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RAE

1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado para optar por el título de INGENIERO

MECATRÓNICO.

2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TARJETAS DE POTENCIA PARA EL

CONTROL DE MOVIMIENTO DEL ROBOT MOVEMASTER RV-M1 DE

MITSUBISHI.

3. AUTORES: Andrés Felipe González Díaz y Diego Alejandro Jiménez Reyes.

4. LUGAR: Bogotá, D.C.

5. FECHA: Febrero de 2014.

6. PALABRAS CLAVE: Acondicionamiento de Señales, Actuadores, Amplificadores

Operacionales, Control de Posicionamiento, Diseño de Inversor de Giro (Puente H),

Electrónica de Potencia, Encoders, PLC, PWM, Robot Manipulador, Sensor de Corriente.

7. El objetivo principal de este proyecto es el diseño e

implementación de un sistema electrónico de potencia que permita el movimiento de las

articulaciones del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1, esto abarca previamente la

verificación mecánica y eléctrica de Robot y su estudio analítico para la repotenciación del

mismo. Mediante este proceso se busca implementar académicamente este Robot, con el fin

de desarrollar futuras prácticas y laboratorios en la Universidad de San Buenaventura Sede

Bogotá.

8. Tecnologías actuales y sociedad de la Universidad de

San Buenaventura, Bogotá. La línea investigación de la Facultad de Ingeniería a la que está

enfocada es; el análisis y procesamiento de señales (APS) donde específicamente se abarca

los núcleos problémicos de: control, automatización y robótica.

9. Es de carácter empirico-analitico, con un énfasis en el estudio, análisis

y diseño de tarjetas de potencia y el acondicionamiento de señales para la repotenciación

del robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.

10. CONCLUSIONES: A lo largo de la presente investigación, se logró culminar

satisfactoriamente con los objetivos propuestos investigando diferentes alternativas para la

solución de éstos y así poder seleccionar la mejor opción y llegar al fin de este proceso

investigativo. También se evidencia que gracias a los conocimientos adquiridos y aplicados,

se obtuvo como resultado la repotenciación del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TARJETAS DE POTENCIA PARA EL CONTROL

DE MOVIMIENTO DEL ROBOT MOVEMASTER RV-M1 DE MITSUBISHI

ANDRÉS FELIPE GONZÁLEZ DÍAZ

DIEGO ALEJANDRO JIMÉNEZ REYES

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA, BOGOTÁ

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

FEBRERO DE 2014

BOGOTÁ D.C.

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TARJETAS DE POTENCIA PARA EL CONTROL

DE MOVIMIENTO DEL ROBOT MOVEMASTER RV-M1 DE MITSUBISHI

ANDRÉS FELIPE GONZÁLEZ DÍAZ

DIEGO ALEJANDRO JIMÉNEZ REYES

Trabajo de Grado presentado como requisito para optar al título de:

Ingeniero Mecatrónico

Director:

MORIAN NAIR CALDERÓN DÍAZ

Ingeniero Electrónico. Esp.

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA, BOGOTÁ

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

FEBRERO DE 2014

BOGOTÁ D.C.

Nota de aceptación

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Firma del presidente del jurado

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Firma del jurado

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Firma del jurado

Bogotá D.C., Febrero de 2014

Este proyecto de grado está dedicado

a nuestras familias, considerando los

valores y principios que nos

ofrecieron para el desarrollo personal

y profesional, también por el apoyo

brindado durante nuestra formación

como ingenieros Mecatrónicos,

reconociendo el gran esfuerzo que

hicieron por nosotros durante este

tiempo. Gracias.

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a:

A mi mamá, Marisol Reyes por el

apoyo incondicional que me brindó

durante todo mi proceso de

formación. Con todo el corazón

gracias.

Diego Alejandro Jiménez Reyes

A mi abuelita, Margarita Sandoval y a

mis padres Rumaldo González y

Marlen Díaz por demostrarme su

amor y apoyo en todo momento en mi

formación como persona y

profesional. Muchas gracias.

Andrés Felipe González Díaz

A los ingenieros Leonardo Rodríguez

Ortiz y Morian Nair Calderón Díaz

por el acompañamiento durante la

realización de este proyecto, su ayuda

y conocimientos brindados fueron un

gran apoyo para nosotros. Gracias.

Diego Jiménez, Andrés González.

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 22

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................... 23

1.1. SITUACIÓN ACTUAL ........................................................................................ 23

1.2. ANTECEDENTES. ............................................................................................... 24

1.2.1. Diseño y construcción de circuito de potencia de vehículo eléctrico. ............. 24

1.2.2. Interfaz electrónico basado en CPLD XC95108 y en driver L6203 para

control de motores DC a través del puerto paralelo de PC. .............................................. 25

1.2.3. Caracterización de un Robot manipulador articulado. ...................................... 27

1.2.4. Acondicionamiento de un brazo manipulador monitoreado por medio de una

interfaz gráfica realizada con “InTouch The Wonderware”. ............................................ 28

1.2.5. Antecedentes en la Universidad de San Buenaventura, Bogotá....................... 29

1.3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. .................................. 32

1.4. JUSTIFICACIÓN. ................................................................................................. 33

1.5. OBJETIVOS. ......................................................................................................... 33

1.5.1. Objetivo general. .................................................................................................... 33

1.5.2. Objetivos específicos. ............................................................................................ 33

1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES. ........................................................................ 34

1.6.1. Alcances................................................................................................................... 34

1.6.2. Limitaciones. ........................................................................................................... 34

2. MARCO DE REFERENCIA. ....................................................................................... 36

2.1. MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL. ................................................................. 36

2.1.1. Robótica .................................................................................................................. 36

2.1.2. Motores eléctricos DC. .......................................................................................... 41

2.1.3. Modulación Por Ancho De Pulso (PWM) .......................................................... 42

2.1.4. Transductores y sensores. ..................................................................................... 43

2.1.5. Amplificadores Operacionales. ............................................................................ 47

2.1.6. Inversor de giro tipo puente H. ............................................................................. 50

2.1.7. Controlador Lógico Programable (PLC). ............................................................ 50

2.1.8 Concepto de herramientas CAD. .......................................................................... 52

3. METODOLOGÍA ......................................................................................................... 54

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN. ............................................................... 54

1.2 Identificar qué tipo de movimientos son críticos para el Robot, conociendo el

consumo de corriente de cada articulación. ........................................................................ 56

3.2. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN. ............................................................................ 58

4. DISEÑO INGENIERIL ................................................................................................ 59

4.1 OBJETIVO 1. Verificar los sistemas mecánicos y eléctricos que posee actualmente el

Robot. ............................................................................................................................... 59

4.1.1 Actividad 1. ............................................................................................................. 59

4.1.2 Actividad 2. ............................................................................................................. 62

4.2 OBJETIVO 2. Diseñar el acondicionamiento de señal de los encoders, con el fin

de conocer el posicionamiento de cada articulación del Robot. ....................................... 68

4.2.1 Actividad 1. ............................................................................................................. 68

4.2.2 Actividad 2. ............................................................................................................. 72

4.3 OBJETIVO 3. Diseñar un sistema de protección de parado de emergencia, al

momento de presentarse una obstrucción en la trayectoria del movimiento del Robot. .. 77

4.3.1 Actividad 1. ............................................................................................................. 77

4.3.2 Actividad 2. ............................................................................................................. 79

4.4 OBJETIVO 4. Diseñar un circuito electrónico que permita la lectura de los finales

de carrera y la activación de los frenos. ........................................................................... 96

4.4.1 Actividad 1. ............................................................................................................. 96

4.4.2 Actividad 2. ............................................................................................................. 98

4.4.3 Actividad 3. ........................................................................................................... 104

4.5 OBJETIVO 5. Diseñar tarjetas electrónicas de potencia para el manejo de las

articulaciones del Robot. ................................................................................................ 107

4.5.1 Actividad 1. ........................................................................................................... 107

4.5.2 Actividad 2. ........................................................................................................... 118

4.6 ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS. ......................................................... 130

4.6.1 Actividad 1. ........................................................................................................... 130

4.6.2 Actividad 2. ........................................................................................................... 134

4.6.3 Actividad 3. ........................................................................................................... 136

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 141

6. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 143

ANEXOS ........................................................................................................................... 147

A. VALORES DE RESISTORES COMERCIALES .................................................. 148

B. SENSOR DE CORRIENTE HALL CON ACONDICIONADOR DE SEÑAL .... 150

C. PLANO ELÉCTRICO DE LAS CONEXIONES DE LOS FINALES DE

CARRERA. .................................................................................................................... 152

D. ELECTRÓNICO TARJETA DE FINALES DE CARRERA Y FRENOS. ............ 154

E. DIAGRAMA DE BLOQUES (VI) DESARROLLADO EN LABVIEW 2011. .... 156

F. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO TARJETA DE POTENCIA FINAL. .................. 158

G. PLANOS GABINETE DE CONTROL. ................................................................. 160

H. CÓDIGO DE RAMPA DE VELOCIDAD EN FST 4.10. ...................................... 162

I. HOJA DE DATOS PLC FED CEC. Y HMI UIM .................................................. 167

J. TABLA DE VOLTAJES PREDETERMINADOS EN POTECIÓMETROS DE

LAS TARJETAS ............................................................................................................ 170

LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1. ...................................................... 23

Ilustración 2. Circuito Inversor De Giro ............................................................................ 25

Ilustración 3. Diagrama de bloques de la tarjeta electrónica y conexiones. ...................... 26

Ilustración 4. Aspecto real de la tarjeta electrónica diseñada. ........................................... 26

Ilustración 5. Robot SCORBOT-ER V plus. .................................................................... 27

Ilustración 6. Robot SCORBOT-ER V plus y estación completa. .................................... 28

Ilustración 7. HMI del Robot manipulador. ....................................................................... 29

Ilustración 8. Posición del manipulador simulada en CIROS® Automation Suite. .......... 30

Ilustración 9. Primera implementación de la interfaz. ....................................................... 31

Ilustración 10. Pruebas preliminares del Robot. ................................................................ 32

Ilustración 11. Esquema básico de un Robot. .................................................................... 37

Ilustración 12. Robot manipulador. ................................................................................... 38

Ilustración 13. Robot Móvil. .............................................................................................. 39

Ilustración 14. Robot Androide ASIMO. .......................................................................... 40

Ilustración 15. Robot Zoomórfico. .................................................................................... 40

Ilustración 16. Robot Hibrido. ........................................................................................... 41

Ilustración 17. Máquina rotatoria DC. ............................................................................... 42

Ilustración 18. Ciclo Útil PWM. ........................................................................................ 43

Ilustración 19. Codificador de posición incremental. ........................................................ 44

Ilustración 20. Disco ranurado y señales en cuadratura. ................................................... 45

Ilustración 21. Final de carrera configuración interna. ...................................................... 46

Ilustración 22. Amplificador Inversor. .............................................................................. 48

Ilustración 23. Amplificador no inversor. .......................................................................... 49

Ilustración 24. Amplificador Comparador. ........................................................................ 49

Ilustración 25. Esquema básico simplificado de un puente H. .......................................... 50

Ilustración 26. Unidad de procesamiento de un PLC. ....................................................... 51

Ilustración 27. Unidad de Programación ........................................................................... 52

Ilustración 28. Antiguo proceso en la producción de hardware. ....................................... 53

Ilustración 29. Proceso actual en la producción de hardware. ........................................... 53

Ilustración 30. Principales Componentes Brazo Robot. .................................................... 60

Ilustración 31. Estructura interna del Robot. ..................................................................... 63

Ilustración 32. Esquema del Robot. ................................................................................... 64

Ilustración 33. Límite de desgaste en escobillas. ............................................................... 65

Ilustración 34. Tensión en las correas de transmisión ...................................................... 66

Ilustración 35. Freno electromagnético. ............................................................................ 66

Ilustración 36. Estructura externa del Robot. .................................................................... 67

Ilustración 37. Tarjeta de señales. ...................................................................................... 69

Ilustración 38. Desfase de las señales del encoder. ........................................................... 70

Ilustración 39. Señal encoder sentido horario. ................................................................... 71

Ilustración 40. Señal encoder sentido anti-horario. ........................................................... 72

Ilustración 41. Acondicionador de señal para encoders. ................................................... 75

Ilustración 42. Simulación acondicionador de señal para encoders. ................................. 76

Ilustración 43. Resultados obtenidos con el acondicionador de señal. .............................. 76

Ilustración 44. Prueba de medición de corriente con carga. .............................................. 78

Ilustración 45. Rango de voltajes para el acondicionador. ................................................ 79

Ilustración 46. Primera etapa de amplificación. ................................................................ 81

Ilustración 47. Simulación primera etapa de amplificación. ............................................. 82

Ilustración 48. Acondicionador de señal completo. ........................................................... 83

Ilustración 49. Simulación acondicionador de señal completo. ........................................ 84

Ilustración 50. Circuito de activación para el relé. ............................................................ 86

Ilustración 51. Diseño # 1, protección de sobrecarga en los motores con amplificadores

operacionales. .................................................................................................................... 87

Ilustración 52. Simulación protección de sobrecarga en los motores con amplificadores

operacionales. .................................................................................................................... 88

Ilustración 53. Curva voltaje Vs. corriente sensada. ......................................................... 89

Ilustración 54. Diagrama de flujo del comparador. ........................................................... 90

Ilustración 55. Circuito comparador con amplificadores operacionales............................ 91

Ilustración 56. Acondicionador de señal con memoria...................................................... 92

Ilustración 57. Diseño # 2, sensor de corriente de efecto hall con acondicionador de señal

con memoria. ..................................................................................................................... 95

Ilustración 58. Montaje circuito de protección de carga en los motores. .......................... 95

Ilustración 59. Conexiones deshabilitadas de los finales de carrera. ................................ 97

Ilustración 60. Freno electromagnético articulación J3. .................................................... 98

Ilustración 61. Circuito de activación para frenos electromagnéticos. ............................ 100

Ilustración 62. Esquema del circuito de activación para los frenos electromagnéticos. . 101

Ilustración 63. Simulación circuito de disparo para frenos. ............................................ 101

Ilustración 64. Conexiones finales de carrera. ................................................................. 103

Ilustración 65. Cables de alimentación de los motores y frenos. ..................................... 103

Ilustración 66. Circuito PCB finales de carrera y frenos. ................................................ 105

Ilustración 67. Tarjeta electrónica para la lectura de finales de carrera y activación de

frenos electromagnéticos. ................................................................................................ 106

Ilustración 68. Ficha técnica de los motores. ................................................................... 107

Ilustración 69. Circuito de disparo para el transistor TIP 122 y 127. .............................. 109

Ilustración 70. Circuito de activación para el motor. ....................................................... 111

Ilustración 71. Circuito inversor de giro (sentido horario). ............................................. 112

Ilustración 72. Simulación circuito inversor de giro (sentido horario). ........................... 113

Ilustración 73. Circuito inversor de giro (sentido anti-horario). ...................................... 114

Ilustración 74. Simulación circuito inversor de giro (sentido anti-horario). ................... 114

Ilustración 75. Montaje físico del circuito inversor de giro. ............................................ 115

Ilustración 76. Diagrama de bloques (VI) desarrollado en NI LabVIEW. ...................... 116

Ilustración 77. Interfaz gráfica desarrollada en LabVIEW2011. ..................................... 116

Ilustración 78. Diseño preliminar de la tarjeta de potencia PCB. .................................... 118

Ilustración 79. Tarjeta de potencia de prueba. ................................................................. 119

Ilustración 80. Diagrama de flujo FASTOUT. ................................................................ 121

Ilustración 81. Configuración del módulo de salida rápida. ............................................ 121

Ilustración 82. Parámetros de configuración del módulo FASOUT. ............................... 122

Ilustración 83. Parámetros de activación del módulo FASTOUT. .................................. 123

Ilustración 84. Tarjeta de prueba con PLC FEC. ............................................................. 124

Ilustración 85. Diseño del PCB de la tarjeta de potencia final. ....................................... 126

Ilustración 86. Tarjeta de potencia final. ......................................................................... 127

Ilustración 87. Distribución de componentes de la caja de control. ................................ 129

Ilustración 88. Diagrama de flujo contador rápido. ......................................................... 130

Ilustración 89. Configuración del módulo de entrada rápida del PLC. ........................... 131

Ilustración 90. Parámetros de configuración del módulo de entradas rápidas. ............... 131

Ilustración 91. Activación del módulo FECCNTR. ......................................................... 132

Ilustración 92. Parametrización del estado actual del contador rápido............................ 133

Ilustración 93. Rampa de velocidad deseada. .................................................................. 134

Ilustración 94. Diagrama de flujo rampa de velocidad. ................................................... 135

Ilustración 95. Configuración de dirección IP. ................................................................ 137

Ilustración 96. Parametrización del módulo IP_TABLE. ................................................ 137

Ilustración 97. Parametrización del módulo EASY_S. ................................................... 138

Ilustración 98. Parametrización del módulo EASY_R. ................................................... 139

17

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Especificaciones de dispositivos de protección contra corrientes. ........................ 46 Tabla 2. Desarrollo de la metodología. ................................................................................ 54 Tabla 3. Comparación de datos. ........................................................................................... 61 Tabla 4. Deflexión y carga en las correas. ........................................................................... 65 Tabla 5. Especificaciones de los principales componentes electromecánicos del Robot. .. 68 Tabla 6. Tabla comparativa de AO. ..................................................................................... 73 Tabla 7. Resistencias calculadas. ......................................................................................... 74 Tabla 8. Medición de corriente de los motores. ................................................................... 78 Tabla 9. Resistencias calculadas. ......................................................................................... 80 Tabla 10. Resistencias calculadas. ....................................................................................... 82 Tabla 11. Especificaciones eléctricas de relevos. ................................................................ 84 Tabla 12. Especificaciones eléctricas de transistores. .......................................................... 85 Tabla 13. Especificaciones eléctricas del sensor ACS714LLC-05B. .................................. 89 Tabla 14. Especificaciones eléctricas de comparadores. ..................................................... 90 Tabla 15. Tabla de verdad del comparador. ......................................................................... 91 Tabla 16. Especificaciones eléctricas del Buzzer. ............................................................... 93 Tabla 17. Especificaciones eléctricas de transistores superficiales. .................................... 93 Tabla 18. Resultados obtenidos del circuito de protección de carga de los motores. .......... 96 Tabla 19. Especificaciones eléctricas TIP 122. .................................................................... 99 Tabla 20. Mediciones obtenidas circuito de disparo para frenos. ...................................... 102 Tabla 21. Configuración del cableado de los finales de carrera. ....................................... 102 Tabla 22. Configuración de colores de los motores y los frenos. ...................................... 104 Tabla 23. Especificaciones eléctricas de los transistores TIP 122 y 127. .......................... 108 Tabla 24. Especificaciones eléctricas del transistor 2N3904. ............................................ 109 Tabla 25. Mediciones obtenidas en pruebas de laboratorio. .............................................. 115 Tabla 26. Especificaciones eléctricas Puente H comerciales. ............................................ 117 Tabla 27. Especificaciones PLC FEC-34 Compact. .......................................................... 120 Tabla 28. Rango de velocidades del PWM. ...................................................................... 125 Tabla 29. Listado de señales para el sistema de control. ................................................... 127 Tabla 30. Lectura de pulsos a diferentes velocidades. ....................................................... 133 Tabla 31. Rangos de posición para rampa de aceleración. ................................................ 136 Tabla 32. Requerimientos del PLC ideal. ......................................................................... 140

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GLOSARIO

PWM: (Pulse Width Modulation), Modulación por ancho de pulsos. Es un sistema de

control basado en la variación de frecuencia de una señal de voltaje empleado para la

variación de velocidad y activación de actuadores en dispositivos controlados por voltaje.

Fuente: SAMSUNG, Que es PWM. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la web:

<http://skp.samsungcsportal.com/integrated/popup/FaqDetailPopupMobile.jsp?cdsite=co&seq=141156>

CPLD: Dispositivos Lógicos Programables Complejos. Éste dispositivo

permite implementar ecuaciones lógicas o diseños complejos, su programación es

generalmente en lenguajes de descripción de hardware. Existen dos tipos de arquitectura:

arquitectura de Matriz de suma de productos y arquitectura de tabla de datos.

Fuente: Obolog, Estructura y funcionamiento de los CPLD. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013].

Disponible en la web: <http://unidadsimd.obolog.com/cpld-83442>

PLC: Controlador Lógico Programable. Se inició como un reemplazo para los bancos de

relevos, las matemáticas y la manipulación de funciones lógicas. En la actualidad son los

cerebros de la inmensa mayoría de la automatización, procesos y máquinas especiales en la

industria.

Fuente: Rocatek, Que es un PLC (basico). [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la

web: <http://www.rocatek.com/forum_plc1.php>

HMI: (Human Machine Interface), es el dispositivo o sistema que permite el interfaz entre

la persona y la máquina. Tradicionalmente estos sistemas consistían en paneles compuestos

por indicadores y comandos, tales como luces pilotos, indicadores digitales y análogos,

registradores, pulsadores, selectores y otros que se interconectaban con la máquina o

proceso. En la actualidad, es posible contar con sistemas de HMI bastantes más poderosos y

eficaces, además de permitir una conexión más sencilla y económica con el proceso o

máquinas.

Fuente: COBO, Raúl. EL ABC DE LA AUTOMATIZACION, HMI. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de

2013]. Disponible en la web: <http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/hmi.pdf>

Gripper: Es el dispositivo utilizado para la manipulación de objetos. Hay muchos tipos de

gripper; entre estos los que utilizan la presión, succión o magnetización. También se llama

pinza del robot.

Fuente: Dictionary of Engineering, Gripper. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la

web: <http://www.dictionaryofengineering.com/definition/gripper.html>

Grados de libertad: También son llamados DOF por sus siglas en inglés (Degree Of

Freedom) hacen referencia al número de movimientos independientes que se pueden

realizar. En otras palabras, es la capacidad de moverse a lo largo de un eje (movimiento

lineal) o de rotar a lo largo de un eje (movimiento rotacional).

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dmeaning%2Bgripper%26biw%3D1280%26bih%3D738&rurl=translate.google.com.co&sl=en&u=http://www.dictionaryofengineering.com/definition/device.html&usg=ALkJrhicX9z3v05gvB_9UbBY6gZF_46kSQ

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dmeaning%2Bgripper%26biw%3D1280%26bih%3D738&rurl=translate.google.com.co&sl=en&u=http://www.dictionaryofengineering.com/definition/pressure.html&usg=ALkJrhhey1vsHmNRWw6q9IwEfqkbwKZLDA

19

Fuente: Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción, Tipos de movimiento y grados de libertad. [En línea]

[Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la web:

<http://www.slideshare.net/EducaredColombia/tipos-de-movimiento-y-grados-de-libertad>

MPS: Estaciones modulares de producción. Es un equipo de trabajo diseñado

específicamente para este tipo de situaciones.

