INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN
INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
SISTEMA MECATRÓNICO PARA ENSAMBLE DE PIEZAS
T E S I S
Para obtener el Título de
Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica
Presenta:
Pérez Cadena Vicente Francisco
Asesores:
M. en C. José Guadalupe Torres Morales.
M. en E. Vicente Pérez.
México D. F., 2008
SUMMARY
A problem in the educational institutions of technological teaching is the faulty equipment in the laboratories dedicated to the execution of practical and projects. Generally this is reflected in a faulty theoretical-practical preparation of the students.
A possible solution of the problem mentioned could be the equipment with own resources of the technical schools.
Particularly in the CNAD a prototype was created as a solution to the equipment lack of a Laboratory dedicated to the execution of practical of Robotics inside the subject of “Mechatronics Systems" that is imparted inside the specialization.
This document is about the design and the construction of a prototype denominated "Sistema Mecatrónico para Ensamble de Piezas" with the characteristics of a mechatronics system, presented as a possible solution to the lack of equipment in a Robotics laboratory dedicated to execution of practices, related to Mechatronics topics, especially of Robotics topics. This laboratory belongs to the “Centro Nacional de Actualizacion Docente” and it is located in the Control area.
Mechanically the prototype is of solid construction, thought for the Software (programming) and Hardware (Interfaces and control circuits) practices, related to mechatronics topics that seek to supplement and interact with some equipments that already exist in the laboratory, specifically with a Cell of Flexible Factory . This cell is constituted by four work stations, each one of them integrated with a Mitsubishi RV-M1 articulated arm robot with 5 degrees of freedom, besides four belt conveyors and control systems (PC's and PLC's), to which is sought to supplement with this prototype.
In the programming Software, some control examples have been implemented in Visual Basic to illustrate the accessible and friendly that it can be for the user and that they also serve as introduction and it shows that more programs can be developed according to the user’s requirements.
Among the intelligent system (represented by a PC and a PLC), and the different elements of the system, three different types of communication interfaces (sensors, actuators, mechanisms and complementary elements) have been designed and built. The most important are the parallel communication, the series communication and the USB communication between the PC and the system, those that have been implemented in the prototype.
INTRODUCCIÓN ... 2
CAPITULO 1 ANTECEDENTES... 4
1.1. Estado del arte. ... 4
1.1. 1 Aspectos Generales de la Mecatrónica... 4
1.1. 2 La Mecatrónica como necesidad de capacitación... 6
1.2. Elementos de diseño... 9
1.2. 1 Interfaces de comunicación... 9
1.2. 2 Protocolos de comunicación. ... 10
1.2. 3 El microcontrolador ... 15
1.2. 4 Adquisición de datos mediante sensores. ... 19
1.2. 5 Empleo de actuadores. ... 21
CAPITULO 2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ... 28
2. 1 Objetivo general. ... 28
2. 2 Justificación... 28
2. 3 Análisis de la necesidad... 30
2. 4 Determinación de los requerimientos... 32
2. 5 Metas de diseño... 34
CAPITULO 3 MARCO TEÓRICO ... 37
3. 1 Antecedentes de la investigación. ... 37
3.2 Especificación de requisitos. ... 42
3.2 1 Establecer las interfaces del sistema. ... 43
3.2 2 Desarrollo del hardware y selección del software. ... 43
3.2 3 Prueba y ensamble de los bloques de integración... 44
3.2 4 Diseño y fabricación del PCB... 45
3.2 5 Puesta en marcha. ... 47
3. 2 6 Metodología. ... 48
CAPITULO 4 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL... 49
4.1 Generalidades ... 49
4.2 Interfaz de comunicación del puerto paralelo ... 52
4.3 Interfaz de comunicación del puerto Serie ... 58
4.4 Interfaz de comunicación del puerto USB ... 62
4.5 Interfaz de comunicación Inalámbrica. ... 65
CAPITULO 5 EVALUACIÓN DE LAS ETAPAS DE CONTROL ... 67
5.1 Comunicación y control por el puerto paralelo ... 67
5.2 Comunicación y control por el puerto serie ... 83
5.3 Comunicación y control por el puerto USB... 90
5.4 Comunicación y control Inalámbrico... 94
RESULTADOS Y CONCLUSIONES. ... 99
Ø RESULTADOS ... 99
Ø CONCLUSIONES ... 105
BIBLIOGRAFÍA ... 106
ANEXOS INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA ... 107
ANEXO 1.1 Puerto paralelo. ... 107
ANEXO 1.2 Etapa selectora... 117
ANEXO 1.3 Puerto serie ... 119
ANEXO 1.4 Puerto USB... 128
ANEXO 1.5 Control Inalámbrico... 147
ANEXO 1.6 Etapa de actuadores... 159
ANEXO 1.7 Etapa de sensores... 164
ANEXO 1.8 Etapa de potencia... 166
ANEXO 1.9 Hoja de datos TLP5214. ... 168
ANEXO 2.0 Hoja de datos TIP120-122... 169
ANEXO 2.1 Hoja de datos PIC 16F876 Y 16F877. ... 170
ANEXO 2.5 Hoja de datos LM18200... 175
ANEXO 2.6 Hoja de datos MAX232... 176
ANEXO 2.7 Hoja de datos Transmisor TWS-BS-6... 177
ANEXO 2.8 Hoja de datos Receptor RWS-374-3 ... 178
INDICE DE ILUSTRACIONES.
Figura 1.1 Ingenierías integrantes de la Mecatrónica ... 6
Figura 1.2 Componentes básicos del microcontrolador. ... 16
Figura 1.3 Empleo de los Microcontroladores por sectores. ... 19
Figura 1.4 Algunos sensores detectores de objetos. ... 20
Figura 1.5 Actuadores neumáticos... 23
Figura 1.6 Actuadores Hidráulicos. ... 24
Figura 1.7 Actuadores eléctricos... 25
Figura 2. 1 Celda de Manufactura Flexible. ... 29
Figura 2. 2 Estaciones de trabajo... 30
Figura 2. 3 Perfiles y bandas empleados en las bandas... 33
Figura 2. 4 Bosquejo de la banda 1. ... 33
Figura 2. 5 Bosquejo de la banda 2. ... 33
Figura 2. 6 Bosquejo de la posición del prototipo... 34
Figura 3. 1 Prototipo de un robot SCARA de 3 grados de libertas. ... 41
Figura 3. 2 Pruebas del hardware. ... 44
Figura 3. 3 a Diseño y fabricación de los PCB. ... 45
Figura 3. 4 b Diseño y fabricación de los PCB. ... 46
Figura 3. 5 Puesta en marcha. ... 47
Figura 4. 1 Esquema general de un sistema de control. ... 49
Figura 4. 2 La PC como procesador de datos del proceso. ... 50
Figura 4. 3 La PC como tratamiento de información del proceso... 51
Figura 4. 4 La PC como control del proceso. ... 51
Figura 4. 5 Partes integrantes de un sistema de control. ... 52
Figura 4. 6 Esquema de una comunicación de bits serie-paralelo-serie ... 53
Figura 4. 7 Conector centronics tipo DB-25 hembra y macho... 54
Figura 4. 8 Diagrama a Bloques del sistema de control... 55
Figura 4. 9 Pantallas de diseño de circuitos con Protel... 56
Figura 4. 10 Esquema a bloques del Sistema de Comunicación Paralelo ... 57
Figura 4. 11 Grafico de la transmisión de un dato en serie... 59
Figura 4. 12 Comunicación serie a tres hilos Full Dúplex. ... 60
Figura 4. 13 Puerto serie RS-232 en PC (versión de 9 alfileres DB-9) ... 60
Figura 4. 14 Sistema de comunicación serie... 61
Figura 4. 15 Diseño del sistema de comunicación por USB... 63
Figura 4. 16 Esquema del sistema de control inalámbrico... 66
Figura 5. 1 Conectores DB-25 usados en el puerto paralelo. ... 67
Figura 5. 2 Imagen de un conector hembra DB-25. ... 68
Figura 5. 3 Esquema de la comunicación paralelo... 69
Figura 5. 4 Interfaz de actuadores puerto paralelo... 70
Figura 5. 5 Interfaz de sensores puerto paralelo... 71
Figura 5. 9 Pantalla de monitoreo y control del puerto paralelo. ... 75
Figura 5. 10 Circuito de la etapa de selección. ... 76
Figura 5. 11 Etapa de sensores. ... 76
Figura 5. 12 Circuito acondicionador de señal de sensores... 77
Figura 5. 13 Etapa de potencia para motores de c.d. ... 78
Figura 5. 14 Motor impulsor de las bandas. ... 79
Figura 5. 15 Puente H (LMD18200). ... 79
Figura 5. 16 Partes componentes del motor de c.d... 80
Figura 5. 17 Diagrama de conexiones del puente LMD18200... 80
Figura 5. 18 Aspecto físico de los Servomotores. ... 81
Figura 5. 19 Partes componentes de un servomotor. ... 81
Figura 5. 20 Tren de pulsos para control del servomotor. ... 82
Figura 5. 21 Ancho de pulsos y posición del servomotor. ... 82
Figura 5. 22 Diagrama esquemático de la etapa de actuadores ... 83
Figura 5. 23 Transmisión serie síncrona. ... 84
Figura 5. 24 Bosquejo del sistema de comunicación por el puerto serie. ... 85
Figura 5. 25 Estructura interna del MAX232. ... 86
Figura 5. 26 Circuito básico de comunicación mediante el MAX232... 87
Figura 5. 27 Pantalla de control para la comunicación serie... 87
Figura 5. 28 Conexiones de la etapa de buffers serie... 89
Figura 5. 29 Bosquejo del sistema de comunicación por el puerto USB... 92
Figura 5. 30 Diagrama de conexiones de la Interfaz USB. ... 93
Figura 5. 31 Pantalla de control para la comunicación USB. ... 94
Figura 5. 32 Esquema general del sistema de control inalámbrico. ... 95
Figura 5. 33 Circuito electrónico del transmisor. ... 96
Figura 5. 34 Circuito electrónico del receptor... 97
Figura 5. 35. Motores de engranes planetarios... 100
Figura 5. 36 Sensor de tipo inductivo... 101
Figura 5. 37 Sensor de tipo reflectivo... 101
Figura 5. 38 Actuador trabajando... 102
Figura 5. 39 Pieza ensamblada al final del proceso... 103
Figura 5. 40 Prototipo finalizado por la parte mecánica ... 103
Figura 5. 41 Tarjetearía electrónica funcionando ... 104
Figura 5. 42 Prototipo terminado... 104
INDICE DE ABREVIATURAS
ARQ Automatic Repeat-reQuest
CAD Diseño Asistido por Computadora CAE Enseñanza Asistida por Computadora CAM Manufactura Asistida por Computadora
CETIS Centro de Estudios Tecnológicos Industrial y de Servicios CBTIS Centro de Bachillerato Tecnológico Industrial y de Servicios CCS Custom Computer Services
CMF Celda de Manufactura Flexible CMS Celda de Máquina Sencilla
CNAD Centro Nacional de Actualización Docente CNC Control Numérico Computarizado
DGETI Dirección General de Educación Tecnológica Industrial FPGA Field Program Gate Array
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LC Link Controller
MPE-FEC Multiprotocol Encapsulation – Forward Error Correction OTP One-time password
PC Computadora Personal
PCB Diseños electrónicos para circuitos impresos
PIC Controlador de Interfaz Periférico (microcontrolador) PLC Controlador Lógico Programable
ROM Read Only Memory
SCSI Small Computer System Interface SMF Sistema de Manufactura Flexible TCP Transmission Control Protocol
USB Bus Serie Universal (Universal Serie Bus)
Tabla 1. Prototipos anteriores...38 Tabla 2. Configuración para el control de los motores….………73
RESUMEN
Una problemática casi generalizada que se presenta en la mayoría de las instituciones educativas del país que se dedican a la enseñanza tecnológica, es el deficiente equipamiento en talleres y laboratorios destinados a la realización de prácticas y proyectos. En la mayoría de los casos, esto se refleja en una deficiente preparación teórico-práctica de los educandos.
Particularmente en el caso del CNAD, se planteó la posibilidad de crear un prototipo que coadyuvara en parte, con el equipamiento de un Laboratorio destinado a la realización de prácticas de Robótica dentro de la asignatura de
“Sistemas Mecatrónicos” que se imparte dentro de la especialización.
El presente documento hace referencia al diseño y construcción del prototipo propuesto, llamado “Sistema Mecatrónico para el ensamble de piezas”, con las características necesarias para ser nominado como tal por las partes principales que lo integran, entre las que destacan: una etapa dedicada al sistema mecánico, que se encarga del ensamble de pequeñas piezas cilíndricas, otra etapa referida al sistema de control automático a base de sensores y actuadores que gobiernan el resto del sistema, una sección electrónica que se encarga del acondicionamiento de señales y la comunicación mediante circuitos electrónicos a base de microcontroladores e interfases y finalmente la etapa de computación, donde se introducen los programas necesarios para coordinar las acciones entre todos los subsistemas que integran a dicho prototipo.
Mecánicamente el prototipo resultante es de construcción robusta y apropiado, para ser utilizado como un equipo independiente o puede trabajarse conjuntamente con otros equipos ya existentes en el laboratorio para la realización de prácticas.
Por parte de la sección de programación, se diseñaron algunas interfases gráficas conjuntamente con algunos programas de control en ambiente Visual Basic considerados como tipo muestra para cada una de las aplicaciones, con la intención de hacerlos mas comprensibles y amigables para el usuario.
Por lo que concierne a la parte electrónica, se diseñaron y construyeron tres diferentes formas de comunicar el sistema inteligente (representado por la Computadora Personal) con el resto del sistema, mediante el puerto paralelo, el puerto serie y el puerto USB. También se diseñó y construyó un sistema de comunicación inalámbrica operado desde un teclado independiente para el control exclusivo de los actuadores
El constante avance tecnológico en todas las áreas de nuestra vida diaria hace necesaria la actualización de los conocimientos en forma continua y permanente, con la finalidad de mantener vigentes y competitivos a los diversos especialistas en sus respectivas disciplinas.
La adquisición de nuevos conocimientos y experiencias en las tecnologías actuales requiere de una preparación teórico-práctica adecuada, que implica en la mayoría de los casos, trabajar con equipos modernos que difícilmente se encuentran en las instituciones educativas dedicadas a la enseñanza tecnológica.
Una alternativa que puede coadyuvar a la solución de esos casos, es el autoequipamiento de los propios planteles educativos dedicados a este tipo de enseñanza.
Lo anteriormente expuesto fue la razón fundamental de la propuesta presentada en uno de los planteles educativos llamado Centro Nacional de Actualización Docente (CNAD) perteneciente a la Dirección General de Escuelas Técnicas Industriales (DGETI), dedicados a la enseñanza de la Mecatrónica, donde se diseño y construyo un prototipo llamado “Sistema Mecatrónico para ensamble de piezas” que incluyera el uso de algunas tecnologías actuales necesarias para la enseñanza de la Mecatrónica. El prototipo se diseñó bajo los requerimientos que a continuación se mencionan:
a) El uso de los microcontroladores, pretendiendo con esto reducir al máximo el volumen de la circuitería y dotar de cierto grado de inteligencia a algunas de las etapas, para lograr un control y una comunicación más eficiente.
b) Que cuente con un modo de monitoreo gráfico y de sencilla operación desde una PC, bajo un ambiente amigable para el usuario a base de pantallas previamente diseñadas en Visual Basic.
c) Que Incluya como mínimo tres formas de comunicación desde la PC hacia el resto del sistema (Paralelo, serie y USB) que pudieran ser seleccionadas desde un interruptor de dos polos cinco tiros operado en forma independiente.
d) Finalmente, que contenga varios tipos de sensores y actuadores, con la finalidad de garantizar la seguridad y la buena operación del sistema en su totalidad.
Los requerimientos anteriormente propuestos, se basaron en temas que se contemplan en la capacitación normal de la mecatrónica, y que podrán ser analizados y practicados con el apoyo del prototipo.
Aquí se aborda cada una de las correspondientes etapas de diseño del sistema de control y las experiencias obtenidas durante la construcción total del prototipo, El capítulo 1, inicia con un panorama general del estado del arte de la mecatrónica en la industria y su influencia en la educación tecnológica, haciendo hincapié en la problemática general que existe en los planteles dedicados a la enseñanza de la mecatrónica, citando el caso particular del CNAD como institución educativa dedicada a la especialización de docentes del subsistema DGETI, en esta nueva disciplina.
También se incluye en este capítulo, el estado del arte de algunos elementos de diseño que deben considerarse en la concepción de un prototipo mecatrónico.
En el capítulo 2, se aborda el planteamiento del problema, donde se expone el objetivo general del proyecto y se presenta un detallado análisis de las necesidades que conducen a la determinación de requerimientos que finalmente dan pauta a la obtención de las metas de diseño del prototipo que se propone como una alternativa de solución para coadyuvar a la implementación de equipos didácticos.
En el capítulo 3, se citan dentro del marco teórico, los antecedentes de prototipos mecatrónicos realizados anteriormente (desde agosto de 1996 hasta julio del 2007), en el CNAD y que fueron la base de elección para la metodología que se empleó en el desarrollo del prototipo Actual.
En general, el diseño de cada uno de los circuitos de control se aborda en el capítulo 4, particularizando en la forma en que se diseñó cada una de las interfases que hacen posible la comunicación de los puertos de la computadora personal (paralelo, serie y USB) con el resto del sistema.
Finalmente en el capítulo 5, se describe cada uno de los cuatro circuitos que controlan los diferentes tipos de comunicación paralelo, serie, USB e inalámbrico, empleados en el prototipo entre la PC, la consola de control de actuadores y el resto del equipo.
En las conclusiones se mencionan los aspectos más relevantes experimentados durante el desarrollo del prototipo y se hace una reflexión sobre las aportaciones y ventajas que se pueden obtener con el nuevo equipo.
ANTECEDENTES
1.1. Estado del arte.
Hace tiempo, cuando aún no se contaba con las diferentes tecnologías de la comunicación y la supercarretera de la información representada por Internet, no se tenía fácil acceso a los conocimientos y a la investigación sobre los avances tecnológicos y científicos, resultaba casi imposible estar actualizado y la gran mayoría de las personas solo consultando en revistas, reportajes y películas podían enterarse del aspecto físico que tenía un brazo mecánico, o quizás conocer la función de un chip dentro de una máquina.
Actualmente eso dejó de ser ciencia ficción, ya existe información en los medios masivos de difusión y mediante el uso de las nuevas tecnologías de la información y la comunicación se puede tener acceso a algunos centros de investigación en forma virtual en cualquier parte del mundo, también se pueden consultar grandes volúmenes de información disponibles en la red de Internet, para mantenerse enterados de los recientes avances tecnológicos en cualquier área.
1.1. 1 Aspectos Generales de la Mecatrónica.
Actualmente el paradigma de la ingeniería moderna es la actividad multidisciplinaría y las características más notables de esta especialidad son las modernas tecnologías y los altos niveles de automatización y flexibilidad.
Las nuevas tendencias tecnológicas impulsaron al desarrollo de redes de datos para construir sistemas de manufactura descentralizados, además de sistemas inteligentes, orientados a sistemas electromecánicos para el diseño y la manufactura.
El diseño de cualquier sistema de producción, proceso tecnológico, mecanismo o dispositivo, será tan exitoso como lo sea la interacción entre los especialistas en las diversas disciplinas que intervienen en la concepción del producto final.
La “mecatrónica” (acrónimo de mecánica y electrónica) es la combinación sinergética de las ingenierías mecánica, electrónica, informática y eléctrica (de
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alguna de las dos anteriores, sin embargo es importante destacarla por el importante papel que el control juega en la mecatrónica. La sinergía consiste en que la integración de las partes sea superior a la simple unión de éstas.
La mecatrónica está centrada en mecanismos, componentes electrónicos y módulos de computación los cuales combinados hacen posible la generación de sistemas más flexibles, versátiles, económicos, fiables y simples.
Esta disciplina tecnológica es cada vez más frecuente en el diseño, fabricación y mantenimiento de innumerable variedad de productos y procesos de la ingeniería.
Entre los aspectos más relevantes de la mecatrónica podemos mencionar a los sensores y transductores de todo tipo, el acondicionamiento de señales, los sistemas de presentación de datos, los sistemas neumáticos e hidráulico, los componentes de actuación mecánica y accionamiento eléctrico, los modelos de sistemas básicos, las respuestas dinámicas de sistemas, los controladores de lazo cerrado, la lógica digital, la tecnología de desarrollo de microprocesadores, el lenguaje ensamblador, los controladores de lógica programable, entre muchos campos más.
Básicamente la mecatrónica está centrada en mecanismos, componentes electrónicos y módulos de computación, los cuales combinados hacen posible la generación de sistemas más flexibles, versátiles, económicos, fiables y simples.
Mecatrónica es un término que fue utilizado inicialmente por la firma japonesa Yaskawa Electric Company por los años 60, conjuntando diferentes disciplinas de ingeniería. Surge de la necesidad que tenía la industria en esos tiempos de disponer de ingenieros con conocimientos multidisciplinarios, resultando la interacción de diferentes ramas tecnológicas, surgiendo una nueva área de aplicación.
Los productos mecatrónicos desarrollados en los años 70’s fueron esencialmente mecánicos con una pequeña parte de electrónica o eléctrica integrada, con esta idea, se integraron productos tales como puertas automáticas, cámaras fotográficas y controles automáticos de vehículos.
En los años 80’s, con la introducción de la informática, se desarrollaron los microcontroladores, los cuales tienen una aplicación directa en máquinas de control numérico y robots industriales.
La mecatrónica es considerada actualmente como una disciplina que forma parte de la ingeniería y combina cuatro áreas tecnológicas: la mecánica, la eléctrica, la electrónica y la informática (ver figura 1.1), resultando de esta
combinación tecnológica, sistemas de manufactura más flexibles y precisos, los cuales son requeridos actualmente por la industria debido a las exigencias competitivas de mayor calidad y mejor precio de los productos.
Figura 1.1 Ingenierías integrantes de la Mecatrónica
De la figura anterior, se observa que de la intersección entre la mecánica y la eléctrica se origina la electromecánica; la eléctrica y la electrónica dan como resultado el control electrónico; la confluencia entre la electrónica y la informática pro-concurrencia de la electromecánica, el control electrónico, el control digital y los sistemas CAD/CAM/CAE integran la mecatrónica.
Un robot industrial es un ejemplo de un sistema mecatrónico, puesto que se encuentra integrado por partes que tienen su origen en diferentes áreas tecnológicas.
Aunque la robótica es parte de la mecatrónica, el propósito de esta nueva ingeniería no es sólo hacer robots, sino la fabricación de lo que los expertos denominan "productos inteligentes", es decir, sistemas que son capaces de procesar información para su funcionamiento, gracias a la instalación de dispositivos especiales como los sensores electrónicos y los actuadores.
1.1. 2 La Mecatrónica como necesidad de capacitación.
La enseñanza de la ciencia y las nuevas tecnologías es la mejor inversión que se puede hacer, dado que con ello se pueden solucionar en gran parte, las recientes necesidades que las sociedades actuales poseen y se abren las puertas de un mejor futuro para el país que las fortalece, las impulsa y las
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El impacto que ha creado el avance tecnológico en todos los ámbitos, combinado con la globalización y la alta competitividad a nivel mundial, ha originado una creciente demanda de especialistas en las industrias y en las instituciones de investigación. En consecuencia surge la necesidad de preparar recursos humanos capacitados para incorporarlos a los acelerados progresos y vertiginosos cambios de la tecnología.
Resultaría imposible que una sola persona profesional en una rama de la ingeniería tradicional pudiera resolver los múltiples y diferentes problemas que la industria afronta, sin embargo la mecatrónica representa la potencial solución a la necesidad de profesionistas multidisciplinarios.
La ingeniería mecánica y la electrónica tendrán entonces que reformularse, pues es evidente que sentirán el impacto de la mecatrónica. Se requieren individuos con amplias habilidades en ingeniería, y equipos bien integrados, cuyos miembros traigan una apreciación general de la amplitud del campo tecnológico, tanto como de su propio campo de especialización. Al cabo éstas no son las clases de ingenieros que nuestra tradicional educación en ingeniería (disciplinas separadas) ha estado produciendo.
Una gran cantidad de productos de uso cotidiano, se están convirtiendo en sistemas mecatrónicos, despertando un enorme interés en cómo se puede desarrollar el currículo para formar profesionales en el área de la Mecatrónica, resultando diferentes estilos de acuerdo a cada país.
La educación en nuestro país, también debe estar abierta al cambio y tratar de asumir todos los elementos novedosos que tienen significado de progreso en el proceso educativo.
Es indispensable concebir la educación tecnológica como parte fundamental de las demás organizaciones de la sociedad. La preparación y formación profesional entre el sector productivo, se consolida progresivamente como una necesidad vital para el desarrollo estratégico de la capacidad productiva del país, así como para la renovación de la infraestructura de recursos humanos con altas habilidades en las área relacionadas a la mecatrónica, mano de obra calificada y altamente tecnificada, capacidades indispensables para asegurar un buen mercado, el cual representa la base para intervenir en una sociedad cada vez más global y con una economía exigente y competitiva.
Aunque en la última década comenzaron a surgir carreras a diferentes niveles con el nombre de mecatrónica, en países como Inglaterra y Finlandia, donde esta especialidad de la ingeniería está muy avanzada, en la actualidad también existen programas semejantes en Estados Unidos, Japón y algunas naciones de Europa y América Latina. Curiosamente, aunque Japón es el que tiene los
mayores y mejores laboratorios de mecatrónica en el mundo, no es el que más programas educativos en esta disciplina ofrece.
Brasil fue uno de los primeros países de América Latina donde se inició la capacitación en la mecatrónica (Universidad de Sao Paulo). Algunas facultades de mecánica y electrónica en México, Estados Unidos, Colombia y Argentina, ofrecen actualmente carreras y especialidades en este nuevo campo.
Actualmente se están avocando varias instituciones educativas de diferentes niveles en el mundo entero, a la preparación de especialistas y profesionales en el campo de la mecatrónica. En los países desarrollados, la especialidad se dicta en casi todos los niveles educativos, pero en el caso de los países en vías de desarrollo, dos países: México y Brasil, impulsan la corriente de la especialidad de mecatrónica. Ambos han recibido el aporte y la influencia de Alemania y Japón.
En lo referente a la formación y capacitación profesional (que es el caso que nos interesa), el CNAD es una institución educativa en México que se encarga de formar profesores de planteles del nivel medio superior dependientes de DGETI como “especialistas en ingeniería mecatrónica”, quienes a su vez capacitarán a los recursos humanos en sus respectivas escuelas, para tratar de cubrir las necesidades crecientes que demanda la industria del país.
En términos generales, se pretende que los alumnos dentro de su formación (futuros egresados), sean capaces de analizar y entender el funcionamiento de los componentes que conforman un sistema mecatrónico, que conozcan la estructura interna de un microcontrolador típico, y que logren tener la habilidad de programar distintas tareas mediante sus periféricos e interfases de salida para la realización de un movimiento con actuadores electromecánicos o el control de procesos.
En lo general, un especialista en mecatrónica debe estar preparado para diseñar y desarrollar máquinas, equipos, procesos o productos de consumo de alta tecnología; seleccionar y poner en funcionamiento equipos y soluciones tecnológicas a gran escala, de bajo costo y en relación con la ecología, y desarrollar y utilizar programas de computadora para aplicaciones en automatización de equipos, máquinas y procesos industriales.
El concepto actual de mecatrónica representa un paso más en la evolución del
“saber-hacer” tecnológico, lo cual trae como consecuencia que cambien las formas de trabajo, de investigar, de desarrollar, de operar y de dar mantenimiento.
Las sociedades actuales demandan instituciones educativas que se encarguen de capacitar y formar especialistas modernos y multidisciplinarios que puedan
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1.2. Elementos de diseño
Generalmente la información en un producto mecatrónico, llega a un conjunto de sensores electrónicos instalados en los aparatos, que van posteriormente a un sistema especial que la procesa y manda las órdenes a través de lo que se conoce como un actuador, que en muchas máquinas es un motor.
En el proceso de diseño para un producto o sistema que contenga un controlador electrónico, todos los componentes mecánicos se diseñan en forma separada del controlador electrónico y posteriormente se unen para trabajar conjuntamente y paralelamente a ellos se diseñan los programas de control.
El diseño de un sistema mecatrónico depende de muchos factores y realmente no puede seguirse un procedimiento específico ya que cada caso es una nueva experiencia, sin embargo, se deben considerar algunos elementos básicos para el diseño como los que a continuación se describen.
1.2. 1 Interfaces de comunicación.
Un elemento fundamental a considerar en el diseño de cualquier equipo mecatrónico, es la interfase de comunicación entre los diversos componentes y la parte inteligente que gobernará el sistema, que para el caso particular del prototipo elegido es la Computadora personal.
Todas las computadoras poseen algunos dispositivos importantes para lograr comunicarse con el mundo exterior, conocidos como puertos de comunicación o subsistemas de entrada/salida, los cuales están formados por varios dispositivos periféricos que proporcionan un medio para intercambiar datos con el exterior, además de poder comunicarse con el procesador mediante una serie de módulos de entrada/salida que contienen una serie de controladores encargados de manejar el funcionamiento de uno o varios periféricos.
Los módulos de entrada/salida, no conectan directamente el periférico con el bus del sistema, sino que utilizan cierta inteligencia para poder realizar la comunicación entre el periférico y el procesador de forma eficiente.
Existe una gran diversidad de periféricos que utilizan métodos de operación diferentes, por lo que resultaría ilógico que la CPU tuviera que incorporar toda la lógica necesaria para controlar este amplio número de dispositivos.
La velocidad de transferencia de los datos de los periféricos es a menudo mucho más lenta que la que tiene el procesador con el sistema de memoria, por lo tanto resulta poco práctico usar el bus del sistema de alta velocidad para comunicarse directamente con los periféricos.
A menudo los periféricos utilizan formatos y longitudes de palabra de datos diferentes a los que utiliza el procesador, lo que hace necesario el empleo de algún elemento capaz de adecuar las señales de ambos dispositivo. Para el caso del prototipo, se emplea para el puerto serie un circuito integrado conocido como CI MAX232 mientras que para el puerto USB se emplea directamente el microprocesador 18F4550, el cual ya tiene incorporada la función que hace posible la comunicación. Posteriormente se hará referencia a los protocolos de comunicación.
Los módulos de entrada/salida establecen una serie de reglas que les permiten por un lado, conectarse con la CPU y la memoria a través del bus del sistema o del bus de expansión y por otro lado, conectarse con los dispositivos periféricos a través de enlaces dedicados únicamente a datos.
Estos enlaces se caracterizan porque son más lentos, tienen una menor longitud de palabra y menores velocidades de transferencia de datos. Su diseño se basa en un estándar para permitir la interconexión de dispositivos de diferentes fabricantes.
Mas adelante se describirán con detalle algunos de los estándares más importantes utilizados en la interconexión de una computadora y sus respectivos periféricos, haciendo para ello una distinción entre interfases serie, Interfases paralelo e interfases para USB.
Una Interfase tipo serie solo utiliza dos líneas para transmitir y recibir los datos, mientras que una interfase paralelo, utiliza varias líneas de datos para transmitir múltiples bits de forma simultánea y la interfase USB, utiliza también una única línea para transmitir los datos y otra para recibirlos, es parecido al puerto serie pero con la ventaja de manejar mayores velocidades de transmisión, usar múltiples dispositivos con un solo puerto utilizando un concentrador, además de conectar dispositivos en caliente, es decir conectar cualquier dispositivo sin necesidad de reiniciar la PC. Este puerto ha tenido un gran impacto, a tal grado que en la actualidad tiende a desplazar a los puertos Serie y Paralelo.
1.2. 2 Protocolos de comunicación.
Como ya se mencionó anteriormente, en muchos casos se siguen empleando los tradicionales puertos de comunicación serie y paralelo para lograr la
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ha vuelto muy popular, existen varios estándares de comunicación que se usan actualmente pero que no son muy comunes. A continuación se hace referencia a algunos de ellos.
• El estándar IEEE 1394 o FireWire.
Apple y Sony inventaron el FireWire a mediados de los 90 y lo desarrollaron hasta convertirlo en el estándar multiplataforma IEEE 1394. FireWire es una tecnología para la entrada/salida de datos en serie a alta velocidad y la conexión de dispositivos digitales como videocámaras o cámaras fotográficas digitales que ha sido ampliamente adoptado por fabricantes de periféricos digitales como Sony, Canon, JVC y Kodak.
FireWire es uno de los estándares de periféricos más rápidos que se han desarrollado, característica que lo hace ideal para su empleo con periféricos del sector multimedia (como cámaras de vídeo) y otros dispositivos de alta velocidad como, por ejemplo, lo último en unidades de disco duro e impresoras.
Esta interfase se ha convertido en la preferida de los sectores de audio y vídeo digital, ya que reúne numerosas ventajas, entre las que se encuentran la elevada velocidad, la flexibilidad de la conexión y la capacidad de conectar un máximo de 63 dispositivos y además de cámaras o equipo de vídeo digital, la amplia gama de productos FireWire comprende reproductores de vídeo digital, sistemas domésticos para el ocio, sintetizadores de música, escáneres y unidades de disco duro.
Con un ancho de banda 30 veces mayor que el conocido estándar de periféricos USB 1.1, el FireWire 400 se ha convertido en el estándar más respetado para la transferencia de datos a alta velocidad. Apple fue el primer fabricante de ordenadores que incluyó FireWire en toda su gama de productos.
Una vez más, Apple ha vuelto a subir las apuestas duplicando la velocidad de transferencia con su implementación del estándar IEEE 1394b o FireWire 800.
La velocidad sobresaliente del FireWire 800 frente al USB 2.0 convierte al primero en un medio mucho más adecuado para aplicaciones que necesitan mucho ancho de banda, como las de gráficos y vídeo, que a menudo consumen cientos o incluso miles de megabytes de datos por archivo.
Algunas de las características más importantes del FireWire son:
a).- Flexibles opciones de conexión. Admite un máximo de 63 dispositivos con cables de hasta 4,25 metros.
b).- Distribución en el momento. Fundamental para aplicaciones de audio y vídeo, donde un fotograma que se retrasa o pierde la sincronización arruina un trabajo.
c).- