Prototipo De Un Robot Cortador De Placas Fenólicas
Autores: Ricardo Alvarado, Ulises Ávila, Marco García, Josue Ruíz e Ignacio Salas.
Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Instituto Tecnológico Superior de Irapuato.
Irapuato, México. Noviembre del 2010.
Resumen: A partir de la propuesta de elaboración de un prototipo de robot como proyecto final para la clase de robótica II se decide implementar un robot tipo PP que cumple con esta función. Se decide este modelo debido a que al ser dos pares prismáticos se tiene una mayor facilidad al cortar una superficie plana tal y como es una placa fenólica.
INTRODUCCION
En el presente trabajo trata de un robot paralelo del tipo PP Este robot está construido básicamente de una plataforma la cual va montada en un par de rieles que permiten un movimiento de traslación a lo largo del un eje longitudinal, y estos rieles a su vez van montados de forma perpendicular en otro par de rieles permitiendo otro movimiento de traslación a largo de éste.
Se podría decir entonces que su movimiento es similar al de un pantógrafo, esto es, tenemos movimiento en los ejes X e Y. Para su operación se utiliza una tarjeta de control diseñada y hecha igualmente por nosotros y se utilizan foto sensores para detectar el contorno a cortar. La herramienta de corte utilizada es una fresa, la cual fue adaptada al motor de corriente continua por medio del cople.
El movimiento a lo largo y ancho de nuestro espacio de trabajo se produce al energizar dos motores a pasos, mientras que el movimiento rotatorio de la herramienta de corte se produce por medio de un motor de corriente continua.
TARJETA DE CONTROL
Se diseñó una tarjeta de control que incluye un microcontrolador. PICAXE 18X, el cual fue elegido por tener un par de características importantes para nuestro diseño:
· Número suficiente de entradas (Analógicas y digitales) y salidas
· Tiene un sistema precargado que permite programar el PIC directamente desde el puerto serial de cualquier computadora, obviamente teniendo un software especial que es proporcionado por Microchip de manera gratuita, lo que elimina costos de compra del grabador de PICs.
· Es fácil de programar (Utiliza BASIC).
La configuración de este microcontrolador es la siguiente:
Figura 1. Configuración del PICAXE 18X
Igualmente, se diseñó una fuente variable que nos permitiera asegurar una señal directa y sin ruidos como alimentación del PICAXE, componentes electrónicos comunes y de los circuitos integrados de la tarjeta. El diseño de la fuente está basado en el uso de los LM337 para proporcionar voltaje negativo de 12V y LM317 para voltajes positivos de 5V y 12V.
Figura 2. Fuente variable diseñada.
Una vez diseñada la fuente de alimentación procedimos a hacer la tarjeta de control en sí cuyo componente principal es el PICAXE del cual se habló previamente. El diseño debía contemplar tener tres entradas analógicas/digitales y dos completamente digital (No se pueden tener más entradas analógicas porque la configuración del circuito integrado PICAXE no lo permite), además de ocho salidas que decidimos fueran a relevador para fines prácticos. Se buscó la manera de evitar entradas de voltaje y corriente al microcontrolador de manera tal que quedara totalmente “Encapsulado” para lo cual se usaron los optoacopladores 4N25 y el circuito integrado ULN2803.
La tarjeta de control posee además una conexión a puesto serial que va directamente al PICAXE que permite la programación de éste desde cualquier computadora con puerto serial y que tenga instalado el software de PICAXE.
Así pues, el diseño de la tarjeta de control quedó de la siguiente manera:
Figura 3. Tarjeta de control
Físicamente, la tarjeta de control y la fuente fueron adaptadas a una base de acrílico, y se probó exitosamente, quedando como se muestra en la siguiente figura:
Figura 4. Tarjeta de Control y fuente físicas. Del lado derecho se observa el cable que va al transformador, el cual se conecta a CA, y del lado izquierdo el cable de puerto paralelo utilizado para la programación-
PROTOTIPO PROPUESTO
Como se mencionó en la introducción la idea de este robot es parecida al funcionamiento de un pantógrafo, es decir, teniendo movimiento en dos ejes: X e Y. Sin embargo, el hacerlo conlleva la planeación de dónde se encontrarán los motores y no sólo eso, también los mecanismos y la forma de los componentes que se habrán de usar para permitir el movimiento del robot. Así pues, primeramente definimos que el robot habría de ser completamente rectangular (para permitir un corte lineal) y que los rieles que utilizaríamos serían cilíndricos debido a que, a nuestro ver, presentaban la ventaja de proveernos de un mejor desplazamiento, el peso que habrían de soportar jugó un papel importante en el diseño y planeación del robot, puesto que influye precisamente en su capacidad de movimiento.
Decidimos utilizar un par de motores a pasos, uno para la traslación en el eje X y otro para la misma tarea pero en el eje Y. El segundo habría de moverse por medio de una cremallera, por lo que conseguimos un engrane con el mismo paso de ésta y se acopló al rotor del motor a pasos. Se cortó y adaptó una pieza que nos sirviera para dos fines (misma que se sostendría entre el riel y la cremallera): Sostener el motor de corriente continua que movería la fresa que habría de cortar la placa y sostener el motor a pasos que permite el movimiento en ese eje. Lo descrito anteriormente se puede apreciar de mejor manera en la siguiente figura:
Figura 4. Mecanismo utilizado para el movimiento en el eje Y. Observe del lado izquierdo el riel utilizado, la cremallera del lado derecho así como el engrane que se acopla al motor. La base que se observa entre la cremallera y riel sirve posteriormente como soporte del motor CC.
Con respecto a la traslación sobre el eje X, ésta se hace mediante un mecanismo de polea y banda en la cual la banda es movida con otro motor a pasos.
Figura 5. Vista del robot sin el mecanismo utilizado para traslación en el eje X .Observe lo rieles en los extremos de la imagen, lo cual permite su desplazamiento sobre ese eje.
Se montó un motor de corriente directa sobre una base prevista para ello montada sobre el eje Y. El propósito de éste es hacer girar la fresa.
Figura 7. Motor de corriente directa montado en su base.
La fresa es nuestra herramienta de corte, ésta es sujetada por un cople maquinado por nosotros y se adapta al rotor del motor CD.
SEGUIDOR DE LÍNEA
Para hacer el corte de la placa fenólica como lo requerimos generalmente marcamos el contorno de la placa que requerimos. Seguimos este concepto y por ello se utiliza el principio de un robot seguidor de línea para hacer el corte. Esto es, utilizando un sensor fotosensible se sigue una línea negra(porque no refleja la luz) marcada sobre un fondo que refleja luz.
Se utilizó el sensor Sharp Gp2s03 pues posee internamente un diodo emisor de luz, en este caso infrarrojo, y un fototransistor que al recibir la luz infrarroja del emisor nos proporciona una señal que nos indica la presencia una superficie blanca u oscura. El fototransistor recibirá la mayor cantidad de luz infrarroja al rebotar sobre una superficie clara mientras que si rebota sobre una superficie oscura obtendremos una mínima cantidad de luz infrarroja. Entonces para ambos casos tendremos 2 lecturas distintas que pueden ser tratadas con algunos circuitos para obtener señales digitales ya que el sensor nos entregará señales analógicas. Una manera de obtener señales digitales es usando el C.I. 40106 que es un disparador Trigger Schmitt y otra manera es usando un C.I. LM358 en modo comparador. Utilizamos el LM358.
El resistor variable de 10Kohmos es para ajustar la sensibilidad del sensor. Este resistor debe ser un "trimpot" y no un potenciómetro como el que controla el volumen de los amplificadores de audio. Éste nos permite ajustar su valor con un pequeño desarmador, girándolo de un sentido al otro.
Mediante el "trimpot" de 10Kohms podremos fijar un valor de "referencia" en el comparador y cuando este valor de "referencia" se presente en el terminal de resistor de 10Kohms entonces en la salida del comparador tendremos un 1 lógico (Vcc=5V). Como podemos ver la señal que nos proporciona el LM358 es ahora "digital". Mientras que por el terminal del resistor de 10Kohms no se obtenga un valor similar al de "referencia" tendremos en la salida del comparador la señal de 0 lógico (0V).
De esta manera ya contamos con 2 estados en la salida del comparador, uno cuando detecta y otro cuando no detecta la superficie deseada. Es muy importante el uso del "trimpot" para ajustar la sensibilidad del sensor en diferentes superficies. Lo importante es notar que cuando el sensor detecte una superficie blanca en la salida del LM358 tendremos un 0 lógico y en caso inverso, cuando el sensor detecte una superficie oscura nos proporcionará en la salida del LM358 un 1 lógico lo que en este caso nos servirá para detectar una línea negra sobre un fondo blanco.
El sensor Gp2s03 nos manda señal analógica, por lo que diseñamos un circuito que convierte la señal en digital para posteriormente utilizarla como entrada al microcontrolador. El circuito diseñado para este fin se muestra en la siguiente figura:
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