Fuente: FESTO, Sistemas modulares de producción. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013].

Disponible en la web:

<http://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/213893/ProgramaSeminarios2013_CO.pdf>

Yuxtaposición: Es una unión sin nexo, un vínculo que se establece entre elementos

contiguos que cumplen las mismas funciones.

Fuente: Análisis Sintáctico, Yuxtaposición. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la

web: <http://iesbinef.educa.aragon.es/lengua/sintaxis/sintaxisweb/teoria.htm>

Reluctancia: Es la oposición al flujo magnético influenciado por un campo magnético. La

unidad de la reluctancia es el REL, a mayor longitud de la trayectoria del flujo magnético,

mayor es la reluctancia.

Fuente: HARPER, Enríquez. Fundamentos de electricidad. 2 ed. Mexico. LIMUSA, S.A. p 43.

Dimmer: Son dispositivos usados para regular la energía en una o varias lámparas. Así, es

posible variar la intensidad de la luz, siempre y cuando las propiedades de la luminaria lo

permitan.

Fuente: Scribd, Dimmer. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la web:

<http://es.scribd.com/doc/58458652/Dimmer>

CNC: Control Numérico Computarizado. Una máquina CNC, a diferencia de una máquina

convencional o manual, una computadora controla la posición y velocidad de los motores

que accionan los ejes de la máquina. Gracias a esto, puede hacer movimientos que no se

pueden lograr manualmente como círculos, líneas diagonales y figuras complejas

tridimensionales. Son capaces de mover la herramienta al mismo tiempo en los tres ejes

para ejecutar trayectorias tridimensionales.

Fuente: Universidad Tecnológica Nacional, Laboratorio CAD/CAM. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de

2013]. Disponible en la web: <http://www.frvt.utn.edu.ar/cadcam-info.asp>

Hardware: Conjunto de los componentes que integran la parte material de una

computadora.

Fuente: REAL ACADEMIA ESPAÑOLA RAE, Hardware. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de 2013].

Disponible en la web: <http://lema.rae.es/drae/?val=yuxtaposición>

SMT: (Surface Mount Technology). Tecnología de montaje superficial, es el proceso de

construir circuitos electrónicos, en que los componentes están soldados directamente sobre

la superficie de una placa de circuito impreso (PCB). Dentro de la tecnológica, el montaje

superficial ha substituido a la técnica de la tecnología de agujero pasante (through hole).

20

Puede contener unos pines de diferentes formas, contactos planos, matrices de bolas de

estaño o alternativamente terminaciones metálicas al borde del circuito.

Fuente: Ladelec, Que es la Tecnología de Montaje Superficial SMT. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de

2013]. Disponible en la web: <http://www.ladelec.com/teoria/informacion-tecnica/1220-que-es-la-

tecnologia-de-montaje-superficial-smt>

TTL: (Transistor-Transistor Logic), Lógica Transistor a Transistor. Tecnología de

construcción de circuitos electrónicos digitales, donde los elementos de entrada de la red

lógica son transistores tanto como los de salida. Una de las características de la tecnología

TTL es que su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4.75V

y los 5.25V como se ve un rango muy estrecho debido a esto, los niveles lógicos vienen

definidos por el rango de tensión comprendida entre 0.2V y 0.8V para el estado L (bajo) y

los 2.4V y Vcc para el estado H (alto).

Fuente: ACADEMIC Enciclopedia Universal, Tecnología TTL. [En línea] [Citado el: 10 Noviembre de

2013]. Disponible en la web:

<http://enciclopedia_universal.esacademic.com/1416/Tecnolog%C3%ADa_TTL>

FSE: Factor de Sobreexcitación, es la relación entre (corriente de base) e (corriente

base en la región de saturación), entre mayor sea éste más intensa será la saturación del

transistor y menor será el (voltaje colector – emisor en la región de saturación).

Fuente: Universidad de Antioquia, Diseño Análogo, Tema 5, Transistores de unión bipolar BJT. [En línea]

[Citado el: 10 Noviembre de 2013]. Disponible en la web: <http://microe.udea.edu.co/~henry/UCO/DA1/Clases/Tema%205%20DA1.docx >

21

RESUMEN

El Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1 fue diseñado con fines académicos, enfocados a

los sistemas flexibles de manufactura y robótica industrial, entre otros, permitiendo a los

estudiantes la interacción y manipulación del Robot, comprendiendo la importancia de la

inclusión de estos sistemas en la industria actual.

Actualmente la Universidad de San Buenaventura, Bogotá, no posee un sistema con las

propiedades ya mencionas, la implementación de un nuevo Robot manipulador de este

tipo, es bastante compleja y dispendiosa por su costo el cual oscila entre los 70‟000.000 de

pesos colombianos; por esta razón, la finalidad de este proyecto es repotenciar el Robot

Mitsubishi Movemaster RV-M1 donado a la Universidad por la empresa FESTO LTDA, el

cual carece de la caja de control (CPU), del sistema eléctrico y electrónico para el

movimiento de las articulaciones del Robot.

Se busca rediseñar e implementar un nuevo sistema que reemplace los componentes

mencionados anteriormente, para integrar este Robot al área de control y automatización

de la Facultad de Ingeniería de la Universidad, como herramienta de apoyo para reforzar el

conocimiento teórico-práctico de los futuros estudiantes.

22

INTRODUCCIÓN

En un mundo globalizado como el actual, donde la competencia se hace cada vez mayor en

los sistemas de producción, la implementación de autómatas flexibles es parte fundamental

para la producción en grandes masas de procesos de manufactura con calidad y eficiencia,

facilitando tareas arriesgadas y repetitivas para el hombre como lo son soldadura, pintura,

ensamble y manipulación de precisión.

Actualmente en nuestro el país se están implementando sistemas para mejorar la calidad,

velocidad y cantidad en procesos de manufactura industrial, lo cual resulta útil en

producciones en serie optimizando así el tiempo de producción y los recursos. Actualmente,

diferentes empresas han mejorado su calidad de productos y servicios con la integración de

sistemas robóticos en labores de manipulación de materiales pesados o delicados, procesos

de soldadura y ensamble, y controles de calidad. Por consiguiente se requiere más interés

en la búsqueda de soluciones ingenieriles para lograr innovaciones en el futuro inmediato,

relacionadas con los Robots manipuladores1 y sus diferentes campos de aplicación en la

industria nacional

Según lo anterior, y teniendo en cuenta que la Universidad de San Buenaventura, Bogotá,

busca formar profesionales íntegros a través de los conocimientos adquiridos en el proceso

de formación académica donde se vinculan las distintas asignaturas correspondientes al

programa conformando un grupo de parámetros enfocados en la solución de un mismo

problema partiendo del conocimiento teórico como el práctico. Es así como el programa de

Ingeniería Mecatrónica busca alternativas que permitan el desarrollo de habilidades

práctico teóricas por medio de proyectos de investigación con afinidad a este ámbito de la

Ingeniería. El presente proyecto se plantea una alternativa de solución a esta exigencia, a

través de la recuperación del Robot industrial Mitsubishi Movemaster RV-M1 para su

correcta integración a procesos de enseñanza en la formación de futuros ingenieros capases

de participar de forma activa en el diseño e implementación de sistemas de este tipo,

mejorando la competitividad industrial en el país.

Para que el Robot manipulador Movemaster RV-M1 pueda funcionar correctamente como

herramienta académica, se requiere de su rehabilitación, el diseño y construcción de las

tarjetas de potencia para controlar los actuadores y dentro de estos módulos de control

deben estar los acondicionadores de señal de los distintos sensores que lo conforman,

además adaptar la tarjeta para que se pueda programar desde un PLC2, con el fin de hacerlo

versátil y accesible a estudiantes de Ingeniería.

1Puede encontrar más información sobre Robots manipuladores en la página web

http://www.tlalpan.uvmnet.edu/oiid/download/Robots%20manipuladores_04_ING_IMECA_PII_E%20E.pdf 2Por sus siglas en inglés (Programmable logic controller) puede encontrar más información en el sitio web

http://www.efn.uncor.edu/departamentos/electro/cat/eye_archivos/apuntes/a_practico/CAP%209%20PCo.pdf

23

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1. SITUACIÓN ACTUAL

Actualmente en la Universidad se quiere ampliar el reto y la enseñanza que abarca temas de

robótica industrial, haciendo énfasis en la Ingeniería Mecatrónica; allí se ha venido

realizando una serie de avances en cuanto al desarrollo de un sistema de robótica industrial

basado en un equipo industrial facilitado por la empresa FESTO LTDA, a través del

convenio marco cooperación que se encuentra vigente.

Ilustración 1. Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.

El equipo en cuestión es un Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1 (ver Ilustración 1), el

cual fue donado por FESTO LTDA; presenta serios problemas en cuanto al sistema de

control de movimiento, pero puede ser puesto de vuelta en funcionamiento si se sigue un

estructurado proceso de repotenciación.

Las investigaciones y pruebas preliminares hasta ahora desarrolladas (ver antecedentes),

han mostrado que el Robot en cuestión es un buen inicio para el desarrollo de proyectos de

avanzada debido a su sencillo funcionamiento y la fácil realización de labores de

mantenimiento y reemplazo de piezas tanto mecánicas como eléctricas.

24

Por otro lado y debido a los altos costos de compra, instalación y capacitación que requiere

un Robot industrial, las opciones para la compra de uno de ellos se convierte en una opción

de bastante debate para la Universidad.

“Un Robot industrial Mitsubishi con capacidad de 2 kg, puede comprarse por alrededor de

ciento diez millones de pesos ($110.000.000), las negociaciones con KUKA Robotics

avanzaron hasta llegar a un Robot industrial instalado en la Universidad por un precio

aproximado de setenta millones de pesos colombianos ($70.000.000)”3.

1.2. ANTECEDENTES.

Parte del proceso de investigación que abarca este proyecto, comprende la búsqueda de

trabajos de índole investigativo, relacionados con sistemas flexibles de manufactura a nivel

mundial, dando énfasis en Robots manipuladores como el Robot Mitsubishi Movemaster

RV-M1. A continuación se mencionan algunos de los más importantes:

1.2.1. Diseño y construcción de circuito de potencia de vehículo eléctrico.

Realizado por A. Cantos, E. Moncayo del Programa de Especialización Tecnológica En

Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones (PROTEL); Escuela Superior Politécnica

Del Litoral (ESPOL).

Este antecedente se enfatiza en el control por PWM, para inversión de sentido de giro de

motores DC a través de un puente H (véase ilustración 2), a continuación se tiene un

extracto del resumen del informe donde se explica mejor el trabajo realizado y

posteriormente se hará énfasis en los puntos que sirven de apoyo para el diseño de las

tarjetas del Movemaster.

“En este proyecto se busca implementar y poner en funcionamiento la tarjeta de potencia de

un vehículo que sirva como material didáctico en algunas materias del flujo de las

diferentes áreas tales como: “Fundamentos de Robótica”, “Electrónica de potencia”,

“Microcontroladores” entre otras. El proyecto consta básicamente de 3 partes importantes

que a su vez se subdividen: en primer lugar el circuito de potencia con control PWM,

inversión de giro de los motores y limitador de corriente y por último la adecuación de los

controles tales como: ON/OFF, variación de velocidad y controles independientes para cada

motor4.”

3 BARRIOS GUTIÉRREZ, Edwin. BERNAL CASTILLO, Fredy. TEJADA OME, Camilo: Diseño de sistema

electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de Robot Movemaster RV-M1 de

Mitsubishi. Bogotá, 2011,92 h. Trabajo de grado (ingeniero Mecatrónico). Universidad de San Buenaventura

facultad de Ingeniería Mecatrónica. 4A. Cantos, E Moncayo: Diseño Y Construcción De Circuito De Potencia De Vehículo Eléctrico, Programa

de Especialización Tecnológica En Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones (PROTEL); Escuela

Superior Politécnica Del Litoral (ESPOL).

25

Ilustración 2. Circuito Inversor De Giro

Fuente: A. Cantos, E Moncayo: Diseño Y Construcción De Circuito De Potencia De Vehículo Eléctrico,

Programa de Especialización Tecnológica En Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones (PROTEL);

Escuela Superior Politécnica Del Litoral (ESPOL).

1.2.2. Interfaz electrónico basado en CPLD XC95108 y en driver L6203 para control

de motores DC a través del puerto paralelo de PC.

¨En este trabajo se muestra el diseño y estructura de una tarjeta electrónica de bajo costo,

para la excitación y control de motores DC a través del puerto paralelo del PC. El soporte

hardware conseguido facilita las tareas de identificación de planta y ejecución en tiempo

real sobre PC de múltiples soluciones de control digital para motores DC de hasta 20W¨5.

La solución adoptada responde a la estructura de la ilustración 3, donde se detallan los

dispositivos clave de la tarjeta electrónica y conexiones necesarias para su aplicación al

control de un motor DC dotado de encoder y caja reductora. Desde el puerto paralelo del

PC se envía la señal al CPLD. Éste genera las señales PWM necesarias para excitación del

puente en H integrado que alimenta al motor. La tarjeta electrónica diseñada, junto a

herramientas como MATLAB para la identificación, diseño y generación de código

ejecutable en tiempo real sobre el propio ordenador personal, constituye una solución muy

satisfactoria para ensayos de control electrónico.

5ESPINOSA, Felipe. GARCÍA, Juan. MATAIX, César. RODRÍGUEZ, Javier. SANTISO, Enrique. LÓPEZ,

Elena: “Análisis, diseño y realización de sistemas electrónicos de control continuo (2 Edición) ISBN: 84-

8138-175-6. Edita Dpto. Publicaciones Universidad de Alcalá. 1997.

26

Ilustración 3. Diagrama de bloques de la tarjeta electrónica y conexiones.

Fuente: ESPINOSA, Felipe. GARCÍA, Juan. MATAIX, César. RODRÍGUEZ, Javier. SANTISO, Enrique.

LÓPEZ, Elena: “Análisis, diseño y realización de sistemas electrónicos de control continuo (2 Edición)

ISBN: 84-8138-175-6. Edita Dpto. Publicaciones Universidad de Alcalá. 1997.

La etapa de potencia tiene como entrada las señales PWM generadas por el CPLD y como

salidas los puntos intermedios del puente donde se conecta el motor. La tarjeta electrónica

resultante del proyecto se muestra en la ilustración 4.

Ilustración 4. Aspecto real de la tarjeta electrónica diseñada.

Fuente: Ibid.

27

1.2.3. Caracterización de un Robot manipulador articulado.

Realizado por Ing. Salomón Abdalá Castillo, Ing. Raúl Ñeco Caberta, Junio 2003, centro

nacional de investigación y desarrollo tecnológico (CENIDET).6

El objetivo de esta tesis se fundamentó en el funcionamiento y documentación del Robot

SCORBOT-ER V plus (Ver ilustración 5) que forma parte de la celda de manufactura del

posgrado en Ingeniería Mecatrónica de la institución CENIDET, a fin de poder utilizarlo en

docencia e investigación y como punto de partida para futuras actividades en el área de

robótica. Estos fines se podrán lograr al obtener los modelos cinemático, dinámico,

parametrizar, simular en PC y validar el Robot mencionado con los recursos disponibles en

el CENIDET.

Ilustración 5. Robot SCORBOT-ER V plus.

Fuente: CASTILLO SALOMÓN, Abdalá. ÑECO CABERTA, Raúl: Caracterización De Un Robot

Manipulador Articulado, Cuernavaca, Morelos, Junio 2003. Centro nacional de investigación y desarrollo

tecnológico (CENIDET).

Este Robot se considera de tipo industrial y es capaz de trabajar en forma independiente

dedicado al ensamble de piezas, así como el depositar o recoger alguna pieza de la banda

transportadora de la celda que es la que comunica a este Robot, como lo muestra la

ilustración 6.

6 CASTILLO SALOMÓN, Abdalá. ÑECO CABERTA, Raúl: Caracterización De Un Robot Manipulador

Articulado, Cuernavaca, Morelos, Junio 2003. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

(CENIDET).

28

Ilustración 6. Robot SCORBOT-ER V plus y estación completa.

Fuente: CASTILLO SALOMÓN, Abdalá. ÑECO CABERTA, Raúl: Caracterización De Un Robot

Manipulador Articulado, Cuernavaca, Morelos, Junio 2003. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo

Tecnológico (CENIDET).

1.2.4. Acondicionamiento de un brazo manipulador monitoreado por medio de una

interfaz gráfica realizada con “ nTouch he Wonderware”.

Este proyecto fue realizado por Antonio Zamora Rafael, Galicia Balón Ricardo, León

Espínola Luis Mari. Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional “Adolfo López Mateos”.7

El objetivo principal de este trabajo de grado es acondicionar un brazo manipulador, así

como la implementación de una Interfaz Hombre Máquina realizada con el paquete

software InTouch The Wonderware.

Se realizaron las siguientes actividades para el desarrollo de este proyecto:

Acondicionar un brazo manipulador.

Desarrollar una interfaz gráfica para el brazo manipulador utilizando el software

InTouch The Wonderware.

Realizar un programa en un PLC para el movimiento del manipulador.

Establecer la comunicación entre el brazo manipulador y su interfaz gráfica.

7 ZAMORA, Rafael Antonio. GALICIA BALÓN, Ricardo. LEÓN ESPINOSA, Luis: Acondicionamiento De Un

Brazo Manipulador Monitoreado Por Medio De Una Interfaz Gráfica Realizada Con “InTouch The

Wonderware”. México D.F. 2009. Instituto Politécnico Nacional, escuela superior de Ingeniería mecánica y

eléctrica unidad profesional “Adolfo López Mateos”.

29

1.2.4.1. Desarrollo de la HMI.

Este software opera como sistema de visualización del estado del brazo manipulador,

permite monitorearlo y manipularlo en tiempo real desde una PC. La interfaz se adapta al

programa del PLC que manipula al brazo, por ello se podría utilizar la misma interfaz para

diferentes programas. Este sistema de la interfaz opera a través de un sistema de

comunicación, vía red de comunicación de datos. El software manipula las operaciones del

PLC en modo manual la cual habilita la acción de todos los elementos en el sistema, como

motores y sensores estos elementos sólo se manipulan con un funcionamiento ON/OFF.

Esta ventana muestra el brazo e indica la activación de cada una de sus partes en forma

digital, así como la interacción de un Gripper en sus diferentes facetas. (Ver ilustración 7).

Ilustración 7. HMI del Robot manipulador.

Fuente: ZAMORA, Rafael Antonio. GALICIA BALÓN, Ricardo. LEÓN ESPINOSA, Luis: Acondicionamiento

De Un Brazo Manipulador Monitoreado Por Medio De Una Interfaz Gráfica Realizada Con “InTouch The

Wonderware”. México D.F. 2009. Instituto Politécnico Nacional, escuela superior de Ingeniería mecánica y

eléctrica unidad profesional “Adolfo López Mateos”.

1.2.5. Antecedentes en la Universidad de San Buenaventura, Bogotá.

Es de gran importancia indagar la trascendencia del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1

en la Universidad de San Buenaventura, Bogotá, ya que con base a estos avances, se puede

tener un punto de referencia para concluir con los objetivos propuestos en este proyecto.

30

1.2.5.1. Desarrollo de software de simulación que permita recrear el movimiento del

modelo simplificado del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1 a través de algoritmos

de cinemática directa y cinemática inversa.

Este proyecto fue desarrollado para subsanar falencias asociadas entre el usuario y el

manipulador robótico, con fin de conocer sus características y poder programar

movimientos que permitan ejecutar tareas de índole industrial, analizando desde aspectos

generales y particulares en la creación del software (véase ilustración 8)8.

Ilustración 8. Posición del manipulador simulada en CIROS® Automation Suite 9.

Fuente: FERNÁNDEZ VEGA Jaime Andrés y RODRÍGUEZ CARRIZOSA Jorge Andrés, Desarrollo de

software de simulación que permita recrear el movimiento del modelo simplificado del Robot Mitsubishi

Movemaster RV-M1 a través de algoritmos de cinemática directa y cinemática inversa, Universidad de San

Buenaventura-Bogotá, Julio de 2011.

Se creó una interfaz amigable al usuario, de fácil manejo y desarrollada en GUIDE de

MATLAB (véase ilustración 9). En primer lugar se hizo un espacio gráfico para simular los

movimientos del Robot. También se crearon 5 cuadros para el ingreso de valores de

ángulos para la cinemática directa, un botón „calcular‟ para desarrollar internamente la

cinemática y por ultimo un icono estático en la parte superior izquierda que sirve para rotar

la gráfica. 8FERNÁNDEZ VEGA Jaime Andrés. RODRÍGUEZ CARRIZOSA Jorge Andrés: Desarrollo de software de

simulación que permita recrear el movimiento del modelo simplificado del Robot Mitsubishi Movemaster RV-

M1 a través de algoritmos de cinemática directa y cinemática inversa, Universidad de San Buenaventura-

Bogotá, Julio de 2011 9 Más información de CIROS ® Automation Suite en la web:<http://www.festo-didactic.com/int-en/learning-

systems/software-e-learning/ciros-automation-suite/>

31

Ilustración 9. Primera implementación de la interfaz.

Fuente: FERNÁNDEZ VEGA Jaime Andrés y RODRÍGUEZ CARRIZOSA Jorge Andrés, Desarrollo de

software de simulación que permita recrear el movimiento del modelo simplificado del Robot Mitsubishi

Movemaster RV-M1 a través de algoritmos de cinemática directa y cinemática inversa, Universidad de San

Buenaventura, Bogotá, Julio de 2011.

1.2.5.2. Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de

articulaciones de Robot Movemaster RV-M1 de Mitsubishi.

El principal objetivo de este trabajo de grado era diseñar e implementar un sistema de

electrónico para manejo de las señales digitales para el control de articulaciones del Robot

Movemaster RV-M1 de Mitsubishi.

Por medio de este documento se desarrollaron varias actividades de reconocimiento del

estado mecánico actual del Robot Movemaster RV-M1, de igual manera se identificarán las

señales funcionales para el sistema de control del Robot, dichas señales necesitan de un

tratamiento específico para que puedan ser recibidas correctamente por el dispositivo

encargado de ejercer la toma de decisiones en cuanto a movimiento del brazo. También se

estudiarán estrategias de control ante los actuadores encargados del movimiento del

Robot10

(ver ilustración 10).

