - Gran tamaño de caracteres. - Excelente desempeño en placas.
- Herramientas y accesorios costosos. - Ruidoso debido al motor.
Micro percusión. (Pannier Corporation, n.d.) (Paoli, 2010)
- Alta calidad de grabado. - Alta velocidad de grabado. - Solución económica. - No genera esfuerzos que debiliten al material a grabar.
- Baja definición en el marcado. - Proceso ruidoso. - No es la técnica óptima en plásticos.
Láser. (Chen, Hsiao, Huang, Hu, & Chen, 2009) (Kranj, 2007)
- Alta reproducibilidad y velocidad. - Alta eficiencia y bajo costo de operación. - No necesita ambiente especial de trabajo. - Marcado de alta calidad y precisión.
- Alto costo de inversión inicial. - Requerimientos especiales de seguridad.
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Para comparar la velocidad de impresión utilizando diferentes técnicas (Paoli, 2010), en la
siguiente tabla se registra la velocidad de grabado usando un código de 20 dígitos alfanuméricos
marcados en una placa de metal.
Tabla 3. Comparación de velocidad por técnicas de grabado.
Técnica. Velocidad.
Láser. 4 segundos.
Micro percusión. 7-8 segundos.
Maquinado. 16 segundos.
La técnica de grabado más avanzada es mediante láser ya que es rápida, eficiente y ofrece un
marcado de calidad y precisión. Esta técnica continúa en desarrollo, aunque en el mercado ya hay
una gran variedad de máquinas que emplean esta técnica, indicando así que tiene más futuro en la
industria que el resto de las técnicas.
Por otro lado, adquirir una máquina de impresión por láser requiere de una alta inversión inicial,
siendo este punto clave para aceptar como opción viable una máquina de grabado por micro
percusión. El mercado mundial tiene varios sectores y algunos están dispuestos a adquirir un
equipo de bajo costo aunque la calidad y precisión no sean de los más altos niveles.
La técnica del maquinado ofrece también alta precisión, gran calidad y la opción de grabado en
amplio rango de materiales. Esta técnica tiene también varias desventajas, como lo es baja
velocidad de grabado, requiere diferentes tipos de herramienta de corte y requiere de lubricación
y limpieza en cada maquinado. También, respecto a esta técnica, la micro percusión ofrece ciertas
ventajas, ofrece una impresión más rápida y no genera residuos.
En resumen la técnica de micro percusión no es la que ofrece mayor calidad ni precisión, pero es
una opción económica y la precisión en el grabado se puede mejorar realizando un análisis de sus
componentes principales, siendo este el objetivo del proyecto.
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2.2.2. Clasificación por tipo de funcionamiento.
Se muestra a continuación un listado de la clasificación de las máquinas comerciales de impresión
que utilizan como principio de grabado la técnica de micro percusión y se describe brevemente
cuál es su función.
Tabla 4. Descripción de la clasificación de las máquinas de grabado en el mercado.
Clasificación. Descripción. Imagen de máquinas comerciales.
Portátil. Permiten grabado de superficies en cualquier posición.
Fija. Mayor precisión por sujeción de superficie. Tamaño reducido del área a grabar.
Rotativa. Diseñada para marcar el diámetro exterior de objetos cilíndricos.
Superficies planas. Diseñada para marcar sobre la superficie de elementos planos. Algunas máquinas permiten cierta curvatura en la superficie del material.
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2.2.3. Comparación de las máquinas de grabado portátiles.
Para conocer las características de máquinas de grabado en metal de funcionamiento portátil que
emplean la técnica de micro percusión, se realizó una búsqueda de las empresas que ofrecen
máquinas con estas características. A continuación se detalla una tabla con las características más
significativas como velocidad, espacio de trabajo, material y tipo de marcado para cada modelo.
Tabla 5. Comparación máquinas portátiles que usan micro percusión.
Marca/Fabricante Modelo portátil Espacio de grabado
Velocidad (carácter/s)
Material Tipo de marcado
Gravograph. (Gravograph, n.d.)
PM3000 60 x 40 mm De 1 a 3 Metal o plástico. Plana, fundida o maquinada.
Datamark. (Datamark, n.d.)
100-75EH / DPH 100 x 75 mm -
Dureza máxima 62 HRC.
-
Telesis Pinstamp. (Telesis, n.d.)
TMM4215 100 x 13 mm 4 de 3 mm - -
JEIL MTECH CO.,LTD. (Mtech)
MK-200 MH-Gun
130 X 40 mm Hasta 5 (2 mm alto)
Metal. Lineal, circular, oblicuo, ángulo y circunferencia.
COUTH. (Couth, n.d.)
MC 2000 P 150 x 100 mm Hasta 5 Dureza máxima 62 HRC.
Recto con cualquier inclinación y en arco.
SCHMIDT Marking systems. (Schmidt, n.d.)
Styliner Super Stinger
25.4 x 101.6 mm 3-5 - -
Columbia Marking Tools. (Columbia, n.d.)
IM-H200-S-25 80 x 200 mm 4 (de 3 mm) Plástico, madera y metal (hasta 45 HRC).
-
De esta tabla se obtienen datos de las características que son tomados en cuenta en el desarrollo
del prototipo de impresora de metales. El máximo espacio de trabajo establecido es de 150 mm
por 100 mm. La máxima velocidad de impresión la ofrecen varias marcas, siendo de 5 caracteres
por segundo la máxima velocidad de impresión. También la dureza máxima del material la
alcanzan varias marcas, siendo 62 HRC el valor tope. Con esto podemos proponer los límites a
alcanzar con el desarrollo del prototipo, para lograr ofrecer al mercado una máquina que supere
alguna o todas estas características.
18
2.4. Características de la técnica de micro percusión.
El principio de funcionamiento del método o técnica de micro percusión es el marcado del
material con una punta endurecida, la cual imprime una serie de puntos individuales para
reproducir caracteres (Paoli, 2010). La punta puede marcar en superficies planas, cóncavas o
convexas.
Esta tecnología genera impactos que causan deformación plástica en la superficie del objeto
(Therond, 1991), pero esto no debilita a la pieza de trabajo a pesar de su espesor, por lo que la
técnica de micro percusión es un método que no deforma el material.
Existen dos versiones de tipos de máquina percutoras: neumática y electromagnética. La versión
neumática es más barata, pero es ruidosa y requiere, además del suministro eléctrico, un
suministro de aire con presión. La versión electromagnética es más costosa, pero tiene la ventaja
de solo requerir suministro eléctrico que permite fácil traslado y es más silencioso que el
neumático.
La micro percusión es una técnica de marcado en frío que permite el grabado en diferentes
materiales como metal, plásticos y madera (Pannier Corporation, n.d.). La técnica también permite
generar impactos con diferentes intensidades de fuerza para crear puntos con diferente diámetro,
mostrando en la impresión final diferentes tonalidades necesarias para representar una imagen
(Suzuki, 1994).
El sistema de marcado por solenoide por puntos consiste en 2 motores que desplazan un punzón,
o punta endurecida, este se coloca sobre la pieza a marcar y en un momento dado se activa
impactando contra el material y efectuando una huella por deformación. Una vez realizado el
primer punto, los motores desplazan el punzón, realizando otro segundo punto de marcado. El
sucesivo desplazamiento de los motores permite que la sucesión de puntos de forma a caracteres
o figuras.
En las figuras 4 y 5 se muestra un ejemplo de una imagen de 20 pixeles por lado que en su
impresión final puede representarse con puntos de impactos con diferentes intensidades, siendo
los impactos más grandes los que representan el color negro, los de menor tamaño los blancos y el
segmento intermedio con los diferentes tonos de grises. Esto se logra controlando el tiempo de
activación del solenoide.
19
Figura 4. Imagen con gradiente de 20 x 20 pixeles.
Figura 5. Representación de imagen impresa con puntos de diferentes intensidades.
La fuerza de penetración está íntimamente relacionada con la dureza del material. El tamaño de la
marca que deja la penetración también depende de la dureza del material, según se especifica en
las pruebas de dureza convencionales como las pruebas Brinell, Vickers y Rockwell, (Castillo et al.,
2008)
El sistema utiliza un solenoide provisto de un núcleo interior metálico, unido al punzón, al que
desplaza en función de la intensidad de corriente que circula a través de él, una vez que cesa el
flujo magnético, vuelve a su posición de reposo por medio de un resorte tipo “lift” o muelle.
El funcionamiento típico de trabajo con un solenoide, consiste en aplicarle una diferencia de
potencial durante unos milisegundos, que da lugar a la circulación por sus devanados de una
intensidad, creando un campo magnético. El flujo creado actúa sobre el entrehierro desplazando
al vástago, unido a un punzón, al que produce una fuerte aceleración impactando sobre el
material a marcar, deformándolo por impacto. Dependiendo de la duración del impulso inicial, el
impacto será mayor o menor, por lo tanto la profundidad de la huella dejada será proporcional al
tiempo de excitación.
Una de las características del marcado por puntos es que, el tiempo de excitación frente al de
reposo es pequeño. Actúa el solenoide, efectúa la marca, sube el punzón por medio del resorte, se
desplaza a un nuevo punto y vuelve a marcar. Esto permite la utilización de solenoides cuya
relación de ciclo, excitación/reposo, puede llegar a un 5%. (Azpiroz, 1997)
Las ventajas que ofrece la técnica son que tiene buena calidad de grabado, alta velocidad en
grabado, es una tecnología de bajo costo y se requiere poca fuerza para deformar el material a
grabar. En las desventajas está la baja definición en el marcado, es un proceso ruidoso y no es la
técnica óptima para plásticos.
20
2.4.1. Funcionamiento del solenoide.
Un solenoide es un alambre largo enrollado en forma de hélice, de esta forma puede producirse
un campo magnético uniforme en el espacio rodeado por las vueltas del alambre cuando circula
por éste una corriente (Serway, Raymont. Jewett, 2009).
Figura 6. Líneas de campo magnético para un solenoide.
Los solenoides son la forma más simple de actuadores que convierten energía eléctrica en energía
mecánica y son utilizados en una gran variedad de aplicaciones.
El circuito magnético que representa al solenoide es un alambre de cobre envuelto alrededor de
un núcleo de hierro con forma de anillo y la corriente fluye a través del alambre como se muestra
en la figura 7 (Natori, 1979) donde: S es la sección transversal de la superficie del núcleo de hierro,
l es la longitud del alambre, μ es la permeabilidad magnética, N es el número de vueltas del
alambre de cobre y la corriente I (Natori, 1979).
La fuerza de campo magnético H se expresa: 𝐻 =𝑁𝐼
𝑙 (1)
Figura 7. Núcleo de hierro con forma de anillo.
21
La fuerza del campo magnético H y la densidad del flujo magnético β son proporcionales basadas
en la constante de proporcionalidad μ0 llamada permeabilidad magnética del espacio libre, la cual
tiene un valor dado en henrios por metro de 𝜇0 = 4𝜋 ∗ 10−7𝐻/𝑚 (2)
La densidad de flujo magnético se expresa como sigue: 𝛽 = 𝜇0𝐻 = 𝜇0𝑁
𝑙𝐼 (3)
Figura 8. Curva de magnetización del núcleo de hierro.
Un solenoide tiene una estructura resistiva e inductiva, (Cheung, Lim, & Rahman, 1993) por lo que
el circuito equivalente del solenoide consiste en una resistencia R y un inductor L conectados en
serie como ser observa en la figura 9 (Natori, 1979). La inductancia se representa con L, la
resistencia con R, la fuerza electromotriz con E y el interruptor con SW.
Figura 9. Circuito equivalente del solenoide.
Cuando el interruptor SW se enciende, la corriente se incrementa desde 0 [A] hasta I [A], la
tensión eléctrica puede ser expresada como en la siguiente ecuación:
𝐸 = 𝑅𝑖 + 𝐿𝑑𝑖
𝑑𝑡 (4)
Durante el tiempo en encendido la corriente 0 [A] alcanza la corriente I [A], la energía potencial
magnética se representa con la siguiente ecuación:
∫ 𝐸𝑖𝑑𝑡 = ∫ 𝑅𝑖2𝑑𝑡 +𝐿𝐼2
2
1
0
1
0 (5)
22
Donde el primer término representa la energía perdida por calor y el segundo representa la
energía almacenada por auto inducción. La curva de relación entre tiempo y corriente se muestra
en la figura 10 (Natori, 1979).
Figura 10. Curva de relación tiempo-corriente.
Durante el tiempo que está apagado el interruptor, la corriente I [A] llega a 0[A], la energía
potencial magnética se representa con la ecuación 7:
∫ 𝑅𝑖2𝑑𝑡 + ∫ 𝐿𝑖𝑑𝑖0
1= 0
0
1 (6)
∫ 𝑅𝑖2𝑑𝑡 =𝐿𝐼2
2
0
1 (7)
La energía almacenada fluye a través del circuito como corriente, por lo que es necesario proteger
los contactos en un circuito que usa un solenoide.
Figura 11. Vista seccionada de un solenoide tubular.
23
La figura 11 (Natori, 1979) muestra la vista de sección de un solenoide tubular. La energía
electromagnética W1 en la posición X1 se muestra en la ecuación 10, la cual se obtiene usando las
ecuaciones:
𝐿 = 𝑁2𝑃1 (8)
𝑁𝑃1𝑑𝑖 = 𝑑𝜙1 (9)
Donde P1 es la permeancia en la posición X1 y φ1 es el flujo magnético en la posición X1.
