Capítulo 1. INTRODUCCIÓN

En los últimos años la tecnología ha crecido a una velocidad vertiginosa. Es difícil para un país como el nuestro mantenerse a la vanguardia en cuanto a los conocimientos y más aún, en la generación de tecnología que se equipare a la de los países desarrollados. Es una carrera en la que se nos llevan muchos años de ventaja y a pesar de esto, sólo se pierde cuando no se intenta lo que parece imposible. Para reducir dicha brecha no basta intentar desarrollar prototipos industriales sino también es indispensable desarrollar prototipos experimentales de alto impacto para la formación de ingenieros y así tener una base sólida en la formación científico-tecnológica, para responder a las necesidades que surgen en el proceso de modernización del sector productivo.

En una de las visitas a una empresa automotriz, cuyo ramo es dedicado a la fabricación de flechas homocinéticas, se detectaron varios problemas en los procesos de producción y posteriormente se hizo un análisis de éstos. Entre ellos, en la etapa de automatización de la línea de producción de tricetas automotrices que es una parte que conforma la flecha homocinética (ver figura 2.1 del capítulo 2). Surgió la necesidad de automatizar la inspección del producto (conteo de pernos de triceta). En la línea de ensamble de tricetas, dicha empresa implementó un sistema mecánico (un sistema de contacto) de inspección del producto, sin embargo resultó que dicho sistema de inspección es deficiente por intervención mecánica en el proceso de ensamble que frecuentemente interrumpía el proceso. Además el sistema de inspección mecánico retrasa de manera apreciable el tiempo de ensamble.

Se propuso la solución para la inspección de la cantidad de pernos (pernos de un determinado diámetro alrededor de cada muñón, ver figura 2.1) en subemsamble de tricetas con un principio que no perturba el proceso de ensamble.

El principio básico de

funcionamiento del sistema de inspección emplea el efecto de modulación de haz reflejado

1

de una superficie ondulada en la dirección de haz incidente cuando se hace un barrido sobre ésta. Este principio, comprobando su viabilidad en el laboratorio, admite una variedad de esquemas opto electrónicos y mecánicos de implementación del sistema de inspección automatizada.

Además de tener validez para el proceso de producción de tricetas en la empresa, dicha solución se extiende para fines didácticos, por lo que se retomó este problema para enfocarlo a la creatividad y enseñanza en las universidades tecnológicas, en particular, en la Universidad Tecnológica del Norte de Guanajuato (UTNG) para los técnicos superiores universitarios de las carreras de electricidad y electrónica industrial, procesos de producción, mantenimiento industrial, así como carreras de ingeniería afines a la automatización, control y robótica.

El objetivo de esta tesis es el diseño y desarrollo de un prototipo experimental de un sistema automatizado de conteo de pernos (un análogo de inspección automatizada de integridad de un trípode automotriz).

La tesis está estructurada de la siguiente manera: El capítulo 1 muestra una introducción general del problema de inspección automatizada de pernos. En el capítulo 2 se explica el principio básico del funcionamiento del sistema automatizado de inspección (SAI) de integridad de un trípode (triceta) automotriz y se describe un esquema del SAI. El capítulo 3 describe el prototipo didáctico de inspección automatizada de pernos detallando sus partes principales y funcionamiento del mismo. En el capítulo 4 se analiza el problema de adquisición de datos y se describen las funciones principales de una tarjeta de adquisición de datos (TAD). Resultados experimentales de pruebas del prototipo se presentan en el capítulo 5. En el capítulo 6 se presenta el programa de computo utilizando el software de LabVIEW. En el capítulo 7 se dan las conclusiones, se especifican los resultados obtenidos, sus aplicaciones actuales y futuras. Por último, en los anexos se presentan el espectro de emisión del sensor infrarrojo empleado en el SAI y los diagramas del circuito electrónico y el listado de los componentes utilizados para el prototipo.

2

Capítulo 2. PRINCIPIO BASICO DEL FUNCIONAMIENTO DEL SAI

2.1 Problema de inspección del producto automotriz El producto para inspeccionar es el trípode automotriz presentado en la figura 2.1, que consta de tres muñones, sobre los cuales va un determinado número de pernos cubiertos por un rodillo y ensanchados con un seguro que no se puede ver en la misma figura 2.1.

Pernos

Muñón con Rodillo

Figura 2.1 Triceta o trípode automotriz de tres muñones

3

El proceso industrial requiere la inspección sobre el número de pernos de cada triceta ensamblada, es decir, conteo de los mismos. Para cada trípode se requiere determinar el número de pernos en cada uno de los muñones, una vez ensamblada la pieza, con el fin de asegurar que los muñones no tienen pernos faltantes. El diámetro de los pernos de la triceta original miden 2.19 mm. La parte visible de pernos sobresaliente del rodillo, que se presta para inspección visual, tiene una dimensión de 1 mm aproximadamente. Como se observa el área accesible para la inspección es bastante reducida. Otra dificultad es que la inspección debe implementarse en la línea de ensamble automatizada (robot de ensamble). Cabe mencionar que inicialmente tuvieron lugar varias propuestas para la inspección que posteriormente fueron descartadas por razones descritas mas adelante.

