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AUTOMATIZACIÓN: BRAZO ROBÓTICO Y TABLERO DE CONTROL ELÉCTRICO
ING. CRISTINO LOPEZ CRUZ ING. FRANCISCO H. CAÑAS MEDINA[Escriba texto] Página 1
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
CENTRO DE ESTUDIOS CIENTIFICOS Y
TECNOLÓGICOS No.7
“CUAUHTÉMOC”
ACADEMIA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
“AUTOMATIZACIÓN DE MÁQUINAS CON MECANISMOS SIMPLES
CONCENTRANDO EL APRENDIZAJE Y LAS EXPERIENCIAS DE
LAS ASIGNATURAS DE LA ACADEMIA PARA EFICIENTAR LA
CARRERA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL”
REGISTRO SIP: 20131241
TIPO DE PROYECTO: CORTO PLAZO
DIRECTOR: CRISTINO LÓPEZ CRUZ
CO-DIRECTOR: FRANCISCO HIPÓLITO CAÑAS MEDINA
2013
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2.- RESUMEN
La automatización industrial se caracteriza por periodos de constantes
innovaciones tecnológica. Esto se debe a que las técnicas de automatización se
encuentran muy ligadas a los sucesos económicos mundiales.
En el contexto industrial se puede definir la automatización como una tecnología
que está relacionada con el uso de sistemas mecanico-electricos basados en
computadoras para la operación y control de la producción.
Integrar varios aspectos de las operaciones de manufactura para:
Mejorar la calidad y uniformidad del producto
Minimizar el esfuerzo y los tiempos de producción.
Mejorar la productividad reduciendo los costos de manufactura mediante
un mejor control de la producción.
Mejorar la calidad mediante procesos repetitivos.
Reducir la intervención humana, el aburrimiento y posibilidad de error
humano.
Reducir el daño en las piezas que resultaría del manejo manual.
Aumentar la seguridad para el personal.
Ahorrar área en la planta haciendo más eficiente:
El arreglo de las máquinas
El flujo de material
La automatización de un proceso frente al control manual del mismo
proceso, brinda ciertas ventajas y beneficios de orden económico, social, y
tecnológico, pudiéndose resaltar las siguientes:
Se asegura una mejora en la calidad del trabajo del operador y en el
desarrollo del proceso, esta dependerá de la eficiencia del sistema
implementado.
Se obtiene una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo,
se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.
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Existe una reducción en los tiempos de procesamiento de
información.
Flexibilidad para adaptarse a nuevos productos (fabricación flexible y multi-
fabricación).
Se obtiene un conocimiento más detallado del proceso, mediante la
recopilación de información y datos estadísticos del proceso.
Se obtiene un mejor conocimiento del funcionamiento y performance de los
equipos y máquinas que intervienen en el proceso.
Aumento en el rendimiento de los equipos y facilidad para incorporar
nuevos equipos y sistemas de información.
Disminución de la contaminación y daño ambiental.
Racionalización y uso eficiente de la energía y la materia prima.
Aumento en la seguridad de las instalaciones y la protección a los
trabajadores.
ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN AUTOMATIZADA
• MAQUINAS: Son los equipos mecánicos que realizan los procesos,
traslados, transformaciones, etc. de los productos o materia prima.
• ACCIONADORES: Son equipos acoplados a las máquinas, y que permiten
realizar movimientos, calentamiento, ensamblaje, embalaje. Pueden ser:
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• Accionadores neumáticos: Usan la energía del aire comprimido, son
por ejemplo, cilindros, válvulas, etc.
• Accionadores hidráulicos: Usan la energía de la presión del agua, se usan
para controlar velocidades lentas pero precisas.
• PRE ACCIONADORES: Se usan para comandar y activar los Accionadores.
Por ejemplo, contactores, switchs, variadores de velocidad, distribuidores
neumáticos, etc.
• CAPTADORES: Son los sensores y transmisores, encargados de captar las
señales necesarias para conocer el estados del proceso, y luego enviarlas a la
unidad de control.
• INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA: Permite la comunicación entre el operario
y el proceso, puede ser una interfaz gráfica de computadora, pulsadores, teclados,
visualizadores, etc.