𝑊1 = ∫ 𝐿𝑖𝑑𝑖 = ∫ 𝑁2𝑃1𝑖𝑑𝑖1
0=
1
0∫ 𝑁𝑖𝑑𝜙
𝜙1
0 (10)
Después, cuando el vástago es atraído y se mueve la posición X2, la permeancia en la posición X2
aumenta a P2 y el flujo magnético se incrementa a φ2. En este momento, la energía
electromagnética W2 se representa con la ecuación:
𝑊2 = ∫ 𝐿𝑖𝑑𝑖 = ∫ 𝑁2𝑃2𝑖𝑑𝑖1
0=
1
0∫ 𝑁𝑖𝑑𝜙
𝜙2
0 (11)
El incremento en la energía electromagnética ΔW es específicamente la cantidad de trabajo
requerido para atraer al vástago. Cuando: 𝑈 ≡ 𝑁𝐼 (12)
Y la permeancia del hueco se toma como: 𝑃 =𝜇0𝑆
𝑥 (13)
La fuerza de atracción F se representa con la siguiente ecuación, donde U es la energía
almacenada en el inductor, x la longitud del solenoide y S el área de sección transversal:
𝐹 =𝑑𝑊
𝑑𝑥=
1
2𝑈2 𝑑𝑃
𝑑𝑥= −
1
2𝑈2 𝜇0𝑆
𝑥2 (14)
De la ecuación previa, la relación entre la fuerza de atracción y el hueco es en la forma de una
curva inversamente proporcional a x2 como se muestra en figura 12 (Natori, 1979).
Figura 12. Curva de hueco y fuerza de atracción.
24
2.4.2. Principios de conversión de energía electromecánica.
El proceso de conversión de energía electromecánica se da mediante un dispositivo de conversión
a través del campo eléctrico o magnético. Los dispositivos de medición y control son
frecuentemente nombrados transductores, que generalmente operan bajo condiciones lineales de
entrada y salida y con pequeñas señales, como micrófonos, sensores y bocinas. Una segunda
categoría incluye dispositivos generadores de fuerza incluyendo a los solenoides, relevadores y
electro magnetos. Una tercera categoría incluye equipo de conversión de energía continua como
motores y generadores.
Varias técnicas se utilizan para calcular la fuerza de interés en el proceso de conversión de energía
electromecánica. La técnica utilizada es conocida como el método de energía y está basado en el
principio de conservación de la energía. La base de este método se puede entender con la figura
13 (Fitzgerald, Kingsley, & Umans, 2003), donde un campo magnético basado en un dispositivo de
conversión de energía electromecánica se indica esquemáticamente como un sistema sin pérdida
de almacenamiento de energía magnética con 2 terminales. La terminal eléctrica tiene dos
variables, un voltaje V y una corriente i. La terminal mecánica tiene 2 variables, una fuerza F y una
posición x. (Fitzgerald et al., 2003)
Figura 13. Esquema de campo magnético de dispositivo de conversión electromecánico.
La interacción entre las terminales eléctricas y mecánicas, la conversión de energía
electromecánica, ocurre por medio de la energía magnética almacenada. La energía almacenada
en el campo magnético, Wmag, es igual a la entrada de potencia eléctrica dada por el producto del
voltaje por la corriente menos la salida de potencia mecánica del sistema de almacenamiento de
energía dada por el producto de la fuerza mecánica y la velocidad mecánica.
𝑑𝑊𝑚𝑎𝑔
𝑑𝑡= 𝑒𝑖 − 𝐹
𝑑𝑥
𝑑𝑡 (15)
El voltaje en las terminales está dado por la derivada de tiempo del eslabonamiento de flujo.
𝑒 =𝑑𝜆
𝑑𝑡 (16)
El eslabonamiento de flujo λ, se define como el producto del número de vueltas N y el flujo
magnético φ que forma un eslabón en cada una de ellas. (Hayt & Buck, 2006)
25
Sustituyendo el voltaje en la ecuación de energía almacenada en el campo magnético obtenemos:
𝑑𝑊𝑚𝑎𝑔 = 𝑖𝑑𝜆 − 𝐹𝑑𝑥 (17)
Esta ecuación permite resolver la fuerza simplemente como una función del flujo de
eslabonamiento λ y la posición mecánica x que es una variable que representa la posición del
vástago dentro del solenoide.
Para simplicidad de las relaciones resultantes, la no linealidad magnética y la pérdida en el núcleo
se ignoran en el análisis práctico de dispositivos. Consecuentemente, en análisis se llevará a cabo
asumiendo que el flujo y la fuerza magneto motriz son proporcionales para el circuito magnético
entero. Por lo que el eslabonamiento de flujo λ y la corriente i son considerados lineales por la
inductancia que depende de la geometría y por consiguiente de la posición x.
𝜆 = 𝐿(𝑥)𝑖 (18)
Donde la dependencia explícita de L en x se indica.
Para sistemas lineales donde se cumple con la igualdad anterior, la fuerza puede encontrase
mediante la ecuación:
𝐹 =𝜆2
2𝐿(𝑥)2
𝑑𝐿(𝑥)
𝑑𝑥 (19)
La fuerza puede ser ahora expresada directamente en términos de corriente sustituyendo λ=L(x)i
𝐹 =𝑖2
2
𝑑𝐿(𝑥)
𝑑𝑥 (20)
En base a un experimento donde se obtuvo la impedancia del solenoide adquirido en función a la
posición x, donde x=0 corresponde al solenoide completamente replegado. Los datos obtenidos en
el experimento se detallan en la tabla 6.
Tabla 6. Valores inductancia respecto a x. (Solenoide marca Ledex, 195201-237)
x [mm] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
L [mH] 67.89 60.71 53.77 50.8 45.89 42.6 40.34 38.43 37.09
Se utilizó Octave para encontrar un polinomio de cuarto orden que se ajustara a la inductancia
como una función de x usando la función polyfit. El resultado se da en la forma:
𝐿(𝑥) = 𝑎(1)𝑥4 + 𝑎(2)𝑥3 + 𝑎(3)𝑥2 + 𝑎(4)𝑥 + 𝑎(5) (21)
Una vez obtenida la función de ajuste, se calcula la fuerza con la ecuación:
𝐹 =𝑖2
2
𝑑𝐿(𝑥)
𝑑𝑥 (22)
26
La figura 14 muestra la gráfica de puntos con el resultado del ajuste por polinomio.
Figura 14. Curva de ajuste por polinomio de la inductancia.
La fuerza se grafica en la figura 15, en la gráfica se observa que la fuerza es negativa, lo cual
significa que está actuando en una dirección que atrae al vástago hacia dentro en dirección a x=0.
Figura 15. Fuerza como una función de posición x para i=0.06 mA.
27
2.4.3. Análisis mecánico del solenoide.
La figura 16 (Cheung et al., 1993) muestra la construcción típica de un solenoide lineal, de tipo
“empuje” y de recorrido limitado. El vástago del solenoide se desplaza hacia adentro cuando la
bobina se energiza y se extiende hacia afuera cuando suelta la energía almacenada del resorte. El
recorrido total del vástago es pequeño, en la mayoría de los casos se limita a unos cuantos
milímetros.
Figura 16. Construcción típica de un solenoide.
En el lado mecánico, el solenoide puede ser representado por un sistema de masa y resorte:
𝑚�̈� = 𝐹 − 𝐾𝑥 + 𝑚𝑔 (23)
Donde m es la masa del vástago, ẍ es la aceleración del vástago, K es la constante del resorte, g es
la constante gravitacional y F es la fuerza producida por el campo magnético cuando la bobina se
energiza. (Cheung et al., 1993)
28
2.5. Posicionamiento polar.
Por medio de un sistema de coordenadas, es posible localizar cualquier punto del plano. En el
sistema rectangular esto se efectúa refiriendo al punto a dos rectas fijas perpendiculares llamadas
ejes de coordenadas. En el sistema polar, un punto se localiza especificando su posición relativa
con respecto a una recta fija y a un punto fijo de esa recta. La recta fija se llama eje polar y el
punto fijo se denomina polo.
En la figura 17 (Lehmann, 1989) la recta horizontal OA es el eje polar y el punto O el polo. P es un
punto cualquiera en el plano coordenado. El segmento OP, cuenta con una longitud r. θ es el
ángulo AOP. La posición del punto P con relación al eje polar y al polo es determinadas cuando se
conocen r y θ. Estas cantidades son conocidas como las coordenadas polares del punto P, r es el
radio vector y θ el ángulo polar, ángulo vectorial o argumento P. Las coordenadas polares de un
punto se indican dentro de un paréntesis, primero escribiendo el radio vector (r, θ). (Lehmann,
1989)
Figura 17. Plano de sistema de coordenadas polares.
Para convertir de coordenadas polares a rectangulares o viceversa, debemos conocer las
relaciones que existen entre las coordenadas rectangulares y las coordenadas polares de cualquier
punto del lugar geométrico. Es conveniente cuando el polo y el eje polar del sistema polar se
hacen coincidir, respectivamente, con el origen y la parte positiva del eje X del sistema
rectangular, como en la figura 18 (Kindle, n.d.).
29
Figura 18. Coordenadas rectangulares y polares en un mismo plano.
Un punto P cualquiera que tenga coordenadas polares (x, y) y coordenadas polares (r, θ) se
deducen las relaciones: (Kindle, n.d.)
𝑥 = 𝑟 cos θ (24)
𝑦 = 𝑟 𝑠𝑒𝑛 θ (25)
𝑟 = ±√𝑥2 + 𝑦2 (26)
θ = arc tg (𝑦
𝑥) (27)
30
2.6. Electrónica de control y de potencia.
2.6.1. Microcontrolador.
Un microcontrolador es un circuito electrónico programable, que puede ejecutar comandos
grabados en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales que emplean una tarea
específica. Un microcontrolador incluye las tres unidades funcionales de una computadora: unidad
central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada y de salida.
Los microcontroladores están embebidos en controladores, monitoreo y sistemas de
procesamiento. Más de dos docenas de compañías en el mundo producen microcontroladores,
dispositivos que van desde los 8 a los 32 bits.
Los PIC son una familia de microprocesadores fabricados por Microchip. Los PIC son programables
en su lenguaje nativo ensamblador y además se han desarrollado compiladores para programar en
el lenguaje C y BASIC. Una de las razones del éxito de los PIC es el soporte que da Microchip, que
incluye un ambiente de desarrollo de calidad profesional llamado MPLAB que puede ser
descargado de manera gratuita de la página del fabricante. (Sanchez & Canton, 2010)
En la figura 19 se muestra un microcontrolador de la marca Microchip modelo PIC18F4553, este es
un microcontrolador considerado como de alto desempeño. Tiene palabras de programa de 16
bits, memoria flash de programa, espacio de memoria de hasta 2 mega bits, funcionalidad en
protocolos de comunicación. Todos soportan interrupciones internas y externas y cuentan con un
conjunto de instrucciones más amplio que las familias de rango medio.
Figura 19. Microcontrolador Microchip, modelo PIC18F4553.
2.6.1.1. Comunicación serial RS232.
La comunicación en general se refiere al intercambio de información siguiendo ciertas reglas,
comúnmente llamadas protocolos. Las comunicaciones digitales y computacionales pueden ser
seriales o paralelas. La comunicación serial se da cuando el dato se envía un bit por tiempo sobre
el canal de comunicación, mientras que en la comunicación paralela todos los bits que componen
un símbolo o carácter son enviados simultáneamente.
Comúnmente se considera a la comunicación serial más lenta que la comunicación paralela, pero
con la tecnología moderna esto ha cambiado desde que las técnicas seriales alcanzan a las técnicas
en paralelo en velocidad y desempeño. La preferencia de las comunicaciones seriales sobre las
31
paralelas se relaciona al hardware, debido a que las transmisiones en paralelo requieren más
líneas de comunicación que las transmisiones seriales.
La comunicación serial se da transmitiendo y recibiendo datos en una transmisión de pulsos
eléctricos consecutivos que representan bits de información y códigos de control. El más antiguo,
simple de implementar y más usado estándar de comunicación serial es el RS-232. La convención
RS-232 especifica que con respecto a tierra, un voltaje más negativo que -3 volt es interpretado
como 1 bit y un voltaje más positivo que +3 volt es 0 bit. La comunicación serial RS-232 requiere
de un transmisor y un receptor. La siguiente terminología se refiere al protocolo de comunicación
RS-232:
Periodo de baudios: La taza de transmisión medida en bits por segundo, también llamada
taza de baudios. En protocolo serial, los relojes del transmisor y receptor deben estar
sincronizados al mismo periodo de baudios.
Bit de inicio: La transición que indica que la transmisión de datos está por comenzar.
Bits de dato: La transmisión de información compuesta por 5, 6, 7 u 8 bits que codifica el
carácter transmitido. El bit menos significativo es el primero en ser transmitido.
Bit de paridad: Un bit opcional, transmitido siguiendo a los bits de datos, utilizado para
revisar errores en la transmisión.
Bit de paro: Uno o más bits lógicos en alto insertados en la transmisión siguiendo al bit de
dato o el bit de paridad. El bit de paro asegura que el receptor ha tenido suficiente tiempo
para prepararse para el siguiente carácter.(Sanchez & Canton, 2010)
2.6.2. Memoria SRAM.
SRAM son las siglas para Static Random Access Memory que significa memoria estática de acceso
aleatorio o RAM estática que denominan a un tipo de tecnología de memoria RAM basada en
semiconductores, que almacena datos mientras se mantiene alimentada. Existen dos tipos,
volátiles y no volátiles, y la diferencia está en si los datos permanecen o se volatilizan en ausencia
de alimentación eléctrica.
Una de las ventajas que ofrece la memoria SRAM es que es de rápido acceso, puede escribirse en
nanosegundos sin tener que esperar como en la escritura de las memorias EEPROM seriales.
Desafortunadamente no hay muchos dispositivos de almacenamiento paralelos disponibles y los
que existen son de costo significantemente superior a las memorias seriales EEPROM. (Smith,
2005)
32
2.6.3. Transistor de potencia, IGBT.
Un IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor, combina las ventajas de los BJT y de los MOSFET, tiene
alta impedancia de entrada, como los MOSFET y bajas pérdidas de conducción en estado activo,
como los BJT. La sección transversal de silicio de un IGBT se muestra en la siguiente figura (Rashid,
2004).
