Universidad Nueva Esparta. Facultad De Ingeniería. Escuela de Electrónica.

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN MODULO DE PRUEBA “PICK AND PLACE” TIPO PUENTE GRUA PARA EL LABORATORIO DE CONTROL DE LA UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA.

Tutor:

Integrantes:

Ing. Paz, Alberto.

Br. Mendoza, Miguel

C.I 4.174.669

C.I: 17 023 824 Br. Romero, Jesús C.I: 17 871 228

Octubre 2010 Caracas, Venezuela

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Universidad Nueva Esparta Facultad de Ingeniería Escuela de Electrónica

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN MODULO DE PRUEBA “PICK AND PLACE” TIPO PUENTE GRUA PARA EL LABORATORIO DE CONTROL DE LA UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA.

JURADO: __________________

JURADO:

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Cédula de Identidad

Cédula de Identidad

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Firma

Firma

Octubre 2010 Caracas - Venezuela

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Agradecimientos El presente trabajo de grado fue posible no solo gracias a la dedicación y la contribución intelectual, si no también gracias a muchas personas que nos apoyaron en todo momento, comenzando por nuestras familias. Agradecemos a nuestro tutor Ing. Alberto Paz por brindarnos asesoría no solo en aspectos técnicos sino también metodológicos, ayuda que nos permitió finalizar exitosamente este Trabajo de Grado. Agradecemos a nuestro corrector técnico Ing. Manuel Rivas por servirnos de orientación durante el desarrollo del Trabajo de Grado

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Dedicatoria A nuestras familias y amigos, que estuvieron en los momentos de tristezas y alegrías con palabras de apoyo y cariño.

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UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE ELECTRONICA

RESUMEN DE TRABAJO DE GRADO Titulo del Trabajo de Grado: Diseño e implementación de un modulo de prueba “Pick and Place” tipo puente grúa para el Laboratorio de Control de la Universidad Nueva Esparta. Autores: Br. Mendoza, Miguel. Br. Romero, Jesús Tutor: Ing. Paz, Alberto. Institución donde se realizó la Investigación: Universidad Nueva Esparta. Palabras Claves: Robot, Pick and Place, Microcontrolador.

Resumen: La universidad Nueva Esparta cuenta con una infraestructura tecnológica que se esfuerza por prestar un servicio de primera a sus estudiantes, a pesar de la ausencia de un robot Pick and Place tipo puente grúa, con el cual el estudiantado pueda ejecutar prácticas y pruebas reales; de tal forma que la problemática planteada radica en la carencia de este tipo de equipo o robot en el Laboratorio de Control el cual actualmente solo cuenta con un solo robot (Scorbot V) el cual no se encuentra 100 % operativo.

El propósito del sistema planteado es el de ofrecer un robot innovador que incremente los beneficios, mejore las prácticas y complete un vacio de destrezas en

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los estudiantes de la escuela de Ingeniería Electrónica, consecuencia de la falta de un robot o equipo similar al planteado.

La idea de desarrollar un módulo de prueba Pick and Place para el Laboratorio de Control de la Universidad Nueva Esparta tiene dos objetivos principales, en primer lugar ofrecerle al estudiante un equipo donde pueda poner en práctica las destrezas y conocimientos adquiridos en clase, ya sea en cátedras como microcontroladores, sistemas de control o robótica. Por otro lado, el sistema planteado aportara una mejora a la infraestructura tecnológica del Laboratorio de Control de la Universidad Nueva Esparta.

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UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA ENGINEERING FACULTY ELECTRONICS SCHOOL

SUMMARY OF THE WORK OF DEGREE Title of de Work of Degree: “Design and Implementation of module of test “Pick and Place” bridge crane type for the laboratory of Control of the Nueva Esparta University”.

Authors: Br. Mendoza, Miguel Br. Romero, Jesus.

Advisor: Ing. Paz, Alberto.

Institution where Development the Investigation: Nueva Esparta University

Key Words: Robot, Pick and Place, Microcontroller.

Summary: The Nueva Esparta University has a technology infrastructure that provides a first class service to its students, despite the absence of a Pick and Place bridge crane type robot, with which the students can implement practices and activities of so that the issues raised lies in the lack of this type of equipment or robot in the Control Laboratory of the Nueva Esparta University which currently has only one robot (Scorbot V) not 100% operational.

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The objective of the proposed system y to provide an innovator robot or increase profits, improves practices and complete a skills vacuum in the student of the Electronics Engineering School, a consequence of the lack of a robot or similar device to rise.

The idea of developing a test module Pick and Place Robot for the Control Laboratory of the Nueva Esparta University has two main objectives, first to offer the student equipment where they can put into practices the skills and knowledge acquired in class either in subject-matters such as microcontroller, control system or robotics. On the other hand, the proposed system will provide an enhancement to the technological infrastructure of the Control Laboratory of the Nueva Esparta University

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Índice Índice General

Agradecimientos..................................................................................................... III Dedicatoria ............................................................................................................. IV Resumen de Trabajo de Grado ............................................................................... V Summary of th Work of Degree ............................................................................. VII Índice de Imágenes ................................................................................................ XI Índice de Tablas .................................................................................................... XII Índice de Formulas................................................................................................ XII Índice de Anexos................................................................................................... XII Introducción............................................................................................................. 1 1. Capítulo I. El problema de Investigación

1.1 Planteamiento del Problema ........................................................................... 3 1.2 Objetivos ......................................................................................................... 5 1.2.1 Objetivos Generales ................................................................................. 5 1.2.2 Objetivos Específicos ............................................................................... 5 1.3 Justificación..................................................................................................... 6 1.4 Delimitaciones ................................................................................................. 7 1.4.1 Delimitaciones Temporales ....................................................................... 7 1.4.2 Delimitaciones Espaciales......................................................................... 7 1.4.3 Delimitaciones Técnicas............................................................................ 8 1.4 Limitaciones ................................................................................................... 9 2. Capítulo II. Marco Teórico 2.1 Antecedentes ................................................................................................ 10 2.2 Bases Teóricas.............................................................................................. 12 2.2.1 Robótica .................................................................................................. 12 2.2.1.1 Arquitectura de los Robot ................................................................... 13 2.2.1.2 Pick and Place.................................................................................... 16 2.2.2 Sistema. .................................................................................................. 17 2.2.2.1 Sistema de Control ............................................................................ 17 2.2.2.2 Sensor ............................................................................................... 18 2.2.2.3 Clasificación de los Sensores............................................................ 19 2.2.2.4 Sensor Final de Carrera .................................................................... 20 2.2.2.5 Tipos de Sistema de Control ............................................................. 20 2.2.2.5.1 Sistema de Control a Lazo Abierto .............................................. 20 2.2.2.5.2 Sistema de Control a Lazo Cerrado ............................................ 22 3

2.2.3 Puente Grúa. ........................................................................................... 23 2.2.3.1 Descripción del Puente Grúa............................................................. 23 2.2.3.2 Componentes del Puente Grúa ......................................................... 25 2.2.3.3 Movimientos del Puente Grúa ........................................................... 25 2.2.3.4 Características de un Puente Grúa ................................................... 26 2.2.3.5 Tipos de mando de Puente Grúa....................................................... 27 2.2.3.6 Elementos principales de seguridad de los Puente Grúa .................. 28 2.2.4 Motores. .................................................................................................. 31 2.2.4.1 Motores de corriente continua ........................................................... 33 2.2.4.2 Motores de corriente alterna.............................................................. 34 2.2.4.3 Motores paso a paso ......................................................................... 35 2.2.4.4 Puente H ........................................................................................... 37 2.2.5 Rodamientos. .......................................................................................... 38 2.2.6 Magnetismo............................................................................................. 43 2.2.6.1 Imán .................................................................................................. 44 2.2.6.2 Electroimán ....................................................................................... 45 2.2.7 Transmisión de datos. ............................................................................. 45 2.2.7.1 Puerto serial del computador............................................................. 46 2.2.7.2 RS-232 .............................................................................................. 46 2.2.7.3 Max-232 ............................................................................................ 47 2.2.8 Microcontroladores. ................................................................................. 48 2.2.8.1 Características del Picmicro .............................................................. 51 2.2.8.2 Velocidad de procesamiento ............................................................. 52 2.2.8.3 Arquitectura Harvard ......................................................................... 54 2.2.8.4 Arquitectura Von nuemann................................................................ 54 2.2.8.5 Tecnología RISC ............................................................................... 55 2.2.8.6 Memoria de los Pic micro .................................................................. 57 2.2.8.6.1 Memoria de programa ................................................................. 57 2.2.8.6.2 Memoria de datos........................................................................ 58 2.2.8.7 Registro de memoria ......................................................................... 59 2.2.8.8 Set de instrucciones del Pic micro..................................................... 61 2.2.8.9 Recursos del Pic micro...................................................................... 61 2.2.8.10 Puertos E/S ..................................................................................... 62 2.2.9 Visual Basic............................................................................................. 62 2.2.9.1 Visual basic Express ......................................................................... 63 2.3 Términos Básicos.......................................................................................... 64 2.4 Sistema de Variables..................................................................................... 66 3. Capítulo III. Marco Metodológico 3.1 Tipo de Investigación .................................................................................... 68 3.2 Diseño de Investigación ............................................................................... 69 3.3 Población y Muestra ...................................................................................... 70 3.4 Técnicas de recolección de datos ................................................................. 73 3.5 Análisis de Resultados .................................................................................. 78 4

4. Capítulo IV. Sistema Propuesto 4.1 Diagrama en Bloque...................................................................................... 79 4.2 Funcionamiento que deberá realizar el Robot Pick and Place ...................... 81 4.3 Tipos de aparatos de mando y señalización Industrial.................................. 82 4.4 Software del Robot Pick and Place ............................................................... 84 4.5 Tablero Eléctrico de Control .......................................................................... 84 4.6 Pruebas Realizadas ...................................................................................... 85 Conclusiones......................................................................................................... 87 Recomendaciones ................................................................................................ 89 Bibliografía ............................................................................................................ 90 Anexos .................................................................................................................. 96 Índice de Imágenes Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen

Nº 1 Brazo Robótico ................................................................................ 14 Nº 2 Sistema de Control .......................................................................... 18 Nº 3 Esquema de Funcionamiento de un Sensor.................................... 18 Nº 4 Sistema de Control a Lazo Abierto .................................................. 21 Nº 5 Sistema de Control a Lazo Cerrado. ............................................... 22 Nº 6 Partes del Puente Grúa ................................................................... 24 Nº 7 Limitador de Carga Eléctrico ........................................................... 29 Nº 8 Limitador de Carga Tensiometrico................................................... 30 Nº 9 Diagrama Interno de un Motor Eléctrico .......................................... 31 Nº 10 Clasificación de los Motores Eléctricos.......................................... 32 Nº 11 Diagrama Simplificado de una Maquina DC .................................. 33 Nº 12 Motor PaP Unipolar ....................................................................... 36 Nº 13 Motor PaP Bipolar ......................................................................... 37 Nº 14 Puente H........................................................................................ 38 Nº 15 Mecanismos de Rodamientos ....................................................... 39 Nº 16 Rodamientos de rodillo .................................................................. 40 Nº 17 Rodamientos de bolas................................................................... 41 Nº 18 Rodamientos por cargas radiales .................................................. 42 Nº 19 Rodamientos por cargas axiales ................................................... 43 Nº 20 Conector RS232 ............................................................................ 47 Nº 21 Diagrama de conexión MAX232 .................................................... 48 Nº 22 Microcontrolador ........................................................................... 49 Nº 23 Pines del Microcontrolador ........................................................... 52 Nº 24 Oscilador RC ................................................................................ 53 Nº 25 Arquitectura Harvard .................................................................... 54 5

Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen Imagen

Nº 26 Arquitectura Von Neumann .......................................................... 55 Nº 27 Estructura del PICmicro ................................................................ 56 Nº 28 Bloques de memoria de Programa ............................................... 58 Nº 29 Banco de la memoria de Datos .................................................... 59 Nº 30 Disposición de registros en los bancos del PICmicro ................... 60 Nº 31 Diagrama en Bloques ................................................................... 79

Índice de Tabla Tabla Nº 1 Sensores típicos y sus formatos de salida ......................................... 20 Tabla Nº 2 Distribución de Pines DB9 ................................................................... 47 Tabla Nº 3 Microcontroladores .............................................................................. 50 Tabla Nº 4 Memoria del PICmicro ......................................................................... 57 Tabla Nº 5 Sistema de Variables........................................................................... 66 Tabla Nº 6 Resultados de Encuesta...................................................................... 76 Tabla Nº 7 Pruebas Realizadas ............................................................................ 85 Índice de Fórmulas Formula N º 1 Formula para calcular población finita ........................................... 72 Índice de Anexos Anexo A Anexo B Anexo C Anexo D Anexo E Anexo F Anexo G

Modelo de Encuesta .............................................................................. 97 Esquemas Eléctricos del Sistema de Control ........................................ 99 Interfaz Gráfica (Software).................................................................. 102 Dimensiones de la Grúa ...................................................................... 103 Tablero de Control ............................................................................... 104 Software del Controlador ..................................................................... 105 Manual de Operación .......................................................................... 109

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Introducción

Desde el inicio el hombre ha buscado diseñar sistemas o artefactos que redujeran la carga de trabajo y que fuesen capaces de sustituirlo en la realización de diversas tareas, lo que derivó en el estudio de diferentes ciencias relacionadas, tal como lo son la electrónica, la mecánica, la informática y la ingeniería de control. El estudio en conjunto de estas ramas es lo que actualmente se conoce como la ciencia de la Robótica, y que sirvió de impulso al hombre para desarrollar y crear estructuras mecánicas controladas electrónicamente, con múltiples grados de libertad y cierto nivel de inteligencia. En la actualidad la Robótica es un método fundamental y eficiente de automatizar procesos, debido a que el hombre ha integrado estos sistemas robóticos y maquinas capaces de ejecutar tareas definidas, diseñados cumpliendo con los requerimientos por el cual fueron creados, como por ejemplo procesos que requieran de alta precisión o velocidad, procesos cíclicos o repetitivos o ya sea para realizar actividades en ambientes hostiles para el hombre. Los robot Pick and Place son desarrollados con el principal y único propósito de recoger y ubicar cargas en puntos específicos dentro de un área de trabajo, entre los cuales existe un modelo de pick and place basado en un puente grúa, generalmente con 3 o 4 grados de libertad. El módulo robot “Pick and Place” tipo puente grúa planteado para el Laboratorio de Control de la Universidad Nueva sede los Naranjos estará diseñado tomando en cuenta los siguientes aspectos: - Mejorar la infraestructura tecnológica del laboratorio de control de la Universidad Nueva Esparta. - Ofrecer al estudiantado una herramienta que le permita comprobar las destrezas adquiridas en diversas cátedras como robóticas, microcontroladores y sistemas de control. 7

- Proporcionarle al componente docente una alternativa para la realización de prácticas y evaluaciones. El proyecto de investigación se encuentra estructurado en cuatro partes que serán definidas a continuación: Capítulo I

Este capítulo contempla el problema planteado, los objetivos

derivados a raíz de este, la justificación del proyecto, las limitaciones y delimitaciones establecidas. Capítulo II En éste se contemplan las bases teóricas del proyecto, una descripción técnica de los términos utilizados en la investigación, los estudios previos realizados en proyectos similares mejor conocido como antecedentes y un sistema de variables donde se describen específicamente los objetivos planteados. Capítulo III

En éste capítulo se define la metodología empleada para la

investigación y el tipo de investigación, las técnicas de recolección de datos, población y muestra y el análisis de los resultados obtenidos. Capítulo IV En éste capítulo de presenta un diagrama de los bloques que conforman el sistema propuesto, una descripción detallada de la función de cada bloque, los recursos técnicos y administrativos necesarios para realizar la investigación. Finalmente, se presentan recomendaciones fundamentales para el buen desempeño del equipo como también así las conclusiones que hacen alusión a los conocimientos puestos en prácticas durante el desarrollo del Trabajo de Grado.