10

BARRIOS GUTIÉRREZ Edwin Fernando, BERNAL CASTILLO Fredy David y TEJADA OME Camilo

Andrés, Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de

Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi,Universidad de San Buenaventura, Bogotá, Julio de 2011

32

Ilustración 10. Pruebas preliminares del Robot.

Fuente: BARRIOS GUTIÉRREZ Edwin Fernando, BERNAL CASTILLO Fredy David y TEJADA OME

Camilo Andrés, Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de

articulaciones de Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi, Universidad de San Buenaventura, Bogotá,

Julio de 2011.

Los autores concluyen que:

Es de total agrado para el grupo de investigación asegurar que se puede dar fé del

funcionamiento de todos los actuadores, sensores, cables y estructura soporte posibilitando

con ayuda de esta tesis el control del Robot Movemaster RV-M1 y si bien se tiene que dejar

el proyecto en etapa de desarrollo por motivos de tiempo y presupuesto, se puede asegurar

que es totalmente viable la continuación del proyecto y vale la pena su desarrollo en un

contexto educativo. Se espera que este desarrollo sirva de soporte a futuras investigaciones

que conlleven al fortalecimiento de los conocimientos de la automatización industrial.

1.3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.

Se necesita rehabilitar el Robot manipulador Mitsubishi Movemaster RV-M1 el cual posee

motores como actuadores, finales de carrera y encoders como instrumentos de sensado para

los parámetros de movimiento, también consta de una tarjeta que acondiciona las señales de

los encoders, las cuales pueden ser utilizadas para su lectura; De la misma forma para el

control de posicionamiento del Robot en cada una de sus articulaciones.

¿Es factible el diseño e implementación de tarjetas electrónicas que permitan hacer posible

el control de movimiento y acondicionamiento de señales del Robot Mitsubishi

33

Movemaster RV-M1 para la incorporación de este sistema con fines académicos

proyectados a los estudiantes con propósitos de investigación?

1.4. JUSTIFICACIÓN.

Estos antecedentes y la actual proyección del programa de Ingeniería Mecatrónica de la

Universidad San Buenaventura, Bogotá, persuaden en la búsqueda de alternativas que

permitan el desarrollo de habilidades practico-teóricas por medio de proyectos de

investigación con afinidad a este ámbito de la Ingeniería. La presente propuesta plantea

una alternativa de solución a esta exigencia, a través de la recuperación del Robot industrial

Mitsubishi Movemaster RV-M1 para su correcta integración a procesos de enseñanza en la

formación de futuros ingenieros competentes de participar en diseños e implementación de

sistemas de este tipo, con el fin de aportar a la competitividad industrial en el país.

Adicional a la recuperación de este equipo de laboratorio se pueden mencionar que, para el

desarrollo de tecnologías nacionales es necesario fomentar la investigación de sistemas

robóticos, gracias a este tipo de proyectos permitirán la correcta apropiación de los

conocimientos que involucra el uso adecuado de estos equipos y el desarrollo de sistemas

más eficientes en la industria.

1.5. OBJETIVOS.

1.5.1. Objetivo general.

Diseñar e implementar un sistema electrónico de potencia que permita el

movimiento de las articulaciones del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.

1.5.2. Objetivos específicos.

Verificar los sistemas mecánicos y eléctricos que posee actualmente el Robot.

Diseñar el acondicionamiento de señal de los encoders, con el fin de conocer el

posicionamiento de cada articulación del Robot.

Diseñar un sistema de protección de parado de emergencia, al momento de

presentarse una obstrucción en la trayectoria del movimiento del Robot.

Diseñar un circuito electrónico que permita la lectura de los finales de carrera y la

activación de los frenos.

Diseñar tarjetas electrónicas de potencia para el manejo de las articulaciones del

Robot.

34

1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES.

Es preciso de antemano mencionar y aclarar los alcances y limitaciones que integra el

desarrollo de los objetivos planteados en los numerales anteriores. Esto es importante

puesto que aquí se plantean alternativas o valores agregados que no son tratados

específicamente como objetivos del proyecto.

1.6.1. Alcances.

Este proyecto está enfocado principalmente al ámbito académico, participando de manera

activa en la formación de profesionales del área de Ingeniería, más específicamente, a

aportar y adquirir conocimientos prácticos pudiendo así, añadir mejoras a esta plataforma.

El Robot tendrá tarjetas intercambiables de fácil acceso al operario en caso de fallas

eléctricas que puedan dejar inhabilitado el sistema.

Adicionalmente contará con un sistema de protección contra altas corrientes, con la

implementación de sensores de corriente. Cabe resaltar que el sistema tendrá una fuente

regulada de alta confiabilidad capaz de suplir los requerimientos eléctricos.

Dentro de las características propias del Robot, se tiene que el brazo posee 5 grados de

libertad dándole un amplio rango de movimientos.

Además el Robot quedará apto para la conexión de un PLC, y de este modo programar una

secuencia o rutina con base a sus características físicas, opcionalmente se puede integrar

una pantalla HMI al sistema.

Para corroborar el correcto funcionamiento del sistema eléctrico diseñado, se plantea

realizar una serie de secuencias programadas con un PLC.

1.6.2. Limitaciones.

Dentro de las limitaciones se encuentra la capacidad máxima de carga de 1kg la cual es una

condición propia del Robot, esto hace que el sistema tenga restricciones para el desarrollo

de tareas afines al traslado de objetos mayores a la carga mencionada, agregando también

el rango reducido de apertura del Gripper que conlleva a la manipulación de objetos de

escala pequeña (5cm x 5cm).

La base de giro del brazo es de 320º, por tanto esto limita su rango de movimiento teniendo

así puntos muertos en su área de trabajo.

Las principales limitaciones dependen del hardware que viene original del fabricante, por lo

tanto para su rehabilitación se deben diseñar todos los sistemas dentro de los alcances y

limitaciones inherentes al brazo.

35

Por otra parte, el Robot no cuenta con freno en la cintura, por consiguiente a la hora de que

el Robot este realizando una rutina, ésta puede llegar a ser afectada si una fuerza externa lo

mueve.

Además cabe aclarar que la estructura física del Robot, limita el transporte del mismo de

un lugar a otro, por ende debe ser anclado a una estación MPS.

36

2. MARCO DE REFERENCIA.

En la realización del proyecto, se aplican conocimientos adquiridos a través de la formación

profesional, y para poder comprender el desarrollo de las actividades realizadas, es

necesario tener en cuenta las bases fundamentales en la parte de electrónica, mecánica y

programación.

2.1. MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL.

Para la realización del proyecto, más precisamente en el diseño del sistema electrónico del

Robot y bases elementales sobre la robótica, es esencial que el lector tenga conocimiento de

bases fundamentales expuestas a continuación para la interpretación teórica apropiada,

algunos temas clave que abarcan lo anterior son: robótica, modulación por ancho de pulso

(PWM), motores DC, teoría básica sobre circuitos eléctricos, sensores y actuadores,

programación en PLC, entre otros.

2.1.1. Robótica

El termino Robot aparece por primera vez en 1921, en la obra teatral R.U.R. (Rossum‟s

Universal Robots) del novelista y autor dramático checo Karel Capek en cuyo idioma la

palabra “Robota” significa fuerza del trabajo o servidumbre.

El termino se aplica a autómatas construidos en los años veinte y treinta que se exhiben en

ferias, se trata de imitar movimientos de seres vivos pero también de demostrar técnicas de

control remoto, incluyéndose en algunos casos funciones sensoriales primarias; cabe

recordar que el termino Robot nace asociado a la idea de trabajo y producción en 1915.

Un concepto más apropiado de los Robots, es que son máquinas en las que se integran

componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos y de comunicaciones y dotadas de un

sistema informático para su control en tiempo real, percepción del entorno y programación.

La robótica industrial se trata fundamentalmente de dotar de flexibilidad a los procesos

productivos manteniendo al mismo tiempo la productividad que se consigue con una

máquina automática especializada. Se implementa en lugares difícilmente accesibles, con

riesgo de accidentes, en condiciones peligrosas para la salud, o trabajos difíciles por el

tamaño de los objetos que es necesario manipular, con el fin de no reemplazar al trabajador.

La robótica industrial, desde sus orígenes, estuvo muy orientada a las funciones de

manipulación. De hecho, suele considerarse que un Robot industrial es esencialmente un

Robot manipulador11

.

11

OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica manipuladores y Robots móviles. Barcelona, 2001. Marcombo,

S.A. p 2-3.

37

2.1.1.1 Esquema general del sistema Robot.

En la ilustración 11 se muestra el esquema básico de un Robot. Se identifica un sistema

mecánico, actuadores, sensores y el sistema de control como elemento básico necesario

para cerrar la cadena actuación-medidas-actuación.

Ilustración 11. Esquema básico de un Robot.

Fuente: OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica manipuladores y Robots móviles. Barcelona, 2001.

Marcombo, S.A. p. 4.

En el sistema mecánico puede distinguirse entre el órgano terminal, el brazo articulado, y

un vehículo. En la mayor parte de los Robots industriales no existe tal vehículo, estando fija

la base del brazo.

Desde el punto de vista del procesamiento de la información, en robótica se involucran

funciones de control de movimientos, percepción y planificación, como bucles de

realimentación de la información suministrada por los sensores internos, como del entorno.

Los sensores internos miden el estado de la estructura mecánica, y en particular, giros o

desplazamientos relativos entre las articulaciones, velocidades, fuerzas y pares, permitiendo

cerrar los bucles de control de las articulaciones de la estructura mecánica. Por otro lado los

sensores externos permiten dotar de sentidos al Robot. La información que suministran es

utilizada por el sistema de percepción para hacer posible la adaptación automática de su

comportamiento en función de las variaciones que producen su entorno, con la ayuda del

desarrollo de sistemas de percepción tales como sensores de visión, tacto y audición.

38

Finalmente, la planificación tiene como objetivo encontrar una trayectoria desde una

posición inicial a una posición objetivo, sin colisiones. Se plantea el problema en un

entorno que se supone conocido12

.

2.1.1.2. Clasificación de los Robots.

El entorno de los Robots es muy grande y diverso, donde según su arquitectura, servicios y

desarrollo tecnológico se ha tratado de clasificar de la mejor forma posible. Cabe aclarar

que cada vez más son más eficientes, dinámicos, confiables y seguros a la hora de realizar

sus tareas.

Robots manipuladores.

En la actualidad la mayor parte de los Robots industriales, son esencialmente brazos

articulados (véase la ilustración 12). Donde según la definición del “Robot Institute of

America”, un Robot industrial es un manipulador programable multifuncional diseñado

para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante

movimientos variados, programados para la ejecución de distintas tareas.

En la robótica subyace la idea de sustituir equipos capaces de automatizar operaciones

concretas por máquinas de uso más general que puedan realizar distintas tareas, ejecutadas

por un programa de las funciones de control ofreciendo una mayor flexibilidad, y la

posibilidad de implantar funciones complejas necesarias para controlar el manipulador13

.

Ilustración 12. Robot manipulador.

Fuente: OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica manipuladores y Robots móviles. Barcelona, 2001.

Marcombo, S.A. p 23.

12

OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica manipuladores y Robots móviles. Barcelona, 2001. Marcombo,

S.A. p 4. 13

Ibíd. p5.

39

Robots móviles.

Son Robots con grandes capacidades de desplazamiento, basados en carros o plataformas

dotados de un sistema locomotor de tipo rodante. Estos Robots son usados comúnmente en

la industria para trasladar objetos en cadenas de producción o en almacenes (Ver ilustración

13).14

Ilustración 13. Robot Móvil.

Fuente: Universidad de Alicante, Infraestructura de los Robots. [En línea] [Citado el: 9 Agosto de 2013.].

Disponible en la web: <http://m.sstti.ua.es/es/imagenes/infraestructuras/Robot-1.jpg>

Robots Androides.

Son Robots que intentan reproducir total o parcialmente la forma y el comportamiento

cinemático del ser humano. Actualmente, los Androides son todavía dispositivos muy poco

evolucionados y sin utilidad práctica, destinados especialmente a la experimentación. Un

ejemplo de un Robot androide es el ASIMO (véase ilustración 14), fabricado por Honda.15

14



Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi, Universidad de San Buenaventura-Bogotá, Julio de 2011.P 15. 15



Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi, Universidad de San Buenaventura-Bogotá, Julio de 2011.P 15.

40

Ilustración 14. Robot Androide ASIMO.

Fuente: Diseño-art, Asimo. [En línea] [Citado el: 9 Agosto de 2013.]. Disponible en la web:

<http://www.diseno-art.com/images/asimo2.jpg>

Robots zoomórficos.

Los Robots Zoomórficos constituyen una clase caracterizada principalmente por sus

sistemas de locomoción que imitan a los diversos seres vivos. Éstos se agrupan en dos

categorías: caminadores y no caminadores16

, (véase ilustración 15).

Ilustración 15. Robot Zoomórfico.

Fuente: Hombrelobo, TREX. [En línea] [Citado el: 9 Agosto de 2013.]. Disponible en la web:

<http://hombrelobo.com/uploaded_images/trex-746387.jpg>

Robots Híbridos.

Los Híbridos corresponden a aquellos de difícil clasificación, cuya estructura se sitúa en

combinación con algunas de las anteriores ya expuestas, bien sea por conjunción o

yuxtaposición. Por ejemplo, Robots articulados y con ruedas (conjunción) o un cuerpo

16

Ibíd. p 15.

41

formado por un carro móvil y de un brazo semejante al de los Robots industriales (véase

ilustración 16).17

Ilustración 16. Robot Hibrido.

Fuente: Blogspot, Hybrid Robot. [En línea] [Citado el: 9 Agosto de 2013.]. Disponible en la web:

<http://2.bp.blogspot.com/imagesCAUZUKZP.jpg>

2.1.2. Motores eléctricos DC.

Son máquinas que convierten la energía eléctrica en mecánica, también se conoce como

maquinaria de colector o conmutada.

La maquinaria rotatoria DC más sencilla posible se muestra en la ilustración 17. Consiste

en una sola espira de alambre que rota alrededor de una eje fijo. La parte rotante de la

máquina se llama el rotor; la parte estacionaria se denomina el estator. El campo magnético

de la máquina es suministrado por los polos norte y sur magnéticos mostrados sobre el

estator.

17



Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi, Universidad de San Buenaventura-Bogotá, Julio de 2011.P16.

42

Ilustración 17. Máquina rotatoria DC.

Fuente: CHAPMAN, Stephen J. Máquinas eléctricas. 3 ed. Mc Graw Hill. p 484.

Nótese que la espira del rotor yace en una ranura labrada en un núcleo ferromagnético. El

hierro del rotor, junto con la forma curva de las caras polares, provee la anchura de

entrehierro constante entre el rotor y el estator. Para minimizar la reluctancia del camino

del flujo a través de la máquina, el flujo magnético debe tomar el camino más corto posible

a través del aire entre la cara polar y la superficie del rotor18

.

2.1.3. Modulación Por Ancho De Pulso (PWM)

La modulación por anchura de pulsos ó (PWM, del inglés pulse-width modulation) es una

técnica de modulación en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en

relación al período. Cuando más tiempo pase la señal en estado alto, mayor será la

velocidad del motor.

2.1.3.1. Ciclo útil (Duty Cycle).

Recibe este nombre la relación de tiempos entre el estado alto y bajo de la señal utilizada.

Se expresa como un porcentaje entre el periodo y el ancho del pulso. Cuando el ciclo útil es

cercano al 100%, el motor girará a una velocidad cercana a la máxima, ya que la tensión

promedio aplicada en sus terminales será casi igual a V+ (Véase ilustración 18). Si el ciclo

18

CHAPMAN, Stephen J. Máquinas eléctricas. 3 ed. Mc Graw Hill. p 483.

43

útil se aproxima a 0%, el motor girará muy despacio, debido a que la tensión promedio será

casi cero.19

Ilustración 18. Ciclo Útil PWM.

Fuente: Ucontrol. Ucontrol. Desarrollo de sistemas de automatización y control. [En línea] [Citado el: 8 de

Agosto de 2013.]. Disponible en la web:

<http://www.ucontrol.com.ar/Articulos/PWM_modulacion_por_ancho_de_pulsos/PWM_modulacion_por_an

cho_de_pulsos.htm>

2.1.3.2. Aplicaciones.

El uso de señales PWM es utilizada comúnmente en la industria en aplicaciones como lo

son: generación de señales sinusoidales, control de velocidad de un motor DC, control de

carga de una batería, control de intensidad de luz de una lámpara (dimmer), entre otras.

En relación a los motores, se puede decir que la modulación por ancho de pulsos es una

técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par

motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica.

2.1.4. Transductores y sensores.

Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un

significado más extenso: la ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de

cantidades físicas que, por su naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente

por los sentidos20

. Transductor, en cambio, sugiere que la señal de entrada y la de salida no

19

Ucontrol. Ucontrol. Desarrollo de sistemas de automatización y control. [En línea] [Citado el: 8 de Agosto

de 2013.]. Disponible en la web:

<http://www.ucontrol.com.ar/Articulos/PWM_modulacion_por_ancho_de_pulsos/PWM_modulacion_por_an

cho_de_pulsos.htm> 20

PALLÁS ARENY, Ramón: Sensores y Acondicionadores de Señal. Barcelona, España, 2003, Marcombo 4ta

Edición .p 2.

44

deben ser homogéneas. Según lo anterior se presentan a continuación aquellos sensores y

transductores integrados en el Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.

2.1.4.1. Codificadores Incrementales.

Un codificador es un dispositivo que genera una salida digital como resultado de un

desplazamiento ya sea linear o angular. Se pueden clasificar en dos: codificadores de

incremento y los codificadores absolutos. El primer tipo detectan el cambio de posición a

partir de una posición de datos y el segundo tipo proporciona la posición angular real.21

En un codificador de posición incremental hay un elemento lineal o un disco con poca

inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar. Dicho

elementos posee dos tipos de zonas o sectores, con una propiedad que las diferencia,

dispuestas de forma alternativa y equidistante tal como se indica en la ilustración 19. De

este modo, un cambio de posición produce un cambio definido en la salida. La resolución,

de un sensor angular, dada como impulsos de salida está determinada por:22

Donde D es el diámetro del disco y X la anchura de cada sector codificado.

Ilustración 19. Codificador de posición incremental.

Fuente: PALLÁS ARENY, Ramón: Sensores y Acondicionadores de Señal. Barcelona, España, 2003,

Marcombo 4ta Edición.

21

VENEGAS REQUENA, Javier: Encoders. [En línea] [Citado el: 8 de Agosto de 2013.]. Disponible en la

<web: http://www2.elo.utfsm.cl/~elo212/docs/Encoders-jvr-v01.pdf> 22

PALLÁS ARENY, Ramón: Sensores y Acondicionadores de Señal. Barcelona, España, 2003, Marcombo 4ta

Edición. p 360.

45

Codificador en Cuadratura

Corresponde a un tipo de codificador incremental que utiliza dos sensores ópticos

posicionados con un desplazamiento de ¼ de ranura el uno del otro, generando dos señales

de pulsos digitales desfasada en 90º o en cuadratura. A estas señales de salida, se les llama

comúnmente A y B. Mediante ellas es posible suministrar los datos de posición, velocidad

y dirección de rotación del eje. Si se incluye la señal de referencia, se le denomina I

(índice).

Usualmente, si la señal A adelanta a la señal B (la señal A toma valor lógico “1” antes que

la señal B, por ejemplo), se establece el convenio de que el eje está rotando en sentido

horario, mientras que si “B” adelanta a “A”, el sentido será anti horario (Ver ilustración

20).23

Ilustración 20. Disco ranurado y señales en cuadratura.

Fuente: VENEGAS REQUENA, Javier: Encoders. [En línea] [Citado el: 1 Septiembre de 2013.]. Disponible

en la web: <http://www2.elo.utfsm.cl/~elo212/docs/Encoders-jvr-v01.pdf>

2.1.4.2. Sensores de contacto.

El final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o

limit swicht, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del

recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo

de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden

contener interruptores normalmente abiertos (NA), cerrados (NC) o conmutadores

dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados.

23

VENEGAS REQUENA, Javier: Encoders. [En línea] [Citado el: 1 Septiembre de 2013.]. Disponible en la

web: <http://www2.elo.utfsm.cl/~elo212/docs/Encoders-jvr-v01.pdf>

46

Ilustración 21. Final de carrera configuración interna.

Fuente: DACS, Sensores. [En línea] [Citado el: 3 Septiembre de 2013.]. Disponible en la web:

<http://sensoresdeproximidad.blogspot.com/>

Generalmente estos sensores están compuestos por dos partes (Ver ilustración 21): un

cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Su uso

es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento

rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una

carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, Robots, etc.24

2.1.4.3. Dispositivos de protección contra corrientes.

Para poder proteger a los motores se estudiaron los siguientes dispositivos que permiten

detectar altas corrientes.

Tabla 1. Especificaciones de dispositivos de protección contra corrientes.

Dispositivo Descripción Ilustración

Fusible

Hilo o chapa metálica, fácil de fundirse, que

se coloca en algunas partes de las

instalaciones eléctricas, para que, cuando la

corriente sea excesiva, la interrumpa

fundiéndose25

.

24

DACS, Sensores. [En línea] [Citado el: 3 Septiembre de 2013.]. Disponible en la web:

<http://sensoresdeproximidad.blogspot.com/> 25

REAL ACADEMIA ESPAÑOLA, Fusible. [En línea] [Citado el: 26 Octubre de 2013.]. Disponible en la

web: <http://lema.rae.es/drae/?val=fusible>

47

Relé térmico

El relé térmico electrónico ha sido diseñado

para proteger motores eléctricos. Estos

aparatos operan en el principio de

monitorear la corriente del circuito

arrancador motor y, cuando la corriente

excede de unas condiciones prefijadas, o no

pasa corriente por alguna fase, el aparato

iniciará el circuito de disparo que

desconectará la potencia del arrancador

protegiendo así al circuito y al motor26

.

Sensor efecto

Hall

Cuando fluye una corriente a través de un

sensor Hall y este se aproxima a un campo

magnético perpendicular; entonces se crea

un voltaje saliente proporcional al producto

de la fuerza del campo magnético y de la

corriente27

.

La aplicación de este elemento en el Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1 es de gran

utilidad ya que por medio de este se puede medir la corriente que circula por los motores.

2.1.5. Amplificadores Operacionales.

Es un amplificador diferencial de ganancia muy alta que se utiliza como bloque

constructivo para el diseño de una amplia gama de circuitos electrónicos28

. El nombre de

amplificador operacional proviene de una de las utilidades básicas de este, como son la de

realizar operaciones matemáticas en computadores analógicos (características operativas).