Una propuesta se basa en tomar la imagen frontal de cada muñón por medio de una cámara de video, implementando el conteo de pernos por medio de las técnicas de procesamiento digital de imágenes. Esta no fue viable dado que: el costo se incrementaría, además tendría que estar muy iluminada la parte de los pernos para que esta los pueda detectar, y como se tiene un seguro en la parte del rodillo, este cubre la parte esencial de la imagen disponible para el conteo de pernos; y por el diseño del robot de ensamble se cuenta con un espacio bastante reducido para la colocación de la cámara. Otra propuesta, que fue realizada por la empresa automotriz, era una máquina de prueba por medio de un punzón mecánico donde se aplica la fuerza de contacto de 50 Newton aproximadamente sobre los pernos, y si lograba abrirlos esto significaba la ausencia de estos. Este dispositivo de inspección también fue descartado debido a que al hacer contacto, el punzón mecánico a menudo provocaba que los pernos salieran fuera de su lugar y por lo tanto repercutía en la interrupción del proceso de ensamble.

4

2.2 Principio de funcionamiento del SAI Con el fin de resolver dicho problema de conteo de pernos en la triceta, se propusieron varios esquemas del SAI que emplean el efecto de la modulación del haz, en visible o infrarrojo, reflejado en dirección del haz incidente, haciendo un barrido con él a la superficie del muñón con pernos. Haremos la mención a la ley de reflexión de la luz de una superficie que constituye la parte fundamental del principio básico del funcionamiento del SAI.

La ley de la reflexión dice que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie reflectora están

en un plano común. Además, la magnitud del ángulo de

reflexión θ´ es igual a la magnitud del ángulo de incidencia θ (véase la figura 2.2).

Figura 2.2 reflexión de la luz

Partiendo de la ley de reflexión de la luz, el principio básico empleado en el SAI se comprende fácil de las figuras 2.3 y 2.4. En la figura 2.3 (a, b) se representa un arreglo de pernos de vista frontal sobre un plano. Cuando el haz incidente es perpendicular al plano e incide sobre un pin exactamente en el punto superior de este, entonces el haz reflejado tiene dirección exactamente opuesto a la dirección del rayo incidente figura 2.3(a). Si el mismo

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haz incide sobre un perno en un punto diferente del superior, el haz reflejado se desvía de la dirección del incidente, hasta tener reflexiones múltiples sobre pernos adyacentes (figura 2.3 (b). Si unimos emisor y detector en un encapsulado como se muestra en la figura 2.4, el detector se ilumina y produce una señal analógica de encendido (la señal máxima), cuando se realiza la situación de la figura 2.3 (a). Para la situación (b) el detector percibe la iluminación disminuida dando una señal menor de encendido. Por tanto, es de esperar que al hacer un barrido con el haz incidente perpendicular al plano sobre el cual se encuentran un conjunto de pernos la señal que produce el detector tiene la forma que se muestra en la figura 2.3 (c). De donde es fácil concluir que para contar los pernos basta contar los picos de esta señal. Este constituye el principio básico del funcionamiento del prototipo experimental que se propone para automatizar el conteo de pernos en las tricetas automotrices.

V (Reflejado)

(a)

(b) (c)

N (número

de ondulaciones)

t

Figura 2.3 (a) y (b) Diagramas de haces incidente sobre un perno y su reflexión (c) Señal detectada (supuesta) al hacer un barrido con el haz incidente perpendicular al plano sobre el cual se encuentra un conjunto de pernos

Respecto a la situación en la industria automotriz, los pernos de una triceta se encuentran sobre la superficie cilíndrica del muñón correspondiente (véase la figura 2.1). Por tal razón, para contar los pernos se requiere un barrido mediante una rotación completa de encapsulado emisor-detector sobre el muñón de tal manera que el haz incidente de

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emisor siempre se mantenga perpendicular a la superficie del muñón. En la figura 2.4 se muestra dicho barrido circular mediante la revolución del muñón respecto a su eje suponiendo que el encapsulado emisor-detector se encuentra fijo. Se puede realizar la situación opuesta, cuando el muñón se mantiene fijo y el encapsulado ejecuta una rotación completa en cualquier sentido de giro.

Figura 2.4 Barrido circular con un haz perpendicular a la superficie de un muñón que sostenga los pernos.

2.3 Esquema del SAI El dispositivo llamado diodo emisor de luz (led) infrarrojo, al hacer pasar la corriente eléctrica por éste, emite la radiación electromagnética de cierto espectro. Un foto detector (fototransistor) es el dispositivo opto electrónico que desarrolla la función opuesta al emisor, es decir, éste produce una corriente eléctrica al iluminarse por radiación electromagnética de cierto espectro.