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1 CAPÍTULO I. EL PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN

1.1 Planteamiento del Problema A raíz del surgimiento de la revolución industrial, el hombre ha buscado desarrollar maneras de optimizar los procesos industriales y reducir la presencia humana, mediante la automatización de dichos procesos a través de la construcción

de sistemas electrónicos de control y robot programables

multifuncionales capaces de realizar tareas específicas. La

Universidad

Nueva

Esparta

cuenta

con

una

infraestructura

tecnológica que se esfuerza por prestar un servicio de primera a sus estudiantes, a pesar de la ausencia de un robot pick and place tipo puente grúa, con el cual el estudiantado pueda ejecutar practicas y pruebas reales; de tal forma que la problemática planteada radica en la carencia de este tipo de equipo o robot en el Laboratorio de Control el cual actualmente solo cuenta con un solo robot (Scorbot V) el cual no se encuentra 100% operativo. El propósito del sistema planteado es el de ofrecer un robot innovador que incremente los beneficios, mejore las prácticas y complete un vacio de destrezas en los estudiantes de la escuela de Ing. Electrónica, consecuencia de la falta de un robot o equipo similar al planteado. Los

“Pick and Place” son

un modelo robot caracterizados por ser

manipulables, multifuncionales y que pueden ser programados para realizar tareas reales como recoger y dejar piezas u objetos específicos en sitios definidos, desplazándose en tres o más posiciones en el eje cartesiano (X, Y, Z etc.) Este tipo de robot puede ser operado directamente por el usuario mediante un software de control desde un computador externo o mediante o microcontrolador PIC previamente programado.

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Por lo general los “Pick and Place” se presentan como brazos robóticos o en forma de puente grúa que pueden moverse con N grados de libertad en un área especifico, lo que los hace capaces de ejecutar tareas repetidas con alto nivel de precisión o en algunos casos de rapidez. La idea de desarrollar un módulo de prueba “Pick and Place” para el laboratorio de control de la Universidad Nueva Esparta tiene dos objetivos principales, en primer lugar ofrecerle al estudiante un equipo en donde pueda poner en práctica las destrezas y conocimientos adquiridos en clases, ya sea en cátedras como microcontroladores, sistemas de control o robótica. Por otro lado, el sistema planteado aportará una mejora a la infraestructura tecnológica del Laboratorio de Control de la UNE. El módulo de prueba “Pick and Place” tipo puente grúa propuesto estará constituido por una base segmentada en celdas que conforman una matriz cuadriculada, donde se desplazará un puente grúa de tres (3) grados de libertad en el eje cartesiano (X, Y, Z). El tablero de control del sistema estará conformado por una interfaz entre el sistema prototipo y una PC que permitirá ingresar las coordenadas directamente por medio de un software diseñado con tal finalidad y por otro lado constará de un control de mando manual que le permitirá al usuario manipular el robot directamente.

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1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo General Implementar un módulo de prueba "Pick and Place" tipo puente grúa para el laboratorio de control de la Universidad Nueva Esparta. 1.2.2 Objetivos Específicos - Estudiar las características actuales de un robot pick and place tipo puente grúa en cuanto a su funcionamiento y los componentes que lo integran. - Identificar los sistemas mecánicos de rodamientos necesarios para la elaboración del equipo. - Estudiar los distintos tipos de motores y servos para definir los que constituirán el módulo propuesto. - Definir el programa necesario para la elaboración de un programa que controle el robot desde un computador personal. -

Estudiar la transmisión por puerto paralelo para realizar la comunicación

entre el módulo y la PC. - Elaborar el programa controlador del robot. - Diseñar el módulo de prueba “Pick and Place” tipo puente grúa. - Construir el módulo de prueba “Pick and Place” tipo puente grúa. - Evaluar el funcionamiento del módulo de prueba “Pick and Place” tipo puente grúa. - Implementar el módulo de prueba “Pick and Place” tipo puente grúa en el Laboratorio de Control de la Universidad Nueva Esparta.

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1.3 Justificación

Con la finalidad de ofrecer una mejora a la calidad de servicio educativo de la Universidad Nueva Esparta, surge la idea de diseñar e implementar un módulo de prueba “Pick and Place” tipo puente grúa, que permita realizar prácticas en cátedras como microcontroladores, sistemas de control y robótica; donde el alumno pueda comprobar los conocimientos y destrezas adquiridas en el salón de clases. Por otro lado es importante mencionar que el personal docente tendrá la oportunidad de ofrecer clases más dinámicas, fortaleciendo así la metodología de evaluación y por ende el nivel educativo que dispone la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta, en cuanto a la infraestructura tecnológica de los laboratorios. El sistema robot “Pick and Place” tipo puente grúa que se plantea, podrá desplazarse con tres grados de libertad en el eje cartesiano (X, Y, Z) y poseerá la capacidad de operar en dos modalidades distintas. En la primera el usuario podrá controlar el equipo mediante un software en un computador externo, a través del cual podrá ingresar coordenadas para que sean ejecutadas por el robot, así como botones que le permitan arrancar o detener la máquina en el momento deseado. La segunda modalidad de operación del robot se fundamenta

en un control de mando manual que le permite al usuario el

manejo directo del robot, proporcionándole así el desarrollo de habilidades en programación lógica de procesos reales, debido a que actualmente este tipo de robot es utilizado nivel industrial para llevar a cabo la ejecución de tareas repetidas con gran precisión.

12

1.4 Delimitaciones

El sistema propuesto comprende los requerimientos exigidos por la necesidad con la cual fue diseñado, donde la idea de diseñar un módulo de prueba “Pick and Place” tipo puente grúa con la finalidad de ofrecer soluciones al problema planteado, permitió fijar objetivamente el contenido o los puntos a tomar en cuenta para el desarrollo del mismo. Seguidamente se darán a conocer los distintos factores temporales, espaciales y técnicos que delimitarán el proyecto de investigación la cual implica el estudio de microcontroladores

PIC,

de

motores,

servomotores,

electroimanes

y

transmisión de datos por puerto paralelo. 1.4.1 Delimitaciones Temporales El diseño y construcción del equipo implica un estudio profundo de los componentes y dispositivos a utilizar, de tal forma, se fijaron los objetivos y los pasos necesarios para el buen desarrollo del mismo, con el fin de llevar un control detallado de los aspectos que se deben estudiar, por tal motivo el diseño y construcción del módulo abarca un tiempo de ejecución pautado desde el 15 de enero del 2010 hasta el 15 de septiembre del 2010, sumando así un tiempo estimado de 9 meses. 1.4.2 Delimitaciones Espaciales La investigación, identificación de los componentes, el diseño y la construcción del sistema estará delimitado a ser elaborado en el lugar de residencia de los autores de la investigación, ubicados en los Municipios Baruta y Hatillo, así como el análisis de los resultados obtenidos y la evaluación del funcionamiento del módulo así como su implementación se llevará a cabo en los laboratorios de la Universidad Nueva Esparta, donde se dispone de los equipos de medición necesarios para llevarlo a cabo. 13

1.4.3 Delimitaciones Técnicas El sistema propuesto está orientado a la Electrónica de Control y Robótica, basando su desarrollo en el estudio de microcontroladores PIC, sistemas mecánicos, electromagnéticos, manejo de motores, servomotores y software controlador, permitiendo así establecer los parámetros que conformarán la estructura del módulo, parámetros que son enumerados a continuación: • El robot será capaz de desplazarse con tres grados de libertad en el eje cartesiano (X,Y,Z). • La base segmentada en celdas que conforman la matriz cuadriculada estará compuesta de cinco columnas por cinco filas. • La grúa del robot solo tendrá la capacidad de manipular una pieza a la vez. • La velocidad de desplazamiento del robot estará definida por las características técnicas de los motores y servomotores. • El usuario solo podrá ingresar dos coordenadas (X,Y) mediante el software para ser ejecutadas por el robot. • El sistema únicamente puede ser operado en un modo de funcionamiento a la vez. • El equipo estará basado en una arquitectura únicamente integrada por los componentes establecidos para el desarrollo del mismo, de tal forma que no exista la necesidad de agregar o quitarle componentes al sistema.

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1.5 Limitaciones Algunas de las limitaciones que podría presentar el módulo prototipo de prueba pick and place tipo grúa puente serán nombradas a continuación:

•

El alto costo de cada componente que conforman el módulo.

•

El constante cuidado y mantenimiento requerido con la finalidad de lograr

una óptima capacidad y durabilidad del equipo. •

La grúa solo tendrá la capacidad de desplazarse en ángulos de 90º

únicamente. •

El robot solo podrá desplazarse en una sola dirección a la vez.

•

El electroimán tiene la capacidad de levantar una carga máxima de 7 Libras.

•

Los motores requieren de un voltaje mínimo de 7 V para el buen

funcionamiento del robot.

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2. CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes A continuación serán nombrados los trabajos de grado y publicaciones auditadas que se consultaron, capaces de proporcionar una ayuda para enfocar y visualizar el problema desde varios puntos de vista, así como aportar parcialmente con información, factores y consideraciones a tomar en cuenta para cumplir con el estudio y el buen desarrollo de nuestra propuesta. Mussa, R. Daniel (2005), " Diseño y construcción de prototipo del sistema robótico de cargar de libros bibliotecario". Trabajo de investigación para optar al título de ingeniero electrónico. Universidad Nueva Esparta. Caracas, Venezuela. El proyecto tuvo como objetivo principal la construcción de un robot para cargar libros (bibliotecario), cuya función era la búsqueda ordenada de libros sugeridos por las personas con la ayuda de un operador calificado quien los ubica y entrega a la persona que los solicita. Esta investigación es de gran utilidad para el robot prototipo a construir, ya que proporciona ideas y parámetros de los elementos que se deben tomar en cuenta para el buen diseño del robot, por ejemplo el tipo de motores a utilizar, los sistemas mecánicos, la forma de controlar estos motores de una manera eficiente, utilizando la modulación por ancho de pulso, el material del mismo, la forma de comunicación del usuario y la máquina. Otro trabajo de investigación consultado fue realizado por Celis, M. y Espinoza, D (2004). "Robot industrial para los servicio de inspección visual de oleoductos que presta la empresa instrumentación analítica IPC-RIVPOT". Para optar por el título de Ingenieros Electrónicos. Universidad Nueva Esparta. Caracas, Venezuela.

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Se decidió citar este trabajo de investigación debido a que su propósito es el de optimizar el monitoreo visual de oleoductos por medio de un robot que cumpla con características de tamaño y que este diseñado con materiales capaces de trabajar en este tipo de ambientes, el aporte de esta investigación viene dada por los sistemas mecánicos utilizados para el desplazamiento del mismo como también así sus motores y el

sistema de control utilizado.

Sirviendo así como punto de partida para diseño físico del prototipo. Pérez, David M (2002). ."Sistema de control de un brazo manipulado mediante el uso de frases en español". Trabajo de investigación para optar por el título de Ingenieros Electrónicos de Universidad Central de Venezuela. Caracas, Venezuela. El proyecto tiene como objetivo principal el desarrollo de un sistema de control para un brazo mecánico, manipulado a través de comandos de voz en idioma español. La mencionada investigación guarda similitud con el sistema propuesto en la elaboración de un robot prototipo respecto a la terminología utilizada en cuanto a los sensores de alto y bajo nivel, y los sensores de peso y de final de carrera como también así para la buena construcción del sistema mecánico que constituirá al robot prototipo.

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2.2 Bases Teóricas 2.2.1 Robótica Según Víctor Hugo Pérez Cordero (2001) la Robótica es el conjunto de conocimientos teóricos y prácticos que permiten concebir, realizar y automatizar sistemas basados en estructuras mecánicas poliarticuladas, dotados de un determinado grado de "inteligencia" y destinados a la producción industrial o la sustitución del hombre en muy diversas tareas. Un sistema robótico puede describirse, como "Aquel que es capaz de recibir información, de comprender su entorno a través del empleo de modelos, de formular y de ejecutar planes, y de controlar o supervisar su operación". Un robot es un manipulador multifuncional y reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos programados y variables que permiten llevar a cabo diversas tareas. La robótica se encuentra ramificada en 5 tipos: • Robótica Industrial: Es la rama de la Ingeniería orientada al diseño y construcción de máquinas o equipos capaces de ejecutar tareas mecánicas y repetitivas de manera eficiente. • Robótica de Servicio: Es la rama que se fundamenta en el diseño y construcción de máquinas o equipos capaces de proporcionar servicios directamente a los miembros que forman sociedad. • Robótica Inteligente: Es la rama que se basa principalmente en el diseño y construcción de robots capaces de desarrollar tareas que, desarrolladas en un ser humano, requieren el uso de su capacidad de razonamiento.

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• Robótica Humanoide: Es la rama dedicada al desarrollo de sistemas robotizados

capaces

de

imitar

determinados

movimientos

o

peculiaridades del ser humano. • Robótica de Exploración: Es la rama de la Ingeniería del Software que se encarga de desarrollar programas capaces de explorar documentos en busca de determinados contenidos.

2.2.1.1 Arquitecturas De Los Robots La arquitectura, definida por Robotic Spot (2004) el tipo de configuración general del robot, puede se metamórfica. El concepto de metamorfismo, de reciente aparición, se ha introducido para incrementar la flexibilidad funcional de un robot a través del cambio de su configuración por el propio robot. El metamorfismo admite diversos niveles, desde los más elementales -cambio de herramienta o de efector terminal, hasta los más complejos como el cambio o alteración de algunos de sus elementos o subsistemas estructurales. Existe una variedad de robots que se clasifican según su arquitectura como: - Poli-articulados. - Móviles. - Androides. - Zoomórficos. - Híbridos. Robots Poli- articulados Esta arquitectura se encuentra constituida por los robots cuya característica

común es

la de ser básicamente

sedentarios aunque

excepcionalmente pueden ser orientados para efectuar desplazamientos restringidos y están capacitados para realizar movimiento de sus componentes 19

terminales en un espacio de trabajo determinado según uno o más sistemas de coordenadas y con un número limitado de grados de libertad. En esta arquitectura se pueden contemplar los robots manipuladores, los industriales, los robots cartesianos y algunos robots industriales, son implementados en situaciones donde es necesario abarcar una zona de trabajo relativamente amplia o alargada, actuar sobre objetos con un plano de simetría vertical o deducir el espacio ocupado en el suelo. Imagen Nº 1. Brazo Robótico

Fuente: Los Autores. Robots Móviles. Son robots cuya principal característica es que poseen una gran capacidad de desplazamiento, fundamentada en vehículos o plataformas que están compuestos principalmente por un sistema locomotor de tipo rodante. Realizan tareas por telemando o guiándose por la información obtenida de su entorno de trabajo por medio de sensores.

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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, y destinados, fundamentalmente, al estudio y experimentación. Uno de los aspectos más complejos de estos robots, y sobre el que se centra la mayoría de los trabajos, es el de la locomoción bípeda. En este caso, el principal problema es controlar dinámica y coordinadamente en el tiempo real el proceso y mantener simultáneamente el equilibrio del robot.

Robots Zoomórficos. Los robots zoomórficos, son una clase constituida principalmente por robots cuyos sistemas de locomoción se basan en la imitación de los movimientos de diversos seres vivos. Robots Híbridos. Este tipo de robots son aquellos cuya arquitectura se encuentra en la fusión de alguna de las arquitecturas mencionadas anteriormente, es decir, un dispositivo segmentado articulado y con ruedas, es al mismo tiempo uno de los atributos de los robots móviles y de los robots zoomórficos. De igual forma pueden considerarse híbridos algunos robots formados por la yuxtaposición de un cuerpo formado por un carro móvil y de un brazo semejante al de los robots industriales. Clasificación basada en su propósito o función: • Industriales •

Personales

•

Educativos

•

Militares

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2.2.1.2 Pick and Place Una máquina “Pick and Place” es un robot compuesto de una serie de elementos independientes, los cuales operan de forma sincronizada para lograr fijar con precisión diversos componentes dentro de un campo de trabajo. Suelen utilizar boquillas de succión neumática, electroimanes o pinzas (garras) mecánicas, entre otros, conectados a un dispositivo tipo plotter que le permite desplazarse libremente con un alto nivel de precisión en tres dimensiones. Son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales que se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso de un controlador manual o un dispositivo auxiliar ya sea por un computador o un controlador programable. Este tipo de robots es manejado por el operario mediante controles de diversos pulsadores o teclas, joysticks, etc. También conocidos como SMT (surface mount technology) es un sistema de posicionamiento de componentes basado en una máquina robótica comúnmente utilizada para ubicación de dispositivos de montura superficial de la gama de componentes electrónicos como capacitores, resistores o circuitos integrados sobre una placa de circuito impreso (Project Circuit Board - PCB), así como para otras aplicaciones industriales que requieran de alta velocidad y alta precisión en la ejecución de tareas de posicionamiento de objetos donde a su vez, la mayoría de las máquinas de posicionamiento cuentan con la disposición de inspeccionar ópticamente la exitosa obtención, orientación y ubicación de los elementos requeridos. .

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2.2.2 Sistema

Según Ogata, K (2003),

“Un sistema es una combinación de

componentes que actúan juntos y realizan un objetivo determinado. Un sistema no necesariamente está limitado a los sistemas físicos… ”. Tomando en cuenta la definición previamente mencionada es posible decir que un sistema es un conjunto de componentes organizados para que interactúen entre sí, con el propósito principal de realizar o lograr una meta u objetivo. 2.2.2.1 Sistema de Control Dorf, Richard (1989), define a los sistemas de control como: “...una interconexión de componente que forman una configuración del sistema que proporcionará una respuesta deseada del sistema”. El concepto anteriormente mencionado puede ser aplicado en diferentes ramas de la ciencias, cuando se habla de un sistema de control en el área industrial se define como el

conjunto de componentes fusionados y

combinados entre sí, los cuales son capaces de regular el sistema, como también así su conducta, para de esta forma obtener la respuesta deseada. Pallas-Areny, R y Webster, J.G. (1991) explica un sistema de la siguiente manera: “una combinación de dos o más elementos, subsistemas y partes necesarias para realizar o ejecutar una o más funciones”.

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Tanto un sistema de control centralizado como uno distribuido consta de un sistema donde una unidad central controla un proceso, percibiendo directamente señales provenientes de los sensores, para ser comparada o procesada y luego enviar señales a las actuadores. Ver imagen N°2. Imagen N° 2. Sistema de Control

Fuente: Los Autores. 2.2.2.2 Sensor Fraden, J (1997) define sensor de la forma siguiente: “…dispositivo capaz de recibir y responder a un estímulo (mecánico, químico, óptico, etc.) en la mayoría de los caso mediante una señal eléctrica.” Es decir, un sensor es un instrumento o artefacto con la capacidad de transformar una variable física en una variable eléctrica (voltaje o corriente específica). Utilizados para proveer señales representativas de las condiciones dadas en un proceso o máquina. En diversas situaciones, estos dispositivos proveen señales análogas que representan un rango de valores específicos de una variable, así como también proveer señales de apagado y encendido (ON/OFF) también conocidas como señales discretas, para mejorar de esta manera el control de un determinado proceso. Ver Imagen Nº 3. Imagen N° 3. Esquema del funcionamiento de un sensor

Fuente: Los Autores

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2.2.2.3 Clasificación de los sensores Resistivos La resistencia eléctrica es la propiedad más fácil de medir en un amplio rango a costo moderado. Los sensores resistivos son capaces de medir variaciones de la resistencia, que consiste en una medida de la oposición del dispositivo a ser atravesado por una corriente eléctrica. Poseen la cualidad de ser económicos y accesibles; algunos ejemplos de ellos son: potenciómetros, galgas, RTDs, termistores, etc. Capacitivos Los sensores capacitivos son los más precisos de los sensores eléctricos a pesar de su sencillez; miden variaciones de la capacidad de un condensador basándose en el cambio en la geometría de un par de sus placas (conductores separados por un dieléctrico), o basarse sobre los efectos de la introducción de un material conductor en el hueco de los condensadores. Los sensores capacitivos pueden ser diseñados para ser “no-disipativos” por lo que no producen ruido térmico, libre de auto calentamiento e independientes de la temperatura.

Ejemplos

de

algunos

de

ellos

son:

los acelerómetros,

transductores de posición, de nivel, de fuerza, entre otros. Inductivos Inductores son probablemente los menos ideales de los componentes discretos.

Son

capaces

de

medir

variaciones

de

la

inductancia

electromagnética, o magnitud de flujo magnético que atraviesa el dispositivo cuando circula una corriente por él. Son sensibles y resistentes a la humedad, se ven afectados por campos magnéticos algunos ejemplos de ellos son los transductores de posición y detectores de presencia entre otros. Ver Tabla Nº 1 a continuación.

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Tabla N° 1. Sensores típicos y sus formatos de salida Propiedad

Temperatura

Sensor

Activo/Pasivo

Termocoupler

Pasivo

Voltaje

Silicón

Activo

Voltaje, Corriente

RTD

Activo

Resistencia

Termistor

Activo

Resistencia

Activo

Resistencia

Pasivo

Voltaje

Medidor de Fuerza / Presión

tensión Piezoelectrico

Salida

Aceleración

Acelerómetro

Activo

Capacitancia

Posición

LVDT

Activo

Voltaje AC

Intensidad de luz

Fotodiodo

Pasivo

Corriente

Fuente: Los Autores 2.2.2.4 Sensor de Final de carrera Es un dispositivo mecánico que utiliza el contacto físico para detectar la presencia de un objeto. Consiste de una cabeza operativa y el cuerpo del interruptor el cual incluye contactos eléctricos para suministrar o privar de energía a un circuito. La cabeza operativa incorpora algunos tipos de brazos niveladores o émbolos al que se refiere como un actuador. El actuador rota cuando el objetivo u objeto a detectar aplica una fuerza sobre él (acciona); movimiento que cambia el estado de los contactos internos del interruptor. 2.2.2.5 Tipos de Sistemas de Control 2.2.2.5.1 Sistemas de control a lazo abierto Ogata, K (2003), señala que los componentes de un sistema de control no realimentado se pueden dividir en: el Controlador y el o los Procesos Controlados. 26

En los sistemas de control a lazo abierto la entrada ni la salida son variables que pueden ser medidas, esto quiere decir que la salida no proporciona efecto alguno sobre la acción de control. Ver imagen Nº 4 Imagen Nº 4. Sistema de control a lazo abierto.

Fuente: Los Autores. De la misma forma, se establece que en un sistema a Lazo Abierto tiene una señal de entrada que es aplicada a un controlador, en donde la señal de salida actúa también como la señal de entrada encargada de regular el proceso controlado para que de tal manera la variable controlada trabaje dentro de los valores deseados. Según Rodríguez, Daniel (1995), “Los sistemas de control de lazo abierto son muy utilizados en aplicaciones no críticas, esto gracias a su simplicidad y economía”. Ogata, K (2003) menciona, que en el ámbito industrial, los sistemas de fluidos (líquidos o gases), y los sistemas térmicos son usados ampliamente, debido a que estos representan medios versátiles para transmitir señales y potencia. Los sistemas de fluidos se dividen en: • Sistemas hidráulicos • Sistemas neumáticos Según Ogata, K (2003).”En primer lugar se presentan los sistemas de nivel de líquido que se utilizan frecuentemente en los procesos de control. Después se introducen conceptos de resistencia y capacitancia. Entonces se tratan los sistemas neumáticos. Estos sistemas se emplean mucho en la 27

automatización de la maquinaria de producción y en el campo de de los controladores automáticos. “ Los sistemas mencionados pueden ser empleados o modelados algebraicamente al ser analizados en término manejables como resistencia o capacitancia, de esta forma se puede estudiar el comportamiento, desempeño y respuesta de cada uno de los componentes. 2.2.2.5.2 Sistemas de control realimentados o a lazo cerrado Ogata, K (2003), menciona que los sistemas de control realimentados a lazo cerrado mantienen un vínculo entrada-salida, y que esta diferencia es utilizada como medio de control. Este tipo de sistema de control son empleados para obtener un control más eficiente, la señal que es controlada debe ser realimentada para de tal forma poder realizar una comparación con la señal de referencia del sistema, y así permitir enviar una señal actuante la cual será proporcional a la diferencia existente entre la entrada y la salida a través del sistema para así corregir el error. Ver Imagen 5. Imagen Nº5. Sistema de control a lazo cerrado.

Fuente: Los Autores. Hostetter, Gene (1990), establece algunas de las ventajas que brindan los sistemas de control realimentados o a lazo cerrado de las cuales se extraen las siguientes:

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•

Pequeña Sensibilidad a los cambios en los componentes.

•

Incremento en la rapidez de respuesta y anchura de banda.

•

Incremento en la exactitud.

•

Reducidos efectos de las perturbaciones.

2.2.3 Puentes – Grúas 2.2.3.1 Descripción del puente grúa Alguero García, José Miguel indica “…Los puentes-grúa son máquinas utilizadas para la elevación y transporte, en el ámbito de su campo de acción, de materiales generalmente en procesos de almacenamiento o curso de fabricación.” Los puentes grúa son equipos o sistemas destinados al transporte de materiales o cargas, en desplazamientos verticales y horizontales en el interior y/o exterior de industrias y almacenes. Constan de una o dos vigas móviles sobre carriles, apoyadas en columnas, a lo largo de dos paredes opuestas del edificio o almacén rectangular. Induráin, Jorge (2003) sobre los términos que refieren a la descripción de las partes de los puentes-grúa, expresa lo siguiente: “El bastidor del puente grúa consta de dos vigas transversales en dirección a la luz de la nave (vigas principales) y de uno o dos pares de vigas laterales (testeros) longitudinales en dirección a la nave y que sirven de sujeción a las primeras y en donde van las ruedas.” En otras palabras, se encuentra compuesta generalmente por una estructura doble acoplada en dos testeros automotores sincronizados, dotados de ruedas de doble pestaña para lograr su encarrilamiento.

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Por otra parte, apoyado en dicha estructura y con la capacidad para mantenerse encarrilado a lo largo de la misma, un carro automotor soporta un polipasto o electroimán a través del cual se interactúa directamente con la carga. La combinación de los movimientos tanto de la estructura como del carro, permite actuar sobre cualquier punto de una superficie, delimitada por la longitud de las vigas que forman la estructura y por la separación entre ellas. El manejo de la máquina puede llevarse a cabo desde una cabina acoplada a la misma y que se sitúa generalmente sobre uno de sus testeros, por medio del mando a distancia por cable, activado ya sea desde las proximidades del punto de operación o bien, un mando a distancia por radio desde una ubicación remota. Ver Imagen Nº 6. Imagen N°6. Partes del Puente-Grúa.

Fuente: Los Autores

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2.2.3.2 Componentes del puente-grúa

Usualmente se consideran cuatro partes fundamentales: - El puente: se desplaza a lo largo de la nave y está formado por las vigas principales - El carro: se desplaza sobre el puente y recorre el ancho de la nave - El gancho o Electroimán: va sujeto al carro mediante el cable principal, realizando los movimientos de subida y bajada de las cargas - La base o apoyo: en ella se encuentra apoyada toda la estructura del puente grúa. 2.2.3.3 Movimientos de un puente-grúa Los tres movimientos que generalmente realiza un puente-grúa son: -Traslación del puente: Se realiza a través de los rieles en dirección longitudinal a la nave, mediante una serie de motores y sensores de posicionamiento o final de carrera. -Orientación del carro: traslado de carro a lo largo del puente también realizado por motores y sensores que notifican sobre la posición del carro en el sistema puente – grúa.

-Elevación – descenso: La carga es subida o bajada por efecto del motor que sujeta el gancho o electroimán.

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2.2.3.4 Características de un puente-grúa

Además de los aspectos indicados anteriormente en la clasificación de los puentes-grúas, existen una serie de datos básicos dependiendo del tipo de grúa-puente: Velocidades de Traslación

Es imprescindible que exista una correcta relación entre la velocidad de traslación final y los valores tanto de aceleración

como desaceleración

correspondiente. Tal y como se ve especificado por Induráin, Jorge (2003), en su Guía para la Adecuación y Evaluación de Riesgos en Puentes – Grúa, sobre el nivel de rendimiento del sistema ”…para garantizar un servicio eficaz del puentegrúa, el tiempo de traslación a plena velocidad, seria de un 85 % de la marcha total.” Motores de accionamiento Según la función que vaya a cumplir el puente-grúa, a continuación se nombrarán los tipos básicos de motores a utilizar para llevar a cabo el transporte de una carga: Motores de corriente continúa En conjunto con su correspondiente equipo de regulación de velocidad. Se trata de equipos delicados, costosos y que a su vez requieren de constante mantenimiento (en la actualidad su existencia está muy limitada a puentes-grúa ya instalados). Algunos de los motores que se utilizan en éstos casos son: motor de serie, en shunt y compound.

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Motores de corriente alterna.

- Motor asíncrono de rotor bobinado: actualmente es el de mayor utilización para aplicaciones con puentes-grúa; la regulación de la velocidad se efectúa por resistencias robóticas, de modo tal que a medida que van eliminándose las resistencias aumenta la velocidad del motor. - Motor de rotor en cortocircuito: basado en el principio de rotor deslizante, logra la regulación de la velocidad, en función a la frecuencia de la red a partir de un convertidor de la red, primero a corriente continua y después a alterna con la frecuencia regulada. 2.2.3.5 Tipos de mando de puentes-grúa Según las condiciones de servicio, los sistemas de mando de los puentes-grúa pueden ser: Mando desde el Suelo Desplazable a lo largo del puente Permite al usuario guiar la carga de forma manual, permitiéndole mantener una distancia de seguridad de la carga. Se recomienda para velocidades máximas de traslación de 63mts/min. Mando suspendido del carro El usuario o conductor de la máquina se encuentra próximo a la carga y puede guiarla tanto directa como manualmente, es el adecuado para ejecutar trabajos de mantenimiento y de montaje.

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Mando suspendido de un punto fijo del puente Mayormente utilizado en puentes-grúa de luz reducida, ya que posee un alto rango de visibilidad, así como el mando desplazable en el puente, éste debe utilizarse en velocidades de traslación superiores a 63mts/min. Mando por radio Diseñado para ser utilizado cuando el usuario del equipo no pueda acompañar a la grúa por alguna razón en específico como por ejemplo: centrales de energía nuclear, instalaciones de depuración de aguas, talleres de decapado y galvanización, etc. Mando desde la Cabina Cabina montada en el centro del puente Este sistema se utiliza para puentes-grúa de gran luz, al objeto de conseguir una buena visibilidad para el conductor. Cabina desplazable a lo largo del puente. Muy empleada para transporte de materiales o cargas de tamaños voluminosos o de grandes pesos, en donde la precisión juega un papel importante. 2.2.3.6 Elementos principales de seguridad de los puentes-grúa Los principales elementos de seguridad que deben estar presentes en los puentes-grúas al momento de llevar a cabo una actividad se enlistan a continuación: Limitadores de carga Dispositivo diseñado con el fin de evitar sobrepesos en el equipo y se clasifican en los dos siguientes: 34

- Limitador de carga electrónico: es un limitador de alta precisión y seguridad, capaz de evitar accidentes y de proteger de averías generadas por sobrecarga en el puente-grúa y sus polipastos.

Es a su vez útil para ascensores, montacargas, sistemas para tensión de cables, en general, cualquier equipo o instalación en donde se someta un cable metálico o polea a una tracción y se desee limitar la tensión máxima. Mejora notablemente la precisión requerida y fiabilidad de la alternativa tradicional de limitación de carga del motor. La imagen N° 7 ofrece una vista detallada de un limitador de carga del tipo electrónico. Imagen N° 7. Limitador de Carga Electrónico

Fuente: Induraín, Jorge San Miguel. Guía para la Adecuación y Evaluación de Riesgos en Puentes – Grúa - Limitador de carga tensiométrico: fue diseñado con el propósito de prevenir las sobrecargas que habitualmente se producen en equipos de elevación de cargas, como elevadores, grúas, montacargas, puentes-grúa, etc. Capaz de evitar roturas en cables, poleas, ganchos, ruedas, deformación de vigas o rieles, es decir, cualquier accidente que pueda ocurrir, generado por la utilización del equipo por encima de los límites de capacidad carga que posea. Ver imagen N° 8 35

Imagen N° 8 Limitador de Carga Tensiométrico

Fuente: Induraín, Jorge San Miguel. Guía para la Adecuación y Evaluación de Riesgos en Puentes – Grúa Finales de Carrera Son dispositivos eléctricos, mecánicos o neumáticos capaces de detectar la posición de un elemento móvil mediante accionamiento mecánico; generalmente utilizado en aplicaciones del tipo industrial en donde se implementan con la finalidad de percibir la llegada del elemento móvil a una determinada posición. Según su utilidad generalmente se clasifican de la siguiente manera:

-

Final de carrera superior e inferior del movimiento de elevación.

-

Final de carrera máximo y mínimo de traslación del carro.

-

Final de carrera de traslación del puente.

Mandos de Control Los mandos de control le ofrecen al operario o usuario una alternativa de controlar directamente el funcionamiento del puente-grúa de forma segura y efectiva, sin poner en riesgo su propia integridad física.

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2.2.4 Motores

Los motores eléctricos son un conjunto de maquinas rotatorias utilizadas para convertir la energía eléctrica en mecánica, a través de medios electromagnéticos. Su funcionamiento está fundamentado en el flujo de corriente eléctrica a través de un conductor dentro de un campo magnético, el cual ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor. Este principio de la corriente eléctrica fue establecido por el científico francés Andre Marie Ampere (1820).Los motores eléctricos poseen la capacidad de satisfacer una gran variedad de necesidades de servicio, como arrancar, frenar, acelerar, sostener y mover una carga. Estos son fabricados tomando en cuenta las velocidades y el torque o fuerza, las cuales son fijas

o variables,

dependiendo

principalmente de las variaciones de potencia, variaciones que son medidas en caballos de fuerza, y estas pueden oscilar de fracciones muy pequeñas hasta muy altos caballos de fuerza. Ver Imagen Nº 9. Imagen Nº 9. Diagrama Interno de un Motor

Eléctrico. Fuente: Nigel Armature Winders. Los componentes que integran internamente los motores eléctricos son: -El inductor (estartor en caso de CA), es un conjunto agrupado de chapas o laminas magnéticas, sobres las cuales se encuentra enrollado un bobinado fijo de un material conductor. 37

-El inducido (rotor en caso de CA), es un conjunto agrupado de chapas o láminas magnéticas, sobre las cuales se encuentra enrollado un bobinado móvil que constituye el eje del motor. -Las escobillas, es un conjunto de laminas de grafito que se encuentran ubicadas sobre el colector de delgas, permitiendo que las delgas estén unidas a los terminales de conexión del inducido. -El colector de delgas es un grupo de láminas de cobre en forma de anillo que permite una unión eléctrica entre las bobinas del inducido y un circuito externo. -La carcasa, es la caja que recubre las partes eléctricas del motor, constituye la parte externa del motor. Los motores eléctricos según los componentes que lo integran se clasifican en dos grandes familias, dependiendo del tipo de alimentación. Ver Imagen Nº 10. -Motores alimentados con corriente alterna. -Motores alimentados con corriente continua.

Imagen N° 10. Clasificación de Motores Eléctricos

Fuente: Elaboración Propia

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2.2.4.1 Motores de Corriente Continua

Los motores cuya alimentación es de corriente continua poseen un funcionamiento basado en la interacción de una corriente eléctrica y un campo magnético formado entre dos polos opuestos de un material magnetizado, donde la fuerza que se genera es aprovechada por el motor para hacer girar un eje, transformando así la energía eléctrica en movimiento mecánico, suelen utilizarse en aplicaciones que necesiten de alta precisión en velocidad, montacargas y movimiento o locomoción. Ver imagen Nº 11. Imagen Nº 11. Diagrama simplificado de una maquina DC

Fuente: Chapman Stephen. Maquinas Eléctricas. Según Chapman, Stephen (2005), “La estructura física cuenta de dos partes: el estator o parte estacionaria y el rotor o parte giratoria. La parte estacionaria de la maquina consta de una estructura que proporciona el soporte físico, y de las piezas polares, que se proyectan hacia adentro y proporcionan un camino para el flujo magnético de la maquina. Los extremos de las piezas polares que están cerca del rotor se extienden sobre la superficie de éste para distribuir su flujo uniformemente sobra la superficie del rotor. Estos extremos se llaman zapatas polares. La 39

superficie expuesta de una zapata polar se llama cara polar y la distancia entre la cara polar y el rotor se llama entrehierro”. Este tipo de motores poseen una espira de hilo de cobre dentro de un campo magnético que al conectarse a una batería o una fuente de alimentación, la corriente fluye en un sentido por uno de sus lados y en sentido contrario por el lado opuesto, provocando que la espira ejerza una fuerza, en uno de los lados hacia abajo y en el otro hacia arriba. Ya que la espira se encuentra acoplada sobre un eje metálico esta empezara a girar hasta alcanzar la posición vertical estable, para lo cual es necesario invertir el sentido de circulación de la corriente repetidamente por medio de un conmutador, es decir, que el lado de la espira que recibía la fuerza hacia arriba ahora la recibirá hacia abajo y viceversa en el otro lado, de esta manera la espira girara constantemente. 2.2.4.2 Motores de Corriente Alterna Los motores de corriente alterna son aquellos que funcionan con una corriente eléctrica en donde la magnitud y la dirección varían cíclicamente en el tiempo, a diferencia de los motores de corriente continua que trabajan con una corriente constante. Este tipo de motores son mayormente utilizados en una amplia gama de aplicaciones a nivel industrial y domestico, debido a que tienen un buen rendimiento de trabajo y que no requieren de mantenimiento. Según Chapman, Stephen (2005), “Hay dos tipos de máquinas de CA: maquinas síncronas y maquinas de inducción. La principal diferencia entre los dos tipos es que las maquinas síncronas requieren que se les suministre una corriente de campo de CD a sus rotores, mientras que las maquinas de inducción, inducen una corriente de campo a sus rotores por medio de una acción transformadora.”

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Existen dos tipos básicos de motores que funcionan con corriente alterna: los motores asíncronos y los motores de inducción. El motores asíncrono está constituido por un rotor que puede ser de jaula de ardilla o de bobinado, estator en donde se encuentran ubicadas las bobinas que a su vez están desfasadas entre si 120º. Su funcionamiento radica en el campo magnético giratorio que producen las bobinas al inducírsele corriente. Los motores de inducción son aquellos donde la corriente que circula por el devanado del rotor se debe a la fuerza electromotriz inducida en el por el campo giratorio.

2.2.4.3 Motores Paso a Paso Los motores paso a paso (PaP) son perfectos para la construcción de sistemas o mecanismos en donde se requieran movimientos de alta precisión. La característica principal que poseen estos tipos de motores es el hecho de poder desplazarse un paso a la vez por cada pulso que le sea aplicado por el controlador, en el cual dicho paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8° Estos motores cuentan con la cualidad de mantenerse estables en una posición o bien, totalmente libres. Si una o más de sus bobinas se encuentran siendo energizadas, el motor se mantendrá fijo en la posición correspondiente y por el contrario quedará totalmente libre si no se le hace circular corriente por ninguna de sus bobinas. En la actualidad existe una gran variedad de estilos de motores de paso a paso, pero actualmente para aplicaciones en robótica son utilizados los del tipo de imán permanente. Según Chapman, Stephen

(2005), “…es un tipo especial de motor

síncrono diseñado para girar a cierto número especifico de grados por cada pulso eléctrico recibido en su unidad de control. Los pasos típicos son de 7,5 o 15º por pulso. Estos motores se utilizan en muchos sistemas de control, puesto

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que pueden controlar precisamente la posición de un eje u otra pieza de la maquinaria.” Soto, Eduardo (2005) indica lo siguiente sobre los motores de imán permanente: “…En este tipo de motores, el rotor está provisto de imanes los que se encuentran dispuestos de tal manera que los polos N-S se encuentran opuestos entre sí en forma radial…. Las ventajas que presenta este motor es que aumenta el torque en comparación al de reluctancia variable. Otro punto a favor es la permanencia en el último estado por el torque de fricción, lo que minimiza el error, puesto a que el control por lo general se construye a lazo abierto.” Normalmente los motores PaP se encuentran constituidos por un rotor sobre el que van acoplados diversos imanes permanentes y por un estator que posee cierto número de bobinas excitadoras. En donde toda conmutación (o excitación de las bobinas) debe ser manejada externamente por un controlador. Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente: Unipolar Este tipo de motores comúnmente suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexión interna lo que los hace más sencillos de controlar. Posteriormente se exhibe la conexión interna de un motor paso a paso del tipo unipolar mediante la imagen N° 12 Imagen N° 12. Motor PaP Unipolar

Fuente: Los Autores 42

Bipolar Este tipo de motor en si es más sencillo, pero el sistema de control se hace más complicado puesto a que es necesario revertir la polaridad de cada bobina. Estos se encuentran compuestos generalmente cuatro cables de salida y a diferencia del unipolar no posee terminales centrales (comunes) tal y como se grafica a continuación en la figura N° 13. Imagen N° 13. Motor PaP Bipolar

Fuente: Los Autores Los motores paso a paso del tipo bipolar necesitan de ciertos métodos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Para controlar un motor Paso a Paso de 4 cables (dos bobinas) es necesario un H-Bridge por cada una de las bobinas del motor por lo que se recomienda el uso de puentes H en sus versiones como circuitos integrados que facilitan éste tipo de tareas. 2.2.4.4 Puente H Soto, Eduardo (2005) expresa: “El puente H permite energizar las bobinas con la polaridad que se desea.” Un Puente H también conocido en ingles como H-Bridge es un circuito electrónico constituido por cuatro (4) interruptores (ya sean mecánicos o algún tipo de semiconductor que se sature 43

por efecto campo), los cuales pueden estar abiertos o cerrados según se disponga para alimentar la carga (motor), generando secuencias de pulsos que energizarán las bobinas del motor haciéndolo girar en un determinado sentido. Ver Imagen Nº14. Imagen N°14. Puente H (H-Bridge)

Fuente: Los Autores

2.2.5 Rodamientos En los extremos del árbol se encuentran colocados unos soportes sobre los cuales gira apoyado, debiendo estar dichos soportes suficientemente diseñados para poder resistir con toda seguridad los esfuerzos que les sean transmitidos por el árbol. El árbol no gira directamente sobre el soporte, entre ambos se encuentra un elemento intermedio conocido como cojinete, en el cual, el rozamiento que se produce como consecuencia del giro del árbol, no debe exceder los límites admisibles, reduciéndose éste por medio de una lubricación adecuada. Ver imagen N°15.

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Imagen N° 15. Mecanismo de rodamiento

Fuente: Los Autores Los rodamientos también conocidos como cojinetes no hidrodinámicos son elementos mecánicos diseñados con la finalidad de reducir la fricción o rozamiento entre un eje y las piezas (árboles) que se encuentran conectados a este, sirviéndole de apoyo, para facilitar así el desplazamiento de dichas piezas a través del eje, mejorando de ésta manera el rendimiento mecánico de las máquinas. Torres Manotas, Erick (2008) define rodamientos de la siguiente forma: “un conjunto de esferas que se encuentran unidas por un anillo interior y uno exterior, el rodamiento produce movimiento al objeto que se coloque sobre este y se mueve sobre el cual se apoya”. La implementación de rodamientos en máquinas, disminuye la fricción en los puntos de movimientos rotacionales como los ejes. En la actualidad se fabrican rodamientos en una gran variedad de tipos, formas y dimensiones donde cada estilo de rodamiento presenta propiedades y características que dependen directamente de su diseño, considerado de acuerdo a la aplicación que se le desee dar. Hernández Valencia Jorge (2005) indica “…Los rodamientos se construyen en acero de adecuadas características de dureza y tenacidad, permitiendo soportar, con muy poco desgaste, millones de revoluciones, sometidos a cargas y esfuerzos, a veces, concentrados y localizados.” 45

A continuación serán nombrados los dos tipos principales de rodamientos o cojinetes: Rodamientos de Rodillos Robusto y resistente, es generalmente un cilindro formado de una o varias piezas que se construyen principalmente de bronce o metales antifricción (aleación de estaño y plomo entre otros) Dado que los rodillos hacen contacto lineal con las piezas de rodadura, pueden soportar grandes cargas radiales siendo baja su capacidad de carga axial, necesita de poco mantenimiento al tener mínima fricción. Ideal para cargas medias y elevadas con trabajo a poca velocidad. Ver imagen Nº16. Imagen N° 16. Rodamientos de rodillos

Fuente: Rodamientos FAG, Catálogo WL 41 520/3 SB Rodamientos de Bolas Son de uso general ya que son capaces de absorber esfuerzos axiales y radiales combinados lo que les proporciona alta precisión y baja vibración. Es ideal para cargas pesadas y altas velocidades. Poseen una larga duración, con un mínimo nivel de lubricación. 46

Suelen llevar una “jaula” fijas mediante arandelas de retención para sujetar las bolas, la jaula consiste en un anillo de caucho sintético moldeado a una platina de acero, incorporado al anillo exterior que impide la entrada de objetos extraños e impide la salida de la grasa. Ver imagen 17.

Imagen N° 17. Rodamientos de Bolas.

Fuente: Rodamientos FAG, Catálogo WL 41 520/3 SB Desde el punto de vista cinemático de su trabajo, se pueden clasificar en tres categorías: Rodamientos para cargas radiales. Diseñados para soportar específicamente cargas dirigidas en la dirección perpendicular al eje de rotación. Los rodamientos de rodillos soportan mayores cargas radiales que los rodamientos de bolas de igual tamaño ya que cuentan con un ángulo de contacto nominal de 0 – 45°. Ver Imagen Nº18.

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Imagen N° 18. Rodamientos para cargas radiales.

Fuente: Rodamientos FAG, Catálogo WL 41 520/3 SB Rodamientos para cargas axiales Tienen un ángulo de contacto nominal de 45 – 0° y pueden soportar cargas que actúen únicamente en la dirección del eje de rotación. Pueden ser rodamientos de simple efecto (axiales de bolas), capaces de recibir cargas axiales en un sentido, y rodamientos de doble efecto (axiales de bolas de contacto angular), que trabajan con cargas axiales en ambos sentidos. Cuando existen fuerzas axiales muy elevadas, se prefieren rodamientos axiales de rodillos cilíndricos o rodamientos axiales oscilantes de rodillos. Ver imagen Nº 19 a continuación.

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Imagen N° 19. Rodamientos para cargas axiales.

Fuente: Rodamientos FAG, Catálogo WL 41 520/3 SB Rodamientos para cargas mixtas Pueden soportar esfuerzos tanto radiales, como axiales o ambos combinados. 2.2.6 Magnetismo El magnetismo es fenómeno que surge a raíz de un descubrimiento realizado por

la Gracia antigua, en donde ciertas piedras provocaban la

atracción de materiales como el hierro, y que el hierro atraído, atraía a su vez a otros materiales de hierro. Este particular fenómeno de atracción permite decir que cada elemento tiene un IMAN.

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Esta rama de la física estudia una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, las fuerzas magnéticas, que se originan a raíz del movimiento continuo de partículas cargadas, es decir, existe un vínculo muy estrecho entre el magnetismo y la electricidad.

La fusión de ambas teorías se denomina

Electromagnetismo. 2.2.6.1 Imán Es un cuerpo o elemento capaz de generar un campo magnético significativo en la región de espacio a su alrededor, donde se produce un fenómeno de atracción hacia materiales ferro magnéticos como el hierro, el cobalto o el níquel. Existen imanes capaces de manifestar sus propiedades magnéticas de forma permanente ya sean de procedencia natural como es el caso de la magnetita u obtenidos mediante la aleación de diversos metales. En los imanes la fuerza de atracción se encuentra mayormente concentrada en sus extremos también conocidos como polos magnéticos. Un imán consta de dos polos (polo norte y polo sur) donde polos iguales se repelen y polos distintos se atraen. Dependiendo de la composición de un imán existen diversos tipos: - Imanes naturales: son aquellos provenientes de la tierra con la cualidad de atraer el hierro, denominados magnetitas. - Imanes artificiales: son todos aquellos que han sido previamente imantados de forma artificial, elaborados a través de la fusión de elementos como hierro, níquel, boro, cobalto, neodimio, etc. Hoy en día los imanes son utilizados en diversas aplicaciones como por ejemplo: bocinas, generadores, detectores de metales, grúas magnéticas, entre otros.

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2.2.6.2 Electroimán Los electroimanes son aquellos que presentan sus propiedades magnéticas al momento de hacer circular una corriente eléctrica a través de una bobina enrollada a un núcleo ferro magnético, permitiendo la variación de su intensidad de atracción variando el flujo de corriente. El electroimán es la base del transformador de corriente y del motor eléctrico.

2.2.7 Transmisión de Datos La transmisión de datos tal y como su nombre lo define consiste en el envió de datos a través de algún método o forma de comunicación, es decir, ya sea por un medio guiado o no guiado. Comunicación Serial La comunicación serial

es un método que consiste en el envió

secuencial de bits que conforman un dato, es decir, se transmite un bit a la vez hasta enviar el byte completo. Comunicación Paralela Esta forma de comunicación permite el envió de datos o señales múltiples sobre un mismo enlace de comunicación. Transmisión Síncrona Esta técnica de transmisión se caracteriza por enviar un conjunto de datos que conforman un bloque de información partiendo de una serie de bits de sincronismo que permiten la sincronización de los relojes internos tanto del receptor como del emisor, logran do así el control del tiempo de cada bit.

51

Transmisión Asíncrona La transmisión asíncrona consiste en el envió bit por bit pero con la agregación de bit de inicio y un bit de término que indica al dispositivo que paquete de dato ha sido completado, permitiendo así la sincronización del receptor con el transmisor. 2.2.7.1 Puerto Serial del Computador Generalmente las computadoras disponen de un conjunto de puertos de entrada salida que permiten la comunicación de datos digitales, el puerto serial, siendo uno de estos puertos está fundamentalmente constituido por un circuito integrado Transmisor-Receptor-Asíncrono Universal

(UART), en donde los

dato son transmitidos bit a bit, es decir, se envía un bit a la vez. Para el control del puerto serial, la unidad central de procesamiento (CPU), utiliza direcciones definidas de puertos de entrada salida y líneas de interrupción comúnmente denominadas IRQ, de esta manera cada puerto dispone de una serie de parámetros que deben ser tomados en cuenta para poder configurar el puerto. El conector comúnmente utilizado para representar el acceso a este puerto es el DB9.

2.2.7.2 RS232 RS232 es una conexión serial de datos binarios entre un equipo terminal de datos (DTE) y un circuito digital externo o un equipo de terminación del circuito de datos (DCE), definido como un estándar en 1969 por la Alianza de Industrias Electrónica (EIA). El RS232 tiene dos presentaciones específicas, DB25 y DB9 cada uno constituidos por 25 y 9 pines respectivamente. Ver imagen N° 20. 52

Imagen N° 20. Conectores RS232.

Fuente: Los Autores. Este tipo de conectores como se habia mencionado anteriormente son utilizados para la comunicación serial de datos de forma asincrona, por lo que tienen cada uno de los pines definidos para cumplir una función específica en la transmisión de datos. Ver tabla N° 2. Tabla N° 2. Distribución de pines DB9. N° PIN

Función

1

Detector de Transmisión (CD)

2

Recibir Datos (RXD)

3

Transmitir Datos (TXD)

4

Terminal de data lista (DTR)

5

Señal de Tierra (GND)

6

Ajuste de datos listo (DSR)

7

Permiso para transmitir (RTS)

8

Listo para enviar (CTS)

9

Indicador de Llamada (RI) Fuente: Los Autores.

2.2.7.3 Max232 El max232 es un circuito integrado diseñado para la conversión de niveles TTL a RS232 y de otros de RS232 a TTL, conformado internamente por 2 conversores que permiten el manejo de 4 señales específicas y necesarias para establecer una comunicación a través del puerto serial de un computador: 53

•

TX D

(Señal de transmisión).

•

RXD

(Señal de recepción).

•

RTS

(Señal de protocolo de transmisión).

•

CTS

(Señal de protocolo de transmisión).

Es un circuito integrado capaz de generar tensiones internas correspondientes e indispensables para el estándar RS232,

por

lo que

requiere de algunos componentes externos para su correcto funcionamiento. Ver imagen N° 21. Imagen N° 21. Diagrama de Conexión Max232

Fuente: Datasheet Max232. 2.2.8 Microcontroladores Se define como un microcontrolador a un circuito integrado diseñado y estructurado para ejecutar órdenes o instrucciones lógicas previamente escritas en un lenguaje ensamblador, con la finalidad de ser guardadas en su memoria mediante un dispositivo (hardware) denominado programador. Ver imagen Nº 22 a continuación. 54

Imagen Nº 22: Microcontrolador.

Fuente: Elaboración propia Es importante establecer claramente las diferencias principales entre los microcontroladores y los microprocesadores, ya que a pesar del vínculo histórico que tienen, son dispositivos distintos para distintas aplicaciones. Los microcontroladores tienen una estructura interna completa, es decir, le fueron integrados los subsistemas necesarios para su funcionamiento, a diferencia del microprocesador que necesita de recursos como memoria e interfaces para recibir y enviar datos. Con esto se quiere decir que los microprocesadores son las raíces de lo que luego se conocería como microcontroladores. Los microcontroladores se pueden conseguir a nivel comercial en distintas presentaciones, principalmente están divididos en tres gamas, que representan el número de bits que pueden manejar:

55

•

Gama Baja (4,8 y 16 Bits).

•

Gama Media (16 y 32 Bits).

•

Gama Alta (32,64 y 128 Bits). Los microcontroladores están en su mayoría ubicados entre las gamas

bajas y media, debido a que la gama alta representa fundamentalmente procesamiento, computadoras, video consolas, es decir, en esta gama casi en su totalidad son microprocesadores con recursos y subsistemas apartes. A continuación se muestra una tabla donde se puede visualizar algunos de los microcontroladores existentes en el mercado: Tabla Nº 3. Microcontroladores Bits

Campo de Aplicación

Ejemplo

Fabricante

4

-Telefonía y electrodomésticos. -Número limitado de I/O. -Entornos Industriales específicos.

-HCMS 400. - µPD75P316A.

-Hitachi.

-Entorno y datos orientados al Byte. -Periféricos inteligentes y controladores (teclados, unidades de disco, displays). -Posibilidad de programación en alto nivel.

-MCS 51. -68HC11. -Z8,SUPERZ8. -COP800. -PIC16F8XX

8

-Nec. -National.

-Intel, Siemens. -Motorola, Toshiba. -Zilog, Sgs. -National. -Microchip.

16

-Manejo de operaciones de 16 Bits. -Mayor velocidad, operaciones matemáticas. -Manejo de grandes volúmenes de datos. -Industrial automotriz.

-80186. -8096. -TMS320. -H8/300. -DSPIC30F1010.

-Intel, AMD. -Intel. -Texas. -Hitachi. Microchip.

56

32

-Manejo de grandes cantidades de datos. -Gran capacidad de direccionamiento de memoria. -Impresoras Láser. -Pantallas graficas de alta resolución.

-i860. -i960. -68300. -340x0. PIC32MX320F03 2H.

-Intel (3-d). -Intel (militar). -Motorola. -National. -Microchip.

Fuente: Microcontroladores, tipos y aplicaciones. Universidad Rey Juan Carlos. México. Para el sistema propuesto se eligió a los microcontroladores producidos por el fabricante Microchip, comprendidos en la gama baja, ya que poseen aspectos positivos como: bajo consumo, bajo costo, tamaño pequeño, facilidad de programación y gran cantidad de herramientas de soporte disponibles. El microcontrolador seleccionado para el desarrollo del prototipo pertenece a los microcontroladores comprendidos en la gama baja, y pertenece a la serie 16f8XX (8 Bits). 2.2.8.1 Características de los PICmicro Los PICmicro son dispositivos con características mejoradas, están fundamentados en una Tecnología RISC (conjunto de instrucciones reducido), cuentan con una pila de profundidad de 8 niveles y poseen múltiples interrupciones internas y externas. Basándose en la arquitectura Harvard los PICmicro utilizan un bus de datos y un bus para instrucciones, esto permite que el PICmicro procese palabras de instrucción de 14 Bits en un bus de data de 8 bits de ancho separado. Generalmente los PICmicro de 8 Bits poseen una memoria RAM 68 Bytes, como también así una memoria EEPROM de datos de 64 Bytes de capacidad, ejecutan códigos de programas a una velocidad de mejoramiento de 20 Mhz.

57

Por otro lado la estructura física del chip

depende

de tipo de

microcontrolador, los encapsulados van desde chip de 18 a 68 pines, con un set de 35 instrucciones lógicas y una variedad de módulos que permiten que los PICmicro tengan número importante de recursos y herramientas de soporte. Ver Imagen Nº 23. Imagen Nº 23.Pines del Microcontrolador

Fuente: Datasheet PIC16F87X. Microchip Technology Inc. 2001. 2.2.8.2 Velocidad de Procesamiento La velocidad de procesamiento del PICmicro está determinada por la frecuencia de un circuito oscilador externo, y esta expresada en Hertz. Los circuitos osciladores son sistemas diseñados para convertir una corriente continua en una corriente alterna que oscila a una determinada frecuencia, donde los más utilizados se ven limitados en 4 presentaciones: • Oscilador tipo LP. • Oscilador tipo XT. 58

• Oscilador tipo HS. • Oscilador tipo RC. Oscilador tipo LP Los osciladores LP se caracterizan por ser de bajo consumo, están constituidos por un cristal resonador y cubre un rango de frecuencia comprendido desde 35 a 200Khz. Oscilador tipo XT Este tipo de oscilador está constituido por un cristal de cuarzo que ofrece un rango de frecuencia estimado entre 100 KHZ a 4 Mhz. Oscilador tipo HS Los osciladores HS están constituidos por un resonador cerámico o un cristal de cuarzo, proporciona una alta velocidad y cubren un rango de frecuencia estimado entre 4Mhz y 10 MHz. Oscilador Tipo RC Los osciladores RC, son osciladores de bajo costo constituidos por una resistencia y un condensador, y ofrece un rango de frecuencia poco estable. Este tipo de oscilador a diferencia de sus contrapartes se conecta de forma distinta al microcontrolador. Ver Imagen Nº 24. Imagen Nº 24. Oscilador RC

Fuente: Elaboración propia 59

2.2.8.3Arquitectura Harvard La

arquitectura

Harvard

es

la

generalmente

utilizada

en

los

microcontroladores, está basada en un procesador que está unido a dos memorias diferentes por medio de dos buses independientes. Estas memorias se encargan de separas los datos de las instrucciones, es decir, los datos del programa están separados del programa en si. Los buses separados permiten tener dos anchos de bandas distintos, de tal forma que hay 14 bits para acceder a la memoria de programa y 8 bits para acceder a la memoria de datos. Ver Imagen Nº 25 Imagen Nº 25. Arquitectura Harvard

Fuente: Los Autores. 2.2.8.4 Arquitectura Von Neumann La arquitectura Von Neumann generalmente es la utilizada en los microprocesadores, a diferencia de la arquitectura harvard, esta utiliza un mismo dispositivo para almacenar las instrucciones y los datos. Esta arquitectura aplica en ordenadores cuya estructura conste de cinco partes: La unidad lógica Aritmética (ULA), la unidad de control, la memoria, un dispositivo de entrada-salida y un

bus de datos común. En la imagen siguiente se

demuestra gráficamente el concepto de la arquitectura. 60

Imagen Nº 26.Arquitectura Von Neumann

Fuente: Los Autores. 2.2.8.5 Tecnología RISC La tecnología RISC (Conjunto Reducido de Instrucciones) históricamente está basada en el estudio realizado por Jhon Von Neumann conocido por ser el inventor del primer programa de computador, Maurice Wilkes padre de la microprogramación

y

Seymour

Cray

creador

de

los

primero

supercomputadores. Surge de la necesidad de incrementar el rendimiento del microcontrolador para realizar tareas establecidas, partiendo de la ejecución de instrucciones lógicas simples ( 35 Instrucciones ) , que permitan al procesador trabajar a una velocidad más rápida ya que cada instrucción puede ser ejecutada por un ciclo de reloj, reduciendo la cantidad de ciclo necesarios para ejecutar un conjunto de instrucciones, lo que adjudica características importantes de velocidad y eficiencia a los procesadores RISC. La filosofía de funcionamiento de la tecnología RISC está basada en una tecnología de proceso denominado “pipeline” (conductos), lo que permite al microprocesador poseer la capacidad para ejecutar una instrucción, mientras otra está siendo interpretada por el mismo, lo que representa un nivel elevado de simultaneidad.

61

La imagen próxima muestra la estructura interna del PICmicro de la familia 16F87X seleccionado para el diseño del prototipo, previamente se explica los bloques del mismo. Imagen Nº 27. Estructura del PICmicro (16F87X)

Fuente: Datasheet PIC16F87X. Microchip Technology Inc. 2001.

62

2.2.8.6 Memoria en los PICmicro La memoria

de instrucciones y de datos en los PICmicro están

integradas en el mismo chip, está constituida por dos bloques de memorias separados, una memoria no volátil del tipo ROM destinada para las instrucciones que ejecuta el microcontrolador y una memoria volátil de lectura y escritura del tipo RAM para los datos y las variables. En la siguiente tabla se muestra la capacidad y distribución de memoria en los PICmicro de la familia 16F8XX. Tabla Nº 4. Memoria del PICmicro

Fuente: Datasheet PIC16F87X. Microchip Technology Inc. 2001. 2.2.8.6.1 Memória de Programa (Flash Program Memory) La memoria de programa de los microcontroladores PIC está compuesto por 4 bloques constituidos por celdas en donde están almacenadas las instrucciones que ejecuta el microcontrolador. Cada celdas posee numero hexadecimal que le asigna una dirección especifica en el bloque, de esta forma las celdas están direccionadas con números enteros consecutivos, partiendo desde 00h hasta 7FFH para la pagina 0. Esta memoria es de solo lectura por lo que es del tipo ROM o FLASH. Ver Imagen N º 28.

63

Imagen Nº 28. Bloques de la memoria de programa

Fuente: Elaboración propia 2.2.8.6.2 Memoria de Datos Esta memoria cuenta con una memoria volátil de lectura y una estructura de tipo RAM en donde se encuentran los registros. Es utilizada para el almacenamiento de data y por lo general es complementada con una memoria EEPROM que aumenta la capacidad de la misma, lo cual permite al microcontrolador manipular un número determinado de data. La capacidad de la memoria está definida por el tipo de microcontrolador PIC que se utilice. A igual que en la memoria de programa la memora de datos está estructurada por 4 partes denominadas bancos, cada banco está formado por celdas consecutivas que tienen asignado un valor hexadecimal que define la ubicación de esta en el banco. Las celdas que constituyen los bancos de la memoria almacenan registros. Ver imagen Nº 29.

64

Imagen Nº 29. Bancos de la memoria de datos

Fuente: Elaboración Propia. 2.2.8.7 Registros de Memoria Los registros de memoria se encuentran distribuidos en los 4 bancos de que conforman la memoria de datos, y están clasificados en dos tipo:

•

Registros de propósito general.

•

Registros de funciones especiales.

Registros de Propósito General Los registros de propósito general de la memoria de datos son los registros disponibles para el libre uso por parte del usuario. Registros de Funciones Especiales Los registros de funciones especiales están orientados a la configuración de control del microcontrolador y al control de acceso a sus periféricos. Los SFR determina el modo de operación del microcontrolador. Ver Imagen Nº 31.

65

Imagen Nº 30. Disposición de registros en los bancos del PICmicro (16F87X)

Fuente: Datasheet PIC16F87X. Microchip Technology Inc.2001

66

2.2.8.8 Set de Instrucciones del Microcontrolador

Debido a que los microcontroladores PIC trabajan con la arquitectura RISC, posee un conjunto reducido de 35 instrucciones lógicas, que permiten la elaboración de programas destinados a realizar una tarea predeterminada.

2.2.8.9 Recursos del PICmicro

- Timers: Es un recurso que permiten controlar periodos de tiempo (temporizadores) y llevar un control numérico de eventos externos. - Watchdog (perro guardián): Es un recurso muy útil que consiste en un temporizador que al desbordarse provoca un reset automático del sistema - Estado de bajo consumo o reposo: El estado de bajo consumo o de permite al microcontrolador permanecer en espera de un evento externo para reactivar el funcionamiento. - Conversor A/D y D/A: Los conversores A/D y D/A permiten al microcontrolador procesar todo tipo de señal analógica, como también puede procesa datos digitales. - Puertos de comunicación: este recurso le permite al microcontrolador establecer comunicación con dispositivos externos, con otros buses de microcontroladores y buses de sistemas. Entre los puertos destacados están:




UART (Adaptador de comunicación serie asincrona).




USART (adaptador de comunicación serial sincronía y asincrona).




Puerto paralelo esclavo para comunicación con otros buses.




USB (Bus Serial Universal). Bus de comunicación para PC.




I2C bus de comunicación para microcontroladores ubicados en el mismo circuito impreso.

67

2.2.8.10 Puertos de E/S

Los puertos de entrada/salida son puertos disponibles para ser configurados según las necesidades de la aplicación, la configuración está determinada por la manipulación de registros de funciones especiales, que permiten especificar que puertos trabajan como entrada y que puertos trabajan como salida. En el caso el caso del PICmicro de la familia 16F87X el número de puertos disponibles es de 5, y están representados de la siguiente manera:




PortA (Puerto de 6 Bits, RA0-RA5).




PortB (Puerto de 8 Bits, RB0-RB7).




PortC (Puerto de 8 Bits, RC0-RC7).




PortD (Puerto de 8 Bits, RD0-RD7).




PortE (Puerto de 3 Bits, RE0-RE2).

2.2.9 Visual Basic

Desarrollado por el alemán Alan Cooper para Microsoft, Visual Basic es un lenguaje de programación completamente gráfico que permite la elaboración de interfaces gráficas así como también, la programación misma. Nace del lenguaje BASIC (Beginner´s All-purpose Symbolic Instruction Code) diseñado originalmente en el Dartmouth College, a fin de servir de inicio en algún lenguaje de programación por lo que es considerado como “lenguaje para principiantes”

68

Visual Basic constituye un entorno de desarrollo integrado (IDE) que consiste en un editor de códigos fuentes, un depurador encargado de corregir los errores del código para su posterior compilación, un compilador diseñado para traducir el código fuente a lenguaje de máquina y un constructor de interfaz gráfica o GUI que posibilita de la creación de la parte gráfica de forma visual evitando la programación en código de la misma. El compilador de VB genera ejecutables que requieren una biblioteca de enlace

dinámico

(DLL)

encargada

de

proveer

todas

las

funciones

implementadas en el lenguaje. Además existen un gran número de bibliotecas DLLs que facilitan el acceso a muchas funciones del sistema operativo, como el manejo de puertos y la integración con otras aplicaciones. También permite el uso de la plataforma de los sistemas Windows con un alto nivel de facilidad, dado que posee el acceso total a la interfaz de programación de aplicaciones (API) de Windows. 2.2.9.1 Visual Basic Express Visual Basic Express es una moderna versión amigable de Visual Basic, de fácil aprendizaje, que logra simplificar notablemente la programación de Visual Basic, lo que lo convierte prácticamente en una herramienta para la formación del usuario en programación en lenguaje Visual Basic y ésta se encuentra disponible de forma gratuita en Internet Visual Basic Express es un software de fácil manejo capaz de proporcionar un entorno de desarrollo totalmente funcional a los programadores que deseen generar aplicaciones de formularios Windows Forms, aplicaciones cliente de Windows Presentation Foundation, aplicaciones de explorador de

69

Windows Presentation Foundation, aplicaciones de consola, bibliotecas de clases y aplicaciones y componentes plenamente funcionales para compartirlos con otros usuario. El programa es idóneo para desarrollar aplicaciones completas con acceso a bases de datos o a un servicio web. 2.3 Términos Básicos -Electromagnetismo: Según el diccionario Enciclopédico Salvat (1968) . " Es la parte de la Física que estudia las acciones magnéticas de la corriente eléctrica". -Fusible:

Según Camarena, P (1974), Es un dispositivo, constituido por un

hilo o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión, que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos. - Motor: Según el diccionario Enciclopédico Salvat (1968). Fuerza o cuerpo portador de ella que produce un movimiento, y particularmente el que, aplicado como potencia a una máquina, es causa del movimiento a un vehículo o artefacto. - Joystick: Según

Editors of the American Heritage Dictionaries es un

periférico de entrada con activación de botón que consiste en un palanca adjunto con un pivote a una base de plástico. -Bit: Según León Mario un bit es un digito binario. - Robótica: Según Isaac Asimov (1920), para describir la tecnología referente a los robots, opinó lo siguiente en su obra titulada yo,robot (1950)"la robótica es 70

la conexión inteligente de la percepción". - Corriente: Según Smith, R (1968), Es el flujo de portadores de carga eléctrica, normalmente a través de un cable metálico o cualquier otro conductor eléctrico, debido a la diferencia de potencial creada por un generador de corriente. -Relé: Según Boylestad (2003), Un relé es una bobina electromagnética con par de contactos que se abren o cierran dependiendo de la configuración.

- Polipasto: Según Diccionario de la Lengua Española - Vigésima segunda edición (1998) Aparejo de dos grupos de poleas uno fijo y otro móvil que se utiliza para levantar o mover una carga. - Byte: Según León, Mario un byte es un conjunto de 8 bits (octeto). - Árbol: El Diccionario de la Lengua Española en su 21º edición (1992) lo define, Barra fija o giratoria que en una maquina sirve para soportar piezas rotativas o para transmitir fuerza motriz de unos órganos a otros. - Eje: Según la Gran Enciclopedia Espasa (2005). Varilla que atraviesa un cuerpo giratorio y le sirve de sostén en el movimiento. Pieza que transmite el movimiento de rotación en una maquina.

71

2.4 Sistema de Variables Tabla Nº5. Sistema de Variables

72

Fuente: Los Autores

73

3. CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO

3.1 Tipo de Investigación Según el Manual de Trabajo de Grado de Especialización y Maestría y Tesis Doctorales (1998), de la Universidad Pedagógica Experimental Libertador, dice que." El Proyecto Factible consiste en la investigación, elaboración y desarrollo de una propuesta de un modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de organizaciones o grupos sociales, puede referirse a la formulación de políticas, programas, tecnologías, métodos o procesos. El proyecto debe tener apoyo en una investigación de tipo documental, de campo o un diseño que incluya ambas modalidades. " En función del propósito del estudio, se puede definir el tipo de investigación elegido como un proyecto factible, debido a que consiste en la investigación, diseño e implementación de un módulo prototipo de prueba Pick and Place tipo puente grúa ausente actualmente en las instalaciones de la institución; que ofrecerá de esta manera una mejora a la infraestructura tecnológica del laboratorio de control de la Universidad, satisfaciendo así los requerimientos y necesidades de la organización en cuanto a la formulación de nuevas tecnologías. El módulo prototipo de prueba Pick and Place tipo puente grúa tendrá la capacidad de proporcionarle al estudiantado una nueva herramienta de estudio a través de la cual podrá ejecutar pruebas y practicas reales. A su vez el personal docente contara con un medio de enseñanza dinámica y práctica que le permita mejorar los métodos de evaluación.

74

3.2 Diseño de la investigación

Como señala Balestrini, M (2001) “…el diseño de investigación se define en función de los objetivos establecidos en el estudio, es importante señalar, que no existe un solo tipo de diseño o modelo de diseño a utilizar para todas las investigaciones”. (p. 131) Tomando en cuenta la definición citada, se propone necesariamente un diseño de la investigación que se adapte a los objetivos planteados. Al estudiar detalladamente y con detenimiento los objetivos planteados para la investigación y las peculiaridades que derivan del problema objeto de estudio es posible establecer que el trabajo de grado se define como una investigación documental ya que se requiere de libros de texto, manuales y datasheets para llevar a cabo el estudio de las características actuales de los robot Pick and Place en cuanto a su funcionamiento y el estudio de motores y servomotores así como el análisis e identificación de las características técnicas y componentes de los sistemas que integraran el módulo prototipo, tal como se menciona en el Manual de Técnicas de Documentación e Investigación II (1979), de la Universidad Nacional Abierta. : “El diseño bibliográfico o documental consiste en una estrategia de investigación cuya fuente principal de datos está constituida por documentos escritos, los cuales selecciona el investigador de acuerdo a la pertinencia al estudio que realiza”. Balestrini, M (2001) “En el caso que nos ocupa, en relación a los estudios exploratorios, descriptivos, diagnósticos, evaluativos, formulación de hipótesis causales o experimentales y los proyectos factibles, los diseño de investigación siempre serán de campo”. (p. 132)

75

Basándose en la cita previamente planteada, referente al objeto de estudio se puede definir a su vez el diseño de investigación como una investigación de campo, debido a que presenta una serie de métodos evaluativos y de diagnósticos, como la definición del software, necesario para controlar el módulo, la identificación de los sistemas mecánicos de rodamientos y el diseño e implementación del módulo tal y como se encuentran planteados en los objetivos específicos. Según lo indicado por Acevedo,R (1999) “…la declaración de esta clasificación es para fines exclusivamente didácticos, se fundamenta en el hecho de que en realidad ninguno de los tipos allí indicado se da en estado puro, si no que en toda investigación se persigue un propósito señalado, se busca un determinado nivel de conocimiento y se basa en una estrategia particular o combinada..” Debido a la naturaleza de los métodos, se considera el

diseño de

investigación de carácter mixto, debido a que cada una de las clasificaciones mencionadas anteriormente no se encuentra en estado puro, ya que se busca obtener los aspectos fundamentales de cada diseño.

3.3 Población y Muestra Para un mejor entendimiento de lo que representa la población y muestra de la investigación es necesario definir y aclarar cada uno de estos términos. Como señala Gabaldon, Néstor (2000) “..Estadísticamente hablando, por población se entiende un conjunto finito o infinito de personas, casos o elementos que presentan características comunes, como por ejemplo, una población puede estar constituida por los habitantes de Venezuela, por el total de vehículos de Caracas, por el número de nacimientos o defunciones en Maracay”. 76

Se pueden estudiar distintos tipos de poblaciones, se clasifican las poblaciones en dos tipos: Finitas, cuando está estructurada por un número limitado de elementos e infinita, cuando la población es muy grande y no se conocen límites precisos de esta. Por lo tanto se hace necesario recurrir a un procedimiento de muestreo y de esta forma definir una muestra, como una parte de la población a estudiar y mediante la cual se busca conocer de manera aproximada las características propias de una determinada población. La población a la cual está dirigida la investigación está representada por el número de alumnos inscritos en la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta que pertenezcan a un semestre de ubicación igual o mayor al sexto semestre (61 estudiantes) y a los profesores que dictan las clases de Ing. Industrial, Electrónica Industrial, Sistemas de Control, Microcontroladores y Robótica (5 Profesores), dando como total una población finita de 66 personas, debido a que son ellos quienes obtendrán los beneficios del módulo planteado. Como lo expresa Gabaldon, Néstor (2000) “.La muestra estadística es una parte de la población, o sea, un número de individuos u objetos seleccionados científicamente, cada uno de los cuales es un elemento del universo. La muestra es obtenida con el fin de investigar, a partir del conocimiento de sus características peculiares, las propiedades de una población…”. De tal forma se busca garantizar que la muestra sea representativa en toda la población estudiada, es decir, que sea precisa y con el menor número de riesgos posibles.

77

Según Hernández. S, Roberto. Fernández. C, Carlos. Baptista, Pilar. (1994) “..La muestra es, en esencia, un subgrupo de la población. Digamos que es un subconjunto de elementos que pertenecen a ese conjunto definido en sus características al que llamamos población.”.

Se utilizará una muestra aleatoria también conocida como probabilística, en donde los elementos que conforman la población tienen la misma posibilidad de ser seleccionado, de tal manera que se puede determinar el número de elementos que conforman el subconjunto de la población por medio de la siguiente fórmula:

Formula Nº 1.Formula para calcular población finita. n = ( N. Z2. S2 ) / (( N-1). E + Z2.S2) Fuente: Ramírez, I. N = Tamaño de la población. (Nº de estudiantes de la Escuela de Ing. Electrónica UNE.) Y = Valor de la Variable (por lo general es = 1). Z = Varianza tipificada (95 %, Z = 2 | 99 %, Z=3). S = Desviación Standard (típica 15 %). e = Error Muestral (típico 5 %). n = Tamaño de la Muestra. Insertando los datos en la fórmula, se tiene:

( 66 x (2)2 x(0.15)2)

n=

((66 -1) x 0,05 + (2)2 x (0.15)2)

= 5.94 = 2 3.34

n = 2 Estudiantes de la Escuela de Ing. Electrónica. UNE De acuerdo con fórmula utilizada para que el estudio presente un 95% de confiabilidad es necesario tomar en cuenta, una muestra de 2 elementos seleccionados al azar.

78

3.4 Técnicas de Recolección de datos

Según los expresado por Acevedo, R (1999) “... Se conoce como instrumento de recolección de datos a todos aquellos que le permitirá registrar la información que le interesa, la cual, posteriormente será procesada para extraer conclusiones que le permitirán comprobar o rechazar las hipótesis formuladas…”. Como resalta Balestrini, M (2002) sobre las dimensiones de la investigación documental “…se emplearan una diversidad de técnicas e instrumentos de recolección de la información que contienen principios sistemáticos y normas de carácter práctico, muy rigurosas e indispensables para ser aplicados a los materiales bibliográficos que se consultarán a través de todo el proceso de investigación, así como, en la organización del trabajo escrito que se producirá al final del mismo…” La Observación

Tal y como lo expresa Balestrini, M (2002) “… Se deben indicar también todos aquellos métodos que incorporan la observación, bien sea humana o mecánica para el análisis de la

conducta o cualquier hecho social.

Observación científica, sometida a un conjunto de condicionamientos que permite el refinamiento de nuestros sentidos a partir del empleo de una serie de técnicas, con el propósito de que los datos se hagan más asequibles y se pueden obtener de la realidad estudiada..” Con relación a la técnica de recolección de información, el método de la observación resultó ser el más conveniente al momento de diseñar, construir, evaluar e implementar del robot prototipo de prueba Pick and Place tipo puente

79

grúa, así como permitió visualizar el funcionamiento, rendimiento, fiabilidad del equipo, previniendo posibles fallas que pudiera presentar. Observación Documental Según Balestrini, M (2002) “ A partir de la información documental, como punto de partida en el análisis de la fuentes documentales, mediante una lectura general de los textos, se iniciara la búsqueda y observación de los hechos presentes en los materiales escritos, consultados que son de interés para esta investigación… a fin de captar sus planteamientos esenciales y aspectos lógicos de sus contenido y propuestas a propósito de extraer los datos bibliográficos útiles para el estudio que se está realizando”. La observación documental es una herramienta fundamental en el desarrollo y construcción del equipo, ya que a través de esta se pueden obtener, directamente, los datos de la realidad empírica, sin agentes o intermediarios que distorsionen de alguna manera la información, extraída de libros de textos, datasheet y manuales. La Encuesta

Según Acevedo, R. Rivas, J. (1999) “…es uno de los instrumentos más utilizados, y consiste en una serie de preguntas cuyas características permiten obtener información escrita de los respondientes”.

Esta herramienta se compone de una serie de preguntas del tipo restringido o cerrado o del tipo no restringidas o de final abiertas, de las cuales se obtienen fáciles respuestas que requieran de poco tiempo y que no permiten que el sujeto se salga del tema, facilitando el registro y clasificación de la información.

80

Análisis Crítico Esta técnica está integrada

por dos herramientas fundamentales, la

presentación resumida y el resumen analítico, donde la presentación resumida tal y como lo expresa Balestrini, M (2002) “… permitirá dar cuenta de manera fiel y en síntesis, acerca de las ideas básicas que contienen las obras consultadas..” y donde la técnica de resumen analítico ofrece un apoyo para descubrir la estructura de los documentos consultados y así delimitar sus contenidos básicos en función de lo que se desea obtener como dato. De tal manera que una vez dada a conocer la importancia de las técnicas anteriormente mencionadas, serán empleadas en todo lo relacionado al desarrollo y elaboración del marco teórico de la investigación, lo que abarcará el estudio de las características actuales de los Robot “Pick and Place”, la identificación de los sistemas mecánicos, el estudio de los distintos tipos de motores y servos, la transmisión serial de datos y así como el diseño y construcción del prototipo.

81

Tabla Nº 6. Resultados de la Encuesta Preguntas

Opciones

1. ¿Considera usted necesaria la implementación de nuevas tecnologías en los laboratorios de la Universidad Nueva Esparta?

2. ¿Cree usted que es importante la interacción del alumno con sistemas robóticos existentes en la actualidad?

3. ¿Estaría de acuerdo con la implementación de un módulo robot de pruebas con la capacidad de manipular un proceso industrial en un ambiente de laboratorio académico?

4. ¿Cree usted que la implementación de Robot de prueba Pick and Place tipo puente grúa mejorara la calidad de servicio que brinda la institución?

Alumnos

Porcentaje

SI

52

94,5%

NO

3

5,5%

SI

51

92,8%

NO

4

7,2%

SI

55

100%

NO

0

0%

SI

49

89%

NO

6

11%

Fuente: Los Autores 82

83

3.5 Análisis de los Resultados Según Selltiz y Jahoda (1976) “…el propósito del análisis es resumir las observaciones llevadas a cabo de forma tal que proporcionen respuestas a las interrogantes de investigación” (p.430). Los datos adquiridos a raíz de la encuesta fueron

procesados y

analizados para determinar si realmente es necesaria la implementación de nuevas tecnologías en los Laboratorios de Control de la Universidad Nueva Esparta, y que beneficios y mejoras pueden derivar del desarrollo del sistema propuesto. Los métodos de recolección de datos permiten realizar una evaluación del funcionamiento del robot para determinar si el equipo cumple con las necesidades fundamentales por el cual fue diseñado. Como conclusión general de la encuesta, puede decirse, que ciertamente el módulo de prueba “Pick and Place” tipo puente grúa cumpliría con el

objetivo por el cual fue construido, de acuerdo a los resultados

obtenidos en cada una de las preguntas.

84

4. CAPÍTULO IV. SISTEMA PROPUESTO 4.1 Diagrama en Bloques En busca de un mejor entendimiento del sistema propuesto para la investigación, es necesario explicar de forma detallada la utilidad y el papel que juegan cada una de las partes que componen el módulo, tal como se muestra en la imagen Nº 31 y posteriormente se explican. Imagen Nº 31. Diagrama en Bloques

Fuente: Los Autores.

-Microcontrolador: El microcontrolador PIC, se encarga de procesar la información proveniente del DTE, de los sensores de posicionamiento (encoders), los pulsadores y el joystick del modo de operación manual, como 85

también así controlar los puentes H que manejan los motores y el electroimán que recogerá la ficha. Es importante destacar que el manejo del microcontrolador PIC está basado en un programa previamente diseñado con las características y necesidades requeridas. -Max232: El circuito integrado Max232 se encarga de transformar los valores provenientes del DTE (RS-232) a niveles TTL que el microcontrolador y los otros componentes manejan. -DTE: El DTE constituye el software de manejo del robot, ya que este representa la interfaz gráfica en donde el usuario podrá ingresar coordenadas de origen y destino que serán ejecutadas por el robot. -Puente H: Los puente H se utilizan para controlar la dirección de los motores, dicho circuito está constituido por Relés y Opto acopladores que permiten aislar las señales de control de los puente H provenientes del microcontrolador PIC de las señales que activan las bobinas de los relés. -Sensores Final de Carrera: Los sensores de final de carrera cumplen la función de informar al microcontrolador PIC que la grúa ha llegado al tope del puente, y de esta forma evitar el trabajo forzado de los motores. -Electroimán: El electroimán se encarga de recoger la ficha que fue seleccionada, como también así dejarla en el destino sugerido, el control de este actuador está determinado por el microcontrolador PIC. -Encoder: El Encoder es el dispositivo que le permite al microcontrolador saber la ubicación exacta de la grúa, y de esta forma realizar movimientos exactos. Los encoder se encuentran acoplados al eje de los motores, ya que de estos depende el movimiento de la grúa.

86

-Control de mando manual Joystick: El control de mando manual está conformado por una serie de botones con funciones específicas y un Joystick que permite la manipulación manual de la grúa. 4.2 Funcionamiento del Robot Pick and Place Este sistema debe ser capaz de funcionar en dos modos de operación, el primero deberá ejecutar una serie de parámetros o coordenadas que hacen referencia a una ubicación de origen específica dentro de la base matricial, en donde la grúa deberá recoger

el objeto (carga) y dejarlo en la ubicación

establecida como destino. Las coordenadas de origen y destino son definidas o escritas a través de un computador externo el cual posee un software que representa la interfaz gráfica máquina-usuario, en donde además se podrá reiniciar o detener la máquina. El segundo modo de operación deberá permitir la manipulación directa del robot a través de un tablero de control, que está conformado por un Joystick y una serie de botones con funciones específicas como; parada de emergencia, home y volver a modo automático. Para el correcto funcionamiento de robot se decidió usar un sistema de control a lazo cerrado, controlado por un microcontrolador PIC modelo 16f877.

87

4.3 Tipos de aparatos de mando y señalización Industrial Los aparatos de mando y señalización industrial representan los elementos que deben utilizarse para indicarle al microcontrolador cada uno de los estados de la máquina, así como a su vez se encargan de enviar señales de control de proceso. Los elementos de señalización utilizados para la realización de este proyecto son: - Finales de carrera de tipo sin rueda, que pueden configurarse como contactos N/A o N/C (normalmente abierto o normalmente cerrado). Estos dispositivo serán utilizados para indicar que alguna de las partes móviles del robot esta llegando al final de los rieles. - Botones pulsadores: Estos dispositivos conforman el tablero de control manual del robot. A continuación se explican cada uno de ellos.  Botón de parada de emergencia: permite interrumpir el proceso de forma inmediata y detener al robot.  Botón de home: Este botón obliga al robot a regresar a la posición inicial preestablecida.  Botón de Reset: Este botón permite reiniciar la máquina para iniciar un nuevo proceso.  Botón de encendido: Este botón permite encender o apagar el robot. -Joystick: Este dispositivo permite la manipulación directa y en tiempo real del robot.

88

-Selector: Este dispositivo permite seleccionar el modo de operación en que trabajara el robot, ya sea modo automático o manual. - Encoders rotatorios: Estos dispositivos se encuentra acoplado a cada uno de los ejes de los motores (motor X y motor Y), y le proporcionan al microcontrolador la información necesaria para saber la ubicación exacta de la grúa. Los elementos de mando utilizados en la realización de este proyecto son: -Relevadores: estos elementos proporcionan un total aislamiento eléctrico entre la corriente de accionamiento (corriente que circula por las bobinas) y los circuitos controlados por los contactos, lo que permite que se puedan manejar altos voltajes y corrientes por medio de bajas tensiones de control. Los relevadores utilizados son 12 V/ 100 V, estos permiten el accionamiento de los motores del robot y del actuador que recogerá la carga.

89

4.4 Software de control del Robot El software del robot está estructurado por dos partes, la primera de ella por un programa diseñado en Visual Basic que representa la interfaz grafica en donde el usuario puede ingresar las coordenadas, y la otra por un microcontrolador Pic modelo 16f877, que se encarga de recibir los datos (coordenadas) provenientes de un computador externo y ejecutarlas, como también así permitir el control manual del robot. El microcontrolador seleccionado fue un PIC modelo 16F870, ya que este cumple con los requerimientos necesarios para desarrollar este Trabajo de Grado, como por ejemplo: suficiente cantidad de puertos, velocidad de procesamiento, suficiente memoria, etc. La programación del microcontrolador PIC se realizó en Assembler de acuerdo al set de instrucciones propias del microcontrolador. El software de control fue diseñado de tal forma que permita que el robot realice el proceso de reubicación del objeto, teniendo en cuenta los elementos de señalización previamente explicados. 4.5 Tablero Eléctrico de Control En primer lugar se midieron todos los elementos que conforman el sistema de control de la máquina, para así diseñar la estructura en la que debían ser colocados. Se determinó colocar todos los botones e interruptores y joystick en un tablero de fácil acceso y entendimiento. La estructura donde está ubicado el tablero fue diseñado en acriquilico, con el fin de reducir el peso del robot, ya que la estructura de la grúa fue construida en hierro y acero.

90

4.6 Pruebas Realizadas Tabla Nº .Pruebas Realizadas Prueba

Condición

Observaciones 5 Volts.

Verificación de los valores de tensión exactos obtenidos de las fuentes de alimentación

7 Volts. Realizado de forma efectiva 12 Volts. 24 Volts

Pruebas de valores de tensión necesarios para un optimo desempeño por parte de los motores al momento de trasladar la carga

Realizado de forma efectiva

7 Volts.

Prueba del funcionamiento de los dispositivos interruptores electromecánicos (relés)

Realizado de forma efectiva

Totalmente operativos

Determinación del valor de tensión requerido por el electroimán para levantar una carga de 450 gr.

Realizado de forma efectiva

24 Volts.

Ensayo de activación y desactivación del electroimán

Realizado de forma efectiva

Totalmente operativos

Prueba de recepción de datos desde el puerto “B” del microcontrolador PIC encargados de activar los optoaisladores

Realizado de forma efectiva

Datos exactos

Prueba de obtención de datos por parte del microcontrolador PIC desde el tablero de control manual

Realizado de forma efectiva

Datos exactos

91

Prueba del funcionamiento del módulo en modo automático

Realizado de forma efectiva

Totalmente operativos

Prueba del funcionamiento del módulo en modo manual

Realizado de forma efectiva

Totalmente operativos

Prueba del funcionamiento de los codificadores rotatorios (encoders) de cada motor

Realizado de forma efectiva

Totalmente operativos

Medición de la cantidad de transiciones positivas (pulsos) emitidas por los encoders para hacer trasladar al carro y al puente por casillas

Realizado de forma efectiva

20 pulsos por casilla

Prueba de traslación por casilla por parte del puente (motor X)

Realizado de forma efectiva

20 pulsos por casilla

Prueba de traslación por casilla por parte del carro (motor Y)

Realizado de forma efectiva

20 pulsos por casilla

Prueba de transmisión de datos por puerto paralelo

Realizado de forma efectiva

Datos exactos

Prueba del funcionamiento del módulo Pick and Place acoplado a un computador personal mediante un cable DB25 de puerto paralelo

Realizado de forma efectiva

Totalmente funcional

Fuente: Los Autores.

92

Conclusiones

Como primer paso se realizó un análisis profundo de las posibles herramientas o nuevas tecnologías que pudieran mejorar la infraestructura tecnológica del laboratorio de control de la Universidad Nueva Esparta, y surgió la idea de diseñar e implementar un modulo robótico de pruebas del tipo “Pick and Place” tipo puente grúa, para de esta manera llenar un vacio o ausencia de este tipo de equipo en dicho laboratorio. Posteriormente, se identificaron los sistemas mecánicos de rodamientos indispensables para lograr el perfecto funcionamiento del equipo, para evitar de esta manera que se produzca cualquier tipo de imperfección en la movilidad de los componentes que lo integran. Seguidamente se estudiaron los diversos tipos de motores y servos de forma tal que se lograron identificar los necesarios para llevar a cabo la construcción del módulo de pruebas propuesto. Los motores seleccionados fueron motores DC (7V) con caja reductora para el movimiento del puente (Eje X) y del carro (Eje Y) y un solenoide para el movimiento del electroimán (Eje Z). Subsiguientemente, fue definido el software indispensable para la elaboración de un programa capaz de controlar el equipo desde un computador personal y fue elegido Visual Basic 6.0 el cual proporciona facilidad en envío de datos a través del puerto paralelo. Luego, se llevó a cabo el diseño y construcción del módulo de pruebas Pick and Place tipo puente grúa de acuerdo a la disposición ideal de los componentes dentro del módulo y al libre desplazamiento del mismo en tres grados de libertad definiendo así su alcance dentro del área de trabajo (base matricial) .

93

En cuanto al mecanismo de control, se utilizaron sensores final de carrera y circuitos encoder por cada motor, para conocer constantemente la ubicación exacta de las partes móviles del robot. El sistema fue evaluado periódicamente una vez terminada su construcción y realizada la conexión del mismo al computador personal a través del puerto paralelo. Las pruebas realizadas incluyeron el uso de la máquina en sus dos modalidades de funcionamiento y el suministro de cargas de diferentes pesos y tamaños. Gracias a estas pruebas se pudo concluir que se construyó de forma exitosa el módulo de pruebas Pick and Place tipo puente grúa para su posterior implementación en el laboratorio de control en la Universidad Nueva Esparta. Cabe destacar, que lo anteriormente señalado cumple con el objetivo general de este Trabajo de Grado, y que gracias a la construcción del módulo de pruebas Pick and Place tipo puente grúa se logra mejorar la infraestructura tecnológica del laboratorio de control de la Universidad Nueva Esparta, incrementando el desempeño del estudiantado en la realización de prácticas reales y sirviéndole al componente docente como herramienta para dinamizar la metodología de enseñanza.

94

Recomendaciones Se recomienda a las personas que deseen desarrollar algún sistema de control, elegir el PLC (Programmable Logic Controller) o el microcontrolador que se adapte a las funcionalidades que requiere el sistema. Al momento de seleccionar el mecanismo final de control (actuadores), se recomienda comparar los sistemas eléctricos y electromagnéticos, y seleccionar el que más se ajuste a las necesidades de la máquina. Para la construcción del tablero se recomienda situar los botones de control en un área de fácil acceso para el usuario del robot, ya que si llegase a ocurrir un fallo en la máquina, esta persona podría detener inmediatamente el proceso. Se sugiere, que una vez, finalizada la implementación de un robot, someterlo a evaluaciones, para de esta manera comprobar el correcto funcionamiento del equipo.

95

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Universidad

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101

ANEXOS

102

[Anexo A]

Universidad Nueva Esparta Escuela de Ingeniería Electrónica Miguel Mendoza, C.I: 17.023.824 Jesús Romero, C.I: 17.871.228

MODELO DE ENCUESTA Introducción: La presente encuesta servirá de herramienta de recolección de datos para un trabajo de investigación, para optar el Título de Ingeniero Electrónico en la Universidad Nueva Esparta. Dicha encuesta tiene como principal objetivo estudiar las observaciones referentes a la implementación de un Robot prototipo Pick and Place tipo puente grúa en el laboratorio de control de la universidad Nueva Esparta, como una herramienta innovadora, que mejore la infraestructura tecnológica de la Institución. El aporte que usted nos pueda brindar será de mucha ayuda. Instrucciones: Marque con una X la respuesta de su preferencia.

1. ¿Considera usted necesaria la implementación de nuevas tecnologías en los laboratorios de la Universidad Nueva Esparta? Si ____ NO___

2. ¿Cree usted que es importante la interacción del alumno con sistemas robóticos existentes en la actualidad?

103

Si ____ NO___

3. ¿Estaría de acuerdo con la implementación de un módulo robot de pruebas con la capacidad de manipular un proceso industrial en un ambiente de laboratorio académico? Si ____ NO___

4. ¿Cree usted que la implementación de Robot de prueba Pick and Place tipo puente grúa mejorara la calidad de servicio que brinda la institución? Si ____ NO___

104

[Anexo B] Esquemas Eléctricos del Sistema de Control Puentes H

105

Conexiones Microcontrolador Pic 16F877

106

Encoder o Sensores de Posicionamiento.

Fuentes de Alimentación

107

[Anexo B] Interfaz Gráfica (Software).

108

[Anexo C] Dimensiones de la Grúa

109

[Anexo D] Tablero de Control

110

[Anexo E] Software del Controlador LIST P=16F877 INCLUDE ENCODER1 EQU ENCODER2 EQU MOVEMENT EQU AUX_1 EQU DATA_ EQU ABSCISA ORDENADA EQU START_POINT EQU FIX_1 EQU FIX_2 EQU FIX_3 EQU FIX_4 EQU ORG 0 GOTO BEGIN

33H 34H 35H 36H 37H EQU 39H 40H 63H 64H 65H 66H

38H

ORG 4 ;LEER SI INTERRUMPIO ;LEER SI INTERRUMPIO POR USART ; MOVF RCREG,0 ; ANDLW 0X0F ;REPONER BANDERA ; RETFIE

BEGIN

ORG

16

BSF STATUS,5 BCF STATUS,6 CLRF PORTB MOVLW 0XFF MOVWF PORTA BCF STATUS,5 BCF STATUS,6 ; MOVLW 0X06 ; MOVWF ADCON1 CLRF ENCODER1 CLRF ENCODER2 CLRF AUX_1 CLRF DATA_ CLRF ABSCISA CLRF ORDENADA MOVLW 0XFF MOVWF FIX_1 MOVWF FIX_2 MOVWF FIX_3 MOVWF FIX_4 MOVLW .1 MOVWF FIX_3 ;////////////////////////////////////////////////////

111

;

HEXAS

;M1 RIGHT 0X01 ;M1 LEFT 0X02 ;M2 UP 0X04 ;M2 DOWN 0X08 ;OFF MOTORS 0X00 ; ; ;RA0 ;RA1 ;RA2

ENCODER1 ENCODER2

;RB0 ;RB1 ;RB2 ;RB3

MOTOR 1 ON/OFF MOTOR1 DIR MOTOR2 ON/OFF MOTOR2 DIR

00000011 00000001 00001100 00000100 00000000

;PRUEBA INICIAL CLRF PORTB #INCLUDE AGAIN MOVLW HIGH M2_UP MOVWF PCLATH CALL M2_UP ;RB0 ;

;

;

MOVLW D'12' MOVLW HIGH DELAY MOVWF PCLATH CALL DELAY MOVLW HIGH DELAY MOVWF PCLATH CALL DELAY CLRF PORTB MOVLW HIGH M1_RIGHT MOVWF PCLATH CALL M1_RIGHT ;RB1 MOVLW D'12' MOVLW HIGH DELAY MOVWF PCLATH CALL DELAY MOVLW HIGH DELAY MOVWF PCLATH CALL DELAY CLRF PORTB MOVLW HIGH M1_LEFT MOVWF PCLATH CALL M1_LEFT ;RB2 MOVLW D'12' MOVLW HIGH DELAY MOVWF PCLATH CALL DELAY MOVLW HIGH DELAY

112

MOVWF PCLATH CALL DELAY CLRF PORTB

;

MOVLW HIGH M2_DOWN MOVWF PCLATH CALL M2_DOWN ;RB3 MOVLW D'12' MOVLW HIGH DELAY MOVWF PCLATH CALL DELAY MOVLW HIGH DELAY MOVWF PCLATH CALL DELAY CLRF PORTB GOTO AGAIN

CONVERSION MOVWF DATA_ ANDLW 0X01 MOVWF ABSCISA MOVF DATA_,0 ANDLW 0X02 MOVWF ORDENADA MOVF DATA_,0 ANDLW 0X08 MOVWF START_POINT ;___________________________________________________ START_MOVEMENT ;FIRST WE ARE GONNA MOVE IN THE X AXIS, THEN Y AXIS SO WE HAVE TO READ ABSCISAS FIRST ;RIGHT FIRST CALL M1_RIGHT BTFSS PORTA,0 GOTO $-1 INCF ENCODER1,1 MOVF ABSCISA,0 MOVWF AUX_1 MOVF ENCODER1,0 XORWF AUX_1,0 BTFSS STATUS,2 ;IS THE GOAL POINT? GOTO $-8 ;NO BRO CLRF PORTB ;YES, TURN OFF THE MOTOR ;NOW UP CALL M2_UP BTFSS PORTA,1 GOTO $-1 INCF ENCODER2 MOVF ORDENADA,0 MOVWF AUX_1 MOVF ENCODER2,0 XORWF AUX_1,0 BTFSS STATUS,2 ;IS THE GOAL POINT?

113

GOTO $-8 ;NO BRO CLRF PORTB ;YES, TURN OFF THE MOTOR ;______________________________________________________________ RETURN_TO_START ;FIRST DOWN CALL M2_DOWN BTFSS PORTA,1 GOTO $-1 DECF ENCODER2,1 MOVF ENCODER2,0 XORLW 0X00 ;GOAL POINT BTFSS STATUS,2 ;IS THE GOAL POINT? GOTO $-6 ;NO BRO CLRF PORTB ;YES, TURN OFF THE MOTOR ;NOW LEFT CALL M1_LEFT BTFSS PORTA,0 GOTO $-1 DECF ENCODER1,1 MOVF ENCODER1,0 XORLW 0X00 ;GOA; POINT BTFSS STATUS,2 ;IS THE GOAL POINT? GOTO $-6 ;NO BRO CLRF PORTB ;YES, TURN OFF THE MOTOR ;______________________________________________________________

END

114

[Anexo F] Manual de Operación

Esquema de conexiones preestablecidas en el Robot “Pick and Place “tipo puente grúa. Conexión Joystick al Microcontrolador PIC 16f877. Pin

Configuración

LEFT

Rd3

IN

DOWN

Rd2

IN

RIGTH

Rd1

IN

UP

Rdo

IN

Conexión Botones al Microcontrolador PIC 16f877 Pin

Configuración

B1

Rd6

IN

B2

Rd7

IN

B3

Rd4

IN

B4 (Emergency Stop)

Rd5

IN

Conexión Sensores de posición (Encoder Rotarotios) al Microcontrolador PIC 16f877 Encoder

Pin

Configuración

X

Ra1

IN

Y

Ra2

IN

Conexión DB-25 (DTE) al Microcontrolador PIC 16f877 Nº Pin Conector DB-25

Pin Microcontrolador

Configuración

2

Rc0

IN

3

Rc1

IN

4

Rc2

IN 115

5

Rc3

IN

6

Rc4

IN

7

Rc5

IN

8

Rc6

IN

9

Rc7

IN

Conexión del Suiche Selector de modo de operación al Microcontrolador 16f877

Selector M. Operación

Pin

Configuración

Ra3

IN

Conexión Puente H Motor Y (UP-Down) al Microcontrolador PIC 16f877 Sentido

Pin

Configuración

UP

Rb5

OUT

DOWN

Rb2

OUT

Conexión Puente H Motor X (Left- Rigth) al Microcontrolador PIC 16f877 Sentido

Pin

Configuración

LEFT

Rb4

OUT

RIGTH

Rb1

OUT

Conexión Puente H Motor Z (UP-DOWN) al Microcontrolador PIC 16f877 Sentido

Pin

Configuración

UP

Rb3

OUT

DONW

Rb0

OUT

116