Originalmente los amplificadores operacionales (AO) se empleaban para operaciones

matemáticas (Suma, Resta, Multiplicación, División, Integración, Derivación, etc.) en

calculadoras analógicas, de ahí su nombre.29

26

General Electric, Relé Térmico Electrónico RE. [En línea] [Citado el: 26 Octubre de 2013.]. Disponible en

la web:

<http://www.gepowercontrols.com/es/product_portfolio/control_automation/overloads/Electronic_Overload_

Relay.html> 27

Motor Brushless, Sensor de efecto HALL ( o sonda Hall ) en los motores brushless dc. [En línea] [Citado

el: 26 Octubre de 2013.]. Disponible en la web: <http://www.motorbrushless.es/index.php/sensor-de-efecto-

hall-o-sonda-hall> 28

DRAKE MOYANO, José María: Instrumentación Electrónica de Comunicaciones. Santander, 2005.

Universidad de Cantabria, Escuela técnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicación.3p. 29

PINTOR, Nicolau: Lecciones de electrónica. [En línea] [Citado el: 1 Septiembre de 2013.]. Disponible en

la web: <http://www.ifent.org/temas/amplificadores_operacionales.asp>

48

Las configuraciones más conocidas de los amplificadores operacionales son las siguientes:

I. El amplificador inversor.

El amplificador inversor (Ver ilustración 22) es el circuito amplificador operacional más

básico. Utiliza realimentaci6n negativa para estabilizar la ganancia de tensi6n total30

.

La ganancia de tención y la impedancia de entrada están dadas por las siguientes

expresiones:

Ilustración 22. Amplificador Inversor.

Fuente: MALVINO, Albert Paul: Principios de Electrónica. Aravaca, Madrid. McGraw-Hill/Interamericana

de España, S.A.U. Sexta Edición. p 685.

II. El amplificador no inversor.

El amplificador no inversor (Ver ilustración 23) es otro circuito básico de amplificador

operacional. Utiliza realimentación negativa para estabilizar la ganancia total de tensión.

Con este tipo de amplificadores la realimentación negativa también, provoca el incremento

de la impedancia de entrada y la disminución de impedancia de salida31

.

La ganancia de tensión y la impedancia de entrada están dadas por las siguientes

expresiones:

(1)

(2)

30

MALVINO, Albert Paul: Principios de Electrónica. Aravaca, Madrid. McGraw-Hill/Interamericana de

España, S.A.U. Sexta Edición. p 685. 31

Ibíd. 691p.

49

Ilustración 23. Amplificador no inversor.

Fuente: MALVINO, Albert Paul: Principios de Electrónica. Aravaca, Madrid. McGraw-Hill/Interamericana

de España, S.A.U. Sexta Edición. p 691.

III. Amplificador Comparador.

El amplificador operacional comparador (Ver Ilustración 24) suele usarse para comparar

una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia (Vref).

El voltaje de salida (Vout) está dado por el siguiente rango.

(3)

Ilustración 24. Amplificador Comparador.

Fuente: MOLINA, José Luis: Profesor Molina. [En línea] [Citado el: 1 Septiembre de 2013.]. Disponible en

la web: <http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/ampli_oper.htm>

50

2.1.6. Inversor de giro tipo puente H.

Está basado en hacer girar los motores impulsores de mecanismos como Robots, máquinas

herramientas (CNC) o cualquier otro sistema electromecánico que requiera de movimiento

de piezas.

El “puente H” o “H bridge” también conocido como “puente completo”, adopta la letra H

para su nombre debido a la forma que presenta dentro de un circuito esquemático

simplificado, (Ver ilustración 25). En la barra central se encuentra ubicado el motor y en

cada “rama lateral” ascendente o descendente se ubican los conmutadores que, activados de

manera apropiada, brindarán al sistema los movimientos necesarios para que el motor

utilizado pueda girar en un sentido u otro.32

Ilustración 25. Esquema básico simplificado de un puente H.

Fuente: Mario.Puente H para motores CC. [En línea] [Citado el: 3 Septiembre de 2013.]. Disponible en la

web: <http://www.neoteo.com/puente-h-con-mosfet-para-motores-cc/>.

Según la ilustración anterior, para accionar el motor, se debe activar los switch de

conmutación por pares opuestos. Para un giro seguro en uno de los dos sentidos, se debe

cerrar S1 y S4, observando que S2 y S3 permanezcan abiertas. En el caso inverso sería S2 y

S3 cerradas, mientras que S1 y S4 deberán permanecer abiertas. Un error en la activación

provocará un corto en la fuente de alimentación.

2.1.7. Controlador Lógico Programable (PLC).

Estos controladores evolucionaron ya que la industria buscó formas más económicas para la

automatización de líneas de producción, particularmente en la fabricación de equipos,

bienes de consumo y productos de la industria pesada. Así el PLC ha sustituido los sistemas

32

Mario. Puente H para motores CC. [En línea] [Citado el: 3 Septiembre de 2013.]. Disponible en la web:

<http://www.neoteo.com/puente-h-con-mosfet-para-motores-cc/>

51

eléctricos basados en relés, cableados, y más recientemente en circuitos lógicos

neumáticos.33

Un PLC típico tiene cuatro componentes diferentes pero interrelacionados, estos son:

I. Una sección de entrada / salida, que conecta el PLC con el mundo exterior (la máquina

con sus sensores, válvulas de solenoide e interruptores, lámparas, calentadores y

motores eléctricos).

II. Una unidad de procesamiento central (CPU), que es basado en un microprocesador.

Contando también con elementos de memoria RAM y ROM (véase la ilustración 26).

Ilustración 26. Unidad de procesamiento de un PLC.

Fuente: PRIETO Paloma, Lenguajes de Programación. [En línea] [Citado el: 5 Octubre de 2013.].

Disponible en la web: <http://recursostic.educacion.es/observatorio/web/ca/component/content/article/502-

monografico-lenguajes-de-programacion?start=3>.

III. Una unidad de programación, que puede ser una consola portátil de programación, un

PLC de tipo escritorio PROGRAMMER especial, similar a un ordenador portátil, o un

ordenador de sobremesa con monitor. (véase la ilustración 27).

33

ROHNER, Peter. Automation with programmable logic controllers. Sydney, Australia, 1996. Southwood

Press, Marrickville, NSW. p 1-2.

52

Ilustración 27. Unidad de Programación

Fuente: RS, PLC programming console. [En línea] [Citado el: 5 Octubre de 2013.]. Disponible en la web:

<http://ae.rsdelivers.com/product/omron-electronics/cqm1hpro01e/cqm1h-pro01e-plc-programming-

console/4329557.aspx>

IV. Una fuente de alimentación a los sensores de potencia de entrada y señales de salida

que conducen a las lámparas, motores, calentadores y solenoides de las válvulas de

potencia de fluidos (usualmente 24V DC).34

2.1.8 Concepto de herramientas CAD.

Las herramientas CAD (Diseño Asistido por Computadora, de sus siglas en inglés

Computer Aided Design) son asociadas por la mayoría con el dibujo, sin embargo, dado

que el diseño incluye otras fases, el término CAD es empleado tanto para el dibujo, como

para el resto de las herramientas que ayudan al diseño.

El gran impacto que han producido las herramientas CAD sobre el diseño de circuitos

electrónicos ha producido que un gran número de compañías dedicas a la fabricación de

software hayan sacado al mercado programas dedicados a esta rama. Las primeras de éstas

tenían una interfaz de usuario poco amigable, pero la adición de interfaces gráficas de los

actuales programas, hace que cualquier usuario intermedio, sin un gran conocimiento sobre

este tipo de programas, sea capaz de aprenderlos en un par de horas.

La producción de hardware tenía una gran desventaja en comparación con la producción

de software, este era el alto coste del ciclo (Ver ilustración 28).

34

ROHNER, Peter. Automation with programmable logic controllers. Sydney, Australia, 1996. Southwood

Press, Marrickville, NSW. p 1-2.

53

Ilustración 28. Antiguo proceso en la producción de hardware.

Fuente: Future Works: Manual de Orcad Layout. [En línea] [Citado el: 7 Septiembre de 2013.]. Disponible

en la web:

<http://www.futureworkss.com/tecnologicos/electronica/manuales/Manual%20del%20orcad%20Layout.pdf>

Los diseñadores de herramientas CAD tuvieron la idea de incluir dentro de éstas,

herramientas que permitieran al usuario simular el funcionamiento que tendría el producto

sin necesidad de ser armado, con esto abaratando la producción de hardware. En la

ilustración 30 se muestra el proceso actual.

En el ciclo actual de diseño de hardware las herramientas CAD están presentes en todos los

pasos; en el primer paso donde se captura un esquema del circuito, en la simulación (cabe

mencionar que estas herramientas permiten atender un nivel de simulación, dependiendo de

qué tan apegada a la realidad quiera el usuario que sea y por último las herramientas que

sirven para la realización de PCB (Printed Circuit Board))35

, (ver ilustración 29).

Ilustración 29. Proceso actual en la producción de hardware.

Fuente: Future Works: Manual de Orcad Layout. [En línea] [Citado el: 7 Septiembre de 2013.]. Disponible

en la web:


35 Future Works: Manual de Orcad Layout. [En línea] [Citado el: 7 Septiembre de 2013.]. Disponible en la

web:


54

3. METODOLOGÍA

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN.

Se optará por el método empírico-analítico para el desarrollo de una serie de

procedimientos que permitan lograr avances en el cumplimiento de los objetivos

específicos planteados anteriormente.

Con el fin de determinar una base metodológica sustentada para concluir los objetivos

propuestos, se presentan a continuación los procedimientos que se deben cumplir con el

ánimo de llevar a un buen término el proyecto.

Tabla 2. Desarrollo de la metodología.

Objetivo Específico 1

Verificar los sistemas mecánicos y eléctricos que posee actualmente el Robot.

Procedimiento Propuesto

Se propone la aplicación del concepto de “Ingeniería inversa”; y a partir de los resultados

allí obtenidos, se procederá a indagar el procedimiento para repotenciación del Robot.

Las actividades y tareas ligadas con este procedimiento se describen a continuación.

Tarea. Actividades

1. Características del Robot

1.1 Se procederá principalmente a analizar el manual

que provee el fabricante del Robot, con el objetivo de

conocer nuevas bases para el desarrollo de esta

investigación y así poder identificar las características

generales del Robot.

Recursos Requeridos:

Material bibliográficos (manuales, libros, etc.), Robot

Mitsubishi Movemaster RV-M1, herramientas.

2. Chequeo general sistema

2.1 Se prosigue con la revisión de los componentes

electromecánicos que actualmente posee el Robot,

verificando que esté en correcto funcionamiento de

acuerdo a las especificaciones ofrecidas por el manual

del usuario.

55

2.2 Realizar mantenimiento general a las piezas y

componentes que lo requieran y si es necesario realizar

el reemplazo de los elementos defectuosos según su

valoración.

2.3 Identificar la estructura física del Robot con el

objetivo de descubrir piezas o partes faltantes al sistema.


Diseñar el acondicionamiento de señal de los encoders, con el fin de conocer el

posicionamiento de cada articulación del Robot.


Para cumplir con este objetivo se debe identificar cada una de las señales de los encoders, y

realizar la etapa de acondicionamiento para que cualquier PLC pueda leerlas.

Tarea. Actividades

1. Reconocimiento de los

encoders

1.1 Determinar el funcionamiento de las señales que

provienen de la tarjeta de fábrica del Robot.

1.2 Realizar pruebas para la verificación del

comportamiento de las señales frente al cambio de

posición de los motores.

2. Diseño del acondicionador de

señal.

2.1 Diseñar el acondicionador de señal para el manejo de

las señales provenientes de los encoders, realizando una

etapa de amplificación entre un rango de [5Vpp] a

[24Vpp] con el fin de que se puedan leer estas señales

por medio un PLC.

Objetivo específico 3

Diseñar un sistema de protección de parado de emergencia, al momento de presentarse una

obstrucción en la trayectoria del movimiento del Robot.


Para evitar daños en las tarjetas de potencia y en los motores debido a los altos picos de

corriente, es necesario implementar un sistema que permita la detección de exceso de carga

en los motores. También para prevenir que el Robot se estrelle con un objeto externo.

Tarea Actividades

1. Medición de la corriente

nominal de los motores

1.1 Se procede a alimentar cada motor del sistema (con y

sin carga) y posteriormente medir la corriente de cada

uno.

56

1.2 Identificar qué tipo de movimientos son críticos para

el Robot, conociendo el consumo de corriente de cada

articulación.

2. Diseño del circuito para la

protección de los motores.

2.1 Mediante el proceso experimental, se busca la mejor

solución al problema planteado.

2.2 Diseñar el acondicionamiento de señal que requiere

el sensor, de acuerdo a los parámetros que se deseen.


Diseñar un circuito electrónico que permita la lectura de los finales de carrera y la

activación de los frenos.


Es importante la integración de este circuito puesto que el Robot no cuenta con este

sistema, es de gran necesidad tener presente las señales generadas por los finales de carrera

ubicados en los topes de las articulaciones, esto indica que el Robot no puede avanzar más

de lo que le permite su estructura física. El Robot posee dos frenos en las articulaciones

principales (Hombro y Codo) y se deben manipular adecuadamente a la hora de realizar

movimientos.

Tarea. Actividades

1. Funcionamiento (Finales de

carrera y frenos

electromagnéticos)

1.1 Se identifica las conexiones eléctricas de los finales

de carrera comprobando la relación que tienen con la

tarjeta de señales del Robot.

1.2 Identificar el correcto funcionamiento de los frenos

en pruebas de movimiento.

2. Parámetros para la

elaboración de la tarjeta

2.1 Conocer el consumo de corriente que se necesita para

la activación de la bobina del freno.

2.2 Se plantea qué elementos electrónicos son necesarios

para la realización de la tarjeta controladora del frenado

y señales de sensores de contacto.

3. Diseño e implementación de

la tarjeta.

3.1 Se procede al diseño del PCB para la integración de

los finales de carrera y los frenos electromagnéticos.


Diseñar tarjetas electrónicas de potencia para el manejo de las articulaciones del Robot.


Se realizaran pruebas de laboratorio para obtener datos necesarios que servirán para la

construcción de la nueva tarjeta de potencia, en dichas pruebas se medirán las propiedades

eléctricas como corriente y voltaje a los que operan los actuadores y determinar el

57

comportamiento de las señales de salida de los sensores; con la ayuda del material

bibliográfico y fuentes virtuales.

Tarea. Actividades

1. Parámetros para la

elaboración de tarjetas de

potencia.

1.1 Con los datos obtenidos en el objetivo 3, se optará

por realizar el diseño de un circuito inversor de giro

capaz de soportar las especificaciones de los motores.

1.2 Se realizarán pruebas basadas en simulaciones con el

fin de corroborar el diseño del circuito inversor de giro a

implementar.

1.3 Realizar pruebas de laboratorio con el fin de buscar

posibles fallas al diseño previo por medio de un PWM.

Identificando la frecuencia de trabajo de los motores.

1.4 Adaptar el circuito electrónico para el control por

medio de un PLC, esto conlleva el manejo de señales de

24V DC para todo tipo de señal.

2. Diseño e implementación de

la tarjeta.

2.1 Definición de la tarjeta final a implementar en el

sistema.

2.2 Se procede al diseño del PCB del circuito diseñado.

2.3. Se integrará la tarjeta a la caja de control.

Actividades Complementarias

Realizar una serie de secuencias programadas a través de un PLC.


Se plantea verificar el funcionamiento del sistema electrónico diseñado, para ello se opta

por programar un PLC para ejecutar una serie de movimientos en el Robot. Se procede a

implementar el PLC FESTO FEC Compact ya que la Universidad cuenta con éstos.

Tarea. Actividades

1. Programa de lectura de

pulsos de los encoders.

1.1 Identificar y configurar los módulos de lectura rápida

del PLC.

1.2 Se procede a realizar movimientos repetitivos con

velocidad constante en las articulaciones con un rango

determinado, comprobando que la lectura de los

encoders sea la misma en las pruebas.

1.3 Realizar la actividad anterior con diferentes

velocidades (baja, media y alta), y así identificar en que

58

velocidades se pierden datos de lectura.

2. Programa de rampa de

velocidad.

2.1 Con los datos obteniditos de las actividades

anteriores, se desarrolla el cálculo de la rampa de

velocidad a implementar en el sistema.

2.2 Se procede a realizar pruebas planteando una

referencia de posición e identificar el error obtenido con

el fin de determinar la velocidad máxima adecuada en la

rampa.

2.3 Cumpliendo con la actividad anterior se procede a

realizar pruebas con referencias de posición bajas,

medianas y altas. Con el fin de identificar el

comportamiento de la rampa.

3. Conexión de los PLCs por

cascada.

3.1 Configurar los módulos de comunicación de los

PLCs y realizar pruebas de laboratorio con el fin de

verificar la comunicación.

3.2 Realizar una rutina de movimientos programados con

el fin de verificar el funcionamiento de las tarjetas de

potencia diseñadas.

3.2. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN.

Este proyecto pertenece a la línea de investigación institucional Tecnologías actuales y

sociedad de la Universidad de San Buenaventura, Bogotá. La línea investigación de la

Facultad de Ingeniería a la que se enfocada es el análisis y procesamiento de señales (APS)

donde específicamente se abarca los núcleos problémicos de: control, automatización y

robótica.

59

4. DISEÑO INGENIERIL

Para el desarrollo ingenieril, es de gran importancia seguir una metodología para cumplir

con el objetivo general del proyecto. Aunque la metodología presentada anteriormente

parece lineal y consecutiva, algunos de los objetivos pueden realizarse simultáneamente,

puesto que en algunas actividades y tareas se relacionan entre sí, así mismo y de acuerdo a

los resultados que se obtengan en las pruebas, algunas de las actividades tendrán que

reconsiderarse, con el motivo de corregir problemas que se presenten durante el desarrollo

de los objetivos.

4.1 OBJETIVO 1. Verificar los sistemas mecánicos y eléctricos que posee actualmente

el Robot.

4.1.1 Actividad 1.

Se plantea un estudio minucioso del manual del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1,

con el ánimo de encontrar las limitaciones de trabajo tanto de alimentación eléctrica, como

de carga mecánica, además de explorar las características intrínsecas de los motores que

permiten el movimiento de las articulaciones. (Grados de Libertad, tipo de movimientos por

ejes, sensores internos y externos, tarjetas electrónicas, entre otros).

El cumplimiento de esta actividad se realizó a través de la revisión de dos fuentes

principalmente, a saber: el manual de funcionamiento del Robot36

y material especializado

en el tema de robótica37

. La lectura de cada uno de ellos permitió comprender los diversos

conceptos asociados con las partes fundamentales del sistema, sus articulaciones y

principales tipos de movimiento (ver ilustración 30). Esta información se contrastó con

mediciones y observaciones sobre el sistema real para llegar al resumen que se presenta a

continuación:

36

Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation. 37

Theory of applied Robotics, Kynematics Dynamics and Control; Reza N. Jazar, Springer 2007

60

Ilustración 30. Principales Componentes Brazo Robot.

Cada una de las articulaciones del Robot (representadas con colores en la ilustración

anterior), le aportan un grado de libertad al Robot (5 en total: cintura, hombro, codo,

muñeca, muñeca en giro); todas ellas son articulaciones de rotación, en algunos casos en el

mismo plano (J2, J3, J4) o en algunos otros en planos de movimiento perpendiculares (J1,

J5). Así mismo cada articulación cuenta con finales de carrera que permiten la fácil

detección del recorrido final, en el espacio de trabajo del Robot.

61

Finalmente se analizó en detalle el espacio de trabajo del Robot38

realizando una

comparación de los datos arrojados por el manual de usuario, donde se especifica el grado

de libertad en cada articulación y se constatan los alcances mencionados a través de la

manipulación manualmente del Robot por medio de un transportador (ver tabla 3). Detalles

adicionales acerca del funcionamiento del Robot y sus capacidades puede encontrarse en el

manual en cuestión.

Tabla 3. Comparación de datos.

Manual del Robot Constancia

Articulación Grados Grados Ilustración

Espacio

de

trabajo

del

Robot

Cintura 300º 300º

Hombro 130º 130º

38

Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 1-8.

62

Codo 110º 110º

Muñeca 180º 182º

Fuente: Tabla desarrollada por los autores con datos del manual, Industrial Micro-Robot System Model RV-

M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 1-7.

De la tabla anterior se concluye que el movimiento en las articulaciones es correcto y que el

sistema no posee obstrucciones que impidan operar el Robot en el espacio de trabajo.

4.1.2 Actividad 2.

Se procederá a corroborar el estado actual del Robot tomando como referencia las

especificaciones descritas en el manual de funcionamiento, para ello se examinará la

estructura interna del mismo haciendo énfasis en los mecanismos y cableados que posee,

siguiendo las instrucciones planteadas a continuación.

Para verificar el estado interno actual del Robot (Ver ilustración 31), se procede a retirar las

cubiertas protectoras39

, cabe aclarar que el Robot carece de las cubiertas de la base, por

consiguiente se tiene acceso a los componentes internos del Robot y así permitir verificar el

estado y funcionamiento de los componentes electromecánicos como motores, correas,

frenos electromagnéticos, finales de carrera, levas de accionamiento de finales de carrera,

eslabón de la articulación J3, conexiones eléctricas, etc.

39

Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-11.

63

Ilustración 31. Estructura interna del Robot.

A propósito de lo mencionado anteriormente, en la anterior ilustración se visualiza el retiro

de las cubiertas protectoras, nótese que a simple vista no se pueden localizar con exactitud

todos los componentes, para tener un conocimiento previo del funcionamiento del Robot, es

necesario conocer la ubicación y cantidad de cada uno de los componentes

electromecánicos que posee el Robot internamente, para ello se procede a examinar el

manual del usuario donde se especifica detalladamente estos componentes internos (ver

ilustración 32).

64

Ilustración 32. Esquema del Robot.

Fuente: Ilustración Adaptada del Manual del Robot, Industrial Micro-Robot System Model RV-M1,

Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-9.

Debido a la antigüedad y uso que tuvo este Robot, se procede a realizar una rápida

inspección a los motores, cada uno de ellos fueron desmontados de la estructura del Robot,

gracias a esto se pudo determinar que las articulaciones J1, J2 y J3 comparten un tipo de

motor, mientras que J4 y J5 poseen un motor distinto (ver tabla 5). Este proceso de

inspección y mantenimiento de los motores, más específicamente la verificación de las

escobillas se realizó siguiendo los procedimientos descritos en el manual del Robot (ver

ilustración 33).

