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Brazo Robtico para Recoleccin de Muestras de Perfiles de Aluminio

C. Castillo, S. Erazo y D. Pez.

Universidad Internacional del Ecuador.

Resumen La empresa CEDAL, en la lnea de produccin de perfiles, dentro de sus procesos de calidad, requiere extraer una muestra del lote de piezas de aluminio para ser llevada a un laboratorio. Se dise un prototipo de brazo robot el cual debe ser ubicado a la salida del proceso de extrusin de los perfiles de aluminio, donde el brazo recoge una muestra de un perfil y la organiza para ser llevada al laboratorio.

A continuacin se presentarn los clculos realizados y los resultados de la aplicacin de los mismos a la vida real as tambin como las conclusiones para aplicarlo en la empresa.

ndice de Trminos Aluminio, Brazo robtico, CEDAL, Corte, Mecanismos, Motores, Muestras, Perfiles, Servomotores

I. INTRODUCCIN EDAL (Corporacin Ecuatoriana de Aluminio S.A.) es una compaa ecuatoriana dedicada a producir y comercializar perfilera y otros

productos extrudos de aluminio para uso arquitectnico y estructural. La empresa requiere extraer una muestra del lote de piezas de aluminio para ser llevada a un laboratorio, por lo tanto se plante una solucin a travs del diseo de un prototipo que cumpla con la tarea de tomar una pieza que actualmente se realiza de forma manual.

En la actualidad existen varios tipos de modelos de brazo robticos que pueden ser usados para esta aplicacin. En este caso se utilizar un brazo robtico que conste de una columna que gira sobre la base y en el extremo un eje deslizante que se desplaza en el eje Z. El brazo slo puede realizar movimientos en un plano. El extremo del brazo contiene un eje deslizante que se desplaza en el eje Z.

II. DISEO DEL PROTOTIPO Inicialmente se realiz un bosquejo de cmo sera

el prototipo. El diseo mecnico se bas en ese bosquejo con el objetivo de ver si lo que se estaba

C. Castillo es estudiante de cuarto semestre de la carrera de

Ingeniera Mecatrnica de la Universidad Internacional del Ecuador. (e-mail: criscas465@gmail.com).

S. Erazo es estudiante de cuarto semestre de la carrera de Ingeniera Mecatrnica de la Universidad Internacional del Ecuador. (e-mail: sebaserazo1@hotmail.com)

D. Pez es estudiante de cuarto semestre de la carrera de Ingeniera Mecatrnica de la Universidad Internacional del Ecuador. (e-mail: dan-rps@hotmail.com)

pensando construir era posible.

A. Bosquejo El bosquejo se realice de tal manera que el diseo

fuera simple pero cumpliera el objetivo. nicamente se tena que tomar el perfil una vez que este salga de la lnea de produccin. Se decidi simular ese proceso con una banda trasportadora. El brazo solo debera tomar la pieza, girar 180 y soltar la pieza. Se pens en colocar un sensor que activara el brazo nicamente cuando detecte un perfil de aluminio.

Fig. 1. Bosquejo del prototipo.

En este bosquejo se puede observar que se

necesitan dos servomotores para controlar las dos pinzas de la mano. La mano es el conjunto de pinzas y servomotores que tomarn el perfil de aluminio. Esta mano debe ser capaz de subir y bajar, solo desplazarse en el eje vertical. Para esto se puede usar un motor DC, una polea, una cuerda y unas guas.

El brazo tiene la forma que podemos observar en la figura, consta de dos piezas rectangulares de aluminio fijas entre s formando un ngulo de 90. Para que el brazo pueda desplazarse en el eje horizontal debe tener un servomotor en la base. Este servomotor le permitir realizar giros de hasta 180.

Por lo tanto se debe dimensionar tres servomotores y un motor DC. Tambin se tiene que obtener las dimensiones de las piezas de aluminio que deben ser utilizadas en base a los pesos con los que se trabaja para que la estructura no colapse.