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• ELEMENTOS DE MANDO: Son los elementos de cálculo y control
que gobiernan el proceso, se denominan autómata, y conforman la unidad de
control. Los sistemas automatizados se conforman de dos partes: parte de mando
y parte operativa
• PARTE DE MANDO: Es la estación central de control o autómata. Es el
elemento principal del sistema, encargado de la supervisión, manejo, corrección
de errores, comunicación, etc.
• PARTE OPERATIVA: Es la parte que actúa directamente sobre la máquina,
son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice las acciones.
Son por ejemplo, los motores, cilindros, compresoras, bombas, relés, etc.
3.- INTRODUCCIÓN
En este proyecto se realiza un prototipo de brazo robótico con unos controladores
sencillos que son los reóstatos. También es posible llevarlo a la industria o
distintas aplicaciones mediante el mecanismo básico y saber cómo adaptarlo a
sus necesidades.
La máquina fue hecha con el propósito de facilitar alguna función o realizar una
función que para una persona se le es imposible tal como lo es el manejo de
distintas sustancias que pueden afectar la salud y bienestar del personal.
Este motor se basa principalmente en un programa sencillo donde solamente
producen movimientos circulares los cuales son producidos gracias a unos
motores especialmente adaptados llamados servomotores los cuales son
pequeños volumétricamente pero son muy poderosos, lo suficientemente
poderosos para soportar o trabajar a 2.7 kg•cm y lo suficientemente potentes
para cargar un vaso de precipitados de 500ml .
No solo se puede usar en la industria química si no en otras industrias más
higiénicas como la alimenticia.
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Los valores y potencia de los motores pueden ser intercambiados según
las necesidades, y el material según las condiciones; actualmente se usó acrílico
para reducir peso y costos.
4.- OBJETIVO GENERAL:
La necesidad de innovación de nuevas tecnologías en el actual campo competitivo
laboral, es el punto crucial del desarrollo de este proyecto. Poniendo como base el
uso de nuevas tecnologías como robots en la industria, buscando una mejora de la
calidad de los servicios que puede ofrecer la misma.
OBJETIVO ESPECIFICO:
Aplicar los conocimientos sobre potenciómetros, arduino y servomotores para
realizar un prototipo que pueda ser aplicado en la industria con factibilidad de
manejo y mantenimiento.
JUSTIFICACIÓN:
La práctica de los conocimientos adquiridos alrededor de los años cursados en el
desarrollo de la carrera de Mantenimiento Industrial, se verán reflejados en la
aplicación del proyecto a elaborar. Poniendo en práctica las habilidades y
aptitudes.
Planteando como filosofía una serie de cuestionamientos, impulsando este
proyecto. ¿Cuándo se ha conocido jóvenes desarrollando innovaciones de
ingenieros, a un nivel técnico?; ahora imaginemos lo que se puede llegar a
inventar crear y desarrollar teniendo un nivel de estudios avanzados como una
ingeniería. Nada es imposible para los estudiantes, excepto que ellos
decidan…
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4.- METAS CUMPLIDAS
- Se elaboró un brazo robótico controlado con reóstatos como material
didáctico para la Unidad de Aprendizaje de AUTOMATIZACION.
- Tres tesis de Titulación para Nivel Medio Superior, las cuales son:
- SERVOMECANISMO: GARAGE OCULTO
- DESTAPACORCHOS AUTOMATIZADO
- AUTOMATIZACION DE UNA BANDA TRANSPORTADORA.
5.- METODOS Y MATERIALES
EL SERVOMOTOR
Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado.
Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal
codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el
servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada
cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos
para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños
ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por
supuesto, en robots.
(fig. servomotor)
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La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que
éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor
regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad,
el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional.
La función más básica es a través de un sensor de luz y engranes, este sensor
detecta una especie de reloj ranurado graduado en radianes según el modelo,
este está conectado a un sistema electrónico que le dice cuántas ranuras debe
detectar.
Un servomotor de este tipo es básicamente un motor eléctrico que sólo se puede
girar en un ángulo de aproximadamente 180 grados (no dan vueltas completas
como los motores normales). De los tres cables que salen de su cubierta. El rojo
es de voltaje de alimentación (+5V), el negro es de tierra (0V o GND). El cable
blanco (a veces amarillo) es el cable por el cual se le instruye al servomotor en
qué posición ubicarse (entre 0 grados y 180).
Dentro del servomotor, una tarjeta controladora le dice a un pequeño motor de
corriente directa cuántas vueltas girar para acomodar la flecha (el eje de plástico
que sale al exterior) en la posición que se le ha pedido.
Un potenciómetro que está sujeto a la flecha, mide hacia dónde está ubicado en
todo momento. Es así como la tarjeta controladora sabe hacia dónde mover al
motor.
La posición deseada se le da al servomotor por medio de pulsos. Todo el tiempo
debe haber una señal de pulsos presente en ese cable.
La señal de pulsos controla al servo de la siguiente forma:
ARDUINO
Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un micro
controlador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la
electrónica en proyectos multidisciplinares.
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Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o
puede ser conectado a software del ordenador (por ejemplo: Macromedia Flash,
Processing, Max/MSP, Pure Data). Las placas se pueden montar a mano o
adquirirse. El entorno de desarrollo integrado libre se puede descargar
gratuitamente.
Al ser open-hardware, tanto su diseño como su distribución son libres. Es decir,
puede utilizarse libremente para el desarrollo de cualquier tipo de proyecto sin
haber adquirido ninguna licencia.
Arduino está basado en C y soporta todas las funciones del estándar C y algunas
de C++.10 A continuación se muestra un resumen con todas la estructura del
lenguaje Arduino
Entre las aplicaciones, debido a las posibilidades que presentan sus entradas,
nos permite utilizar una gran variedad de sensores, como se ha dicho.
Placa utilizada:
(fig.2.7 placa arduino uno)
Incluye un “bootloader” listo para conectar al puerto USB del ordenador. Se
programa con un sencillo entorno de desarrollo. Al ser un proyecto abierto hay una
gran cantidad de ejemplos y librerías listas para utilizar con Arduino.
Microprocesador Atmega328 Microprocesador Atmega8u2 programado como convertidor USB-serial. Tensión operativa 5V. Tensión de alimentación (limites) 6-20V
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14 Entradas/Salidas digitales (6 de estas de pueden utilizar para salidas PWM para control de la velocidad de un motor cC por modulación de pulsos.
6 Entradas Analógicas para sensores de robots Máxima corriente continua para las entradas: 40 mA Máxima corriente continua para los pins 3.3V:50mA Flash Memory 32KB (el bootloader) usa .5KB). SRAM 2KB, EEPROM 1KB Velocidad del Clock 16 MHz
ACRILICO
Dentro de los plásticos de ingeniería podemos encontrarlo como
polimetilmetacrilato, también conocido por sus siglas PMMA.
Por estas cualidades es utilizado en la industria del automóvil, iluminación,
cosméticos, espectáculos, construcción y óptica, entre muchas otras.
6.- RESULTADOS
La idea de realizar el brazo fue para facilitar la manipulación de diversos fármacos
con la ayuda de potenciómetros que manejaran la “garra” con la que se sujetara el
medicamento, se hicieron diversas pruebas para poder escoger el más factible a
la aplicación en la industria.
(fig.3.1 prototipo del brazo)
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se comenzo por tomar medidas realez basandonos en el prototipo de carton, se
cortaron los acrilicos y perforaron para que el mismo perdiera peso y se pudiera
manipular correctamente.
(fig. acrílico perforado)
A) FORMA AUTOMATICA
En la forma automática a través del software del controlador Arduino se diseña un
código de control dirigido a cada uno de los servomotores, por separado pero que
se corren juntos para que se realice un proceso de producción previamente
planeado.
El servomotor #1 (desde ahora se denominara solamente BASE) es el que moverá
toda la estructura 180° para mover el brazo del eje Y negativo al eje Y positivo.
El servomotor #2 (desde ahora se denominara solamente BRAZO 1) tendrá un
rango de apertura de 90° a partir de la base a 0° hasta quedar totalmente vertical.