65

Ilustración 33. Límite de desgaste en escobillas.

a) Límite de desgaste

b) Estado actual

Fuente: a) Ilustración Adaptada del manual del Robot, Industrial Micro-Robot System Model RV-M1,

Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-14.

Después de realizar la inspección se puede concluir, que todas las escobillas de los motores

del Robot se encuentran en buen estado cumpliendo con la recomendación que el manual

aporta, se deduce que los motores pueden funcionar con normalidad con estas escobillas.

Culminada la tarea anterior, se verifica el estado general de las correas de transmisión;

condición física y ajuste de tensión, con el fin de identificar posibles fallas del sistema de

transmisión. Se puede apreciar a simple vista que las correas no poseen fisuras ni desgaste

(poca socavación entre los dientes), según el manual se debe aplicar una fuerza (gramos

fuerza) provocando una deflexión aproximada en cada una de las correas como se muestra

en la siguiente tabla.

Tabla 4. Deflexión y carga en las correas.

Articulación Deflexión Carga

Cintura 2.7 mm 22 a 37 gf

Hombro 1.6 mm 22 a 37 gf

Muñeca 1.2 mm 11 a 19 gf

Fuente: Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-29.

66

Se procede a realizar el procedimiento mencionado anteriormente, donde el resultado fue el

ajuste correcto en cada una de las correas. A continuación se muestra uno de los resultados

obtenidos en el sistema de transmisión de la muñeca (ver ilustración 34).

Ilustración 34. Tensión en las correas de transmisión

a) Tensión recomendada

b) Estado actual

Fuente: a) Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 4-23.

Adicionalmente en esta actividad fue posible verificar el funcionamiento de los frenos

electromagnéticos que poseen las articulaciones J2 y J3 (ver ilustración 32 y 35),

comprobando que se energice la bobina de cada uno y en este caso que la parte superior del

brazo y antebrazo se liberen.

Ilustración 35. Freno electromagnético.

Posteriormente fue factible revisar el estado y funcionamiento de los finales de carrera (en

la ilustración 32 se muestra la ubicación de cada uno), se pudo comprobar el buen estado de

los finales de carrera, existen problemas menores de activación respecto al final de carrera

de la articulación J2, pero estos podrán resolverse con posterioridad. Cabe aclarar que se

67

verificó la activación de cada uno por medio de sus respectivas levas de accionamiento con

la manipulación manualmente del Robot.

Finalizada la actividad anterior, se procederá a revisar el estado de la estructura externa del

Robot, se realizará en esta etapa un diagnóstico preliminar de las cubiertas protectoras.

Como resultado se observa que las piezas exteriores presentan un desgaste natural que se

refleja en el deterioro del color y adicionalmente algunas partes en específico como los

elementos de sujeción de la pinza (ver ilustración 36).

Ilustración 36. Estructura externa del Robot.

Uno de los primeros problemas que se pueden observar a partir de esta rápida inspección

resulta ser el deterioro y ausencia de algunos de los tornillos de sujeción y fisuras menores

68

en las tapas protectoras de la articulación del hombro (partes 2 y 3), también la ausencia de

las tapas de la base (parte 1) mencionado anteriormente (ver ilustración 31), lo que obliga a

pensar en el remplazo de las mismas en etapas posteriores de este proyecto de

investigación.

Con el desarrollo de este objetivo se logró realizar la siguiente tabla donde muestran las

especificaciones eléctricas de cada componente electromecánico que posee el Robot

actualmente.

Tabla 5. Especificaciones de los principales componentes electromecánicos del Robot.

Componente Especificaciones Cantidad

Motor DC (J1, J2 y J3) 24V DC; 30W 3

Motor DC (J4 y J5) 24V DC; 11W 2

Frenos electromagnéticos (J2 y J3) 12V DC; 3.6W 2

Finales de carrera (J1 a J5) Normalmente cerrados 5

Motor DC (Gripper) 12V DC; 11W 1

Robot (Capacidad máxima) 1.2 Kg No aplica

Robot (Peso) 20 Kg No aplica

Fuente: Tabla desarrollada por los autores con datos del manual, Industrial Micro-Robot System Model RV-

M1, Mitsubishi Electric Corporation, P. 1-7, 1-16, 3-38.

4.2 OBJETIVO 2. Diseñar el acondicionamiento de señal de los encoders, con el fin

de conocer el posicionamiento de cada articulación del Robot.

4.2.1 Actividad 1.

Para la realización de esta actividad es necesario analizar e identificar las señales que

provienen de la tarjeta electrónica que posee el Robot, cada motor excepto el motor que

controla el movimiento de la pinza, posee un encoder de tipo incremental ranurado

alimentado a través de esta tarjeta; a su vez la señal de salida del encoder es filtrada y

procesada. En la siguiente ilustración se muestra la tarjeta anteriormente mencionada.

69

Ilustración 37. Tarjeta de señales.

Mediante el cable multifilar ubicado en el conector J1 (ver ilustración 37), se alimenta esta

tarjeta con una tensión de 5V DC, también por este mismo cable se transportan las señales

de los encoders y los finales de carrera. Gracias al trabajo de grado “Diseño de sistema

electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de Robot

MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi”40

, se ha identificado previamente cada uno de los

cables de esta tarjeta.

Cada encoder arroja 2 señales iguales en amplitud aproximadamente de 5Vpp pero

desfasadas una de la otra, dependiendo del sentido de giro en que se opere el motor. “Al

girar el motor genera una señal cuadrada, el escalado hace que las señales tengan un desfase

de ¼ de periodo si el motor gira en un sentido, si gira en el sentido contrario el desfase es

de ¾ de periodo, lo que se utiliza para discriminar el sentido de giro”.41

40


Andrés. Diseño de sistema electrónico para manejo de señales digitales para control de articulaciones de

Robot MOVEMASTER RV-M1 de Mitsubishi. Universidad de San Buenaventura, Bogotá, Julio de 2011. 41

ROMERO BARCOJO, Alfonso. Unidad Didáctica. Control y robótica. Sección: Sensores. [En línea]

[Citado el: 3 Octubre de 2013.]. Disponible en la web: <http://cmapspublic2.ihmc.us/rid=1H2F1807L-

JP0SG2-J1J/encoder.pdf>

70

En la siguiente ilustración se muestra el desfase de las señales del encoder, como se puede

observar la señal B es la señal que se desfasa con respecto a la señal A, dependiendo el

sentido de giro de motor.

Ilustración 38. Desfase de las señales del encoder.

Con la información anterior, se procede a energizar la tarjeta, moviendo manualmente la

articulación de la cintura del Robot y por medio del osciloscopio identificar las señales que

provienen del encoder del motor de la cintura.

En la siguiente ilustración se puede apreciar la señal arrojada por el encoder con el motor

girando en sentido horario, el canal 0 (CH0) de color verde muestra la señal B y el canal 1

(CH1) de color azul muestra la señal A. La medición tomada con el osciloscopio tiene una

escala de 5V por división.

71

Ilustración 39. Señal encoder sentido horario.

Fuente: Datos obtenidos con NI-myDAQ de National Instruments, licencia estudiantil 4.3.1.

A simple vista se identifica el desfase que tiene cada señal, el comportamiento de la señal B

tiene un desfase de ¼ frente a la señal A, también se conoce la frecuencia de estas señales

(5.2KHz) esto es importante ya que el acondicionador de señal debe ser capaz de trabajar a

esta frecuencia o superior.

Se realiza la misma medición con el motor girando en sentido anti-horario, en la siguiente

ilustración se muestran las señales del encoder para este caso. El comportamiento de la

señal B tiene un desfase de ¾ frente a la señal A, con las 2 mediciones se concluye que

mientras el motor gira para un sentido en específico, las señales se desfasan una de la otra.

72

Ilustración 40. Señal encoder sentido anti-horario.

Fuente: Datos obtenidos con NI-myDAQ de National Instruments, licencia estudiantil 4.3.1.

4.2.2 Actividad 2.

4.2.2.1 Diseño de acondicionador de señal.

Con el fin que cualquier PLC pueda leer la señal del encoder, es necesario amplificar el tren

de pulsos generado por los encoders (5Vpp) a una señal con una amplitud de 24Vpp.

Para la realización de esta tarea se usarán amplificadores operacionales (AO) configurados

como amplificadores no inversores puesto que solo es necesario amplificar la señal.

A continuación se presenta una tabla comparativa con los amplificadores operacionales más

comunes con el fin de seleccionar el más indicado para este diseño.

73

Tabla 6. Tabla comparativa de AO.

Especificaciones Amplificador Operacional

LM741 LM358 LM324 LM348

Voltaje de alimentación ±22V 32V o ±16V 32V o ±16V ±18V

Corriente de salida 25mA 20mA 20mA 25mA

Ancho de banda 1.5 MHz 1 MHz 1.2MHz 1 MHz

Numero de Amplificadores 1 2 4 4

Empaquetado TO-99

PDIP

PDIP

SOIC

PDIP

SOIC

PDIP

SOIC

Fuente: Datos obtenidos del datasheet de los fabricantes.

Los circuitos integrados (CI) LM348 y el LM741 funcionan con fuente dual lo que obliga a

implementar una fuente de este tipo al sistema, como se necesita amplificar únicamente

voltajes positivos no es necesario usar una fuente dual y como estos CI lo requieren, no se

usarán para el desarrollo de esta actividad.

Los circuitos integrados LM358 y LM324, son más versátiles en la alimentación, puesto

que pueden operar con fuente simple sin perder su desempeño, además poseen más de un

amplificador, en el caso del LM324 posee 4, para este diseño se usarán únicamente 2 y se

dejarán 2 amplificadores disponibles con el fin de usarlos para otros propósitos dentro de

las tarjetas de potencia del Robot. Otras ventajas de este amplificador es el empaque en

tecnología superficial (SMT), esto permite ahorrar espacio y costos, también el ancho de

banda es suficientemente amplio para trabajar con la frecuencia de los encoders, por las

razones ya mencionadas se usará este amplificador para el diseño del acondicionamiento de

señal para los encoders. Ahora se procede al diseño de la siguiente manera.

Con la siguiente expresión se calcula la ganancia de tensión del amplificador.

De la ecuación (4) se reemplazan los valores como se muestra a continuación.

74

De la ecuación (1) de ganancia de tensión del amplificador se despeja la resistencia R2.

Se supone la resistencia R1 con un valor comercial con el fin de calcular R2, en la siguiente

tabla se realizan iteraciones con el fin de obtener las resistencias más cercanas al valor

comercial.

Tabla 7. Resistencias calculadas.

1 2 3 4 5 6 7

R1[Ω] 2.2K 2.7K 3.9K 4.7K 5.6K 10K

R2[Ω] 8.36K 10.26K 14.82K 17.86K 21.28K 43.2K

R3[Ω] 1.74K 2.1K 3.08K 3.72K 4.43K 8.1K

La resistencia R3 cumple la función de equilibrar las corrientes de malla en las entradas del

amplificador y se calcula mediante la siguiente expresión.

En la tercera columna de la tabla 7, se aprecian los valores más aproximados a los valores

comerciales (ver Anexo A), para este caso se seleccionaron las siguientes resistencias,

adicionalmente se calcula la potencia disipada con el fin de seleccionar el vatiaje adecuado

de las resistencias a implementar.

Con la expresión 7 se calcula la potencia para cada una de las resistencias como se muestra

a continuación.

Reemplazando los valores de las resistencias comerciales a implementar se tiene que.

Valor comercial 2.7 KΩ a ¼ W

75

Valor comercial 10 KΩ a ¼ W


En la siguiente ilustración se muestra el circuito esquemático con las resistencias calculadas

anteriormente para el acondicionador de señal de los encoders.

Ilustración 41. Acondicionador de señal para encoders.

Fuente: Esquema electrónico desarrollado en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.

Se procede a realizar la simulación del circuito anterior, por medio del generador de

funciones se simula la “Señal del encoder A” con un valor de 5Vpp y por medio del

osciloscopio se observa el comportamiento de las señales, en la siguiente ilustración se

muestra el resultado de esta simulación. Escala canal A: 2.5V por división; canal B: 4.7V

por división.

76

Ilustración 42. Simulación acondicionador de señal para encoders.

Fuente: Simulación desarrollada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.

De la simulación anterior se concluye que el acondicionador de señal es adecuado para

implementar este circuito al Robot, con el fin de leer todas las señales de los encoders por

medio de un PLC.

Con el fin de comprobar los resultados obtenidos con la simulación, se procede a realizar el

montaje físico del circuito de la ilustración 41. En la siguiente ilustración se presentan los

resultados obtenidos con el circuito acondicionador diseñado.

Ilustración 43. Resultados obtenidos con el acondicionador de señal.

77

En la ilustración anterior se aprecia la señal del encoder de color amarillo (CH1) y su

amplificación de color azul (CH2) con un valor pico a pico de 20.6V esto se debe a que se

está alimentado el circuito a 24V, si se desea obtener un valor de pico a pico de 24V en la

salida de la amplificación, se recomienda alimentar el circuito con un voltaje nominal de

26V, pero en éste caso el acondicionador garantiza que cualquier PLC pueda leer este tren

de pulsos arrojado por el encoder, ya que los niveles lógicos estándar vienen definidos por

el rango de tensión comprendida entre 18V y 24V para el estado High (alto) y 0.5V a 5V

para el estado Low (bajo)42

.

4.3 OBJETIVO 3. Diseñar un sistema de protección de parado de emergencia, al

momento de presentarse una obstrucción en la trayectoria del movimiento del

Robot.

4.3.1 Actividad 1.

Uno de los inconvenientes surgidos durante los procesos de diseño que se estudiaron, fue el

de encontrar la manera de proteger a los motores contra picos altos de corriente producto de

una colisión del brazo robótico o exceso de carga, por medio de esta actividad se busca dar

solución a este factor.

Se procede a alimentar cada uno de los motores del Robot según las especificaciones de la

tabla 4, con el fin de conocer la corriente nominal de trabajo con carga y sin carga.

Teniendo en cuenta que la capacidad máxima del Robot es de 1.2Kgf43

, se realizan las

mediciones de corriente con una carga de 1.1Kgf y con un voltaje de alimentación de 24V

DC (ver ilustración 44).

42

FEC Compact, FESTO. Hardware description, R Muller, Esslinger 2003, Appendix A-5. 43

Industrial Micro-Robot System Model RV-M1, Mitsubishi Electric Corporation, Table 1.3.1, P. 1-7.

78

Ilustración 44. Prueba de medición de corriente con carga.

En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos en las pruebas realizadas.

Tabla 8. Medición de corriente de los motores.

Articulación

Corriente (A)

Sin carga Con carga

Cintura 1.4A 2A

Hombro 2.35A 2.75A

Codo 1.7A 2.2A

Muñeca 1.7A 2A

Muñeca Giro 2.5A 2.65A

Pinza 200mA N.A.

79

Según la tabla anterior, se identifica que el movimiento crítico del Robot es el que realiza la

articulación del hombro (J2), puesto que esta articulación tiene un mayor consumo de

corriente, por consiguiente se toma como referencia la corriente que circula por el motor de

esta articulación, para el diseño del circuito electrónico de protección contra picos de

corriente elevadas.

4.3.2 Actividad 2.

Para diseñar el circuito que protegerá a los motores contra exceso de carga, se proponen 2

diseños previamente estudiados durante el desarrollo de la investigación en el semillero

SIFMS (Sistemas Flexibles de Manufactura), los cuales mediante los resultados obtenidos

se evaluarán con el fin de determinar cuál es el más indicado para implementarlo en la

tarjeta de potencia del Robot.

4.3.2.1 Protección de sobrecarga en los motores mediante amplificadores

operacionales.

Los motores tienen un índice de corriente nominal de 2.5 Amperios, para esta corriente se

diseñará la protección. Se utilizará una resistencia de un valor muy bajo que permita medir

un voltaje y que sea directamente proporcional a la magnitud de la corriente, para este caso

una resistencia de 0,1 ohmios, para la corriente máxima del circuito se tiene un voltaje de

nodo de 250mV, para lo cual se debe implementar un acondicionador de señal que aumente

el rango de acción de los voltajes, para poder activar un contacto que abra el circuito en el

caso de llegar al límite de corriente soportado por los motores.

El rango de voltajes en la resistencia es de mínimo 0V y máximo 0.25V, y se desea

aumentar la ganancia de tensión (ver ilustración 45) a un nivel TTL con el fin de poder

utilizar esta señal con un relé que abrirá el circuito en caso de sobrecarga.

Ilustración 45. Rango de voltajes para el acondicionador.

Según la ilustración anterior se tiene que la ganancia de la amplificación (ecuación 4) del

acondicionador es:

80

*

+

*

+

De la ecuación (5) se despeja la resistencia R2.

Se recomienda hacer 2 etapas de amplificación, porque amplificar 20 veces en una sola

etapa puede ocasionar problemas de ruido en la respuesta de salida del amplificador, para

evitar esto se amplificará en 2 etapas. En la primera etapa se amplificará 10 veces y la

segunda 2 veces.



comercial.


1 2 3 4 5 6 7

1[Ω] 2.2K 2.7K 3.9K 4.7K 5.6K 10K

2[Ω] 19.8K 24.3K 35.1K 42.3K 50.4K 90K

3[Ω] 1.98K 2.43K 3.51K 4.23K 5.04K 9K

La resistencia R3 se calcula con la expresión (6).

En la séptima columna de la tabla 9, se aprecian los valores más aproximados a los valores




Reemplazando los valores en la ecuación (7) de las resistencias comerciales a implementar

se tiene que.

alor comercial 10 KΩ a ¼ W

alor comercial 9.1 KΩ a ¼ W

81

alor comercial 91 KΩ a ¼ W

De los cálculos anteriores se puede identificar que se usaron resistores comerciales a ¼ de

vatio, a simple vista se nota que los cálculos arrojan que se puede implementar resistores de

⁄ vatio, pero para procesos como soldadura y la disponibilidad comercial de estos, se

usarán resistores a ¼ de vatio.

Se muestra en la siguiente ilustración el circuito esquemático de la primera etapa de

amplificación con las resistencias calculadas anteriormente, para el acondicionador de señal

para la detección de picos de corrientes elevados, se implementa el amplificador

operacional LM324AM igualmente que el objetivo 2 – actividad 2 debido a que cumple con

los requisitos para este diseño (ver tabla 6).

Ilustración 46. Primera etapa de amplificación.


Con el fin de comprobar el funcionamiento del circuito se procede a realizar la simulación

respectiva del mismo, en el canal A (color rojo) se aprecia el voltaje de entrada (0.25V) y

en canal B (color azul) el voltaje de salida de esta primera etapa de amplificación (2.32V).

En la ilustración 47 se muestra el comportamiento de las señales en esta primera etapa de

amplificación. Escala canal A: 71mV por división; canal B: 0.43V por división.

82

Ilustración 47. Simulación primera etapa de amplificación.


En la segunda etapa de amplificación se debe amplificar con una ganancia de 2.17 con el

fin de obtener la ganancia total del acondicionador de señal. Con la siguiente expresión se

calcula lo anterior.

De la ecuación (5) se despeja la resistencia R2.



comercial.


1 2 3 4 5 6 7

1[Ω] 2.2K 2.7K 3.9K 4.7K 5.6K 10K

2[Ω] 2.5K 3.1K 4.5K 5.5K 6.5K 11.7K

3[Ω] 1.17K 1.44K 2.08K 2.53K 3K 5.4K

La resistencia R3 se calcula con la expresión (6).

83

En la quinta columna de la tabla 10, se aprecian los valores más aproximados a los valores







Se muestra en la siguiente ilustración el circuito esquemático de la amplificación con las

resistencias calculadas anteriormente, para el acondicionador de señal para la detección de

corrientes elevadas.

Ilustración 48. Acondicionador de señal completo.

Fuente: Ilustración realizada por los autores en NI Multisim 11.0.2. Licencia estudiantil.

0Para la simulación del acondicionador de señal, se implementa un generador de funciones

en este caso una señal triangular con el fin de conocer el comportamiento de la señal de

entrada versus la señal de salida del acondicionador. En el canal A (color rojo) se aprecia

el voltaje de entrada (2.32V) y en canal B (color azul) el voltaje de salida del

84

acondicionador de señal diseñado (5.1V). En la ilustración 49 se muestra el resultado de

esta simulación. Escala canal A: 0.1V por división; canal B: 0.9V por división.

Ilustración 49. Simulación acondicionador de señal completo.


Una vez diseñado el acondicionador de señal, es necesario realizar una etapa de potencia

capaz de activar un relevo, con el fin de apagar el motor al momento de presentarse una

sobrecarga en este. A continuación se muestra la tabla comparativa donde se muestra las

especificaciones de los relevos más comunes en el mercado.

Tabla 11. Especificaciones eléctricas de relevos.

Especificaciones

Relevos

HRS2H-

DC5V

HRS2H-

DC12V

SFK-

105DM

70-OAC-

5

Máximo voltaje 30V DC 30V DC 250V AC 140V AC

Máxima corriente 1A 1A 20A 3A

Voltaje nominal de la

bobina

5V DC 12V DC 5V DC 3-8V DC

Potencia nominal de la 200mW 200mW 0.9W 130mW

85

bobina

Tipo de contacto 2-NC

2–NO

2-NC

2–NO

NO NO


Para la selección del relevo se debe tener en cuenta la corriente que va a circular por el

contactor, según la tabla 8 la corriente máxima en el motor del hombro es de 2.8 Amperios

y teniendo en cuenta que los motores al momento de vencer la inercia poseen picos de 4

Amperios , el relevo debe soportar estos picos de corriente, en la tabla anterior se identifica

que relevo que soporta mayor corriente es el SFK-105DM además la activación de la

bobina es por medio de lógica TTL lo cual lo hace indicado para ser utilizado en el diseño.

Para que el circuito acondicionador sea capaz de activar el relé, se usará un transistor como

interruptor, para este caso se usará un transistor tipo NPN, para la selección de éste se debe

tener en cuenta los siguientes parámetros.

Para brindar un factor de seguridad más amplio al diseño, se plantea que la corriente de

colector en el transistor a seleccionar debe ser el doble de la corriente que consume la

bobina del relé. A continuación se muestra la tabla comparativa donde se muestra las

especificaciones de diferentes transistores.

Tabla 12. Especificaciones eléctricas de transistores.