Figura 20. Sección transversal IGBT.
En la figura 21 (Rashid, 2004) se muestra el circuito equivalente del IGBT. Un IGBT está fabricado
con cuatro capas alternadas PNPN y es un dispositivo controlado por voltaje, similar a un MOSFET
de potencia. Tiene menor pérdida de conmutación y de conducción, además comparte muchas
características de los MOSFET de potencia, como la facilidad de excitación de compuerta, la
corriente de pico, la capacidad y la resistencia. Un IGBT es más rápido que un BJT, sin embargo, la
velocidad de conmutación de los IGBT es inferior a la de los MOSFET. (Rashid, 2004)
Figura 21. Circuito equivalente IGBT.
Figura 22. Símbolo del IGBT.
El símbolo del IGBT se muestra en la figura 22, las tres terminales son compuerta, colector y emisor. La especificación de un IGBT puede llegar hasta 400 A, 1200 V y una frecuencia de conmutación de hasta 20 kHz.
33
2.6.4. Puente H.
Un puente H es un circuito electrónico que permite que un voltaje sea aplicado a una carga en
cualquier dirección. El término “puente H” se deriva de la forma gráfica con la que se representa
dicho circuito. Un puente H está compuesto por cuatro interruptores, ya sean de estado sólido o
mecánicos. Cuando el interruptor S1 y S4, de acuerdo a la figura 23, están cerrados un voltaje
positivo es aplicado al motor. Si abrimos dichos interruptores y cerramos los interruptores S2 y S3,
el voltaje se invierte, permitiendo la operación en reversa del motor.
Figura 23. Representación gráfica del circuito puente H.
El arreglo del puente H generalmente se utiliza para invertir la dirección de un motor, pero
también puede ser utilizada para frenar el motor, donde el motor se detiene inmediatamente o
dejar al motor que gire libremente hasta que llegue a una posición deseada.(Di jasio, 2014)
Vin M
Int 1 Int 3
Int 2 Int 4
34
2.6.5. Motores a pasos.
Un motor a pasos, como su nombre lo indica, gira en pasos discretos, siendo que la mayoría de los motores convencionales son continuos. Un motor a pasos solo se puede mover de acuerdo a ángulos predefinidos, por ejemplo, un motor de 200 pasos se posicionará solo en incrementos de 1.8 grados, 360°/200. En la siguiente tabla se muestran las ventajas y desventajas de los motores a pasos:
Tabla 7. Ventajas y desventajas de motor a pasos. (Di jasio, 2014)
Ventajas Desventajas
Control preciso de posición, permitiendo control de lazo abierto.
Velocidad limitada.
Torque máximo desde 0 revoluciones por minuto.
Cierta frecuencia de pasos puede resonar mecánicamente con el motor, causando pérdida de torque y vibración no deseada.
No tiene escobillas u otras partes móviles, su tiempo de vida solo depende de la vida de los rodamientos.
Limitada potencia, la mayoría de los motores a pasos están entre 0.0001 HP y 0.05 HP.
De interfaz fácil con microcontroladores.
El toque disminuye cuando la velocidad rotacional se incrementa, si el motor se detiene
Existen básicamente dos tipos de motores a pasos, unipolares y bipolares. Los utilizados en el
prototipo son del tipo bipolar, que generalmente producen mayor torque que los unipolares pero
requiere de circuitos de control más complejos. La configuración de un motor bipolar se muestra
en la figura 24 (Di jasio, 2014).
Figura 24. Configuración de motor a pasos bipolar.
35
Para generar avance en un motor a pasos bipolar, se requiere alimentar las terminales con las que
cuenta de la siguiente forma:
Tabla 8. Configuración de alimentación de motor a pasos bipolar.
Paso Terminal 1 Terminal 2 Terminal 3 Terminal 4
1 + - Nada Nada
2 Nada Nada + -
3 - + Nada Nada
4 Nada Nada - +
Los drivers de motor utilizados reciben el paso de reloj, dirección y señales de modo del sistema
controlador y generan corrientes de fase constante que son ajustables en magnitud y permiten el
movimiento de giro para el motor bipolar.(IMS, 2006)
Las principales funciones con las que cuenta el driver son un traductor que genera la secuencia de
fases del motor, un circuito PWM (Pulse Width Modulation) de conmutación doble que regula la
corriente en las terminales del motor y alimentación para el driver del motor. En la siguiente figura
(IMS, 2006) se muestra el diagrama a bloques de la familia de drivers para motor a pasos IB.
Figura 25. Diagrama a bloques driver serie IB.
36
2.7. Elementos mecánicos.
2.7.1. Tornillo y tuerca de precisión.
Un tornillo de potencia es usado en maquinaria para cambiar movimiento angular en movimiento
lineal y usualmente para transmitir poder.(G. Budynas & Nisbett, 2011) La barra con rosca y la
tuerca adquirida son resistentes a la corrosión y por sus dimensiones son utilizadas para mover
pequeñas cargas en espacios confinados y tienen rosca de mano derecha. Son similares, pero no
compatibles con las barras con rosca y tuercas de precisión de tipo Acme.
2.7.2. Conector rotativo.
Un conector rotativo es utilizado para prevenir el enredo de cables, empleados generalmente en la
conexión de alimentación o comunicación. El propósito del conector rotativo es evitar que los
cables se enreden o se trencen durante un tiempo extendido, lo cual es indeseable.
Los conectores rotativos generalmente comprenden un huso el cual, cuando menos una parte está
contenido en un armazón. El huso y el armazón giran mutuamente, en relación de uno al otro,
alrededor de su eje en común. El huso típicamente tiene anillos eléctricamente conductivos
localizados alrededor de su periferia y estos anillos se unen por medios de conexión
eléctricamente conductivos, los cuales se extienden desde el huso hasta los elementos de
contacto eléctrico contenidos en el armazón.(Ditzig & Estates, 1992)
El conector rotativo adquirido, modelo SNM012A-12, cuenta con 12 cables de señal de hasta 2
amperes. El armazón es de plástico, el voltaje que soporta es de hasta 250 VDC y su vida útil
alcanza hasta los 20 millones de revoluciones con una velocidad de 250 revoluciones por minuto.
2.7.3. Transmisión banda y polea.
La banda dentada está hecha de un tejido cubierto de caucho con tejido de nailon y tiene por
dentro un cable de acero para soportar la carga por tensión. Esta tiene dientes que caben dentro
de las muescas de la periferia de la polea. Una banda dentada no se estira apreciablemente o se
desliza por lo que transmite la potencia a una proporción constante de velocidad angular. (G.
Budynas & Nisbett, 2011)
Figura 26. Banda dentada mostrando porciones de polea y banda.
37
Capítulo 3. Diseño conceptual.
3.1. Introducción al diseño.
Diseño de máquinas y manufactura es la clave para el desarrollo de la industria manufacturera.
Antes de que cualquier máquina sea diseñada, es importante establecer los requerimientos de la
máquina. La herramienta QFD (quality function deployment) puede ser utilizada para identificar
las necesidades del cliente y relacionar las necesidades al diseño del producto. Tomando en
cuenta los requerimientos del cliente en el proceso de diseño, las modificaciones y la iteración
innecesarias entre el diseño y la manufactura se reduce.
El proceso de QFD comienza identificando a los clientes y determinando sus necesidades. Estas
necesidades se traducen en requerimientos ingenieriles, los cuales son utilizados para formular
especificaciones generales de la máquina.
3.2. Análisis QFD.
Fase 1. Planeación del producto: Casa de la calidad. Se enfoca en el diseño general del producto,
se relacionan y evalúan los atributos requeridos por el cliente con las características técnicas del
producto, lo cual da como resultado las especificaciones de diseño.
De forma general la casa de la calidad tiene esta forma (Bernal, 2012):
Figura 27. Casa de la calidad.
38
1.1 Listar los QUÉ. Necesidades del cliente.
- Que grabe imágenes con alta precisión.
- Que grabe de forma rápida.
- Que las imágenes sean fáciles de enviar a la máquina.
- Que pueda imprimir en placas de metal de grandes áreas.
- Que mantenga la calidad conforme al uso.
- Que no pierda su posición respecto a la placa.
- Que sea de fácil transporte.
- Que utilice posicionamiento polar.
- Que sea precisa al momento de grabar.
- Que sea económica.
- Que sea duradera.
- Que pueda ser usada en cualquier ambiente de trabajo.
- Que no genere residuos.
- Que no consuma en exceso energía.
1.2 Análisis de los QUÉ.
Clasificación de los QUÉ según su importancia. Los valores van de 1 a 5, incrementando su valor al
ser más importantes para los usuarios.
Figura 28. Importancia de los QUÉ.
0 1 2 3 4 5
Que grabe imágenes con alta precisión.
Que grabe de forma rápida.
Que las imágenes sean fáciles de enviar a la máquina.
Que pueda imprimir en placas de metal de grandes áreas.
Que mantenga la calidad conforme al uso.
Que no pierda su posición respecto a la placa.
Que sea de fácil transporte.
Que utilice posicionamiento polar.
Que sea precisa al momento de grabar.
Que sea económica.
Que sea duradera.
Que pueda ser usada en cualquier ambiente de trabajo.
Que no genere residuos.
Que no consuma en exceso energía.
39
1.3 Listar los CÓMO. Medidas técnicas que resuelven las necesidades del cliente.
- Imágenes de 72 dpi (dot per inch) (350 μm por pixel). - Puntos por segundo/velocidad de giro. (frecuencia de grabado de puntos). - Interfaz para cargar datos de imagen en microcontrolador (RS-232, Ethernet, bluetooth). - Diámetro de giro (Matriz de puntos). - Vida útil del actuador. (horas de trabajo). - Sujetadores a la placa o pieza de trabajo. (succión, atornillado). - Alimentación y control en un mismo espacio. Cable alimentación y comunicación. Máquina
portátil. Volumen. (cm3). - Motor para posición axial y motor para posición radial. (r,θ). - Avance preciso del actuador y velocidad constante de la guía. (μm/paso, rad/seg). - Prototipo de bajo costo. (pesos). - Estructura y componentes resistentes. - Fácil encendido y baja protección necesaria para su uso. (127 VAC). - Técnica de grabado sin remoción de material. (Impactos, rayado, láser). - Alimentación y control de baja potencia. (Watts).
1.4 Casa de la calidad. Relación y análisis entre los QUÉ y CÓMO.
Tabla 9. Detalle de la relación entre QUÉ y CÓMO.
40
Las necesidades del cliente (QUÉ) son de diferentes grados de importancia. Con el análisis de las
necesidades obtenemos las más importantes y son con las que debemos trabajar. La importancia
de la necesidad es asignada por el cliente. A continuación se muestran las necesidades más
importantes para el prototipo de máquina impresora de metales.
1.- Que grabe de forma rápida. 2.- Que grabe imágenes con alta precisión. 3.- Que pueda imprimir en placas de metal de grandes áreas. 3.- Que no pierda su posición con respecto a la placa. 3.- Que sea precisa al momento de grabar. 3.- Que sea económica. 3.-Que puedas ser usada en cualquier ambiente de trabajo. 3.- Que no consuma en exceso energía.
Las medidas técnicas (CÓMO) más importantes detectadas con la herramienta QFD son:
1.- Motor para posición axial y motor para posición radial. (r,θ). 2.- Técnica de grabado sin remoción de material. (Impactos, rayado, láser). 3.- Avance preciso del actuador y velocidad constante de la guía. (µm/paso, rad/seg). 4.- Puntos por segundo/velocidad de giro. (Frecuencia de grabado de puntos). 5.- Diámetro de giro (Matriz de puntos de 14 x 14 cm2).
Estas medidas técnicas ahora son clave en la fase 2 del análisis de proceso QFD para determinar
las partes características relacionadas al producto a desarrollar. En este caso estas necesidades
deben ser tomadas en cuenta para el diseño de las partes que componen a la máquina impresora
de metales.
1.5 Conclusiones de la planeación del producto. Con el análisis del despliegue de la función de calidad encontramos prioridad a lo que requiere el
cliente, los aspectos indispensables del dispositivo y en qué características no tiene caso analizar.
Conociendo estas funciones y comparándonos con las máquinas comerciales actuales, que son
máquinas impresoras de metales similares o que emplean otras técnicas, podemos ver cómo
estaría posicionada la máquina si estuviera en el mercado.
Finalmente podemos fijar los objetivos para enfocarnos a las características técnicas que debe
tener el prototipo deseado por el cliente y ofrecerle una máquina funcional y económica.
41
Fase 2. Diseño del producto: Despliegue de las partes. Se lleva a cabo la correlación y evaluación
entre las especificaciones de diseño y las características de los principales componentes o parte
del producto, de lo que resultan las especificaciones convenientes para éstas.
Ahora se realiza el análisis con la matriz para obtener la relación y el análisis entre las medidas
técnicas clave y los componentes del producto, de la siguiente manera:
Figura 29. Casa del producto.
2.1 Listar los nuevos QUÉ. Medidas técnicas clave.
- Técnica de grabado sin remoción de material. (Impactos, rayado, láser).
- Avance preciso del actuador y velocidad constante de la guía. (μm/paso, rad/seg).
- Puntos por segundo/velocidad de giro. (Frecuencia de grabado de puntos).
- Sujetadores a la placa o pieza de trabajo. (Succión, atornillado).
- Diámetro de punto/distancia entre puntos. (Micrómetros).
2.2 Listar los nuevos CÓMO. Partes o componentes característicos.
- Utiliza la técnica de micro percusión, un solenoide electromagnético que hace actuar un
vástago acoplado a una punta de diamante.