Un arreglo de estos elementos puede usarse como sensor óptico. El sensor reflectivo básico tiene un transmisor y receptor montados juntos sobre el mismo lado de la superficie. La mayoría de las unidades operan en una combinación de reflectancia difusa y reflectancia

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directa. Una superficie altamente pulida (tal como un espejo) dará una reflectancia directa de alta de energía, mientras que una superficie con reflectancia difusa (tal como una hoja de papel bond) dará una alta componente de reflectancia difusa de energía. El ángulo de la componente reflejada directa es igual al ángulo de incidencia, mientras que la componente difusa podría dirigirse a cualquier lugar arriba de la superficie (véase la figura 2.5). Cuando una superficie tiende hacer menos pulida, la componente reflejada directa decrecerá y la componente difusa se incrementará.

Figura. 2.5 Reflectancia difusa y directa.

Cabe mencionar que la superficie reflectiva mantiene la dispersión de energía de tal manera que el haz real parece seguir la relación de la ley del cuadrado inverso. Así la intensidad de la luz que ve el sensor del encapsulado en el modo reflectivo es un factor de cuatro veces menor que la intensidad recibida en la superficie reflectiva. Ya que el decremento de energía por unidad de área contra la distancia se desvía de la ley del cuadrado inverso (la fuente de energía a distancias cortas no puede considerarse puntual), la suposición de la ley del cuadrado inverso es técnicamente falsa pero es buena como una aproximación de primer orden [1].

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También se menciona que por las restricciones de la línea de ensamble de tricetas es conveniente considerar el esquema del SAI para la inspección de trípodes inmóviles. Con base en el principio básico de funcionamiento se puede proponer el siguiente esquema del SAI con un encapsulado emisor-detector (en la zona de inspección) El led infrarrojo y el detector de haz reflejado están integrados en un encapsulado pequeño. En este caso el SAI funciona de la siguiente manera. El encapsulado emisordetector se acerca al muñón y hace una revolución completa alrededor del eje de muñón, barriendo con el haz la superficie del muñón con pernos los que forman una superficie ondulada (véase figuras 2.3 y 2.4). El haz de barrido se mantiene perpendicular a la recta generadora de la superficie ondulada. Cuando el haz incide sobre un pin en el punto superior del cilindro, éste se refleja en la dirección opuesta del haz incidente entrando la mayor parte de éste al detector. De esta manera se obtiene la máxima respuesta del detector para una distancia fija entre la superficie de muñón y el encapsulado. Si el haz emisor incide sobre la superficie de pin en un punto inferior, el haz reflejado se desvía de la dirección del incidente sólo captando una parte de éste por el detector. Debido a esta desviación del haz reflejado y al incremento de la distancia entre el encapsulado y punto de reflexión, la señal detectada disminuye tomando el mínimo en los puntos entre pernos adyacentes. Como resultado se espera que la señal tenga la forma mostrada en la figura 2.3. El número de picos de la señal se obtienen con un contador de modulaciones de picos y el número de ellos se compara con el número de referencia de pernos.

En este esquema, tanto la corriente eléctrica para el diodo led, y la corriente de la señal detectada, se transmiten por cables con contactos rotatorios para evitar la torsión y ruptura de cables. Este esquema admite la inspección de pernos en tres muñones a la vez véase la figura (2.6). Para evitar los contactos rotatorios, se puede modificar el esquema anterior de la manera que se haga rotación completa de la triceta alrededor del eje del muñón, manteniendo fijo el encapsulado diodo-detector. La desventaja de ésta posible modificación del esquema es que se admite la inspección de un solo muñón a la vez.

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Figura 2.6 Inspección de pernos en tres muñones a la vez

Cabe mencionar que al el punto que se pretende llegar con esta tesis es proponer un prototipo experimental para demostrar el principio de funcionamiento del SAI propuestos en los puntos 2.3 y 2.4, y después se deja para otros estudiantes o la empresa misma pueda desarrollar un diseño formal del SAI. En el capítulo siguiente se explica el prototipo experimental propuesto.

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Capítulo 3. PROTOTIPO EXPERIMENTAL

Partiendo de un problema real de inspección de integridad de tricetas, surgido en una de las empresas automotrices de México y contemplando las necesidades de creatividad y enseñanza para las carreras de Ingeniería en Electrónica y Electricidad, Procesos de Producción, Automatización y Control de Calidad, se propopuso la solución de dicho problema de inspección en forma de un prototipo experimental con una aplicación didáctica, de manera que cuando el estudiante se le presente un problema de este tipo, este tenga la capacidad para resolver dicho problema. Con éste fin se modificó el esquema inicial del SAI simplificándolo para un evitar un diseño mecánico complejo que se tenía que adecuar a la línea de producción industrial. En particular, la inspección de número de pernos sobre la superficie cilíndrica de muñón se ha sustituido por el conteo de pernos sobre una “superficie plana”.