Especificaciones Transistores

2N2222 2N3904 2SD400 BC337-25

Voltaje Colector Emisor 40V DC 40V DC 25V DC 45V DC

Corriente de colector 600mA 200mA 1A 1A

Potencia disipada 1.8W 0.62W 0.8W 0.62W

86

hfe 150 100 30 40

Tipo NPN NPN NPN NPN


Los transistores 2SD400 y BC337-25 soportan una mayor corriente en el colector que los

otros transistores presentes en la tabla, pero poseen una baja ganancia de corriente y

potencia de disipación. El 2N3904 no cumple con los parámetros de diseño ya mencionados

y por consiguiente se usará el transistor 2N2222 puesto que sus especificaciones eléctricas

son ideales para este circuito y su disponibilidad comercial. Se realiza el diseño para la

activación del relevo como se muestra a continuación.

Con los datos anteriores se procede a calcular la resistencia de base RB (Ver ilustración 50)

que permitirá la activación del relé. Adicional se agrega un diodo en paralelo a la bobina

polarizado inversamente con el fin de evitar que la corriente generada por la bobina se

devuelva hacia el circuito.

Ilustración 50. Circuito de activación para el relé.


Con la siguiente expresión se calcula la corriente de base necesaria para activar el

transistor. Para este caso se usará un (FSE) factor de sobre excitación de 3.

87

Reemplazando valores se tiene que.

Posteriormente se calcula la resistencia de base (RB), por medio del análisis de mallas entre

la base y el emisor, se determina de la siguiente manera.

De la expresión anterior se despeja la resistencia de base.

alor comercial 1.2 kΩ a ¼ W

En la ilustración 51 se muestra el circuito de protección contra picos de corriente diseñado

previamente.

Ilustración 51. Diseño # 1, protección de sobrecarga en los motores con amplificadores

operacionales.


Adicionalmente se muestra la simulación del circuito donde se aprecia el comportamiento

del transistor y la carga, se puede apreciar que el circuito de disparo es indicado para la

activación del relé, la señal del canal A (rojo) se interpreta como el voltaje de base

88

necesario para saturar el transistor y la señal del canal B (azul) es el comportamiento del

voltaje en la carga (relé). Escala canal A: 1V por división; canal B: 2.5V por división.

Ilustración 52. Simulación protección de sobrecarga en los motores con

amplificadores operacionales.


La facilidad de diseño y el bajo costo que requiere el circuito anterior lo hace adecuado

para la protección de los motores del Robot, pero posee una gran desventaja y es que este

circuito no tiene la capacidad de sensar corrientes negativas a menos que se diseñe otro

acondicionador para este propósito, lo cual ocuparía mayor espacio en la tarjeta de

potencia, otra desventaja es que se deberá diseñar un acondicionador especial para cada

motor puesto que la corriente cambia según la articulación y la aplicación al momento de

operar el Robot. A continuación se propone la siguiente alternativa para darle solución al

objetivo planteado.

4.3.2.2 Protección de sobrecarga en los motores mediante un sensor de efecto hall.

De acuerdo al funcionamiento de los dispositivos mencionados en la tabla 1, se deduce que

la implementación de un fusible no es factible puesto que al momento de un pico de

corriente el hilo se fundirá y habría que reemplazarlo por uno nuevo, también es un

dispositivo no controlable. Por otro lado el relé térmico se usa principalmente en la

industria para motores de alta potencia, son robustos y tienen una curva de respuesta

exponencial, en otras palabras este dispositivo tiene un tiempo de respuesta al paso de

entrada de corriente muy lento, por este motivo estos dispositivos se descartan para

proteger a los motores contra picos altos de corriente.

89

Se implementará de un sensor de efecto hall para la detección de sobrecarga en los motores,

porque tiene un tiempo de respuesta al paso de entrada de corriente de 5s permitiendo

detectar rápidamente los cambios bruscos de corriente. También es dinámico puesto que

permite sensar corrientes positivas y negativas, en el caso de los motores se interpreta en el

sentido de giro.

Para este caso, se usará el sensor de efecto hall de referencia ACS714LLC-05B, que tiene

un rango de medición de corriente de ± 5 Amperios, también porque este sensor es el único

de su tipo que se maneja comercialmente en el país, en la siguiente tabla se muestran sus

principales especificaciones eléctricas.

Tabla 13. Especificaciones eléctricas del sensor ACS714LLC-05B.

Especificaciones Valor

Voltaje de alimentación 5V DC

Rango máximo de corriente ±5A

Sensibilidad 180mV/A

Tiempo de respuesta 5μs

Fuente: Datos obtenidos del datasheet del fabricante disponible en la web <

http://www.sigmaelectronica.net/manuals/ACS714.pdf>

Adicionalmente la hoja de datos del fabricante aporta la siguiente ilustración donde se

detalla la curva de voltaje de salida del sensor versus la corriente sensada, indicando que si

aumenta la corriente a sensar aumentará el voltaje, este sensor tiene un comportamiento

lineal.

Ilustración 53. Curva voltaje Vs. corriente sensada.

Fuente: Ilustración obtenida del datasheet del fabricante disponible en la web:

<http://www.sigmaelectronica.net/manuals/ACS714.pdf>

http://www.sigmaelectronica.net/manuals/ACS714.pdf

90

Con los datos anteriores se procede al diseño del circuito acondicionador que proteja a los

motores contra las sobrecargas. Para ello se implementará un comparador, donde debe

seguir la lógica planteada en el diagrama de flujo que se muestra en la ilustración 54.

Ilustración 54. Diagrama de flujo del comparador.

Para la selección del comparador se presenta a continuación la siguiente tabla comparativa,

donde se muestran diferentes CI comparadores con sus respectivas especiaciones eléctricas.

Tabla 14. Especificaciones eléctricas de comparadores.

Especificaciones Comparadores

LM331 LM392 LM393 LM339

Máximo voltaje

alimentación

5V DC ó

±15V DC

32V DC ó

±16V DC

36V DC ó

±18V DC

36V DC ó

±18V DC

Corriente de salida 3mA 16mA 16mA 16mA

Tiempo de respuesta 200ns 1.3s 1.3s 300ns

Numero de

comparadores

1 2 2 2


91

Se implementará el comparador LM339 porque éste CI posee 2 comparadores, como

también por encapsulado SMT que permite ahorrar espacio en el diseño de la tarjeta y

también tiene el tiempo de respuesta más rápido que el LM392 y LM393.

A continuación se muestra el circuito empleado con el comparador LM339. También es

necesario usar una resistencia Pull-up de 3.3KΩ (ver ilustración 55), puesto que el

comparador a usar es de colector abierto.

Ilustración 55. Circuito comparador con amplificadores operacionales.


Por medio de la entrada VS y las salidas de Va y Vb se determina la tabla de verdad (ver

tabla 15) con el fin de cumplir la condición deseada. Cabe aclarar que los datos son

obtenidos de la ilustración 53 con una corriente pico de ± 4A, este valor se tomó como

referencia para realizar el análisis del circuito a diseñar; puesto que los motores al momento

de iniciar un movimiento tienen un pico de corriente elevado (± 4A) mientras vencen la

inercia.

Tabla 15. Tabla de verdad del comparador.

Corriente (A) Vs Va Vb

4 A 3.3v 1 0

-4 A 1.7v 0 1

92

Según la tabla anterior, cuando el motor presente una carga de ±4 Amperios se generará

una señal de nivel alto cumpliendo la condición estipulada. Adicionalmente al circuito

mostrado en la ilustración 55 es necesario agregar un CI que sirva como memoria para

mantener el estado, esto es importante debido a que si detecta una colisión en el sistema y

la corriente se eleva rápidamente, el circuito debe reaccionar inmediatamente

desenergizando el motor y mantener este estado hasta que se verifique que el sistema sea

seguro para funcionar nuevamente. Con el fin de buscarle solución a lo anterior se

implementará un Flip-Flop JK el cual dotará de memoria al circuito, donde el terminal (Set)

será la señal de salida del comparador y el terminal (reset) permitirá resetear el estado

anterior una vez el Robot no tenga obstrucciones o exceso de carga.

En la siguiente ilustración se aprecia el diagrama esquemático del acondicionador de señal

con memoria.

Ilustración 56. Acondicionador de señal con memoria.


De la ilustración anterior se puede apreciar que con un voltaje Vs=3.3v (4 Amperios) el

comparador relaciona el voltaje de entrada con el voltaje de referencia (Vref_1) y activa el

terminal Set del Flip-Flop JK, esto indica que se detectó una corriente alta y hasta que no se

corrija esta falla, el estado de memoria no cambiará hasta presionar el reset.

Como el relé a implementar es normalmente abierto (NO) se debe invertir la lógica del

Flip-Flop JK, específicamente cuando el sensor de corriente no detecte picos de corrientes

altas, el relé deberá permanecer activo energizando al motor continuamente y en caso de

detectar un pico de corriente alto, el contacto del relé deberá abrirse y así desenergizar el

motor. Se implementará el circuito de activación de la ilustración 50.

93

Adicionalmente se incorpora una alarma sonora al circuito con el fin de alertar al operador

frente a una falla. En la siguiente tabla se muestran las especificaciones eléctricas del

Buzzer a implementar.

Tabla 16. Especificaciones eléctricas del Buzzer.


Voltaje de operación 3V-7V

Corriente nominal de operación 50mA

Decibeles 80dB

Fuente: Datos obtenidos del datasheet del fabricante disponible en la web < http://www.sigmaelectronica.net/manuals/OBO-1205A.pdf>.

Con el fin de evitar una caída de corriente al conectar directamente este Buzzer a la salida

Q1 del Flip-Flop JK, se implementará un transistor tipo NPN, para la selección de éste se

debe tener en cuenta los siguientes parámetros.

Para la selección del transistor se presenta a continuación la siguiente tabla comparativa,

donde se muestran transistores superficiales con el fin de ahorrar espacio en la tarjeta a

diseñar.

Tabla 17. Especificaciones eléctricas de transistores superficiales.

Especificaciones Transistores NPN

MMBT2222A MMBT3904 MMBT4124

Voltaje Colector Emisor 40V DC 40V DC 25V DC

Corriente de colector 600mA 200mA 200mA

Potencia disipada 350mW 350mW 300mW

hfe 150 150 300


94

Se podrían implementar cualquiera de los transistores de la tabla anterior, puesto que

cumplen con los parámetros de diseño requeridos, el transistor MMBT2222A es el único

que se logró encontrar comercialmente en el país. Al implementar los otros transistores

implicarían mayores gastos porque sería necesario importarlos.

Con la expresión (12) se calcula la corriente de base necesaria para activar el transistor.

Para este caso se usará un (FSE) factor de sobre excitación de 3.





Adicionalmente se añade en paralelo a este Buzzer un acondicionador de señal que permita

amplificar esta señal de alarma de 5V DC a 24V DC con el fin de que el sistema de control,

en este caso un PLC pueda leer esta señal al momento de una colisión o exceso de carga en

el Robot.

Se usará el circuito diseñado en la sección 4.2-Actividad 2, por que posee las mismas

características y sirve para ser utilizado con la misma finalidad que aquí se propone.

En la siguiente ilustración se muestra el circuito de protección contra picos de corrientes

elevadas usando un sensor de corriente de efecto hall con acondicionador de señal con

memoria (para apreciar detalladamente el esquema véase Anexo B).

95

Ilustración 57. Diseño # 2, sensor de corriente de efecto hall con acondicionador de

señal con memoria.

Fuente: Esquema electrónico desarrollado en Proteus 8 Professional. Licencia estudiantil.

Nótese que los terminales de voltaje de referencia se conectan a un potenciómetro que

permitirá regular esta referencia, esto es útil puesto que para cada motor las condiciones de

corriente nominal son diferentes lo que hace dinámico a este circuito, porque se puede

implementar a cualquier motor de las articulaciones del Robot, esta ventaja permite

seleccionar a este diseño como el más apropiado para la protección de los motores y

posteriormente la integración de este circuito a la tarjeta de potencia. A continuación se

muestra el montaje de prueba del circuito.

Ilustración 58. Montaje circuito de protección de carga en los motores.

96

Posteriormente al montaje del circuito fue posible verificar su funcionamiento y de

antemano realizar mediciones corroborando que los cálculos realizados y los datos

obtenidos sean similares, en la siguiente tabla se muestran los datos recopilados en pruebas

de laboratorio.

Tabla 18. Resultados obtenidos del circuito de protección de carga de los motores.

Mediciones obtenidas

Corriente en

el motor

Voltaje de

salida en el

sensor

Vref

1

Vref

2

Estado

lógico

Flip-Flop

Corriente de

Colector Q1

Corriente de

Colector Q2

2.8A 3.1V 3V 2V

1

0 38mA 0A

2.5A 2.8V 3V 2V

0

1 0A 310mA

4.4 OBJETIVO 4. Diseñar un circuito electrónico que permita la lectura de los

finales de carrera y la activación de los frenos.

4.4.1 Actividad 1.

4.4.1.1 Finales de carrera.

Con anterioridad en el objetivo 1 - actividad 2 se realizó una rápida inspección a los finales

de carrera verificando que el estado mecánico sea el correcto. En esta actividad se

identificará las conexiones eléctricas de los finales de carrera comprobando la relación que

tienen estos con la tarjeta de señales del Robot.

Los finales de carrera están configurados normalmente cerrados (NC) polarizados a 0V, los

cuales a su vez envían señales a través de la tarjeta de señales (ver ilustración 37) por

medio del CON3, lo anterior se identifica por medio del plano eléctrico que proporciona el

manual de usuario (ver anexo C). Pero la situación actual del Robot indica que estas

conexiones se encuentran ausentes puesto que los cables están desconectados del conector

mencionado (ver ilustración 59).

97

Ilustración 59. Conexiones deshabilitadas de los finales de carrera.

La ausencia de estas conexiones indica que se pueden tomar 2 alternativas para darle

solución a este objetivo: como primera opción, conectar los cables al puerto CON3 cómo se

indica en el manual del usuario y como segunda opción, se plantea diseñar un circuito

electrónico nuevo para este fin. A simple vista la primera opción parece ser la más

adecuada por que las conexiones quedarían como estaban originalmente de fábrica, pero si

se desea que las señales de estos finales de carrera sean leídas por cualquier PLC, se debe

amplificar estas señales a una tensión de 24V DC, el problema principal que existe con esta

opción es que la tarjeta de señales que posee el Robot, está diseñada para operar con una

tensión de 5V DC. Con el fin de darle solución a esta problemática se decide diseñar un

circuito electrónico que permita polarizar directamente los finales de carrera a 24V DC y

así garantizar que un PLC interprete esta señales al momento en que las articulaciones del

Robot lleguen hasta el tope de su recorrido. El desarrollo de esta tarea se realiza en la

actividad 2 de esta sección.

4.4.1.2 Frenos electromagnéticos.

Actualmente el Robot posee frenos electromagnéticos (ver ilustración 35) que permiten

bloquear el movimiento de las articulaciones: hombro (J2) y codo (J3) (ver ilustración 32).

Los frenos en su estado inicial detienen las articulaciones ya mencionadas y cuando se

energizan, se abren liberando a las articulaciones. En la tabla 5 se pueden detallar sus

98

especificaciones eléctricas, adicionalmente en la siguiente ilustración se muestra el freno de

la articulación del codo.

Ilustración 60. Freno electromagnético articulación J3.

Adicionalmente se comprobó con las pruebas realizadas en el objetivo 3 - actividad 1, que

los frenos son capaces de detener las articulaciones ya mencionadas, con la carga máxima

de operación del Robot (ver ilustración 44). Otro de los puntos a estudiar es que estos

frenos carecen de un circuito de potencia necesario para su activación, por ende es preciso

diseñar e implementar este circuito al Robot.

4.4.2 Actividad 2.

Con la información obtenida en la actividad anterior, se procede a realizar el diseño del

circuito electrónico que permita la lectura de los finales de carrera y la activación de los

frenos. Se integrará lo anterior en una sola tarjeta electrónica con el fin de ahorrar espacio y

también aprovechar que las conexiones de estos elementos se encuentran en la misma

ubicación dentro de la base del Robot (ver ilustración 59).

4.4.2.1 Diseño del circuito de disparo para los frenos.

A continuación se diseña el circuito de activación de los frenos tomando en cuenta la

información de la tabla 4. Para esto se usará un transistor NPN tipo Darlington puesto que

este tipo de transistores son capaces de soportar corrientes altas en su colector, por su alta

99

potencia de disipación y la alta ganancia de corriente (Hfe). El transistor debe cumplir con

los siguientes parámetros de diseño.

Con el fin de seleccionar el transistor adecuado se realiza una tabla comparativa entre

diferentes transistores, en este caso tipo Darlington puesto que soportan mayor potencia y

corriente en el punto de saturación, usar un transistor convencional puede provocar

calentamiento y posteriormente dañar el integrado, a continuación se muestra la tabla

comparativa donde se muestra las especificaciones de diferentes transistores.

Tabla 19. Especificaciones eléctricas TIP 122.

Especificaciones Transistores

2SD1071 TIP122 TIP142

Voltaje Colector Emisor 450V DC 100V DC 100V DC

Corriente de colector 6A 5A 10A

Potencia disipada 40W 65W 125W

hfe 500 1000 1000

Tipo NPN NPN NPN


El transistor 2SD1071 tiene gran capacidad de carga en el colector y es capaz de trabajar a

una tensión elevada, una de la desventaja es su baja ganancia de corriente hfe y su elevado

costo, el TIP142 también es una buena opción puesto que es un transistor de alta potencia,

pero si se llegase a implementar a este diseño, el circuito quedaría sobre dimensionado, de

igual manera el TIP122 posee características similares a los anteriores pero con la gran

diferencia que es un integrado común y comercial, posee un bajo costo en el mercado y es

un elemento confiable de larga duración. Se seleccionará este último transistor para el

proceso de diseño que se muestra a continuación.

100

Se diseñará el circuito de activación (ver ilustración 61) suponiendo que el elemento de

control es un PLC (24VDC-500mA) a continuación se calcula la corriente de base

necesaria para activar el transistor, se usará un FSE de 3 para esta aplicación.

Se reemplazan los valores en la expresión 12 y se tiene lo siguiente.

Ilustración 61. Circuito de activación para frenos electromagnéticos.





Valor comercial 12KΩ a ¼ W

101

Cabe mencionar que por la baja potencia que requiere el freno para su activación no es

necesario implementar un disipador térmico a los transistores. En la siguiente ilustración se

aprecia el esquema del circuito diseñado para la activación de los frenos.

Ilustración 62. Esquema del circuito de activación para los frenos electromagnéticos.


En la siguiente simulación se aprecia el voltaje en la base necesario para saturar el

transistor (Canal A) y el comportamiento del voltaje en la carga (freno) (Canal B), cuando

el elemento de control (PLC) activa el transistor y provoca que la bobina se energice y la

articulación se libere. Escala canal A: 5V por división; canal B: 2.5V por división.

Ilustración 63. Simulación circuito de disparo para frenos.


102

Posteriormente al montaje del circuito fue posible verificar su funcionamiento y de

antemano realizar mediciones corroborando que los cálculos realizados y los datos

obtenidos sean similares, en la siguiente tabla se muestran los datos recopilados en pruebas

de laboratorio.

Tabla 20. Mediciones obtenidas circuito de disparo para frenos.


Freno Voltaje de

alimentación (VDD)

Corriente de

Base (Ib)

Corriente de

colector (Ic)

Voltaje de

colector (Vc)

Codo 12V DC 1.92 mA 300mA 10.6V

Hombro 12V DC 1.92 mA 302mA 10.7V

4.4.2.2 Diseño del circuito electrónico para la lectura de las señales de los finales de

carrera.

Para diseñar el circuito que integrará los finales de carrera se debe conocer de antemano la

configuración de los cables de cada final de carrera (LSX), se realiza la siguiente tabla

donde se muestra esta configuración.

Tabla 21. Configuración del cableado de los finales de carrera.

Final de Carrera Colores

NC Común

LS1 Blanco Negro

LS2 Rojo Negro

LS3 Amarillo Negro

LS4 Verde Negro

LS5 Azul Negro

La información de la tabla anterior se corrobora en la ilustración 59.

Para el diseño de este circuito se configuran los finales de carrera polarizándolos a 0V DC

por medio del terminal común (COM) y por terminal normalmente cerrado (NC) se

obtendrá la señal hacía el elemento de lectura (PLC), cabe mencionar que se utiliza esta

configuración por que el Robot actualmente se encuentra conectado así. Además se necesita

103

una resistencia pull-up a 24V DC porque al momento de activarse un final de carrera, se

abre el contacto que conecta los 0V DC y por medio de la resistencia se eleva la tensión del

circuito a 24V DC hacia el elemento de lectura. En la siguiente ilustración se muestra el

circuito ya mencionado.

Ilustración 64. Conexiones finales de carrera.


Adicionalmente se integrará al diseño de esta tarjeta la conexión de la alimentación de los

motores, puesto que estos cables se encuentran ubicados dentro de la base del Robot con

sus respectivas borneras (ver ilustración 65).

Ilustración 65. Cables de alimentación de los motores y frenos.

De la ilustración anterior se genera la siguiente tabla, donde se indica la configuración de

los cables de cada motor y frenos.

104

Tabla 22. Configuración de colores de los motores y los frenos.

Elemento electromecánico Colores Conector

Motor Cintura (J1) Negro Rojo CON1

Motor Hombro (J2) Café Rojo CON2

Motor Codo (J3) Amarillo Naranja CON2

Motor Muñeca (J4) Verde Azul CON2

Motor Muñeca Giro (J5) Gris Morado CON3

Motor Gripper (J6) Café-Negro Rojo-Negro CON4

Freno Hombro (J2) Blanco Negro CON3

Freno Codo (J3) Rosado Azul CON3

4.4.3 Actividad 3.

Para el diseño del circuito PCB, se debe calcular el ancho de las pistas necesario para el

manejo de la máxima corriente a la cual trabajan los motores (ver tabla 8). El cálculo se

basa en la aplicación del estándar general para el diseño de circuitos impresos ANSI-IPC

2221 desarrollado por la IPC (Association Connecting Electronics Industries)44

.

Para determinar el ancho de pista necesario para el diseño de la tarjeta, se calcula con la

siguiente expresión.

(

(

)

)

Dónde:

K1, K2 y K3 = Son constantes para el cálculo y tiene distintos valores dependiendo si la

pista que se calcula es interna o externa en este caso se usará las constantes de pistas

externas. Todas las unidades son en medidas en el sistema imperial.

Las pistas de circuitos tienen una altura estándar de 1 Onza/Pie².

44

The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, IPC-2221, Generic Standard on

Printed Board Design, February 1998. Northbrook, Illinois.

105

Para el cálculo del ancho de pista (vía) se diseñará con un factor de seguridad del 33% que

esto en términos de corriente equivale a 1 Amperio de más, tomando como la corriente de

trabajo de los motores a 3 Amperios, reemplazando valores en la expresión 13 se obtiene el

ancho de pista óptimo para este diseño.

(

(

)

)

Con el cálculo anterior se procede a diseñar el circuito en ISIS Proteus 8, en la hoja de

anexo D, se muestra el esquema diseñado. Adicionalmente en la siguiente ilustración se

expone el PCB del circuito ya mencionado.

Ilustración 66. Circuito PCB finales de carrera y frenos.

Fuente: Ilustración realizada por los autores en ARES Proteus 8 Professional. Licencia estudiantil.

Para concluir con este objetivo, se conectaron los respectivos finales de carrera, frenos

electromagnéticos y motores. Se comprobó por medio del terminal de salida la señal de

106

cada uno de los finales de carrera con movimientos manuales hasta el tope de cada

articulación del Robot.

Por medio de una fuente de 24V DC se simula el elemento de control, para la activación de

los frenos electromagnéticos, obteniendo como resultado la liberación de las articulaciones

J2 y J3, corroborando el funcionamiento del circuito de activación diseñado.

Adicionalmente se alimentaron directamente los motores del Robot, por medio de esta

tarjeta y así poder verificar que el ancho de las pistas diseñadas soportan la corriente

requerida por los motores en el momento de operación a plena carga (1.1 Kg). En la

siguiente ilustración se muestra la tarjeta diseñada.

Ilustración 67. Tarjeta electrónica para la lectura de finales de carrera y activación de

frenos electromagnéticos.

107

4.5 OBJETIVO 5. Diseñar tarjetas electrónicas de potencia para el manejo de las

articulaciones del Robot.

4.5.1 Actividad 1.

Con los datos obtenidos de las tablas 5 y 8, se procede a realizar el diseño del circuito que

sea capaz de invertir el sentido de giro de los motores y que permita regular la velocidad

por medio del PWM.

En la placa del motor (ver ilustración 68) se aprecia que la corriente nominal es de 2.1

Amperios, pero los datos obtenidos en la tabla 8 indican que la corriente de operación del

motor de la articulación del hombro (articulación con mayor esfuerzo) es de 2.5 Amperios,

llegando a alcanzar hasta 2.8 Amperios en el momento del arranque, el circuito inversor de

giro deberá ser capaz de funcionar en correctas condiciones, incluso cuando se presenten

estos picos momentáneos de corriente.

Ilustración 68. Ficha técnica de los motores.

Según lo anterior se toma como referencia los parámetros del motor de la articulación J2

para el diseño de este circuito ya que este motor realiza el mayor esfuerzo en todo el

sistema, esto indica que para los otros motores del Robot se usará el diseño que se realiza a

continuación.

Para este proceso se usará un arreglo de transistores en corte y saturación capaces de

manejar el voltaje y la corriente requerida por el motor, para la selección de estos se debe

tener en cuenta los siguientes parámetros suponiendo que el elemento de control es un PLC.

Elemento de control (PLC) <24V DC – 500mA>

Motor <24V DC – 2.5A>

108

Se calcula la ganancia de corriente que debe tener el arreglo de transistores. Para este

diseño se implementó un FSE (factor de sobre excitación) de 3 y se diseñará para soportar

una corriente de 2.8 Amperios.

Con las características anteriores se tiene que el transistor a seleccionar debe cumplir los

siguientes parámetros:

Para ello se eligió el transistor Darlington TIP 122 y su complemento el TIP 122 ya

mencionado en el objetivo 4 – actividad 2.

Sus especificaciones eléctricas se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 23. Especificaciones eléctricas de los transistores TIP 122 y 127.

Especificaciones TIP 127 TIP 122

Tipo PNP NPN

Corriente de Colector (Ic) 5A 5A

Voltaje Colector Emisor (Vce) 100v 100v

Hfe 1000 1000

Potencia disipada 65W 65W


Se determina la corriente de base necesaria para que los TIP entren en saturación, con la

expresión 12 se determina de la siguiente manera.

109

Por cuestiones de diseño se implementará un circuito de disparo (ver ilustración 69) el cual

permitirá excitar las bases de los transistores Darlington, a simple vista se aprecia que no es

necesario ya que el circuito de control ofrece 500mA, pero para brindarle mayor seguridad

al diseño se usará el transistor 2N3904 para este propósito, en la siguiente tabla se muestran

sus especificaciones eléctricas.

Tabla 24. Especificaciones eléctricas del transistor 2N3904.


Tipo NPN

Corriente de Colector (Ic) 200mA

Voltaje Colector Emisor (Vce) 40v

Hfe 100 mínimo 300 máximo

Potencia disipada 5mW


Ilustración 69. Circuito de disparo para el transistor TIP 122 y 127.


En la ilustración anterior se muestra el arreglo de transistores que permitirá activar el

motor, se procede a calcular las resistencias de la siguiente manera.

110

Se supone la resistencia de colector RC1= 2KΩ, con la siguiente expresión se calcula la

corriente de colector que circulará en el transistor 2N3904.


Se calcula la resistencia de base para el transistor TIP 127 de la siguiente manera.

Se despeja el valor de Rb2 obteniendo el siguiente resultado.


Por medio de la siguiente expresión se calcula la corriente de base para el transistor

2N3904.

Una vez conocida la corriente de base, se calcula la resistencia que permita excitar la base

del circuito de disparo, para ello se realiza el análisis de mallas de la siguiente manera.

alor comercial 39 kΩ a ¼ W

Una vez calculadas las resistencias del circuito de disparo para el transistor Darlington TIP

127, se procede a realizar la misma tarea para el transistor complemento TIP122.

111

Como la corriente de colector es aproximadamente la misma de emisor se deduce lo

siguiente.

Por medio del análisis de mallas se calcula la resistencia de base 3.

alor comercial 39 kΩ a ¼ W

Ilustración 70. Circuito de activación para el motor.


De la ilustración anterior se puede apreciar el diseño del arreglo de transistores calculado,

donde se aprecia el correcto funcionamiento y los parámetros diseñados matemáticamente.

112

También se observa que la corriente fluye en un solo sentido (positivamente) puesto que el

diseño que se realizó indica la mitad de un puente H.

Para invertir el sentido de la corriente, es necesario adicionar a este circuito la otra mitad

del puente y como los parámetros de diseño son los mismos, se procede a adicionar el

diseño calculado previamente, a continuación se muestra el circuito inversor de giro

completo.

Ilustración 71. Circuito inversor de giro (sentido horario).


En la ilustración 72 se muestra la simulación del circuito inversor de giro diseñado, en este

caso con la corriente en sentido horario, esto se logra activando los interruptores S1 y S4,

entrando en saturación los transistores Q1 y Q7 dejando el paso de corriente en sentido

positivo (2.5 A) y también el voltaje (22.5V DC). Cabe aclarar que el voltaje en la carga es

menor al de alimentación (24V DC) porque los transistores consumen 1.4V DC entre la

base y emisor. Escala canal A (señal PLC): 20V por división; canal B (voltaje carga):

13.3V por división.

113

Ilustración 72. Simulación circuito inversor de giro (sentido horario).


A continuación se accionan los interruptores S2 y S3 (ver ilustración 73), para invertir el

sentido de la corriente generando un cambio de giro en el motor, es importante aclarar que

los interruptores solo se pueden accionar por pares intercalados, puesto que accionar las 2

partes del puente H al mismo tiempo ocasionará un cortocircuito entre la fuente de

alimentación y tierra, sobrecalentando los integrados hasta el punto de dañarse.

Adicionalmente se puede notar la presencia de 4 diodos polarizados inversamente, estos se

usan con el fin de evitar que la corriente generada por la bobina del motor se devuelva

hacia el circuito de control, así se logra evitar daños a los integrados utilizados.

114

Ilustración 73. Circuito inversor de giro (sentido anti-horario).


Los resultados positivos de la simulación (ver ilustración 74), dan pie para comenzar el

proceso de pruebas sobre elementos reales (ver ilustración 75), para ello se procedió con la

construcción de los mismos y alimentando el circuito con una tensión de 24V DC, se

conectaron los motores de las diferentes articulaciones con carga y sin carga.

Adicionalmente se generó una tabla donde se muestran los resultados obtenidos en pruebas

de laboratorio (ver tabla 25). Escala canal A (señal PLC): 20V por división; canal B

(voltaje carga): 20V por división.

Ilustración 74. Simulación circuito inversor de giro (sentido anti-horario).


115

Ilustración 75. Montaje físico del circuito inversor de giro.

Tabla 25. Mediciones obtenidas en pruebas de laboratorio.


Articulación Voltaje de

alimentación (VDD)

Corriente Motor

sin carga

Corriente Motor

con carga

Voltaje

Motor

Cintura 24V DC 1.52A 2.1A 22.3V DC

Hombro 24V DC 2.4A 2.8A 22V DC

Codo 24V DC 1.8A 2.25A 22.3V DC

Muñeca 24V DC 1.8A 2.2A 22.2V DC

Muñeca

giro 24V DC 2.62A 2.7A 22V DC

Adicionalmente y con la ayuda de una tarjeta de adquisición (NI myDAQ) se pudieron

generar diferentes pulsos para controlar el voltaje de entrada a los motores, en otras palabras

la implementación de un PWM y así mismo cambiar el sentido de giro de los motores, a

continuación se muestra el diagrama de bloques desarrollado en NI LabVIEW2011. Para ver

detalladamente el diagrama véase anexo E.

116

Ilustración 76. Diagrama de bloques (VI) desarrollado en NI LabVIEW.

Fuente: Desarrollado por los autores en NI LabVIEW2011 Licencia estudiantil.

Una vez generado el diagrama de bloques, se procede a realizar la interfaz gráfica la cual

permitirá controlar la velocidad del motor por medio de PWM, el sentido de giro y la

frecuencia del tren de pulsos a generar. En la siguiente ilustración se muestra esta interfaz.

Ilustración 77. Interfaz gráfica desarrollada en LabVIEW2011.

Fuente: Desarrollado por los autores en NI LabVIEW2011 Licencia estudiantil.

117

Para realizar las pruebas con PWM, se prosigue a conectar el motor de la cintura (J2) al

circuito diseñado y se conecta la señal del PWM por uno de los terminales que conmutan el

arreglo de transistores (ver ilustración 73). Por medio de la barra (Slide) se modifica el

ciclo útil del tren de pulsos haciendo que varíe la velocidad del motor, adicionalmente se

logró identificar que los transistores no sufren un sobrecalentamiento a la hora de

implementar el PWM. Otro de los puntos a estudiar es seleccionar la frecuencia de trabajo

adecuada para los motores, se identificó que al usar frecuencias mayores a 200Hz causan

ruido magnético al momento de activar el motor, esto puede llegar a ocasionar daños graves

en el devanado del motor, por esto se empezó a disminuir la frecuencia cada 10Hz hasta

encontrar la más adecuada, los mejores resultados se obtuvieron en una frecuencia entre el

rango de [90-100]Hz, donde el motor no presenta intermitencias, el movimiento es

constante, y sin ruido. Usar una frecuencia menor a esta presenta intermitencias en el

movimiento del motor y también calentamiento excesivo.

Para concluir esta actividad, se puede estimar que el circuito diseñado es indicado para

controlar la velocidad y el sentido de giro de los motores, sería preciso integrar este circuito a

la tarjeta de potencia del Robot pero una de las limitaciones que posee es el número de

componentes que se utilizan, esto aumenta costos de producción y se necesitará más espacio

para distribuir dichos componentes, la posibilidad de que ocurra un cortocircuito está

presente en cualquier tipo de circuito electrónico, realizar un reemplazo de algún componente

por causa de daño es una tarea tediosa por la cantidad de componentes que se usan para este

diseño. Con el fin de darle solución a lo anterior se propone usar un integrado que permita la

inversión de giro y el control de velocidad de los motores. A continuación se muestra una

tabla comparativa entre diferentes integrados utilizados con este propósito.

Tabla 26. Especificaciones eléctricas Puente H comerciales.

Especificaciones Puente H

L293B L298N L6203

Voltaje de alimentación 36V DC 50V DC 52V DC

Voltaje lógico 4.5V DC 7V DC 7V DC

Corriente de salida 2A 4A 5A

Frecuencia de conmutación 50KHz 25KHz 100KHz

Potencia disipada 5W 30W 20W


118

Para la selección de un CI que permita la inversión de giro y el control de velocidad de los

motores, se debe tener en cuenta la corriente y la potencia disipada. A simple vista el L293B

se descarta por la baja corriente de salida y potencia de disipación, el integrado L6203 tiene

alta corriente de salida pero la potencia de disipación no es suficiente para los motores (véase

ilustración 68). Se usará el integrado L298N ya que tiene una corriente de salida de 4A y una

potencia de 30W, esto es suficiente para soportar los requerimientos de los motores del

Robot.

4.5.2 Actividad 2.

Una vez seleccionado el integrado se plantea el primer prototipo de las tarjetas de potencia

para el control de movimiento de las articulaciones del Robot, el cual tiene que integrar la

amplificación de los encoders y el circuito inversor de giro. A lo largo de este proyecto se ha

venido desarrollando diferentes actividades donde se diseña, prueba e implementa estos

circuitos fundamentales para las tarjetas de potencia, por eso se decide realizar un PCB de

prueba en el cual se integra lo anterior. En objetivo 3 – actividad 3 se calculó el ancho de

pistas adecuado para manejar la corriente requerida por los motores, para este diseño

preliminar se usará el mismo ancho de pistas.

Mediante la herramienta ISIS se realiza el diagrama y posteriormente se exporta este diseño a

ARES con el fin de realizar el PCB para la tarjeta de prueba.

A continuación se muestra el PCB diseñado.

Ilustración 78. Diseño preliminar de la tarjeta de potencia PCB.


119

Adicionalmente se implementan en esta tarjeta unos Jumper o puentes que permiten

seleccionar el rango de voltajes del circuito de control, en este caso se puede seleccionar

señales TTL (5V) o señales de 24V en el caso de un PLC. Al tratarse de una tarjeta de prueba

no se usarán componentes de tecnología superficial. Para comprobar el funcionamiento de

esta tarjeta, se procede a realizar pruebas de laboratorio donde se utiliza la tarjeta de

adquisición de datos NI myDAQ, para generar el tren de pulsos del PWM y controlar el

sentido de giro, posteriormente se alimentó la tarjeta de señales del Robot para obtener el tren

de pulsos de los encoders y con esto poder validar el correcto funcionamiento de este circuito

de prueba, en la siguiente ilustración se muestra la tarjeta diseñada.

Ilustración 79. Tarjeta de potencia de prueba.

Las pruebas realizadas con esta tarjeta arrojaron buenos resultados, por medio del

osciloscopio se comprobó la amplificación de la señal de los encoders, como se aprecia en el

video anexo (Amplificación_ Encoders). También se realizaron pruebas de movimiento

variando el ancho de pulso del PWM y adicionalmente se implementó el montaje de la

ilustración 58 que protege a los motores de exceso de carga, en este caso se puede apreciar en

el video anexo (Prueba_ Protección), donde el Robot inicia el movimiento y se estrella contra

el tope, desactivando automáticamente el motor en presencia de un pico alto de corriente.

Para comprobar el funcionamiento de la tarjeta con señales de 24V DC, se procede a

implementar un PLC FEC-34 Compact, se seleccionó este PLC porque mediante el

convenio con FESTO LTDA se permitió el acceso a las instalaciones con el fin de realizar

pruebas con el Robot, y permitió el uso de estos elementos mediante el periodo de pruebas,

adicionalmente este tipo de PLC se encuentra en las instalaciones de la Universidad lo que

da la posibilidad de realizar pruebas en ocasiones futuras con este PLC en laboratorios y

talleres establecidos con las asignaturas relacionadas al tema. A continuación se muestran

las características principales de este PLC.

120

Tabla 27. Especificaciones PLC FEC-34 Compact.

Características FEC-FC34-FST

Voltaje de alimentación 24V DC

Corriente de salida 600 mA

Valor Nominal Verdadero 15V DC

Valor Nominal Falso 5V DC

Salidas Digitales 12

Entradas Digitales 8

Entradas Rápidas 2 / velocidad máxima 2KHz

Salidas Rápidas 2 / velocidad máxima 2KHz

Módulos de comunicación Ethernet-Serial

Programación FST Versión 4.10

Fuente: Datos obtenidos de la hoja de datos del fabricante disponible en la web

<http://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/10562/>.

Para que la tarjeta de prueba funcione con señales de 24V DC es necesario cambiar la

posición de los Jumper, y se procede a realizar la programación del PLC, para generar el

tren de pulsos que controle la velocidad del motor.

Las salidas rápidas del PLC Compact, permiten realizar acciones a mayor velocidad

(2KHz) que las salidas normales que tiene el PLC, este solo cuenta con 2 salidas rápidas

(O0.6 – O0.7). Mediante el software FST 4.10 se desarrolla el programa de la siguiente

manera. A continuación se presenta el diagrama de flujo.

http://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/10562/

121

Ilustración 80. Diagrama de flujo FASTOUT.

Configurar el módulo de salidas rápidas que tiene el PLC.

El PLC incorpora dentro de sus librerías, diferentes módulos de programación los cuales

permiten realizar operaciones matemáticas, configurar entradas y salidas rápidas,

conversiones, establecer parámetros de comunicación, entre otras tareas. Para configurar las

salidas rápidas del PLC se inserta el siguiente módulo al proyecto de programación creado.

Se procede a configurar el “Driver Configuration” y se inserta el Driver FASOUT.

Ilustración 81. Configuración del módulo de salida rápida.

Fuente: Ilustración tomada del software del fabricante FST versión 4.10.

Una vez importado el módulo, se debe configurar los parámetros que establece la hoja de

ayuda del software, a continuación se muestra lo anterior.

122

Ilustración 82. Parámetros de configuración del módulo FASOUT.

Fuente: Ilustración tomada de la hoja de ayuda del software del fabricante.

Con lo anterior se procede a importar el módulo al programa principal, y se configura en

condiciones iniciales (FI) de la siguiente manera.

FU32= 0 (Inicializar el módulo)

FU33=7 (Se configura la salida rápida # O0.7)

FU34-FU35=0 (Tiempo de encendido (ms) del pulso y tiempo de apagado del pulso)

FU36=0 (Numero de pulsos a generar, cero = infinito).

En la bandera Fw1000 se guarda el parámetro que indica si la salida rápida completo el

número de pulsos asignado o no. Ya terminado el proceso de parametrización en

condiciones iniciales, se procede a activar la salida rápida para generar el tren de pulsos, se

debe tener en cuenta los siguientes parámetros para esto (ver ilustración 84).

123

Ilustración 83. Parámetros de activación del módulo FASTOUT.

a) Parámetros de activación del

módulo.

b) Diagrama en lenguaje tipo escalera.


Se configuran los parámetros de la siguiente manera.

FU32= 2 (Inicializar la salida rápida).

FU33=7 (Se configura la salida rápida # O0.7).

FU34= Se le asigna la bandera FW500 con el objetivo de poder modificar el valor en

tiempo real del tiempo de encendido.

FU35=Se le asigna la bandera FW501 con el objetivo de poder modificar el valor en tiempo

real del tiempo de apagado.

FU36=0 (Numero de pulsos a generar, cero = infinito).

Para configurar los parámetros del tiempo de encendido y apagado, se debe tener en cuenta

la frecuencia optima de trabajo del motor, en la actividad 1 de este objetivo se identificó

previamente la frecuencia del motor (100Hz). Se determina el rango que debe tener el

tiempo de encendido y apagado.

El PLC tiene una resolución de 0.5 mili segundos, reemplazando valores en la expresión

anterior se tiene que.

124

Lo que indica que la frecuencia máxima que el PLC puede aportar es de 2KHz. Se

establece el rango de tiempo de la siguiente manera.


Con lo anterior se tiene que 20 es el rango de trabajo de los pulsos. Por ejemplo si en

tiempo de encendido se tiene el valor de 14 ms el valor del tiempo de apagado deberá ser de

6ms ya que no se puede superar el valor de 20, si llegase a pasar esto la frecuencia de salida

cambiará y el motor puede sufrir daños.

Para la realización de pruebas se descarga el programa al PLC por medio del puerto

Ethernet, y se conecta la tarjeta de prueba diseñada con anterioridad y se conecta la señal

del encoder de la articulación J1 con su respectivo motor. En la siguiente ilustración se

detalla la tarjeta y el PLC. Adicionalmente se comprueba el correcto funcionamiento de la

tarjeta y el PLC en el video anexo (Pruebas_Movimiento_PLC).

Ilustración 84. Tarjeta de prueba con PLC FEC.

Adicionalmente, se estableció un rango de velocidades como se muestra a continuación,

donde se modifica a través de las banderas FW500 y FW501 el tiempo de encendido y

apagado del ancho de pulso.

125

Tabla 28. Rango de velocidades del PWM.

Velocidad Tiempo encendido (FW500) Tiempo de apagado (FW501)

Alta 20ms 0ms

Media 10ms 10ms

Baja 5ms 15ms

Los resultados obtenidos con diferentes velocidades, permiten concluir que la velocidad más

adecuada para el control del Robot es la media, ya que la velocidad alta es demasiada rápida

y el Robot realiza movimientos bruscos, dando la posibilidad a colisiones y daños en los

elementos mecánicos del Robot, también con una velocidad muy baja el consumo de

corriente es mucho mayor lo que puede ocasionar daños eléctricos a los motores y al circuito

de potencia implementado.

Adicional a estas pruebas se valida el diseño de la tarjeta de potencia y se procede a realizar

el diseño final de las tarjetas a implementar en una caja de control. Por medio de la

herramienta ISIS Proteus, se realiza el diseño esquemático del circuito de la tarjeta de

potencia (véase anexo F).

Según la norma de circuitos impresos ANSI-IPC 2221 desarrollado por la IPC (Association

Connecting Electronics Industries), la distribución y agrupación de los elementos

electrónicos debe ser clasificada por clase y tipo, adicionalmente se calcula el ancho de pistas

para esta tarjeta con el fin de soportar 5 Amperios, esto se hace con el objetivo de brindarle

seguridad y durabilidad a la tarjeta. A continuación se realiza el cálculo con la expresión 13.

(

(

)

)

También se utilizará tecnología superficial, con el fin de reducir espacio y costos al momento

de la fabricación de las 6 tarjetas que controlarán las articulaciones del Robot. Adicional al

diseño previo de los circuitos, se agregan condensadores de 1000uF a 25V DC entre VCC y

0V con el fin de minimizar el ruido eléctrico ocasionado por los motores. Con los parámetros

anteriores se exporta el diseño a ARES Proteus y se diseña la tarjeta final que permitirá

controlar la velocidad, sentido de giro, amplificar la señal de los encoders y proteger a los

motores contra picos altos de corriente. A continuación se muestra el resultado obtenido en

ARES.

126

Ilustración 85. Diseño del PCB de la tarjeta de potencia final.


Se procede a realizar el impreso, y con el fin de validar la funcionalidad de la tarjeta se

muestra en el video (Pruebas_Tarjeta_Final) el funcionamiento de la articulación de la

cintura J1 conectando la tarjeta a un PLC FEC y realizando pruebas de movimientos, sensado

de corriente, amplificación de encoders y PWM.

127

Ilustración 86. Tarjeta de potencia final.

Se fabrican 6 impresos más, los cuales permitirán el control de movimientos de todas las

articulaciones del Robot. El nuevo sistema de control se ha centralizado en un gabinete de

conexiones eléctricas (Ver Ilustración 87). Las conexiones del gabinete o tablero de control

principal se hicieron teniendo en cuenta el listado de señales expuesto a continuación.

Tabla 29. Listado de señales para el sistema de control.

Listado de señales para el sistema de control

Entradas Digitales

Señal de encoder motor J1 x 2





Señal de alarma articulación J1


128





Señal de paro de emergencia

Señal de RESET

Señal de START

Señal de STOP

Señal final de carrera articulación J1





Salidas Digitales

Sentido de giro motor J1

Señal PWM motor J1


Señal PWM motor J2


Señal PWM motor J3


Señal PWM motor J4


Señal PWM motor J5

Señal Indicador de alarma

Señal de RESET

Señal de activación freno hombro

Señal de activación freno codo

Adicionalmente en la siguiente ilustración se expone la distribución de los componentes

presentes en la caja de control, también se anexan los planos eléctricos para tener

conocimiento detallado de las conexiones, esto será fundamental para realizar

mantenimientos, corrección de errores y análisis para futuras expansiones en el sistema de

control, para lo anterior revisar la hoja de anexos G.

129

Ilustración 87. Distribución de componentes de la caja de control.

La distribución se plantea de la siguiente manera:

1. Pulsador e indicador de RESET.

2. Selector de START y STOP.

3. Hongo de parada de emergencia.

4. Ranura para expansión HMI.

5. Breaker totalizador.

6. Borneras de distribución 110V AC.

7. Borneras de distribución 24V DC.




11. Borneras de conexión de motores.

12. Borneras de conexión entradas digitales.

13. Borneras de conexión salidas digitales.

14. Tarjetas de potencia articulaciones J1 a J6.

Con el fin de comprobar el funcionamiento de la caja de control y el Robot, se desarrollan

actividades adicionales basadas en programación de rutinas pre-grabadas mediante un PLC

como se expone a continuación.

130

4.6 ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS.

Mediante la realización de estas actividades complementarias, se comprueba el

funcionamiento de las tarjetas diseñadas, esto se hace mediante la programación de

secuencias pre-establecidas con un PLC para que el Robot ejecute una serie de

movimientos y rutinas programadas. En este apartado se explicará el proceso de captura de

datos o pulsos de los encoders, esto permitirá generar tablas relacionadas con la posición

del Robot y el número de pulsos por articulación, además la implementación de

operaciones matemáticas para la realización de la rampa de aceleración y desaceleración.

4.6.1 Actividad 1.

Con el fin de conocer la posición del Robot, es necesario realizar un programa que permita

el conteo de pulsos generado por el encoder de cada articulación.

Para configurar el módulo de entradas rápidas, se debe verificar de antemano cuales son las

salidas rápidas físicas que posee el PLC. En este caso el PLC Compact tiene 2 (I1.2-I1.3).

A continuación se muestra el diagrama de flujo empleado.

Ilustración 88. Diagrama de flujo contador rápido.

131

Una vez identificadas las entradas rápidas se procede a configurar el “Driver

Configuration” y se inserta el Driver FECCNTR (ver ilustración 89).

Ilustración 89. Configuración del módulo de entrada rápida del PLC.


Cabe mencionar que una vez importado el módulo no se podrá importar uno del mismo

tipo, si se desea usar la otra entrada rápida se configura el módulo según los parámetros

establecidos en la hoja de ayuda del software. A continuación se muestran estos

parámetros.

Ilustración 90. Parámetros de configuración del módulo de entradas rápidas.


132

Con la tabla anterior se procede a importar el módulo al programa, y se configura en

condiciones iniciales de la siguiente manera.

FU32= 1 (Parametrización del módulo).

FU33=0 (Se configura la entrada rápida # 1).

FU34-FU35-FU37=0 (no se desea activar ni iniciar algún programa o actividad).

FU38=1 (Reiniciar el contador a 0 en condiciones iniciales).

En la bandera FW101 se guarda el parámetro que indica si el contador rápido esta

encendido o no. Ya terminado el proceso de parametrización, se procede a activar el

contador rápido como se muestra en la siguiente ilustración.

Ilustración 91. Activación del módulo FECCNTR.

a) Parámetros de activación del

módulo.

b) Diagrama en lenguaje

escalera.


Se pregunta por el estado del contador rápido y por medio del registro FU33 se muestra el

valor actual de la entrada rápida, este a su vez se almacena en FW200 para su manipulación

como dato (ver ilustración 92).

133

Ilustración 92. Parametrización del estado actual del contador rápido.

a) Parametros de estado del contador.

b) Diagrama en lenguaje escalera.


Se procede a realizar pruebas de conteo de pulsos de los encoders de cada articulacion, para

ello se posiciona el Robot en el tope de su movimiento y por medio de PWM se cambia la

velocidad del motor (baja, media, alta). Realizando 2 pruebas una en sentido horario y la

otra en sentido anti-horario esto con el fin identificar posibles errores de lectura, a

continuacion se genera la siguiente tabla donde se presentan el resultados de las pruebas

donde se relaciona el numero de pulsos en cada articulacion a diferentes velocidades.

Tabla 30. Lectura de pulsos a diferentes velocidades.

Articulación

Numero de Pulsos

Velocidad Baja Velocidad Media Velocidad Alta

Ton

5ms

Toff

15ms

Ton

10ms

Toff

10ms

Ton

20ms

Toff

0ms

Cintura (J1) Prueba 1: 17050

Prueba 2: 17048

Prueba 1: 17105

Prueba 2: 17066

Prueba 1: 17107

Prueba 2:17087

Hombro (J2) Prueba 1: 13116

Prueba 2: 13086

Prueba 1: 13116

Prueba 2: 13119

Prueba 1: 13188

Prueba 2: 13278

Codo (J3) Prueba 1: 7338

Prueba 2: 7324

Prueba 1: 7355

Prueba 2: 7361

Prueba 1: 7372

Prueba 2: 7367

Muñeca (J4) Prueba 1: 8908

Prueba 2: 8917

Prueba 1: 8921

Prueba 2: 8911

Prueba 1: 8937

Prueba 2: 8928

134

Muñeca Giro (J5) Prueba 1: 10686

Prueba 2: 10710

Prueba 1: 10852

Prueba 2: 10841

Prueba 1: 10884

Prueba 2: 10890

De las pruebas realizadas, se concluye que a velocidades altas hay pérdida de datos

(pulsos), puesto que el PLC no es capaz de leer todos los pulsos, después de varias pruebas

se disminuyó la velocidad periódicamente hasta encontrar un valor que permita el

movimiento del Robot a la máxima velocidad (Ton=15ms, Toff=5ms) sin perder datos, en

velocidades medias y bajas la cantidad de pulsos es aproximadamente la misma por ende se

puede establecer estos valores como determinados para realizar la rampa de aceleración que

tendrá el sistema.

4.6.2 Actividad 2.

Para el control de velocidad del Robot, es necesario realizar una rampa de aceleración y

desaceleración, se procede a dividir la rampa en 3 partes iguales, donde la pendiente acelera

hasta un punto determinado, luego se mantiene constante y luego empieza el proceso de

desaceleración hasta que el sistema llega nuevamente a condiciones iniciales (ver

ilustración 93).

Ilustración 93. Rampa de velocidad deseada.

Como se pudo apreciar en la tabla 30, se tomará como referencia los pulsos de la

articulación de la cintura (J1), 17000 aproximadamente. Con este dato se puede realizar el

posicionamiento de la articulación indicando que destino (en pulsos) se desea llevar a esta

articulación. Para obtener el valor de la rampa se calcula de la siguiente manera:

135

Como se mencionó anteriormente el número de pulsos actual de la articulación se guarda en

la bandera FW200, según lo anterior se calcula el error de posición.

Anteriormente de la tabla 29 se obtuvieron los valores óptimos de velocidad máxima y

mínima para la rampa, con estos valores se realiza la siguiente lógica con la cual se calcula

el Ton y el Toff del ancho de pulsos del PWM.

Ilustración 94. Diagrama de flujo rampa de velocidad.

Si se desea tener mayor conocimiento de la programación de la rampa de velocidad se

recomienda al lector ir a la página de anexos H, donde se puede apreciar el código utilizado

en esta actividad.

136

Luego de distintas pruebas de funcionalidad de la rampa que se programó, como se puede

apreciar en el video anexo (Movimientos_Rampa), que el Robot se le asigna una posición y

siempre llega a la misma posición en distintas pruebas, dando buenos resultados con la

rampa implementada.

Cabe mencionar que la rampa tiene los valores de la velocidad máxima (Ton=15ms,

Toff=5ms), se pudo analizar que para movimientos pequeños esta velocidad es demasiada

alta, por ende se procede a realizar 2 rampas de velocidad distintas (Rampa baja, rampa

alta) esto con el fin que cuando se asigne un destino al Robot, el programa decida que

rampa utilizar según la posición, esto se determina bajo los siguientes rangos.

Tabla 31. Rangos de posición para rampa de aceleración.

Rango de posición (Pulsos) Tipo de rampa

Destino > 6000 Rampa aceleración alta

Destino < 6000 Rampa de aceleración baja

La lógica es la misma como se planteó en el diagrama de flujo de la ilustración 94, solo que

el programa antes de realizar los cálculos de tiempo de encendido y apagado, decidirá a que

rampa llamar. Para la rampa de aceleración baja, la velocidad de inicio se determina con los

valores de (Ton=5ms, Toff=15ms) y para la desaceleración (Ton=2ms, Toff=18ms).

Para el control de todas las articulaciones se procede a utilizar 3 PLCs en modo cascada con

el fin realizar secuencias simultaneas a continuación se muestra el procedimiento para esto.

4.6.3 Actividad 3.

Como se pudo apreciar con anterioridad en la tabla 29, la gran cantidad de señales de

entrada (20) como de salida (15) que se necesitan para el control del Robot obligan a

utilizar un PLC con varios módulos de expansión de entradas y salidas rápidas.

Implementar un PLC con dichas características, genera costos adicionales al proyecto y a la

Universidad, se optará por implementar 3 PLC FEC-34 Compact en modo cascada, puesto

que FESTO LTDA hizo el préstamo de estos equipos, de igual manera en la Universidad se

cuenta con estos mismos.

Se procede a la configuración de los PLCs, uno como maestro y dos como esclavos. Para

generar la lista de PLCs enlazados a la red se importan los módulos IP_TABLE, EASY_S y

EASY_R, donde el primero se encarga de establecer la lista de clientes conectados a la red,

el segundo de enviar datos y el tercero de leer datos que provienen de otras direcciones.

Antes de importar los módulos de comunicación se debe configurar de antemano la

dirección IP de cada uno de los PLCs a enlazar en la red, esto se hace insertando el TCP/IP

Driver como se muestra en la siguiente ilustración.

137

Ilustración 95. Configuración de dirección IP.


Se debe configurar la IP a los 3 PLCs, asignando una dirección cercana entre los 3.

Posteriormente se importa el módulo IP_TABLE y se configura según los parámetros que

se muestran a continuación.

Ilustración 96. Parametrización del módulo IP_TABLE.


Dónde:

FU32=1 (Asignar una IP nueva)

FU33=1 (Número de la tabla a asignar)

FU34=192 (Primer número de la dirección IP)

FU35=168 (Segundo número de la dirección IP)

FU36=1 (Tercero número de la dirección IP)

FU37=70 (Cuarto número de la dirección IP)

138

Se debe importar éste módulo para los otros 2 PLCs, y configurar la asignación de tabla y la

dirección IP de cada uno. Una vez configurado los 3 PLCs, se importa el módulo de

EASY_S y se configura de la siguiente manera.

Ilustración 97. Parametrización del módulo EASY_S.


Dónde:

FU32=1 (Número de asignación de tabla).

FU33=1 (Tipo de dato bandera).

FU34=4 (Número de datos a enviar).

FU35= 0 (Primer operando local a enviar).

FU36=5 (Primer operando remoto).

FU37=FW600 (estado del envió de datos).

Este módulo se configura en el PLC maestro y será el encargado de enviar datos a los

esclavos con el fin de dar órdenes y ejecutar tareas simultáneas en los 3 PLCs al mismo

tiempo. Al terminar dichas tareas cada esclavo deberá enviar un dato al maestro indicando

que ya terminó la tarea y que está disponible para realizar una nueva acción.

Para establecer la lectura de datos en los PLCs esclavos, es necesario parametrizar el

módulo de lectura EASY_R como se muestra en la ilustración 98.

139

Ilustración 98. Parametrización del módulo EASY_R.


Dónde:

FU32=1 (Número de asignación de tabla).

FU33=1 (Tipo de dato bandera).

FU34=4 (Número de datos a recibir).

FU35= 0 (Primer operando local a recibir).

FU36=5 (Primer operando remoto).

FU37=FW601 (estado del recibo de datos).

Una vez configurados los módulos de comunicación se procede a realizar la secuencia

programada que el Robot ejecutará. Los pasos de la secuencia son los siguientes, donde se

establece un destino, lectura de pulsos, rampa de velocidad y comunicación en modo

cascada.

1. Inicio

2. Configurar módulos de recibo y envió de datos, módulos de entradas rápidas y

establecer parámetros de condiciones iniciales del sistema.

3. Establecer destinos a cada una de las articulaciones del Robot.

4. PLC maestro inicia la secuencia de movimientos en las articulaciones J1 y J2.

5. Una vez terminado PLC maestro ordena a los 2 esclavos a realizar las

secuencias de las articulaciones J2, J3, J4, J5 y pinza.

6. Terminado el proceso, se puede programar otra serie de destinos o puntos para

realizar una nueva rutina de movimientos.

Las pruebas de movimientos con la secuencia programada, dieron resultados exitosos y se

puede decir que el Robot se puede implementar en futuras aplicaciones como laboratorios,

estaciones de procesos automatizados y procesos de investigación en el área de ingeniería

de la Universidad de San Buenaventura. Adicionalmente para culminar estas actividades

complementarias, se concluye que utilizar 3 PLCs, hace que la programación de estos

utilice extensas líneas de código, esto puede ocasionar retardo en lectura y en procesos de

140

máquina, se recomienda utilizar un PLC que tenga las siguientes características (ver tabla

32).

Tabla 32. Requerimientos del PLC ideal.

Características Cantidad

Número de entradas digitales 20 o mayor

Número de salidas digitales 10 o mayor

Compatibilidad de HMI N.A

Comunicación Ethernet, Serial, Rs480.

Mediante la orientación aportada por FESTO LTDA, se recomiendo utilizar el PLC FED

CEC el cual integra módulos de entradas y salidas suficientes para integrar todo en un solo

PLC, adicionalmente éste posee la convertibilidad de la pantalla HMI FED UIM para ver

las especificaciones de estos componentes ver la hoja de anexos I.

141

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

A lo largo de la presente investigación, se logró culminar satisfactoriamente con los

objetivos propuestos investigando diferentes alternativas para solución de éstos y así poder

seleccionar la mejor opción para llegar al fin de este proceso investigativo. También se

evidencia que gracias a los conocimientos adquiridos y aplicados, se obtuvo como resultado

la repotenciación del Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1.

Gracias a la inspección realizada al Robot, se determinó que su estructura física y

sus componentes electromecánicos se encuentran en buen estado y es apto para su

uso en distintas aplicaciones en el ámbito académico, se recomienda realizar

acciones de mantenimiento preventivo periódicamente según las indicaciones que

ofrece el manual del usuario.

La implementación de un sistema de seguridad en las tarjetas de potencia permite

proteger al Robot y al nuevo sistema de potencia diseñado, esto aporta confiabilidad

a la hora de ser manipulado el Robot en talleres y laboratorios programados por la

Universidad, se recomienda no modificar los parámetros (voltaje de los

potenciómetros) establecidos en las tarjetas ya que esto puede ocasionar daños

eléctricos en las tarjetas y en los motores (Ver anexo J).

Debido a la naturaleza de las señales en las tarjetas diseñadas solo permite

manipular el Robot por medio de un PLC, también el gran número de entradas y

salidas rápidas que se requieren para esta aplicación obligó a utilizar 3 PLCs en

cascada por qué no se contaba con uno que tuviera el número de entradas y salidas

rápidas para esta aplicación, por ende, se recomienda utilizar un PLC FED CEC, el

cual permitirá integrar el sistema de control completo, reduciendo espacio,

conexiones y tiempo de programación.

Se pretendía implementar un panel de control (HMI) al sistema, pero por la falta de

compatibilidad de los PLCs utilizados en el proyecto, no fue posible integrar esto al

sistema, sin embargo la caja de control cuenta con la ranura para poder adaptar la

HMI como futura mejora para facilitar el control del Robot y hacer más versátil la

interacción entre el usuario y la máquina. Se recomienda usar la HMI FED UIM,

por su compatibilidad con el PLC recomendado, además será de gran utilidad a la

hora de reforzar los conocimientos adquiridos en los diferentes cursos que se

relacionan con el tema.

La implementación de tarjetas de potencia independientes para cada articulación,

permite el fácil reemplazo al momento de presentarse alguna falla eléctrica en el

sistema, el cómodo acceso dentro de la caja de control permite realizar operaciones

de mantenimiento preventivo y correctivo con mayor facilidad, se recomienda antes

de realizar el reemplazo de alguna de las tarjetas, leer detalladamente el documento

142

y analizar el esquema eléctrico de cada una de ellas, esto permite tener

conocimientos previos a las acciones de mantenimiento correctivo.

Por medio de pruebas de laboratorio, se determinó que al realizar cambios de giro

bruscos genera un pico alto de corriente que supera la capacidad máxima de

operación del circuito inversor de giro, esto ocasiona daños eléctricos a las tarjetas y

los motores, por esto se recomienda hacer rutinas de movimientos pausados, es

decir que se debe esperar a completar un movimiento para poder empezar a realizar

uno nuevo.

Debido al gran número de componentes (fuentes, PLCs, borneras) y otros elementos

que conforman el gabinete de control, se recomienda que a futuro se adquiera un

gabinete con más espacio con el fin de integrar todo el sistema en un solo elemento,

puesto que actualmente se dejó los 3 PLCs, y las fuentes de alimentación por fuera

del gabinete de control. Adicionalmente se recomienda usar una fuente de voltaje

que tenga las salidas correspondientes de voltaje necesarias para el Robot (24V DC,

12V DC y 5V DC) con una corriente de salida de 10 Amperios.

Para la realización del programa del Robot se plantearon netamente operaciones

matemáticas para efectuar la rampa de velocidades en cada una de las

articulaciones, esto se debe a la complejidad de programación. Se sugiere

implementar técnicas de control para la ejecución de movimientos debido a que

éstos permiten que el sistema sea más estable.

143

6. BIBLIOGRAFIA

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147

ANEXOS

148

A. VALORES DE RESISTORES COMERCIALES

150

B. SENSOR DE CORRIENTE HALL CON ACONDICIONADOR DE SEÑAL

152

C. PLANO ELÉCTRICO DE LAS CONEXIONES DE LOS FINALES DE

CARRERA.

154

D. ELECTRÓNICO TARJETA DE FINALES DE CARRERA Y FRENOS.

156

E. DIAGRAMA DE BLOQUES (VI) DESARROLLADO EN LABVIEW 2011.

158

F. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO TARJETA DE POTENCIA FINAL.

160

G. PLANOS GABINETE DE CONTROL.

162

H. CÓDIGO DE RAMPA DE VELOCIDAD EN FST 4.10.

163

STEP 0

IF destino

> V6000

THEN JMP TO 1

OTHRW JMP TO 2

STEP 1"" RAMPA GRANDE

IF N F999.0

THEN

CFM 3 " 32-bit multiplication

WITH destino " Low word of 1. operand

WITH V0 " High word of 1. operand

WITH V2 " Low word of 2. operand


LOAD FU32 " Low word of the result

TO R3

LOAD FU33 " High word of the result

TO R4

CFM 4 " 32-bit division, 1.Op. / 2.Op.

WITH R3 " Low word of 1. operand





TO rampa


TO R4

164

SET F999.0

IF F999.0

THEN LOAD destino

- FW200

TO ERROR

IF FW200

< rampa

THEN LOAD V15

TO TimeON

LOAD V5

TO TimeOFF

IF FW200

> rampa

THEN

CFM 3 " 32-bit multiplication

WITH ERROR " Low word of 1. operand





TO R5


TO R6

CFM 4 " 32-bit division, 1.Op. / 2.Op.

WITH R5 " Low word of 1. operand

WITH R6 " High word of 1. operand

WITH rampa " Low word of 2. operand



165

TO FW9000

LOAD FW9000

* V3

TO TimeON

LOAD V20

- TimeON

TO TimeOFF

IF TimeON

< V2

THEN LOAD V2

TO TimeON

LOAD V18

TO TimeOFF

IF FW200

>= destino

THEN CFM 1 'FASTOUT Fast output

WITH V1

WITH V7

WITH V0

WITH V0

WITH V0

RESET F999.0

RESET P1

IF TimeON

<> TimeOnA

THEN LOAD TimeON

TO TimeOnA

CFM 1 " Fast output

166

WITH V2 " 0:Init;1:Stop output;2,3,4,5:Start

WITH V7 " Output number (0..7)

WITH TimeOnA " Ontime (* 0,5 ms)

WITH TimeOFF " Offtime (* 0,5 ms)

JMP TO 1

167

I. HOJA DE DATOS PLC FED CEC. Y HMI UIM

170

J. TABLA DE VOLTAJES PREDETERMINADOS EN POTECIÓMETROS DE

LAS TARJETAS

171

ARTICULACION IP+ [V] IP- [V]

CINTURA J1 3.55 1.45

HOMBRO J2 3.5 1.5

CODO J3 3.45 1.55

MUÑECA J4 3.45 1.55

MUÑECA GIRO J5 3.6 1.4

rae 1. tipo de documento: mecatrÓnico. 2. diseÑo...

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