- Consta de dos motores para posicionar al solenoide. Uno genera avance lineal con un
tornillo sin fin. Otro motor genera el posicionamiento angular.
- Control electrónico que envía señales de pulsos al solenoide.
- Estructura con sistema de sujeción a la placa.
- Guía de la estructura de 20 cm de largo.
42
2.3 Casa del producto. Relación y análisis entre medidas técnicas clave y partes o componentes.
Tabla 10. Importancia relación entre técnicas clave y partes.
Las medidas técnicas clave (QUÉ) son analizadas en la casa del producto para obtener las más importantes y son con las que debemos trabajar. A continuación se muestran las medidas técnicas más importantes para el prototipo de máquina impresora de metales. 1.- Avance preciso del actuador y velocidad constante de la guía. (μm/paso, rad/seg). 2.- Puntos por segundo/velocidad de giro. (Frecuencia de grabado de puntos).
2.- Sujetadores a la placa o pieza de trabajo. (Succión, atornillado).
3.- Diámetro de punto/distancia entre puntos. (Micrómetros).
3.- Técnica de grabado sin remoción de material. (Impactos, rayado, láser).
Las partes o componentes característicos (CÓMO) más importantes detectados con la herramienta
QFD son:
1.- Control electrónico que envía señales de pulso al solenoide.
2.- Guía de la estructura de 20 cm de largo.
3.- Consta de dos motores para posicionar al solenoide. Uno genera avance lineal con un
tornillo sin fin. Otro motor genera el posicionamiento angular.
4.- Estructura con sistema de sujeción a la placa.
5.- Utiliza la técnica de micro percusión, un solenoide electromagnético que hace actuar
un vástago acoplado a una punta de diamante.
2.4 Conclusiones del diseño del producto.
Con el análisis del diseño del producto reconocemos la importancia de la relación entre las
especificaciones de diseño y las características de las partes del producto, dando como resultado
el listado de prioridad para detallar las especificaciones de los componentes y partes del
mecanismo a desarrollar. Con esta información podemos comenzar el diseño conceptual y al
momento de tener la aprobación del cliente, proceder a la integración de medidas reales o
comerciales para la fabricación del mecanismo.
43
3.3. Consideraciones del diseño.
En base a las partes o componentes característicos más importantes detectados con la
herramienta QFD se definirá el diseño del mecanismo y de la interfaz de control y comunicación.
Se listan a continuación cada una de las características importantes y la manera en que se
consideraron para la realización del diseño del prototipo.
Característica 1. Control electrónico que envía señales de pulso al solenoide.
Un microcontrolador envía las señales de pulso a una etapa de potencia para activar el
solenoide. La señal de pulso será enviada cuando la punta de diamante esté colocada en
una posición de impacto, la duración del pulso dependerá de la fuerza requerida para
dicho punto.
Característica 2. Guía de la estructura de 20 cm de largo.
Se definió como área de grabado máximo un cuadrado de 2.5 cm por lado. Considerando
el soporte del solenoide, el tamaño para el tornillo de precisión para el desplazamiento es
de 7.2 cm. Considerando las dimensiones del motor de desplazamiento la estructura tiene
de largo 24 cm.
Característica 3. Consta de dos motores para posicionar al solenoide. Uno genera avance
lineal con un tornillo sin fin, otro motor genera el posicionamiento angular. Para el
posicionamiento angular se eligió un motor a pasos bipolar con ángulo por paso de 1.8°.
Para el posicionamiento radial se eligió un motor a pasos bipolar con ángulo de paso de
1.8°, este motor es tipo Nema 8 debido a que sus dimensiones son reducidas.
Característica 4. Estructura con sistema de sujeción a la placa.
No se consideró en el diseño un sistema de sujeción a la placa a grabar.
Característica 5. Utiliza la técnica de micro percusión, un solenoide electromagnético que
hace actuar un vástago acoplado a una punta de diamante.
La técnica elegida es la micro percusión, para esto se buscaron solenoides con
alimentación a 12 volt, de tipo “push” o empuje y el vástago cuenten con una punta de
empuje para acoplar la punta de diamante. La búsqueda arrojó 3 solenoides y se eligió el
de menor tamaño para tener un prototipo con dimensiones que le permitieran fácil
transportación. La punta de diamante es una punta comercial de la marca Dremel.
Una consideración adicional y de suma importancia fue la elección de un conector rotativo, para
alimentar el motor de desplazamiento, alimentar el solenoide y recibir la señal del interruptor de
fin de carrera. De las dimensiones del conector rotativo dependía el tamaño y forma de la
estructura de la máquina, se eligió el conector de menor tamaño y que contara con 12 cables para
transmitir las alimentaciones y las señales necesarias. Sin este componente sería imposible
alimentar al motor, al solenoide y recibir la señal, debido a que estos están girando
constantemente a 1 revolución por segundo y sin el componente los cables se enredarían.
44
Otra consideración adicional es la comunicación entre el microcontrolador y la computadora con
la interfaz gráfica, se eligió el protocolo serial para esta comunicación. Este protocolo es
comúnmente utilizado en equipos en la industria y varias aplicaciones de software manejan los
puertos de manera eficiente y sencilla.
La última consideración adicional es el almacenamiento de los datos en una memoria paralela,
donde se guardan los datos necesarios para realizar el grabado y una vez concluido el guardado, la
comunicación con la interfaz gráfica en la computadora no es necesaria durante el grabado. Esto
porque la lectura de los datos debe ser lo más rápida posible durante el grabado y la característica
de rapidez en escritura y lectura la ofrecen las memorias paralelas.
45
Capítulo 4. Diseño del prototipo.
4.1. Diseño del mecanismo.
El diseño del mecanismo se basa en las especificaciones obtenidas en el análisis del diseño del
producto y con estas especificaciones se puede detallar los requerimientos de los componentes y
partes del mecanismo a desarrollar.
Las partes o componentes más importantes son:
1.- Control electrónico que envía señales de pulso al solenoide.
2.- Guía de la estructura de 20 cm de largo.
3.- Consta de dos motores para posicionar al solenoide. Uno genera avance lineal con un tornillo
sin fin. Otro motor genera el posicionamiento angular.
4.- Utiliza la técnica de micro percusión, un solenoide electromagnético que hace actuar un
vástago acoplado a una punta de diamante.
La figura 30 muestra un esquema del prototipo de la máquina, los elementos principales son un
solenoide lineal y el sistema de posicionamiento por coordenadas polares. La punta de diamante
está acoplada al vástago del solenoide, un resorte tipo “lift” o muelle permite el retorno del
vástago a su posición de reposo después de cada impacto en la superficie de la pieza. Se observa a
detalle el resorte en la figura 31.
Figura 30. Diseño preliminar de prototipo de máquina de grabado.
Marco exterior
Solenoide
46
El dibujo de la máquina de grabado se presenta en la figura 31, el solenoide utilizado en esta
máquina es de tipo lineal de empuje marca LEDEX con número de parte 195201-237 (Ledex, 2006),
que tiene un desplazamiento máximo de 2.5 mm.
Dos motores a pasos accionan el sistema de posicionamiento polar (r, θ) a través de un motor a
pasos acoplado a un tornillo de precisión para el desplazamiento ‘r’ y un motor acoplado a un
sistema de poleas y una banda para la posición angular ‘θ’.
Los motores a pasos están controlados por un sistema a micro-pasos marca IMS, modelo IM483 y
a pasos completos por el sistema marca IMS, modelo IB462.
La herramienta que realiza los impactos es de la marca DREMEL, modelo 9929. La punta se
muestra en la figura 31, tiene una forma cónica que permite marcas en la superficie dentro de un
rango de diámetros a partir de las 10 micras.
Figura 31. Detalle acoplamiento vástago con punta de diamante y resorte.
Para determinar la fuerza inicial requerida por el solenoide, se debe aplicar un factor de seguridad
de 1.5. El ciclo de trabajo se determina por: 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑂𝑁
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑂𝑁 + 𝑂𝐹𝐹⁄
El solenoide seleccionado tiene una vida promedio de 25’000’000 de activaciones. El vástago tiene
terminación en cara plana, recomendados para aplicaciones que requieren mayor fuerza de
impacto. (Johnson Electric, 2011)
El diseño cuenta con posicionamiento de coordenadas polares sin mesa donde se coloque la pieza.
El mecanismo se puede colocar sobre una placa o pieza de metal de dimensiones mayores a las del
propio mecanismo, incluso puede estar colocado con cierto grado de inclinación siempre y cuando
se asegure que la máquina no perderá su posición inicial.
Resorte
Solenoide
Vástago
Punta de diamante
47
4.1.1. Diseño final del mecanismo.
Ensamble de máquina completo.
Figura 32. Máquina ensamblada, vista posterior.
Figura 33. Máquina ensamblada, vista frontal.
48
Figura 34. Máquina ensamblada, vista superior.
Figura 35. Máquina ensamblada, vista inferior.
Figura 36. Máquina ensamblada, vista perspectiva.
49
4.1.2. Selección de componentes y materiales.
En la siguiente tabla se muestra a detalle cada elemento adquirido para la fabricación del
prototipo, para la estructura y las tarjetas de control y potencia. Se describen además, modelo,
marca y costo.
Tabla 11. Elementos de prototipo de máquina de grabado.
Elemento Modelo Marca Monto
Estr
uct
ura
Motor angular. SY35ST26-0284A $ 450.00
Motor desplazamiento. 8HS11-0204S Stepper Online $ 436.00
Solenoide tipo empuje. 195201-237 Ledex $ 727.26
Punta de diamante. 9929 Dremel $ 361.02
2 Poleas. XL20T $ 248.88
Banda dentada. 160XL Sables $ 89.53
Conector rotatorio. SNM012A-12 Senring Electronics Co. $ 158.81
Rodamiento de acero. 2780T46 $ 347.31
Tornillo de precisión. 6642K14 $ 280.95
Tuerca estándar 1/20.8". 6642K24 $ 292.91
2 baleros ABEC-1. 60355K501 $ 201.96
Cople acetato 1/8". 59985K1 $ 179.18
Disco de acetato cople. 59985K61 $ 39.44
Cople acetato 4 mm. 59985K1 $ 179.18
Rodamiento lineal de bolas. 60595K11 $ 298.69
2 anillos de retención. 9968K22 $ 10.54
Tornillos. $ 250.00
Cople nylamid. $ 80.00
Placa aluminio 6061. $ 1,400.00
Maquinado de piezas. $ 12,000.00
Tarj
etas
co
ntr
ol y
po
ten
cia
Microcontrolador. PIC18F4553 Microchip $ 212.48
Memoria SRAM. DS1245Y/AB Dallas $ 895.56
Latch octal. SN74LS373N Texas instruments $ 20.06
Oscilador. MX045 40M000 CTS $ 38.42
IGBT. IRG4PC 50U International Rectifier $ 56.64
Micro interruptor. $ 18.00
Componentes electrónicos. $ 240.00
2 Driver para motor a pasos. $ 1,500.00
Placa fenólica. $ 180.00
Fabricación PCB. $ 825.00
Caja aluminio. $ 613.02
Total $ 22,630.83
50
En la siguiente tabla se detallan los elementos utilizados para la realización de las pruebas del
prototipo y el costo de cada uno.
Tabla 12. Elementos para pruebas de prototipo.
Elemento Monto
Pru
ebas
Lámina acero inoxidable, corte. $ 945.50
Lámina aluminio, corte. $ 353.73
Lámina cobre, corte. $ 939.89
Aluminio estructura de pruebas. $ 550.00
Solenoide tipo empuje. $ 727.26
Punta de diamante. $ 361.02
Total $ 2,931.90
51
4.2. Diseño electrónico de potencia.
En el apéndice B.4 se muestra el diagrama de circuito electrónico de potencia. El conector que
recibe la señal del solenoide de la tarjeta de control llega a un opto acoplador para proteger a la
tarjeta de control en caso de existir una falla en la tarjeta de potencia, se utilizó un opto acoplador
de alta velocidad modelo 6N137.
La señal de salida del opto acoplador se envía a un amplificador operacional LM358 para aumentar
la tensión eléctrica de la señal de 5 VDC a 12 VDC. La salida del amplificador operacional se envía a
los transistores TIP120 y un TIP125 en arreglo tótem, que actúan como seguidores de emisor y
ofrecen baja impedancia de salida. (Rashid, 2004)
La salida de los transistores se conecta a la compuerta del IGBT, que al momento de activarse
permite el paso de la alimentación del solenoide. El modelo del IGBT es IRG4PC50U, es de alta
velocidad de 8 a 40 kHz y soporta pulsos de hasta 600 volt. El solenoide tiene conectado en
paralelo un diodo de rápida conmutación modelo 1N914, esto para protección ante picos de
tensión eléctrica superior a 100 volt.
En la figura 37 se muestra un pulso de impacto en las diferentes etapas del acondicionamiento de
la señal para lograr energizar el solenoide y generar un impacto en la superficie del metal. La línea
de color verde a 5 volt representa la señal que envía el microcontrolador, la cual se acondiciona
con un amplificador operacional para lograr llevarla a 12 volt como en la línea de color azul.
Finalmente la línea de color rojo representa la señal de un pulso de 40 volt que recibe el solenoide
al momento en que se activa el IGBT, que a su vez, es activado con el arreglo de transistores.
Figura 37. Gráfica de pulso de impacto en diferentes etapas de potencia.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12
Ten
sió
n e
léct
rica
(vo
lt)
Tiempo (milisegundos)
52
4.3. Diseño de interfaz de control y comunicación.
El diagrama del circuito electrónico de la interfaz de control y comunicación de la máquina de
grabado se encuentra en el apéndice B.1. Para el control se utilizó un microcontrolador de la
marca Microchip modelo PIC18F4553 de 40 pines, de los cuales se utilizan 37. La asignación de los
pines del microcontrolador se detalla en la figura 38 y se describe a continuación la función
general de cada uno de los 5 puertos de entradas y salidas que están disponibles en el
microcontrolador.