El prototipo experimental lo componen seis partes principales:

1. Montura mecánica (parte mecánica del prototipo) 2. Motor de pasos (desplazamiento en el eje X de la montura mecánica) 3. Sensor opto electrónico ( óptica del prototipo experimental) 4. Circuito electrónico (comprende la parte electrónica del prototipo experimental) 5. Tarjeta de adquisición de datos ( hardware de adquisición de datos) 6. Programa de cómputo ( software de adquisición y control)

La parte 5 se explica en el capítulo cuatro, y la parte 6 se presenta en el capitulo seis. La vista general del prototipo experimental se muestra en la figura 3.1

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Figura 3.1 Vista general del prototipo experimental

El diagrama de bloques de la figura 3.2, explica la forma general del funcionamiento del prototipo.

Figura 3.2 Diagrama de bloques del prototipo experimental

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3.1 Montura mecánica Como se mencionó al principio de este capítulo, se modificó el esquema inicial del SAI al inspeccionar el número de pernos sobre una superficie cilíndrica de un muñón y por tener un sistema mecánico complejo, se ha sustituido por otro sistema más sencillo para hacer el conteo de pernos sobre una superficie plana. Para este fin se adquirió una montura mecánica con movimiento en los tres ejes (X,Y,Z) fabricada en el taller mecánico del Centro de Investigaciones en Óptica.

La función principal de la montura mecánica es servir como soporte para el sensor opto electrónico y proporcionar movimiento en tres ejes X, Y, y Z. Para tener movimiento uniforme, esta montura se motorizó sobre el eje X, sobre los ejes Y, Z el movimiento es manual. El movimiento sobre el eje X sirve para hacer el barrido de inspección de pernos sobre una superficie plana que se encuentran en el plano X, Y. El ajuste manual sobre el eje Z sirve para enfocar el sistema óptico de la etapa de inspección. Para proporcionar dichas funciones fue adaptada la montura en tres coordenadas (Véase la figura 3.3) cuyas características son las siguientes:

•

Mecanismo de movimiento centrado con tornillo diferencial fino

•

Resolución mínima de desplazamiento lineal por eje 2.5 µm

•

Capacidad de carga de 4.8 kg

•

Viaje por eje (motorizado) de 50 mm

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Sensor opto electrónico Motor de pasos

Placa de pernos

Figura 3.3 Montura con desplazamiento en tres ejes.

Sobre la misma montura se fijó un motor de pasos para tener desplazamiento lineal en X, y un sensor opto electrónico fijado sobre la misma en dirección del eje Z. Las características del motor de pasos se especifican en la sección siguiente.

3.2 Motor de pasos Los motores de pasos se utilizan extensamente en sistemas de control y a diferencia de los motores de corriente directa y los síncronos, no requieren codificadores para conocer su posición en un momento dado, ya que ésta depende del número de pulsos de voltaje recibidos en sus bobinas siguiendo una secuencia para girar en una dirección o en otra. El control de un motor síncrono o un motor de cd es más complicado, para un motor síncrono su velocidad depende de la frecuencia del voltaje aplicado, típicamente la frecuencia puede

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variarse desde la mitad de la frecuencia nominal hasta seis veces esta frecuencia, para invertir su giro deben conmutarse sus cables. En un motor de cd, la velocidad y el sentido de giro dependen de la corriente y la polaridad aplicada. Además, ambos necesitan de un lazo de retroalimentación, por medio de un decodificador óptico, para ubicarse en la posición deseada [2]. Existe una variedad muy grande de motores de pasos, dividiéndose en 2 grupos por la forma de alimentación: unipolares y bipolares. Los unipolares funcionan con una sola fuente de alimentación de cd, los bipolares requieren de dos fuentes de cd, una de voltaje positivo y otra de voltaje negativo. Ambos pueden manejarse con medios pasos o con pasos completos, variando la secuencia de energización de sus bobinas. Los parámetros más importantes de los motores de pasos son:

Ángulo por paso. Es el ángulo que gira el motor por cada pulso de voltaje que recibe. La selección de este parámetro depende de la resolución requerida. Además, pueden utilizarse engranes reductores que proporcionen desplazamientos muy pequeños y, por lo tanto, mayor resolución.

Voltaje. Es el voltaje de cd nominal del motor. Si se opera a mayor voltaje, las bobinas del motor se sobrecalentarán con riesgo de dañarse. Si el voltaje es menor, el torque del motor se reducirá y se podría tener problemas para mover su carga.

Corriente por fase. La fuente de voltaje debe ser capaz de suministrar esta corriente, para evitar caídas de tensión que limitarían el torque del motor.

Resistencia e inductancia por fase. Son parámetros de las bobinas que deben tomarse en cuenta para diseñar circuitos amortiguadores de sobre tensiones.