Poco a poco, mientras se avanzaba en los clculos

C

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se fue modificando poco a poco el bosquejo. A continuacin se presentan los clculos del diseo mecnico que se realizaron para obtener el modelo final.

B. Diseo Mecnico Primero se dimension los servomotores de la

Mano. Como se dijo anteriormente, esto servos sern los encargados de abrir y cerrar las pinzas de la mano para tomar la pieza.

Fig. 2. Diagrama de cuerpo libre de la pinza.

Se estima que la masa del perfil de aluminio puede llegar a ser de hasta 500g. Se supondr el peor de los casos as que se tomar la masa como 500g. Entre la pinza y el perfil de aluminio se debe colocar caucho para que al tomar la pieza esta no se deslice hacia abajo. En este caso se toma el coeficiente de friccin entre el caucho y el aluminio seco que es =0.56. Se calcular la fuerza F necesaria para obtener el torque del servomotor. Por lo tanto:

= 0 (1)

Realizando el anlisis de sumatoria de fuerzas dio como resultado la siguiente formula.

=

(2)

Remplazando los valores de la masa, gravedad y el

coeficiente de friccin dio como resultado una fuerza

=1.53N (3)

Para encontrar el torque necesario se aplic la

siguiente formula.

= (4)

Sabiendo que la distancia para la aplicacin es 0.0544

metros. Se obtiene un torque de:

= 0.842 (5)

Sabiendo que un motor debe trabajar al 50 % el torque

real es:

= 1.68 (6)

El siguiente paso fue calcular el peso total de las

pinzas ms la muestra de perfil de aluminio. Por lo

que se toma encuentra la masa de cada objeto que

compone la pinza y la masa del perfil dando un valor

aproximado de 1.4Kg.

Fig. 3. Diagrama de las pinzas con cada componente

Aplicando la frmula de peso se obtiene:

= (7)

Donde m es la masa y g la gravedad.

= 13.7 (8)

Despus de saber el peso mximo que contendr la

pinza se dimensiono la potencia que requerir el

motor para poder levantar esa cantidad de peso.

Utilizando la frmula de potencia:

=

(9)

Donde h es la altura que tendr que elevarse la carga

y t el tiempo en el cual requerimos que suba.

Teniendo como h=0.25 m y t=5s.

= 0.6867 (10)

Como lo vimos antes un motor debe trabajar en el

50% de su capacidad se obtiene los siguientes datos

requeridos para el motor.

= 30 (11)

= 3 (12)

= 1.5 (13)

El paso siguiente que se realizo es el

dimensionamiento del perfil de la estructura del brazo

robot. En la cual se aplic la siguiente frmula:

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=

(14)

Donde n es el factor de correccin, Mf es momento

de torsin y Sy es una propiedad del material a usar,

en este caso aluminio.

= 0.06125 (15)

El valor de Wx se lo busca en una tabla de perfiles

normalizados y se encuentra los valores del perfil de

aluminio que se requiere.

En la tabla el ms prximo al valor encontrado es:

Fig. 4. Perfil Normalizado

= 0.332 (16)

= 1.5 (17)

= 1.5 (18)

= 1.5 (19)

Por ltimo se dimensiona el ltimo componente que

es el servomotor que permite el giro del brazo robot

de 0 a 180 grados, para el siguiente dimensionamiento

se aplic la frmula de torque:

= (19)

Donde I es el momento de inercia y es la

aceleracin angular del servomotor.

Fig. 5. Diagrama de brazo robot para el clculo de torque

El momento de inercia de todo el brazo se encontr

que es I=0.0565kg* y la aceleracin angular

teniendo los valores que el servomotor recorre 60

grado en 12 s y asumiendo que el brazo girara de 0

grados a 180 grados en 10s se obtiene un =

0.872

se obtiene un torque:

= 0.501 (20)

Por lo que el torque final ser:

= 1 (21)

C. Diseo electrnico A continuacin, en la figura 3 se muestra la placa

que se utiliz para poder controlar todo el sistema de

brazo robot.

Fig. 6. Placa de control del sistema de brazo robot.

En la figura 3 se puede observar el circuito con todos los componentes que se implementaron para hacer funcionar el sistema de brazo robot.

Esta placa est compuesta por un puente H (1) el cual es el encargado de controlar el giro de los motores que se implementaron en el sistema de brazo robot, este consume 30mA y se lo debe polarizar con 12[v].

La bornera mot1 (2) se conecta el motor encargado de hacer que la banda transportadora gire, este consume una corriente de 225Ma. En la bornera mot2 (3) se conecta el motor encargado de controlar la subida y bajada de la pinza, y tiene un consumo de corriente de 400Ma.

En la bornera de 3 entradas (4) se conecta nuestra fuente, en la entrada superior se conectan 12[v], en el centro se conecta a tierra y en la entrada inferior se

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conecta 5[v]. En las borneras puls2 (5,6) se conectan 2

pulsadores respectivamente, las resistencias (10) estn implementadas en el circuito para hacer que los pulsadores funcionen adecuadamente, un pulsador tiene como funcin detener motor que controla el acenso de la mano y el otro pulsador detiene al motor que controla la banda.

La bornera cone4 (7) est conectada a 5[v] y a tierra y en esta se conectan los servos los cuales trabajan con 5[v] y consumen 500mA cada uno, la bornera serv3 (8) tiene en sus entradas conectadas las seales de cada servo.

Por ltimo se tiene en la placa un micro controlador (9) el cual consume 30mA y es el encargado de hacer que todo el proceso funcione de manera adecuada, este proceso se explica en la programacin.

Para lograr hacer que esta placa funcione correctamente fue necesario implementar una fuente que posea 12[v],5[v] y que nos suministre como mnimo 2.2 A para que todos los componentes que se implementaron funcionen adecuadamente.

D. Programacin

El microcontrolador se program con la siguiente lgica para que el brazo funcionara correctamente: INICIO TIEMPOS1A=0 TIEMPOS1B=0 TIEMPOS2C=0 TIEMPOS2D=0 TIEMPOS3E=0 TIEMPOS3F=0 PULS1=0 PULS2=0 COM=0 COM2=0 COM=0 PULS1 PULS1=0 PUERTOB3=0 E=590 F=20000-E COM=1 A=1905 C=1095 B=20000-A D=20000-C PUERTOB3=1 A=1500 C=1500 E=1500 B=20000-A D=20000-C F=20000-E FIN

FIN COM=1 PUL2 PUL2=1 COM2=1 FIN FIN COM2=0 PUERTOB5=1 FIN FIN COM2=1 PUERTOB5=0 PUERTOB4=1 ESPERA 8000ms PUERTO4=0 ESPERA 200ms A=1095 C=1905 B=20000-A D=20000-C ESPERA 2000ms PUERTOB3=1 ESPERA 8500ms PUERTOB3=0 E=2410 F=20000-E ESPERA 1000ms PUERTOB4=1 ESPERA 6000ms PUERTOB4=0 ESPERA 250ms A=1905 C=1095 B=20000-A D=20000-C ESPERA 2000ms COM=0 COM2=0 FIN FIN FIN FIN

III. PRUEBAS Y RESULTADOS

Se realizaron pruebas de funcionamiento del brazo en condiciones normales y en las peores condiciones. Las condiciones normales son cuando todo funciona correctamente, si se posiciona bien el perfil de aluminio y si no se manipula de ninguna manera el funcionamiento. Las peores condiciones son condiciones que se establecieron de antemano, por ejemplo que solo funcione una pinza de la mano, que

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el perfil de aluminio sea tomado de manera incorrecta o si se le aade ms peso al perfil.

En condiciones normales el brazo cumpli el ciclo correctamente. Se encontraron algunos errores. Por ejemplo algunas veces el perfil de aluminio se trababa por unos instantes en las guas de la banda transportadora, lo que haca que la mano no suba completamente y al momento de soltar el perfil, la cuerda quede desatendida unos instantes.

En las peores condiciones el brazo respondi aceptablemente. Por ejemplo al momento de aadir ms peso al perfil, es decir cuatro veces su peso, la mano suba mucho ms lentamente, pero en ningn momento se trababa. Cuando se prob solo una pinza de la mano, la fuerza de una sola pinza no era suficiente para tomar el perfil y este se resbalaba, por lo que el funcionamiento de las dos es lo correcto. Si el perfil de aluminio era tomado de manera incorrecta, no haba cambios en el procedimiento, el perfil no se resbalaba y la velocidad de funcionamiento no variaba.

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El brazo robot funciona correctamente y cumple los objetivos propuestos.

Se recomienda conseguir componentes de ms precisin para que el brazo funcione de mejor manera. Por ejemplo se puede conseguir un eje que encaje perfectamente en el rodamiento y as evitar el cabeceo del brazo. Tambin el sistema de guas puede ser mejorado con rodamientos lineales. Estos componentes no se utilizaron debido al costo y a la poca disponibilidad en el mercado del pas.

V. REFERENCIAS

Libros: [1] F. Reyes Corts. Robtica: control de robots manipuladores.

Alfaomega Grupo Editor. 2011. Disponible en: http://www.mdconsult.internacional.edu.ec:2071/lib/bibliovirtualuidesp/reader.action?docID=10741037

[2] F. Reyes Corts, J. Cis Monjaraz, E. Vargas. Mecatrnica: control y automatizacin. Alfaomega Grupo Editor. Disponible en:

http://www.mdconsult.internacional.edu.ec:2071/lib/bibliovirtualuidesp/detail.action?docID=10806663&p00=servomotores

[3] R. Meaton. Motores elctricos: seleccin, mantenimiento y reparacin (2a ed.). McGraw-Hill Interamericana. 1991. Disponible en:

http://www.mdconsult.internacional.edu.ec:2071/lib/bibliovirtualuidesp/detail.action?docID=10515067

[4] S. Kumar Saha. Introduccin a la robtica. McGraw-Hill Espaa. 2010. Disponible en:

http://www.mdconsult.internacional.edu.ec:2071/lib/bibliovirtualuidesp/detail.action?docID=10515179

[5] W. Bolton, D. Lomel, G. Luz ngeles. Mecatrnica: sistemas de control electrnico en la ingeniera mecnica y elctrica. Un enfoque multidisciplinario (5a. ed.). Alfaomega Grupo Editor. Disponible en: http://www.mdconsult.internacional.edu.ec:2071/lib/bibliovirtualuidesp/detail.action?docID=10757874

[6] Sears Zemansky, Fsica Universitaria con Fsica Moderna, Volumen 2, Editorial Pearson, 2009

VI. BIOGRAFAS

Cristian Emanuel Castillo Alvarez, naci en Quito, el 28 de octubre de 1994. Actualmente es auxiliar de Laboratorio y estudiante en la Universidad Internacional del Ecuador y se encuentra en el cuarto semestre de sus estudios en Ingeniera Mecatrnica.

Pablo Sebastin Erazo

Cascante, naci en Quito, el 23 de Agosto de 1993, estudi en la escuela Educar 2000, ha vivido toda su vida en el valle de los chillos, y entrena escalada en la concentracin deportiva de pichincha,

actualmente es estudiante en la Universidad Internacional del Ecuador y se encuentra en el cuarto semestre de sus estudios en Ingeniera Mecatrnica.

Daniel Ricardo Pez Silva,

naci en Quito, el 20 de septiembre de 1994. Estudi en el Saint Patrick School. Actualmente es estudiante en la Universidad Internacional del Ecuador y se encuentra en el cuarto semestre de sus estudios

en Ingeniera Mecatrnica.