El puerto A se utiliza para las señales de salida del control del solenoide y los motores y una
entrada para el interruptor de fin de carrera. El puerto B está dedicado a controlar el
direccionamiento para la memoria SRAM modelo DS1245Y/AB que permite hasta 17 bits de
dirección, un total de 131,072 palabras de 8 bits. Utilizando un circuito electrónico biestable
asíncrono que almacena información en sistemas lógicos de 8 bits conocido como latch de 8 bits
tipo D, con número de parte SN74LS373N, se puede direccionar 16 bits para la memoria estática
usando solo los 8 bits del puerto B.
El puerto C se utiliza para manejar los pines de control de la memoria estática y la comunicación
serial USART. Los 8 bits del puerto D se utilizan para el dato de entrada o salida de la memoria
estática SRAM. Finalmente el puerto E se utiliza para control del latch de 8 bits y para controlar la
dirección del motor de desplazamiento.
+5 volt 1.MCLR 40.RB7 A7-A15-SRAM
impactos 2.RA0 39.RB6 A6-A14-SRAM
dir1 impactos 3.RA1 38.RB5 A5-A13-SRAM
dir2 impactos 4.RA2 37.RB4 A4-A12-SRAM
motor 1 5.RA3 36.RB3 A3-A11-SRAM
motor 2 6.RA4 35.RB2 A2-A10-SRAM
interruptor 7.RA5 34.RB1 A1-A9 SRAM
salida latch 8.RE0 33.RB0 A0-A8-SRAM
habilita latch 9.RE1 32.VDD +5 volt
dirección motor 2 10.RE2 31.VSS GND
+5 volt 11.VDD 30.RD7 DQ7-SRAM
GND 12.VSS 29.RD6 DQ6-SRAM
Oscilador 40 MHz 13.OSC1 28.RD5 DQ5-SRAM
GND 14.OSC2 27.RD4 DQ4-SRAM
Habilita memoria SRAM 15.RC0 26.RC7 RX
Habilita escritura SRAM 16.RC1 25.RC6 TX
Habilita salida SRAM 17.RC2 24.RC5
18.USB 23.RC4
DQ0 -SRAM 19.RD0 22.RD3 DQ3-SRAM
DQ1-SRAM 20.RD1 21.RD2 DQ2-SRAM
Figura 38. Asignación de pines del microcontrolador PIC18F4553.
53
Las funciones generales de la interfaz de control y comunicación se conforman por la recepción y
envío de datos por el puerto serial, el almacenamiento de datos en una memoria externa, la
generación de una curva de arranque y el control simultáneo de dos motores y un solenoide en
base a tiempos definidos.
En la recepción y envío de datos por comunicación serial, se configuró el microcontrolador con una
velocidad de comunicación de 38400 baudios, con transmisión de 8 bits de datos y sin paridad. Se
utiliza una función para recibir cadenas de caracteres sin perder datos durante la transmisión.
En el almacenamiento de datos en la memoria externa, se empleó una memoria SRAM de 1024 kB
modelo DS1245Y/AB y en base a los ciclos de lectura y escritura descritos en su hoja de datos, se
desarrolló una secuencia para leer y escribir en la memoria al mismo tiempo que el valor es
recibido por el puerto serial. La memoria permite un tiempo de lectura y escritura de 70
nanosegundos y el microcontrolador tarda alrededor de 1 microsegundo en leer un valor
almacenado en la memoria y asignarlo a una variable del programa. Se emplea un latch de 8 bits
para lograr direccionar 16 bits con un puerto de 8 bits, por lo que el programa coloca la parte
menos significativa en el puerto B para que el latch lo sostenga y luego coloca la parte más
significativa para formar la dirección de 16 bits en total para enviarla a la memoria.
Para la generación de la curva de arranque se comienza con una baja frecuencia para comenzar a
mover el motor a pasos, aproximadamente a 80 Hz comienza a recibir pulsos para avanzar. Cada
30 pasos aumenta la frecuencia hasta llegar a 400 Hz aproximadamente, como se muestra en la
gráfica de la figura 39, donde la frecuencia aumenta mientras aumentan los pasos del motor de
rotación y se mantiene una vez que llega a los 400 Hz.
Figura 39. Gráfica de curva de arranque.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Fre
cue
nci
a (H
z)
Pasos de motor de rotación
54
Para el control simultáneo de dos motores y un solenoide en base a tiempos definidos, se utilizó
programación en base a varias tareas que van cambiando conforme se generan interrupciones de
reloj. Cada 23 microsegundos se genera una interrupción y cada 105 interrupciones genera un
pulso que genera un paso al motor de rotación angular, es decir, cada 2.6 milisegundos. Esa es la
duración de tiempo máximo que se tiene para revisar el valor que sigue por impactar y atender las
5 tareas que están programadas.
La tarea 0 inicia la comunicación entre el microcontrolador y la computadora, recibe y almacena
los datos en la memoria estática. La tarea 1 genera la curva de arranque del motor de rotación,
inicia el grabado y lee los valores de posición e impacto que no han sido grabados de la memoria.
La tarea 2 envía los pasos al motor angular, revisa en que radio está el siguiente círculo y verifica si
terminó el grabado. La tarea 3 envía los pasos al motor de desplazamiento. La tarea 4 envía el
pulso para realizar el impacto.
En la figura 40 se muestra una gráfica obtenida con un osciloscopio de señales múltiples. La señal
en la posición 0 es el pulso utilizado para activar al solenoide y generar el impacto en la pieza a
grabar. La duración máxima del pulso para impacto está cerca de los 2 milisegundos y nunca dura
más que la separación entre los pasos del motor angular, representados con pequeños impulsos
en la señal de la posición 3. Esta señal de impacto se activa cuando la máquina está posicionada en
un ángulo y desplazamiento que coincide con el valor de impacto leído de la memoria.
La señal en la posición 3 representa los pulsos que están siendo enviados al motor de rotación, su
periodo es constante para evitar que el motor pierda su posición y se detenga. La señal en la
posición 4 representa los pulsos que se envían al motor de desplazamiento. En la figura 40 se
observan 4 pulsos, esto significa que es necesario avanzar 4 pasos para posicionarse un círculo
antes del que se requiere impactar, esto es una optimización para no recorrer todos los círculos de
la superficie permitiendo realizar el grabado en menor tiempo.
Figura 40. Pulsos de motores de posicionamiento y solenoide.
55
4.3.1. Programa de interfaz.
Figura 41. Diagrama de flujo de programa de grabado general.
El programa de la interfaz de control y
comunicación del prototipo de máquina
de grabado sigue la secuencia como se
describe en el diagrama de flujo de la
figura 41.
Comienza el programa solicitando se envíe
un carácter por el puerto serial de la
computadora al que está conectada la
máquina. Por el puerto serial se envía el
archivo de texto que se generó con la
interfaz gráfica en Octave.
Mientras se recibe el archivo de texto se
van almacenando los valores en la
memoria SRAM, al concluir aparece el
mensaje de fin de almacenamiento y la
máquina comienza a colocarse en la
posición de inicio. Una vez colocado en el
centro de la máquina, se puede comenzar
el grabado o se pueden solicitar se envíen
los datos almacenados para comprobar
fueron correctos.
Si se envió el carácter “c”, comienza la
curva de arranque del motor de rotación
como se describe en la figura 41.
Una vez que se llega a la frecuencia
deseada, se comienza el grabado desde el
centro de la máquina y se desplaza hacia un extremo de la guía de desplazamiento para abarcar la
superficie a grabar. Cuando el programa detecta que ha realizado todos los impactos
almacenados, se detiene la máquina y se envía un mensaje señalando que se ha concluido el
grabado.
56
La sección de la secuencia de grabado se describe en el diagrama de flujo de la figura 42. Una vez
que se ha iniciado el grabado se lee el valor de posición e impacto de la memoria estática que aún
no se ha ejecutado, inmediatamente después se consulta si la posición recién leída es igual a la
posición actual. Si son iguales se envía la señal de impacto al solenoide con la duración
determinada por el valor de impacto almacenado, si no son iguales envía un paso al motor de
rotación. Cada que se generan 400 pasos en la rotación de la máquina o está la máquina en una
posición de desplazamiento menor a la siguiente posición a grabar menos uno, se envía un paso al
motor de desplazamiento.
Cada que se realiza el impacto consulta si fue el último valor almacenado, en caso negativo se
procede a leer el siguiente valor de posición e impacto almacenado en la memoria. Una vez que se
han ejecutado todos los valores de posición e impacto almacenados, se envía la señal para indicar
que se ha concluido el grabado.
Figura 42. Diagrama de flujo de programa en secuencia de grabado.
57
4.3.2. Programa interfaz gráfica en Octave.
El programa de la interfaz gráfica se encuentra en el apéndice C1 con comentarios para su
compresión. Básicamente el programa carga una imagen en formato “jpg” cuadrada, la asigna a
una matriz de datos a la cual gira 270 grados, resta a 256 los valores de la matriz y la voltea de
derecha a izquierda. La imagen original se muestra en la figura 43 y en la figura 44 se muestra la
matriz con los valores correspondientes a cada posición de pixel de la imagen, en escala de grises
de 0 a 255.
Figura 43. Imagen en formato ‘jpg’ de 20 pixeles por lado.
Figura 44. Matriz original de imagen de 20 pixeles por lado.
En la siguiente secuencia de imágenes se muestran los pasos realizados para convertir la matriz
original en la matriz requerida para lograr la impresión en la máquina.
Figura 45. Rotación de imagen 270 grados.
Figura 46. Resta de valores a 256.
Figura 47. Matriz invertida de derecha a izquierda.
58
Una vez realizado este tratamiento y ajustando la resolución para el tamaño de grabado, en un
ciclo analiza todos los valores en la posición “x” y posición “y” de la matriz. Cada posición de la
matriz se ajusta al origen (0,0) y se convierte a coordenadas polares, para finalmente formar otra
matriz con 3 valores por punto. En la figura 48 se muestra la gráfica de la matriz original y en la
figura 49 se muestra la gráfica de la matriz que se ha transformado para poder generar los pasos
para la máquina de grabado, en la imagen se observa cómo el centro de la matriz se ha colocado
en la posición de origen (0,0), debido a la característica de la máquina de realizar los grabados
desde el centro.
Figura 48. Gráfica de matriz original de imagen de 20 pixeles por lado.
Figura 49. Gráfica de matriz final de imagen de 20 pixeles por lado.
En la matriz de 3 valores por punto, el primer valor contiene el número de pasos para la posición
longitudinal, el segundo valor es el número de pasos para la posición angular y el tercero contiene
el valor de la posición, que corresponde al valor entre 0 y 255 del pixel en escala de grises. El ciclo
termina hasta que se procesan todas las posiciones de la matriz, si la imagen es de n pixeles por
lado realizará 𝑛2 repeticiones según la ecuación:
𝑛 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙𝑒𝑠 ∗ 𝑛 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙𝑒𝑠 = 𝑛2 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙𝑒𝑠 (28)
Una vez terminado el ciclo se ordenan de menor a mayor las columnas de la matriz generada y se
almacena cada uno de sus valores en un archivo de texto, incluyendo al final una línea con 13
caracteres ‘F’ para indicar al microcontrolador el final de los datos.
59
En la tabla 13 se muestran los valores de los primeros 9 puntos de la matriz generada para grabar
una imagen de 20 pixeles por lado con todos los pixeles de color negro. En la figura 50 se muestra
una gráfica con la matriz de los 400 puntos que forman el cuadrado de 20 pixeles por lado.
Figura 50. Gráfica de matriz de imagen de 20 pixeles por lado.
Tabla 13. Tabla de matriz final de imagen de 20 pixeles por lado.
t r ig
1 0000 0000 0255
2 0082 0000 0255
3 0082 0100 0255
4 0082 0200 0255
5 0082 0300 0255
6 0116 0050 0255
7 0116 0150 0255
8 0116 0250 0255
9 0116 0350 0255
En la figura 51 se grafican los primeros 9 puntos, detallados en la tabla anterior. El primer punto
está en el centro de la imagen, de los puntos 2 al 5 están contenidos en el primer círculo y de los
puntos 6 al 9 están contenidos en el segundo círculo. La secuencia seguirá formando círculos
concéntricos, hasta contener el último punto de la matriz. En el programa de la interfaz gráfica se
puede ajustar la separación en milímetros entre los impactos del grabado final.
Figura 51. Primeros 9 puntos de imagen de 20 pixeles por lado.
1 2
3
4
5
6 7
8 9
60
En la figura 53 se muestra la forma del archivo de texto que se genera en la interfaz de usuario en
Octave y se envía por medio de un puerto serial de la computadora al microcontrolador. En la
figura 52 se muestra la imagen original que se procesó con la interfaz gráfica, como resultado
obtenemos un archivo de texto con 228 líneas, donde cada línea contiene los valores para radio,
ángulo y valor de impacto. Estas 228 líneas representan a cada uno de los puntos que serán
grabados en la placa de metal.
Figura 52. Imagen de cuadro con cruz en centro.
Figura 53. Archivo de texto generado.
61
Capítulo 5. Posicionamiento y activación de solenoide.
5.1. Análisis de movimiento.
El movimiento de la máquina está basado en el posicionamiento polar, la máquina gira y sigue una
trayectoria formando círculos concéntricos recorriendo el área total de la pieza a grabar, siempre y
cuando no exceda el tamaño de un cuadrado de 2.5 cm por lado.
En la figura 54 se muestra de forma simulada una serie de círculos concéntricos de color azul que
la máquina debe recorrer para abarcar la superficie de un cuadro de 20 pixeles por lado,
representado por el cuadrado de color negro. Las líneas rojas representan los pasos que avanza el
motor de posición angular, que es de 200 pasos y cada paso avanza 1.8 grados. Se utilizó un driver
para motor con micro pasos para aumentar la resolución de este motor a 400 pasos, obteniendo
así un avance de 0.9 grados por paso. En cada intersección de círculo y líneas se puede impactar, si
un punto que se desea grabar no coincide con una intersección se ajusta a la intersección más
cercana, generando una pequeña desviación.
Figura 54. Simulación trayectoria de punta de diamante.
El diámetro de los círculos depende del avance del motor de desplazamiento, el cual es de 200
pasos y por cada paso se avanza:
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎 (𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑠𝑖ó𝑛) = 120.8⁄ 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 = 1.22115 𝑚𝑚 (29)
𝐴𝑣𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑎𝑠𝑜 = 1.22115 𝑚𝑚200 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠⁄ = 0.006105 𝑚𝑚 (30)
La resolución para el avance mínimo es de 0.006105 mm, pero se puede ajustar la separación
entre cada pixel para modificar el tamaño de la imagen a grabar, siempre y cuando no exceda el
límite de un cuadro de 2.5 cm por lado.
62
En la figura 55 se muestra la matriz de puntos posibles para impactar una imagen de 20 pixeles por
lado, los puntos que no coinciden con las intersecciones son ajustados al valor más cercano a una
intersección por lo que los puntos más lejanos a la posición de origen (0,0) son los que tienen
mayor desviación en referencia a la posición inicial del pixel.
Figura 55. Matriz de puntos posibles para impactar.
En la figura 56 se muestra en color rojo las posiciones de la matriz de la imagen de 20 pixeles por
lado y en azul la posición esperada, esta diferencia se aprecia mejor en la figura 57 donde se
detalla la separación esperada.
Figura 56. Simulación puntos de imagen y puntos esperados con error.
Figura 57. Detalle puntos de imagen y puntos esperados con error.
63
En esta simulación el error máximo esperado es de 0.085, en distancia con separación por pixel de
0.25 mm, el error máximo es de 0.02125 mm. En la figura 58 se muestra 3 puntos que representan
4 posiciones donde el error calculado alcanza el máximo valor de un total de 400 puntos por
grabar.
Figura 58. Gráfica de errores calculados para imagen de 20 pixeles por lado.
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Erro
r ca
lcu
lad
o
Valor de posición en eje x
64
5.2. Activación del solenoide.
El solenoide se activa cuando está en una posición donde un impacto es requerido. El programa de
grabado en el microcontrolador ajusta el tiempo de impacto dependiendo del valor que tiene en la
posición correspondiente al valor de tono de gris, los valores de 0 a 255 en escala de grises se
ajustan en 60 niveles. Estos niveles van de los 200 microsegundos hasta los 1600 microsegundos,
aumento en 23.3 µs por cada nivel.
En la figura 59 se muestra una gráfica del pulso menor señalado en color azul y el pulso mayor en
color rojo, los 60 diferentes niveles entran en el rango de 200 a 1600 µs.
Figura 59. Gráfica de pulso para impacto de menor y mayor duración.
Para caracterizar el comportamiento del solenoide, se realizaron pruebas en las que se define su
alimentación, la frecuencia de funcionamiento óptimo y el rango en que variando el ancho de
pulso se obtiene un impacto con diámetro variable. Estas pruebas se detallan en el capítulo 7.
0
1
2
3
4
5
6
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Ten
sió
n e
léct
rica
(vo
tl)
Tiempo (milisegundos)
65
Capítulo 6. Construcción del mecanismo.
La figura 60 es una fotografía de la máquina construida, con todos los componentes y elementos
ensamblados. Es esta imagen se aprecia el conector rotativo, al cual le salen 12 cables que sirven
para alimentar al motor de desplazamiento, al solenoide y el interruptor de fin de carrera, el cual
permite la comunicación con tales componentes aún y cuando la máquina está girando.
También se observa la banda dentada, que se encarga de transmitir el movimiento ejercido por el
motor de posición angular hacia el eje del centro de la máquina, el cual está acoplado a la
estructura que contiene al eje de desplazamiento.
Finalmente se puede observar un contrapeso, el cual no estaba considerado en el diseño original,
pero durante la última revisión del proyecto se encontró que el centro de masas no estaba en el
centro de la máquina y podría provocar cierta inclinación al girar la máquina y afectar el grabado
final. El contrapeso se calculó en base al peso del motor de desplazamiento y el cople que lo sujeta
a la estructura.
Figura 60. Máquina construida, vista frontal.
Conector rotativo
Banda dentada
Contrapeso
66
La figura 61 es una fotografía del detalle del eje de desplazamiento de la máquina, en esta se
señala en recuadro de color naranja el interruptor de fin de carrera, que está atornillado a uno de
los lados de la estructura de la guía de desplazamiento. El interruptor está fijo y no debe perder su
posición porque sirve para el centrado de la máquina y en caso de moverse, se perdería el ajuste
para colocar a la punta en el centro de la máquina y el grabado final tendría un círculo sin grabar
en el centro de la imagen.
Figura 61. Detalle máquina construida, vista posterior.
67
Capítulo 7. Pruebas y resultados.
7.1. Pruebas de desempeño.
Equipo utilizado: - Fuente de corriente directa a 5 volt, 12 volt y 40 volt, marca Philips.
- Detector de alta precisión de desplazamiento de pieza de metal, modelo ZX-EDA11, marca OMRON.
- Osciloscopio de señales mixtas, modelo MSO 4034, marca Tektronix.
- Osciloscopio de 4 canales, modelo TPS 2024, marca Tektronix. Componentes utilizados:
- Solenoide tubular lineal tipo PUSH modelo 195201-237, marca STA Ledex. - Estructura de pruebas.
Características del solenoide utilizado en pruebas:
Tabla 14. Desempeño del solenoide. (Ledex, 2006)
Máximo ciclo de trabajo 100% 50% 25% 10%
Máximo tiempo de encendido en pulso continuo. (segundos)
Infinito 50 5 2
Máximo tiempo de encendido para pulsos únicos. (segundos)
Infinito 140 30 8
Watts (20 °C) 3 6 12 30
Amperio-vuelta 268 379 536 847
Resistencia (20 °C) Vueltas VDC (Nom) VDC (Nom) VDC (Nom) VDC (Nom)
45.7 1008 12.2 17.0 24.0 38.0
Esta tabla se encuentra en la hoja de datos del fabricante del solenoide, nos basamos en la
información mencionada para seleccionar la tensión eléctrica para realizar las pruebas de amplitud
para el solenoide.
Además se tienen gráficas sobre el desempeño del solenoide. La gráfica de la figura 62 muestra las
curvas de comportamiento de la fuerza típica a temperatura ambiente comparando la fuerza en
Newton con el impacto en milímetros, esto a diferente ciclo de trabajo. Se observa que la mayor
fuerza se obtiene con un menor desplazamiento y con el ciclo de trabajo más bajo.
La gráfica de la figura 62 (Ledex, 2006) muestra las curvas de comportamiento de la velocidad sin
carga a temperatura ambiente, compara la velocidad en milisegundos con el impacto en
milímetros. Se observa en esta gráfica que la mayor velocidad se obtiene con un mayor impacto y
el ciclo de trabajo más bajo.
68
Figura 62. Curvas de comportamiento de solenoide.
7.1.1. Prueba 1, comportamiento de señal de salida de IGBT.
En esta prueba se comparó la tensión eléctrica pico a pico obtenido de la salida del IGBT, con la
configuración que se muestra en la figura 63. El diodo y las resistencias en paralelo con el
solenoide, representado por una bobina, se incluyeron para evitar un pico de tensión eléctrica
generado por el regreso de corriente por la bobina.
Figura 63. Diagrama de conexión de alimentación del solenoide para pruebas de desempeño.
69
Se registraron los valores de tensión eléctrica pico en la salida del IGBT para una frecuencia de 150
Hz, con el circuito de pruebas original y sin el diodo para observar el pico de tensión eléctrica
generado. En la figura 64 se observa el tensión eléctrica pico que ocurre cuando el PWM pasa a
nivel bajo, en el caso del circuito sin diodo el valor del tensión eléctrica pico alcanza los 640 volt,
mientras que si se añade el diodo y las resistencias en paralelo a la bobina el tensión eléctrica pico
disminuye a 42 volt, siendo esto una mejor opción para evitar regreso de tensión eléctrica alto por
medio del solenoide y evitar su desgaste, ya que este está diseñado para trabajar en modo
continuo a 12 volt y 250 mA.
Figura 64. Picos de tensión eléctrica registrados.
70
7.1.2. Prueba 2, comportamiento de desplazamiento del vástago.
La segunda prueba se realizó para conocer el comportamiento relacionado a la posición del
vástago del solenoide a una entrada de pulsos a diferente frecuencia pero manteniendo el mismo
ancho de pulso. El primer barrido de frecuencia tiene un rango de 156 Hz a 12 Hz, con un ancho de
pulso de 1.6 ms.
En esta prueba se comparó la señal de salida de tensión eléctrica del IGBT con la amplitud de la
onda generada por el sensor de desplazamiento. En la figura 65 se representa la posición de la
punta de diamante correspondiente al valor de la señal del sensor de desplazamiento. El nivel bajo
de la señal indica que el solenoide está desactivado y el resorte lo regresó a su posición original,
mientras que el nivel alto de la señal indica el desplazamiento que tuvo el vástago.
Figura 65. Representación desplazamiento vástago respecto a la señal.
En esta prueba se encontró un mejor desempeño entre los valores de 78 Hz y 52 Hz debido a que
en estas frecuencias el vástago del solenoide tiene mayor amplitud de recorrido, estos resultados
están graficados en la figura 66. La frecuencia natural o frecuencia de resonancia se encuentra
alrededor de los 65 Hz, donde la estructura de pruebas vibraba y la señal de desplazamiento era
inestable.
Figura 66. Ganancia en milivolt de desplazamiento, rango de frecuencia de 156 Hz a 12 Hz.
71
7.1.3. Prueba 3, cuadro 20 pixeles por lado.
Para comprobar el posicionamiento de la máquina y por consiguiente la correcta colocación de los
impactos producidos se realizó esta prueba, se grabó una imagen de un cuadrado de 20 pixeles
por lado con impactos de la misma intensidad. La prueba se realizó en 3 metales diferentes, acero
inoxidable, aluminio y cobre, se cortaron las placas en cuadrados de 1 centímetro por lado y se les
colocó alrededor un polímero que permitió sujetarlas para realizar desbaste y pulido para lograr
un acabado espejo y permitir un mejor análisis de cada pieza de metal.
En la figura 67 se observa el resultado del grabado de la imagen de un cuadro de 20 pixeles por
lado, que en el grabado final tiene por lado en promedio 4.6 milímetros. Se observa que los puntos
en el centro no están bien ubicados y comienzan a estar en la ubicación deseada en los puntos
más alejados del centro, esto se debe a que la máquina siempre está girando a la misma velocidad
en cualquier posición, a una revolución por segundo, o no está ubicada la punta en el centro de la
máquina. Además se observa que las filas no forman líneas rectas ni en horizontal ni en vertical, se
tiene cierta desviación debido a que la máquina tiene juego mecánico de 0.15 mm entre la tuerca
y el tornillo de precisión.
En la figura 68 se aprecia con la ayuda de una rejilla como los puntos de los impactos más alejados
del centro están mejor colocados, la mayoría de esos impactos caen dentro del recuadro de
posición que le corresponde.
Figura 67. Matriz de impactos de 20 puntos por lado.
Figura 68. Matriz de impactos con rejilla.
72
En la figura 69 se muestra el detalle del centro del grabado de la matriz de 20 impactos por lado,
se observa que están todos los puntos que se enviaron a grabar, pero los impactos aparecen con
cierta desviación en el ángulo de su posición.
Figura 69. Detalle del centro de la matriz de impactos.
En las figuras 70 y 71 se muestran acercamientos a dos impactos. En la figura 70 se muestra un
impacto realizado de forma correcta porque su circunferencia está bien definida, pero en la figura
71 se observa un impacto con un error en la parte superior derecha, provocado porque la punta
llegó a la superficie del metal en una posición pero se desplazó mientras continuaba el impacto
por el juego mecánico.
Figura 70. Impacto correcto.
Figura 71. Impacto con error por juego mecánico.
73
7.1.4. Prueba 4, impactos diferente fuerza en metales.
Para formar el pulso que genera el impacto se realizaron pruebas para conocer cuánto tiempo era
necesario activar el solenoide. Alimentando el solenoide con 40 volt el mínimo impacto se produce
con un tiempo de activación estimado en 400 milisegundos, por lo que se comenzó en 200
microsegundos para probar con mayor certeza si con este tiempo se produce una marca. El mayor
impacto considerando el tiempo que requiere el solenoide para regresar a su posición de reposo
es de 1600 microsegundos, puesto cada impacto se puede dar cada 2600 microsegundos.
Conociendo el tiempo mínimo y máximo de impacto se realizó esta prueba para determinar el
diámetro según el tiempo en activo del pulso de impacto en placas de aluminio, cobre y acero
inoxidable. Se cortaron las placas de diferente metal en cuadrados de 1 centímetro por lado y se
les colocó alrededor un polímero que permitió sujetarlas para realizar desbaste y pulido para
lograr un acabado espejo y permitir un mejor análisis de cada pieza de metal. Como referencia
para la posición en el grabado y el análisis en microscopio se cortó una esquina de cada muestra,
esto se observa en la figura 72.
Figura 72. Probeta de acero inoxidable.
Para hacer la prueba se envió una secuencia de impactos con diferente ancho de pulso y con cierta
separación entre impacto. Los pulsos empezaban en 466 microsegundos y aumentaban en 23.3
microsegundos hasta llegar a 2041.2 microsegundos, en total era una serie de 64 pulsos con
diferente tiempo en activo. Se realizó la misma prueba en aluminio, cobre y acero inoxidable, la
misma secuencia se grabó en el metal y se realizó la medición con el apoyo de un microscopio
óptico a 100 aumentos. En la figura 73 se muestra una parte de la secuencia de impactos a
diferente tiempo en activo en acero inoxidable, se aprecia un 10x que con el aumento del
acoplamiento de la cámara obtenemos 100x o 100 aumentos y en letras pequeñas se observa la
leyenda de 100 µm, la cual es la medida de la referencia que se observa en la parte inferior de la
imagen.
74
Figura 73. Parte de secuencia de impactos en acero inoxidable.
La secuencia de impactos se realizó en dos líneas debido al tamaño de las piezas de metal, se
enviaron primero 32 puntos y después los siguientes 32, como se observa en la figura 74. Se
programó una secuencia para los 64 puntos en los que avanza 80 pasos el motor y envía un
impacto, por lo que todos los puntos están separados por la misma distancia. Se esperan las líneas
formen dos líneas rectas, pero por el juego mecánico existente en la tuerca y tornillo de precisión
como resultado se obtiene una línea con pequeñas ondas que se repiten.
Figura 74. Secuencia de impactos en placa de metal.
75
En la figura 75 se muestra una gráfica que compara los diámetros obtenidos en la secuencia de
impactos. Para generar esta gráfica se midió el diámetro de cada punto usando análisis de
imágenes en Octave donde se calculó el promedio del diámetro de cada impacto en la secuencia,
las imágenes utilizadas fueron las tomadas en el microscopio óptico y apoyándonos en la medida
de referencia. La gráfica muestra el diámetro obtenido para cada tiempo en activo de los pulsos,
se puede observar que los diámetros más grandes se obtuvieron en el aluminio debido a que es un
material más dúctil. En contraparte el acero inoxidable permite menor penetración de la punta de
diamante por lo que los diámetros observados son de menor tamaño.
Con este análisis se puede determinar la fuerza requerida para realizar un tamaño de diámetro por
impacto en cada metal y ajustar la fuerza en el aluminio y el cobre para obtener diámetros
aproximados a los obtenidos en el acero inoxidable y proveer un grabado uniforme sin importar el
material a grabar.
Figura 75. Gráfica comparativa de diámetro de impacto en los 3 metales.
0
50
100
150
200
250
700 900 1100 1300 1500 1700 1900
Diá
me
tro
de
imap
cto
(m
icro
me
tro
s)
Tiempo (microsegundos)
Aluminio
Cobre
Acero Inox
76
El impacto con menor diámetro se muestra en la figura 76 y el mayor impacto se muestra
en la figura 77. El metal utilizado es acero inoxidable, se aprecia que el menor impacto
tiene diámetro cercano a 20 micrómetros similar a la distancia de la línea de referencia.
Para el mayor impacto el diámetro medido es de 135 micrómetros aproximadamente.
Figura 76. Impacto menor diámetro en acero inoxidable.
Figura 77. Impacto mayor diámetro en acero inoxidable.
77
7.1.5. Prueba 5, pruebas con puente H.
En el apéndice B.7 se muestra el diagrama de circuito puente H que básicamente utiliza opto
acopladores para proteger el origen de las señales de control, un regulador de 5 volt, 2
manejadores de medio puente y los 4 IGBT en arreglo de puente H. El circuito con arreglo de los
IGBT en puente H permite enviar un pulso positivo al solenoide que lo activa e inmediatamente un
pulso negativo con mínima duración para observar si tiene efecto en el regreso del solenoide a su
posición de reposo.
Este pulso en sentido contrario se observa en la figura 78, el canal 2 de las señales digitales
representa el pulso que activa al solenoide en un sentido, el canal 3 de las señales digitales
representa el pulso negativo que cambia la polaridad de la alimentación del solenoide. Este pulso
tiene un efecto en el voltaje del solenoide, la señal de color rojo es la señal M, por ser una función
matemática en el osciloscopio, muestra un pulso que eleva el voltaje del solenoide. La señal de
color amarillo, el canal 1 analógico del osciloscopio representa la señal del sensor de
desplazamiento, con su ayuda observamos cómo se desplaza el solenoide y sabremos si regresa a
su posición de reposo con mayor velocidad con la ayuda del pulso inverso al solenoide.
Figura 78. Captura señal prueba con pulso inverso.
78
En la prueba para obtener el desempeño del solenoide con y sin puente H, se encontró que el
máximo tiempo que tarda en regresar a su posición inicial es de 700 microsegundos, basado en la
prueba de pulsos continuos donde se observa que la señal de la posición del solenoide regresa a la
posición original justo antes de que se envíe el siguiente impacto. En la figura 79 los recuadros
punteados de color verde señalan el periodo en que el solenoide está en su posición de reposo
antes de comenzar el siguiente impacto. Esta prueba se realizó a la frecuencia de funcionamiento
del prototipo, 400 Hz, y simulando la máxima frecuencia de impactos.
Figura 79. Impactos de mayor duración.
En la figura 80 se observa un impacto de menor duración en donde el solenoide tarda en regresar
a su posición de reposo alrededor de 200 microsegundos.
Figura 80. Impactos de menor duración.
79
En esta prueba se comparó el desplazamiento y la tensión eléctrica del solenoide, alimentado por
medio del circuito de potencia cuyo diagrama está en el apéndice B.4 y alimentado por el circuito
puente H cuyo diagrama está en el apéndice B.7. El objetivo de la prueba es observar el efecto que
tiene la tensión eléctrica del solenoide con y sin la utilización del puente H, al mismo tiempo que
se observa su desplazamiento.
En la figura 81 se muestra el voltaje del solenoide comparándolo con la implementación del
puente H y sin el puente H, observamos que la tensión eléctrica del solenoide regresa a su estado
de reposo 40 microsegundos más rápido cuando se utiliza.
Figura 81. Gráfica comparativa de voltaje en solenoide con y sin puente H.
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0.0
02
18
13
0.0
02
33
79
0.0
02
49
45
0.0
02
65
11
0.0
02
80
77
0.0
02
96
43
0.0
03
12
09
0.0
03
27
75
0.0
03
43
41
0.0
03
59
07
0.0
03
74
73
0.0
03
90
39
0.0
04
06
05
0.0
04
21
71
0.0
04
37
37
0.0
04
53
03
0.0
04
68
69
0.0
04
84
35
Ten
sió
n e
léct
rica
so
len
oid
e (
Vo
lt)
Tiempo (segundos)
Con puente H
Sin puente H
80
En la figura 82 se muestra la comparación del voltaje del sensor de desplazamiento con la
implementación del puente H y sin usar el puente H, se observa que utilizando el puente H le toma
casi el mismo tiempo regresar a su posición que sin utilizarlo. Con esto concluimos que no cambia
la velocidad de regreso de la punta de diamante a su posición de reposo o a la velocidad con la
que estamos trabajando no se observa cambio significativo.
Figura 82. Gráfica comparativa de voltaje de sensor de desplazamiento con y sin puente H.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2-0
.00
50
00
-0.0
04
80
5
-0.0
04
61
0
-0.0
04
41
6
-0.0
04
22
1
-0.0
04
02
6
-0.0
03
83
1
-0.0
03
63
6
-0.0
03
44
2
-0.0
03
24
7
-0.0
03
05
2
-0.0
02
85
7
-0.0
02
66
2
-0.0
02
46
8
-0.0
02
27
3
-0.0
02
07
8
-0.0
01
88
3
-0.0
01
68
8Ten
sió
n e
léct
rica
se
nso
r d
esp
laza
mie
nto
(V
olt
)
Tiempo (segundos)
Con puente H
Sin puente H
81
7.2. Resultados.
7.2.1. Grabado código bidimensional.
Al iniciar el proyecto una de las necesidades que se quería cubrir y una justificación válida para
desarrollar el prototipo de grabado en metal era la impresión o marcado de un código de dos
dimensiones en cualquier metal que pudiera ser identificado con una cámara y procesado para
adquirir la información contenida, esto porque en la industria se requiere realizar grabados en las
partes de metal fabricadas que mantengan la información por largo tiempo y que pueda ser leída
esa información de manera eficiente.
Generar códigos de dos dimensiones requiere un grabado con cierta precisión para que pueda ser
leída la información contenida. Los programas lectores de códigos de barra permiten cierto error
en la impresión del código, pero no puede desviarse demasiado porque se pierde información.
En la figura 83 se muestra una imagen de un grabado de un código de dos dimensiones en una
placa de acero inoxidable. Se puede observar que los puntos del centro no están bien orientados y
que en las diagonales la desviación de los puntos es considerable, esto debido al juego mecánico o
a la falta de ajuste de la velocidad para mejorar la precisión. Este código no pudo ser leído por
ningún software de captura y procesamiento de códigos, además de la falta de precisión, se debe
considerar la correcta iluminación para que no afecten los reflejos de la placa de metal en la
imagen capturada.
Figura 83. Grabado de código de dos dimensiones en acero inoxidable.
82
7.2.2. Grabado de caracteres.
En la figura 84 se muestra fotografía del grabado de una serie de caracteres, que incluye números,
símbolos y letras. La desviación de los puntos no es tan notoria en esta imagen porque son pocos
puntos en el grabado y todos los caracteres grabados se pueden identificar fácilmente.
Figura 84. Grabado de caracteres en acero inoxidable.
7.2.3. Grabado de fotografías.
En la figura 85 se muestra imagen de grabado de una fotografía de 40 pixeles por lado. El grabado
se hizo en acero inoxidable y las fotografías se aprecian sin errores debido a que varía la
intensidad del punto y no se puede comparar tan fácil la desviación por la diferencia de tamaño de
cada impacto contiguo.
Figura 85. Grabado de fotografía.
83
7.2.4. Especificaciones del prototipo de máquina de grabado.
Tomando en cuenta el análisis de diseño del mecanismo, se diseñaron e implementaron las
siguientes especificaciones técnicas:
1.- Control electrónico que envía señales de pulso al solenoide.
2.- Guía de la estructura de 20 cm de largo.
3.- Consta de dos motores para posicionar al solenoide. Uno genera avance lineal con un tornillo
sin fin. Otro motor genera el posicionamiento angular.
4.- Utiliza la técnica de micro percusión, un solenoide electromagnético que hace actuar un
vástago acoplado a una punta de diamante.
De forma general se cubren con el prototipo construido, solamente el punto 2 donde la guía no
mide 20 cm de largo pero la longitud con la que cuenta permite desplazarse para abarcar la
superficie definida de 2.5 centímetros por lado.
En general las siguientes características definen los límites con los que cuenta el prototipo:
Puede grabar imágenes en formato “.jpg” de hasta 100 pixeles por lado.
Cada pixel representa un impacto en el grabado.
El tamaño máximo de grabado es de 2.5 centímetros por lado.
De los 255 niveles disponibles en la escala de grises se utilizan solo 60.
La máquina puede grabar en cualquier posición, siempre y cuando se asegura la pieza a
grabar y que la máquina no pierda su posición de inicio.
Puede alimentase con una fuente de 12 volt.
Realiza grabados a una revolución por segundo.
84
Capítulo 8. Conclusiones.
Conociendo las diferentes técnicas de grabado en metal podemos establecer cuál es el alcance
que tiene el mecanismo y si realmente la técnica de micro percusión ayuda a cumplir con los
objetivos del proyecto. La técnica de micro percusión es económica, pero no es la más rápida ni la
más precisa. Durante las pruebas se observó que el posicionamiento polar ayuda a que el grabado
con la técnica de micro percusión sea más rápido, a comparación del grabado por coordenadas
cartesianas el posicionamiento polar coloca al solenoide en la posición a impactar, realiza el
impacto pero sigue girando dirigiéndose a la siguiente posición. A simple vista parece que la
máquina no se detiene y gira a velocidad constante de una revolución por segundo.
Realizando la comparación con las máquinas existentes en el mercado, del tipo portátiles, se
obtienen características de desempeño que son considerados como retos técnicos a vencer. El
espacio de trabajo y velocidad de impresión son características de alta importancia que se
consideraron en el análisis y diseño del mecanismo. Un punto importante fue el conocer las
ventajas del actuador empleado desde el inicio, además de las desventajas para conocer por
dónde empezar a realizar mejoras. El diseño de la máquina permite al prototipo colocarse sobre la
placa a grabar y esta puede ser de cualquier tamaño e incluso puede estar inclinada o en posición
vertical siempre y cuando se asegure que no pierda la posición tanto la máquina como la pieza a
grabar durante el proceso de grabado.
Para el diseño conceptual del mecanismo se analizaron las necesidades del cliente, que en este
caso son los asesores del proyecto, para poder traducirlas en requerimientos ingenieriles de la
máquina. Esto ayuda en gran medida a reducir el tiempo dedicado a modificaciones y el proceso
de diseño debido a falta de especificaciones. En la fase 1 se realizó un análisis de calidad,
obteniendo las necesidades del cliente y la forma de resolverlas. En la fase 2 se realizó el análisis
del producto para conocer las especificaciones de los componentes y partes de la máquina
impresora de metales. El análisis de identificación de las necesidades más importantes y
traducirlas a especificaciones técnicas, ayudó en la fabricación de un prototipo el cual requirió
pocas modificaciones una vez que se tenían las medidas reales.
Al conocer la forma en que funciona el solenoide, actuador principal, se puede analizar de qué
manera se puede optimizar su funcionamiento. Para complementar del diseño y funcionamiento
de la máquina, se diseñó una interfaz gráfica para la adecuación de las imágenes a grabar en un
código que pudiera interpretar de manera eficiente el microcontrolador. El diseño de un programa
eficiente dentro del microcontrolador fue crucial, debido al poco tiempo para procesar los valores
de cada impacto definido como máximo la duración entre cada paso del motor de rotación,
alrededor de 2.5 milisegundos.
85
Los resultados obtenidos en las pruebas de medición de impactos y su posición fueron
satisfactorios, aunque la precisión obtenida no parece ser un producto de alta calidad, no es fácil
lograr una excelente precisión cuando se habla de posicionamiento de puntos en micrómetros. Se
encontraron errores como el juego mecánico y la falta de ajuste de la velocidad de grabado que
pueden ayudar a mejorar el resultado de la máquina, pero no será posible realizar estos ajustes en
el presente proyecto.
El juego mecánico está presente entre el tornillo y la tuerca de precisión, puede ser debido a que
la tuerca es de un polímero y posiblemente sufrió alguna deformación o porque falta otro eje que
no permita a la estructura que sujeta al solenoide girar con respeto al tornillo de precisión. La
mejora del control de velocidad se puede desarrollar variando la frecuencia de giro considerando
el radio en que se está grabando. En general el resultado de los grabados obtenidos es de buena
calidad, la precisión que ofrece la máquina es aceptable para el grabado de código, nombres,
logotipos o fotografías y se repiten los resultados si se realiza el grabado de una misma imagen
tantas veces se desee.
El puente H no se empleó para realizar los grabados en las pruebas de variación en el pulso de
impacto y grabado de matriz de 20 puntos por lado, se probó solamente para observar que efecto
producía al introducir un pulso negativo de corta duración en la velocidad del regreso de la punta
de diamante a su posición de reposo. No se encontró una mejora significativa en la velocidad con
la que el resorte regresa a la punta a su posición de origen.
En cuanto a las fallas encontradas en los impactos, se puede considerar que solo una punta de
diamante fue utilizada para el grabado de alrededor de 200 imágenes en su mayoría sobre acero
inoxidable y posteriormente empleada para realizar las pruebas sobre las probetas con acabado
espejo, por lo que pueden ser defectos en el impacto por desgaste de la punta. En un cálculo
aproximado la punta utilizada realizó 200 grabados, con un total aproximado de 680,000 impactos
y aún continúa realizando impactos que, observados con una lupa, mantienen su forma circular.
El ajuste de los diferentes diámetros de impacto de 255 a 60 fue debido a la velocidad de
interrupción del microcontrolador, se requiere de un mayor procesamiento para obtener
interrupciones con menor duración y contar con divisiones en el orden de los microsegundos para
variar el ancho de pulso para impactar con un amplio rango. El microcontrolador utilizado es
estable, no presenta variación en los pulsos y permite realizar el almacenamiento de datos en la
memoria de forma eficiente, por lo que sería bueno considerar utilizar uno de la misma marca con
mayor velocidad de procesamiento.
En caso de que se requiera grabar en un área mayor se debe realizar un diseño nuevo al prototipo
de máquina. Si lo que se requiere es grabar con mayor cantidad de puntos lo que se requiere es
adquirir una memoria de mayor capacidad y un microcontrolador con mayor número de puertos
de comunicación disponibles para el direccionamiento de las posiciones en la memoria.
86
En la tesis se presenta el diseño, desarrollo y construcción de un prototipo de máquina de grabado
en metal a partir de una imagen digital, la cual utiliza posicionamiento por coordenadas polares,
utiliza la técnica de micro percusión empleando una punta endurecida de diamante y es portátil.
Los elementos centrales son: un solenoide lineal de tipo empuje el cual tiene acoplado al vástago
la punta de diamante, el control simultáneo de los motores de posicionamiento polar e impacto
del solenoide con diferentes niveles de intensidad y el diseño, fabricación y construcción de una
máquina de grabado portátil.
Las características principales del prototipo son: el bajo costo de sus componentes, se puede
alcanzar alta resolución en el grabado, se pueden obtener hasta 60 diferentes niveles de impacto y
se puede grabar en metales duros y suaves con la misma punta endurecida. La máxima resolución
del prototipo de posicionamiento polar es de 6 micrómetros. El diámetro de los impactos está
definido en un rango entre 40 y 270 micrómetros dependiendo de la dureza del material, se probó
en acero inoxidable, cobre y aluminio.
Un requisito importantes es que la superficie de la pieza a grabar tenga alto grado de planitud, 0.2
mm de tolerancia, para asegurar que el diámetro de los impactos sea proporcional a la escala de
grises ajustada a 60 niveles. Para obtener resultados óptimos, las diferentes piezas de metal se
prepararon para eliminar rayas, pequeños impactos o posibles deformaciones y evitar tener
irregularidades que afectaran la calidad en las pruebas y permitir un mejor análisis en el
microscopio. Esta preparación se realizó de la misma forma en que se preparan las muestras para
el análisis metalográfico, se monta la pieza a analizar en un polímero, se desbasta y se pule hasta
obtener un acabado espejo.
87
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90
Apéndice.
Apéndice A. Diseño a detalle de la máquina de grabado.
Eje de desplazamiento.
91
Eje marco.
92
Guía desplazamiento horizontal.
93
Guía desplazamiento lado 1.
94
Guía desplazamiento lado 2.
95
Marco lateral.
96
Marco transversal.
97
Soporte base solenoide.
98
Soporte motor desplazamiento.
99
Soporte motor de rotación.
100
Soporte tuerca y balero.
101
Tornillo de bolas.
102
Unión.
103
Unión soporte base solenoide lado 1.
104
Unión soporte base solenoide lado 2.
105
Apéndice B. Diagramas y diseño de PCB.
B.1 Diagrama de circuito electrónico de la interfaz de control y comunicación.
106
B.2 Diseño de tarjeta electrónica de la interfaz de control y comunicación. Vista de componentes y
tarjeta fabricada.
107
B.3 Diseño de tarjeta electrónica de la interfaz de control y comunicación. Tarjeta fabricada a 2
caras, vista de capa superior y cara inferior de pistas.
108
B.4 Diagrama de circuito electrónico de potencia.
109
B.5 Diseño de tarjeta electrónica de potencia. Vista de componentes y tarjeta fabricada.
110
B.6 Diseño de tarjeta electrónica de potencia. Tarjeta fabricada a 1 cara, vista de pistas.
111
B.7 Diagrama de circuito puente H.
112
B.8 Diseño de tarjeta circuito puente H. Vista componentes.
113
Apéndice C. Programas.
C1. Programa de interfaz gráfica en Octave.
%programa_maquina_txt p=kg load image; pkg load mapping; %Paquetes con funciones requeridas i=imread(imagen.jpg'); %Asigna "imagen.jpg" a matriz 'i' igr=imrotate(i,270); %Gira la matriz i, 270 grados iginv=256-igr; %Invierte los valores de cada pixel, 0-256, 256-0 ig=fliplr(iginv); %Voltea la matriz 'iginv' de derecha a izq l=length(ig); %Obtiene valor de longitud de matriz 'ig' resoluciong=0.5; %Resolución en mm. Espacio entre pixeles pasos_m_d=200; %Pasos/vuelta de motor de desplazamiento dist_paso_d=(((1/20.8)*25.4)/pasos_m_d); %Distancia por paso en mm (((paso)*inch a mm)/pasos motor distancia) angulo_paso=1.8/2; %Resolución en grados. 360/200=1.8, 1.8/2=0.9, 2 micropasos j=1; %Inicializo j en 1. %//Ciclo que recorre cada valor de pixel de imagen, (x,y) for x=1:1:l for y=1:1:l xp=x-(l/2); %Obtiene primero los valores del centro de imagen, eje x yp=y-(l/2); %Obtiene primero los valores del centro de imagen, eje y [Theta, Rho]=cart2pol(xp,yp); %Convierte coordenadas cartesianas a polares g(x,y)=atan(yp/xp); % t(x,y)=radtodeg(Theta); %Asigna el valor de 'Theta'(ángulo) a matriz t if(t(x,y)<0) %A los ángulos negativos los convierto en positivos t(x,y)=t(x,y)+360; %+360°, para colarlo en cuadrante correcto end r(x,y)=Rho; %Asigna el valor de 'Rho'(dist) a matriz r [xpl,ypl]=pol2cart(Theta, Rho); %Convierto de coord polares a cartesianas para verificar funciones if(ig(x,y)>20) %Si el valor del pixel es menor a 20, no genero posición para impacto m(j,1)=r(x,y); %Agrego valor de 'r' a la columna 1 de matriz 'm' m(j,2)=t(x,y); %Agrego valor de 't' a la columna 2 de matriz 'm' m(j,3)=ig(x,y); %Agrego valor de 'ig' a la columna 3 de matriz 'm' mp(j,1)=(r(x,y)*resoluciong)/dist_paso_d; %Agrego valor de 'r' convertido a pasos mp(j,2)=t(x,y)/angulo_paso; %Agredo valor de 't' convertido a pasos mp(j,3)=ig(x,y); %Agrego valor de 'ig' a matriz 'mp' mpr(j,1)=round((r(x,y)*resoluciong)/dist_paso_d); %Redondeo de pasos de distancia mpr(j,2)=round(t(x,y)/angulo_paso); %Redondeo de pasos de ángulo mpr(j,3)=ig(x,y); %Agrego valor de 'ig' sin convertir a matriz 'mpr' grados=degtorad(mpr(j,2)*angulo_paso); %Prueba [x1,y1]=pol2cart(grados,(mpr(j,1)*dist_paso_d)/resoluciong); %Prueba %plot(x1,y1,'bo','MarkerSize',v_punto,'MarkerFaceColor','b','MarkerEdgeColor', 'b'); j=j+1; %Aumento j, hasta llegar al valor de longitud de la imagen end end end mpr_micro=sortrows(mpr); %Creo matriz 'mpr_micro', almaceno en orden de menor a mayor la matriz mpr dlmwrite("imagen.txt", mpr_micro, 'delimiter', ',', 'precision','%04.0f' ) %Escribo matriz en archivo ASCII fid=fopen(imagen.txt','a'); %Abro el archivo para escribir al final fprintf(fid,'FFFFFFFFFFFFFF\r\n'); %Escribo caracteres en última línea de archivo fclose(fid); %Cierro el archivo de texto
114
C2. Programa de control en microcontrolador PIC18F4553.
#include <18f4553.h> //Librería PIC18F4553 #include <stdio.h> //Librería entradas y salidas #INCLUDE <stdlib.h> #INCLUDE <string.h> #fuses HS,PLL1,CPUDIV1,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,PLL1,CPUDIV1,NOPUT,NOBROWNOUT,NOVREGEN,NOPBADEN,NOUSBDIV,NOPBADEN,NODEBUG #use delay(clock=40000000) //Frecuencia de reloj externo 40MHz #use rs232(baud=38400,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,BITS=8,PARITY=N,) // Rx PIN_C6 , Tx PIN_C7 #use standard_io(A) //Entradas y salidas en modo estándar, puertos A, B, D y E #use standard_io(B) #use standard_io(D) #use standard_io(E) #define IM PIN_A0 //Pin para impacto #define Dir1 PIN_A1 //Pin para dirección 1 de impacto #define Dir2 PIN_A2 //Pin para dirección 2 de impacto #define M1 PIN_A3 //Pin para pasos de motor 1 #define M2 PIN_A4 //Pin para pasos de motor 2 #define CE PIN_C0 //Pin habilitación de memoria SRAM #define WE PIN_C1 //Pin escritura memoria SRAM #define OE PIN_C2 //Pin salida memoria SRAM #define LOE PIN_E0 //Pin habilitación de salida de latch #define LE PIN_E1 //Pin habilitación de latch //Variables de programa int alm,p_imp,ramDat,ramDir_l,ramDir_h,T0=0,T1=0,T2=0,T3=0,T4=0,c_impacto=0; int b_pos_limite=0,b_fin_curva=0,b_a_cero=0,b_impacto1=0,b_leevalor=0,b_Dir1=0; int datoSRAMa_h, datoSRAMa_l, datoSRAMd_h, datoSRAMd_l, datoSRAMi, grabado=0; char entrada[80], valor_d[6], valor_r[6], valor_i[5]; unsigned long v_d,v_r,cont_l,v_i=0,j=0,cont,ramDir,t_T1,c_T1=0,vi_curva; unsigned long ci,ca,ca_c=0,cd,cd_c=0,cdn=0,imp,datoSRAMa=0,datoSRAMd=0; float freq_curva; void inic(){ //Inicialización de variables void inic_1(){ //Inicialización de variables 1 void leeSRAM_v(){ //Función para leer valores de memoria SRAM, con carácter de salida void leeSRAM(){ //Función para leer valores de memoria SRAM void escSRAM(){ //Función para escribir memoria SRAM void get_string(char* s, unsigned int8 max) {//Función para leer correctamente cadenas
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void enviar_paso_a(){ //Envía paso a motor angular 'a'. void enviar_paso_d(){ //Envía paso a motor de desplazamiento 'd'. void enviar_paso_dp(){ //Envía paso a motor de desplazamiento 'd'. void enviar_paso_dn(){ //Envía paso a motor de desplazamiento 'd'. void habilitarINT(){ //Habilita interrupciones. #INT_TIMER1 //Configuración de interrupción del timer 1. void TIMER1_int(void){ set_timer1(65336); t_T1=1; } //--PROGRAMA PRINCIPAL--------------------------------------------------------------------------- void main() { habilitarINT(); inic(); freq_curva=20; T0=5; while(TRUE){ switch(T0)//Tarea inicial, recibe y almacena datos de grabado. switch(T1)//Curva de arranque motor rotación, inicio grabado, lee valores de memoria switch(T2)//Envía pasos a motor angular, cambio de círculos si no hay punto y verifica si termino el grabado. switch(T3)//Envía paso a motor de desplazamiento. switch(T4)//Envía alto de pulso para impacto y dirección. }