Torque. Este es uno de los parámetros más importantes, pues el motor debe seleccionarse adecuadamente para mover sin dificultad alguna la carga conectada.

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Velocidad. Es el número de pasos por segundo que el motor puede proporcionar manteniendo su torque. Es importante no sobrepasar esta velocidad, ya que el motor comienza a perder torque llegando en un momento dado a detenerse.

Número de terminales. Este número depende del número de bobinas del motor y sus comunes, los más usuales tienen 4, 5, 6, 8 y 12 terminales [3].

Para el prototipo de inspección de pernos se utilizó el motor de pasos marca Shinano Kenshi [4], modelo SST58D5121. Véase la figura 3.4 con las siguientes características:

Figura 3.4 Motor de pasos utilizado para el movimiento de la montura mecánica

16

•

voltaje = 8.4V

•

corriente por fase = 1.2A

•

resistencia por fase = 7 Ohms

•

número de terminales = 5 (blanco común)

•

inductancia por fase = 14 mH

•

torque = 1176 mN-m

•

inercia del motor = 430 g-cm2

•

ángulo por fase = 1.8 º

•

secuencia horaria = amarillo, verde, rojo, azul

Una vez que se energiza el motor de pasos para mover la montura mecánica, la corriente fase, y el ángulo de paso de 1.8º para una revolución completa del motor se requieren 200 pasos/vuelta. Como el paso de la rosca que se utiliza es de 0.5mm, por cada paso del motor se tiene un desplazamiento lineal de 2.5 micras de la montura mecánica, es decir para un desplazamiento de 100 micras, se requieren 40 pasos del motor. Con su torque máximo puede girar hasta 100 pasos/s es decir ½ vuelta/s.

Cabe mencionar que el uso de una computadora (PC), permitió evitar la implementación de varias etapas del circuito electrónico correspondiente al control de motor de pasos, permitiendo presentarlo en la forma más simple. El motor de pasos se controló desde la PC, por lo que se programó el retardo entre paso y la secuencia de energización de las bobinas de 1, 2, 4, 8 donde la computadora lo interpreta en forma binaria. Véase en el capitulo 6 del programa de LabVIEW donde se especifica la secuencia de operación del SAI.

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3.3 Sensor opto electrónico Como se menciono en el la sección 2.3, el led infrarrojo y el detector de haz reflejado están acoplados en un bloque pequeño, el bloque utilizado para este proyecto es un reemplazo de un sensor reflectivo OPB710 de la marca OPTEK integrados el emisor y el detector. Se utilizó este sensor porque a parte de ser pequeño también es barato y se ajusta muy bien

para nuestros propósitos. Las características técnicas del sensor se

muestran en el anexo A. Este consiste de un diodo emisor infrarrojo de Arseniuro de Galio (GaAs) y un fototransistor npn de silicio. La dirección en que emite el diodo y la dirección en que detecta el fototransistor están perpendiculares a la cara del dispositivo; por consiguiente, la respuesta del fototransistor a la emisión de radiación desde el diodo se presenta cuando un objeto o una superficie refleja en el campo de visión del fototransistor. También este emite en una banda estrecha a una longitud de onda pico de 933nm cuando se conecta directamente con la fuente (ver anexo A donde se muestra el espectro de emisión infrarrojo). El fototransistor es sensible a la radiación en el rango de longitud de onda de los 400 a 1100nm. Sin embargo el fototransistor cuenta con un filtro infrarrojo para evitar la entrada de luz visible. Las ventajas del sensor reflectivo son las siguientes: •

Se reducen problemas de diseño mecánico y encapsulado: se tienen al emisor y detector en un solo bloque integrados.

•

Alta sensibilidad a la radiación infrarroja:

•

Excelente estabilidad: Es estable a vibraciones mecánicas

•

Baja variación de características con temperatura: Las temperaturas altas o bajas no afecta al dispositivo para la inspección.

•

Temperatura de operación - 400C a 1000C

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Características eléctricas del sensor reflectivo de entrada: •

IF

corriente directa (cd),

75mA: la corriente (del diodo) al momento de

inspeccionar es de aproximadamente de 10.6mA. •

Voltaje inverso, 3V

•

Disipación de potencia a temperatura de 250C, 110mW

Características eléctricas del transistor de salida: •

IC, corriente de colector, 25mA:

•

VCE, voltaje de colector a emisor, 12 V

•

Disipación de potencia a temperatura a 250C, 167mW

Mas detalles sobre las características pueden consultarse en Optoelectronics Data Books [5], Optek tecnology, INC [6].