El servomotor #3 (desde ahora se denominara solamente BRAZO 2) tendrá un
rango de apertura de 135° ya que esta parte del brazo tanto puede estar
totalmente vertical como también puede estar a 35° con respecto al brazo 1.
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Cabe destacar que los primeros 3 servomotores son los que generaran
más torque ya que son los que soportaran el peso de la estructura y moverán el
peso final.
El servomotor #4 (desde ahora se denominara solamente MUÑECA) puede girar
180° para emular el giro de la muñeca al moverse de un lado a otro. Este
movimiento nos permitirá rotar la garra para que pueda tomar diversos objetos en
diferentes ángulos.
El servomotor #5 (desde ahora se denominara solamente GARRA) este es el
servo más importante; porque aunque tiene un torque inferior a los demás este
nos permite tomar objetos mediante el control programado. El servo actúa sobre
una pieza móvil y tiene un rango de movimiento de 0° a 90° para abrir y cerrar la
tenaza, la otra pieza es fija y en ella se ejerce presión con la otra parte móvil para
cerrar la tenaza.
(fig. brazo con sistema automático)
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B) FORMA MANUAL
De la forma manual es la forma más simple ya que con un arreglo de conexiones y
con varios potenciómetros se controla el giro de cada servomotor. La forma
manual está diseñada para la operación y aprendizaje de nuestro prototipo y
hacerlo más interactivo y atractivo al público.
(fig.3.10 brazo controlado con potenciómetros y Arduino)
7.- CONCLUSIONES E IMPACTO DE LA APLICACIÓN
APLICACION DE UN BRAZO ROBOTICO EN LA INDUSTRIA.
La principal aplicación de los robots tiene lugar en la industria, donde es habitual la
repetición de tareas, como la fabricación en serie de piezas y maquinaria, lo que
obliga a realizar todas exactamente iguales. Un robot está programado para
realizar los mismos movimientos y con la misma precisión, por lo que es perfecto
para aplicaciones industriales.
Aunque prácticamente todos los campos de la industria son susceptibles de
emplear robots para determinadas operaciones o trabajos, solo vamos a describir
las aplicaciones más comunes:
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Almacenamiento, carga y descarga de objetos. Casi todas las empresas
industriales necesitan un espacio para almacenar las materias primas y los
productos elaborados.
Cuanto mayor sea el trabajo de almacenamiento, más justificado está el uso de
sistemas automáticos que clasifican y almacenan estos elementos. Estos sistemas
combinan una estructura tridimensional de baldas y estanterías, en las que los
objetos son colocados siguiendo un patrón de clasificación.
Cada una de las ubicaciones es memorizada en un sistema informático, que es el
que ordena a determinados robots móviles la inserción o extracción de los objetos,
con una simple orden que contenga el código de ubicación del material.
Operaciones industriales de mecanización. En industrias de automoción y
fabricación de maquinaria en serie, los robots son de enorme utilidad en
operaciones como:
Ensamble y soldadura de piezas
Recubrimientos y aplicación de pintura
Realización de taladros, remachado
Operaciones de atornillado o enroscado
Fabricación de piezas torneadas
Corte de piezas mediante sierra o laser
Inspecciones en lugares inaccesibles
En ocasiones es necesario realizar tareas de limpieza y mantenimiento en lugares
como tubos de aire acondicionado, alcantarillas, etc.
Para ello se utilizan robots dotados de un sistema de tracción adecuado a los que
se les incorpora una cámara. Así se puede obtener una visión del recorrido que
sigue el robot.
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Manipulación de residuos tóxicos o peligrosos. Las industrias que generan
residuos altamente tóxicos, como las industrias químicas o las que trabajan con
material radiactivo, requieren la utilización de robots para el traslado y
manipulación de este tipo de materiales, ya que no es posible que una persona
opere en estos ambientes de trabajo.
Es cada vez mayor la utilización de robots dedicados a los trabajos de poda de
arbustos y árboles, recolectores de fruta, preparadores y cortadores de animales
en piezas en la industria cárnica, etc.
8.- BIBLIOGRAFIA:
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