3.3.1 Diseño del sensor opto electrónico

Para proteger al bloque emisor-detector de la radiación infrarroja ambiental, se encapsuló el sensor reflectivo dentro de un tubo de plástico color negro de 14 mm de diámetro. Al extremo de dicho encapsulado del tubo se colocó una lente de vidrio (BK7) que sirve para enfocar el haz incidente de emisor y el reflejado de los pernos. Además de servir como una montura para el encapsulado y la lente, a este montaje lo llamaremos simplemente “sensor opto electrónico” y

esta fijado en la montura mecánica de

desplazamiento en tres ejes dirigido en dirección del eje Z sobre el cual se alinea el sistema óptico. (Véase la figura 3.5).

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Emisor Cables

Tubo de montura

Pin detectado

Z

Lente Detector Figura 3.5 Sensor opto electrónico

La lente utilizada para este proyecto es plana convexa, ésta se adquirió en el taller óptico del Centro de investigaciones en Óptica. Se eligió que debería ser corta en diámetro dadas las características del tubo de la montura, con una distancia focal de 17mm (ver figura 3.5). Una vez adherida al tubo de montura y colocada a su distancia focal en el eje Z, realicé las primeras pruebas experimentales y me percaté que para dicha distancia focal, el sensor opto electrónico detectaba muy bien la superficie reflectiva (de los pernos). La lente adquirida cuenta con las siguientes características: •

Plana convexa

•

Diámetro de 12 mm

•

Indice de refracción de 1.516

•

Primera curvatura 0

•

Segundo radio de curvatura 8.772 mm

•

Espesor central 4 mm

•

Distancia focal 17 mm

20

3.4 Circuito electrónico

El circuito electrónico se diseñó en el área de electrónica del CIO. Éste conforma toda la parte electrónica del prototipo experimental (véase el diagrama de bloques de la figura 3.2), y se considera una de las partes importantes del proyecto. Está constituido por 3 partes principales: a) Fuente de potencia (suministro de potencia para el motor de pasos). b) Etapas de: detección, amplificación y comparación y filtrado de la señal. c) Fuentes de alimentación (+12, -12, +5 y +8.4 para las diferentes etapas).

Los incisos (a y b) se explican a detalle en las siguientes secciones excepto el inciso (c). Los diagramas electrónicos completos se presentan en el anexo B.

3.4.1 Fuente de potencia para el motor de pasos

Para controlar el movimiento del motor de pasos, la PC manda a través de la tarjeta de adquisición de datos (TAD) una señal de corriente de 20 mA que no es suficiente para energizar las bobinas del motor de pasos. Por lo cual se diseño un circuito electrónico cuya función es amplificar dicha corriente. Para este fin se utilizaron cuatro transistores de potencia TIP122. Los transistores al ser polarizados energizan las bobinas de los motores de pasos. En cada pulso se alimenta una bobina del motor de pasos y la secuencia se repite obteniéndose el giro del motor en una dirección. Si se invierte la secuencia, el motor girará en sentido contrario. También se utilizaron diodos (1N4004) en paralelo con las bobinas para amortiguar los sobrevoltajes generados al desenergizar las mismas. Además, para evitar que se dañe la PC, se utilizaron 4 buffers (7407). Estos sirven para polarizar las bases de los transistores de potencia (TIP122) tipo Darlington npn, a través de unas resistencias de 560 Ohms, al mismo tiempo protegen al circuito lógico de los voltajes y corrientes transitorios que las bobinas de los motores de pasos pudieran generar.

21

3.4.2 Detección de la señal por el sensor opto electrónico

La detección de señal se implementa por medio del bloque opto electrónico que internamente esta constituido de un encapsulado del diodo led infrarrojo (emisor) y un fototransistor (detector) (véase la Figura 3.5). La corriente óptima del diodo experimentalmente se eligió de 10.6mA, que es una quinta parte de la corriente máxima de operación del led infrarrojo (ver anexo A. las características técnicas del sensor reflectivo). Las variaciones de la radiación reflejada por los pernos en el detector provocan que cambie la polarización del fototransistor causando las variaciones de la corriente (señal analógica) de la salida del fototransistor (ver figura 3.6). Más a detalle, cuando la luz incide en la parte superior del pin habrá más radiación infrarroja reflejada hacia el detector, ésta provocará que la unión base-emisor del fototransistor se polarice directamente y aumente la corriente del emisor y cuando la luz incida en los bordes del pin la luz reflejada será mínima y la unión base-emisor dejará de polarizarse y, por lo tanto, el fototransistor estará en el estado de corte. Los factores que repercuten para que el fototransistor entre en saturación son la radiación ambiental y el ruido térmico.

VCC+12V

DETECCION DE SEÑAL 1k

15k

39k

Figura 3.6 Polarización del fototransistor cuando la luz incide en la parte superior del pin.

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3.4.3 Etapa de amplificación

En esta etapa se utiliza un amplificador operacional LM741 que se alimenta con dos fuentes de +12 y -12 Volts, tiene una ganancia y una impedancia de entrada muy altas (por lo general unos cuantos Mega ohms) y una baja impedancia de salida (menos de 100 ohms), asegurando de esta manera que la señal no se vea afectada por la etapa amplificadora. La amplificación de la señal de entrada es por la terminal no inversora, esta configuración nos da una mayor estabilidad en la frecuencia. El voltaje que proviene del sensor opto electrónico es de aproximadamente 150mV pico a pico, con una componente de dc (corriente directa) de aproximadamente 50mV. Esta se amplifica por medio de las resistencias de retroalimentación de 2.2MΩ, y la resistencia de referencia de 56 kΩ, el cual nos da una ganancia de 40.28 veces. Véase la figura 3.7. En la figura B1 del anexo B, se muestra el circuito 2 completo. AMPLIFICACION

7 1

VCC+12V

18k 3 2

+

6

4 5

741

VCC-12V

2.2M

56k

Figura 3.7

Etapa de amplificación de la señal de entrada

3.4.4 Etapa de comparación y filtrado

En esta etapa el circuito comparador se alimenta con un voltaje de +12 y -12 Volts. Se ajusta el potenciómetro del comparador dependiendo las condiciones de la luz ambiente por la componente de infrarrojo que ésta contiene. Para nuestras condiciones, se ajustó el

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potenciómetro a un valor de referencia aproximada a 35.4kΩ, (véase la figura 3.8), el cual se tiene un voltaje umbral de 8.4 Volts, calculándose de la siguiente manera:

V (umbral ) =

V (umbral ) =

(VCC )(Re s.de.ref .) (Re s. max)

(12V )(35.4kΩ) = 8.4V 50kΩ

donde: vcc= Voltaje de alimentación Res. de ref. = Resistencia de referencia del potenciómetro Res. max. = resistencia máxima del potenciómetro

De tal manera que cuando la señal amplificada sea mayor que el voltaje de umbral, éste producirá un pulso de 5.33 V a la salida del circuito del comparador. Esto debido al divisor de voltaje de las resistencias de 12 y 15kΩ. El voltaje de salida en la resistencia de 12 se calcula de la siguiente manera:  R2  V ( salida ) =  (VCC ) =  R1 + R 2 

 12kΩ  Vsal =  (12V ) = 5.33V 12k + 15k 

En caso contrario, si la señal amplificada es menor que el voltaje especificado por el umbral se produce un voltaje de cero Volts a la salida del comparador, y el circuito proporciona una señal TTL entre 0 y 5 Volts. Véase la figura 3.8

24

COMPARADOR 120k

5 6 8

VCC+12V

10k 2 3 VCC+12V

+

15k 7

12k

10m Vsal = 5.33V

4 1

LM311 50k ajuste de disparo VCC-12V

Figura 3.8 Etapa de comparación proporcionando una señal TTL

En este circuito también se empleo un capacitor de 10µF para filtrar las frecuencias altas y obtener la señal con menos ruido, esto para evitar que las fluctuaciones pudieran disparar en falso al contador de la PC. Para calcularla se utilizo la siguiente formula:

frecuecia =

1 1 = = 1.3Hz 2Π RC 2Π (12kΩ)(10 µF )

Para la etapa de filtrado se utilizó un disparador de Schmitt Trigger (74LS14), que es un circuito que permite transformar señales que varían lentamente en señales que varían rápidamente, transformando la señal analógica en una señal rectangular de flancos breves, lo que hace del circuito una interfase ideal entre circuitos analógicos y digitales. Se utilizaron un par de inversores del circuito, los cuales se alimentan con una fuente de 5 Volts. De esta manera, cuando se haga un barrido sobre la superficie con pernos, los pulsos cuadrados son los que se cuentan y así se define el numero de pernos que se encuentran sobre la superficie (véase la figura 3.9).

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Señal de salida Señal de entrada

Figura 3.9 Señal de entrada (analógica) y de salida (filtrada), haciendo un barrido de un grupo de pernos sobre una superficie plana.

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Capítulo 4. ADQUISICIÓN DE DATOS

La adquisición de datos la podemos interpretar como la captura e interpretación de los parámetros físicos de un fenómeno el cual genera una señal analógica transportándolos hacía un medio de procesamiento digital. A pesar del cambio sufrido en el paso de un medio a otro, la información debe ser representativa de la señal original, susceptible además de ser manipulada y almacenada en forma electrónica. El conocimiento de la información de un medio en particular nos permite su análisis y manipulación de los parámetros físicos. Un sistema de medición y control basado en la computadora personal es una herramienta que nos permite realizar esta tarea.

Desde hace varios años, el software y el hardware para adquisición de datos asumen un papel preponderante en los sistemas de automatización. A pesar de su gran funcionalidad, en algunos sectores de nuestro país su implementación se ha venido frenando. Se pretende con esta tesis que los alumnos desarrollen su creatividad para la solución de problemas industriales y que tengan contacto con esta clase de equipos que a través de los años se ha vuelto más "accesible".

En respuesta a estos problemas, la Universidad Tecnológica del Norte de Guanajuato (UTNG) y el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) han trabajando en forma conjunta para desarrollar un proyecto que pueda ser aplicado para resolver el problema de INSPECCION DE PERNOS en la industria automotriz en forma de un prototipo experimental. En este prototipo se utilizó una tarjeta de adquisición de datos (TAD) en conjunto con el software de LabVIEW. El uso de dicha tarjeta en conjunto con el software nos permitió reducir significativamente la circuitería electrónica y a la vez elevó la confiabilidad del dispositivo. Por tanto, en este capítulo describimos los principios de funcionamiento y aplicación de

la tarjeta de adquisición de datos y software

correspondiente.

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4.1 Adquisición de datos en tiempo real

El concepto de tiempo real significa "realmente rápido", es decir una adquisición de datos sin falla dentro de un tiempo garantizado que se define por el tipo de evento o proceso a estudiar. Estos requerimientos de tiempo varían de aplicación en aplicación y de usuario en usuario. Las limitaciones que puede presentar un sistema de adquisición de datos provienen de dos partes, hardware y software del mismo. Una computadora personal moderna corriendo Windows puede responder en pocas decenas de milisegundos. Por tanto, con el uso apropiado de las técnicas de programación se puede reducir la respuesta a solo algunos milisegundos.

El sistema de adquisición de datos basado en PC para el proyecto está constituido por solo algunos elementos que se conjugan para la obtención de resultados satisfactorios: •

Hardware para la medición y control

•

Computadora personal

•

Software

Recordemos que los elementos anteriormente mencionados son componentes de un mismo sistema que se integran para trabajar en forma conjunta, lo que nos lleva a la necesidad de tener conocimiento de sus características para lograr un resultado óptimo. En este proyecto se utilizó una tarjeta NI PCI-6713 con las siguientes características: •

8 salidas digitales

•

12 bits de resolución

•

1 MS/s de tiempo de salida

•

+ - 10V rango de salida

•

2 contadores ascendente/descendente

•

24 bits de resolución

•

trigger digital.

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Esta tarjeta se usa en conjunto con el software de LabVIEW versión 6i para programación de los instrumentos virtuales, tales como la generación de pulsos digitales para el motor de pasos y un contador de eventos. El diagrama de bloques de tarjeta se muestra en la siguiente figura 4.1[8].

Figura 4.1 Diagrama de bloques de la TAD. En la figura 4.2 se muestra el conector (tablilla de conexiones) de 68 conexiones numeradas. Este es utilizado para la comunicación entre la computadora incluyendo la TAD y los dispositivos del SAI (motor de pasos, foto detector y interruptores de límite). La TAD tiene ocho líneas de entradas y salidas digitales (DIO0 – DIO7), de estas se utilizaron cuatro salidas (DIO0-DIO3) conectando directamente a las terminales de la tablilla de conexiones (52, 17, 49, 47), para energizar las bobinas del motor de pasos. También se utilizaron dos entradas digitales para dos interruptores de límite. (DIO4, DIO5 19 Y 51). La

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terminal (18) se utilizó como tierra digital (DGND), y la terminal (37) se utilizó como fuente de contador de eventos (PF18/GPCTR0_SOURCE) para la señal de filtrado. Estas entradas y salidas fueron configuradas en el software de control de LabVIEW.

Figura 4.2 Conector de 68 conexiones

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4.2 Funciones de la tarjeta de adquisición de datos

Las funciones de medición y control más comunes en una tarjeta son: •

Conversión analógico-digital (entradas analógicas).

•

Conversión digital-analógica (salidas analógicas).

•

Entradas y salidas digitales.

•

Contador/Temporizador.

4.2.1 Conversión analógica-digital

Una señal analógica es una función continua en el tiempo con un parámetro físico definido para cada instante de tiempo. Esta señal debe ser convertida en una señal en tiempo discreto para que pueda ser procesada por la computadora para describir la señal original. La conversión analógica a digital (A/D) es una operación proporcional, en donde la señal de entrada es comparada con una referencia y convertida en una fracción, la cual es representada como un número digital codificado. Conceptualmente, podemos ver la conversión A/D como un proceso de tres pasos [7]:

1.- Muestreo. Es la conversión de una señal en tiempo continuo a una señal en tiempo discreto, tomando muestras de la señal en tiempo continuo en instantes de tiempo discreto. 2.- Cuantificación. Es la conversión de una señal en tiempo discreto con valores continuos a una señal en tiempo discreto con valores discretos. El valor de cada muestra se representa mediante un valor seleccionado de un conjunto finito de valores posibles. 3.- Codificación. En el proceso de codificación, cada valor discreto se representa mediante una secuencia binaria.

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4.2.2 Muestreo de señales analógicas

Existen muchas maneras de, muestrear una señal. El tipo más usado en la práctica es el muestreo periódico o uniforme. Este se describe mediante la relación: -∞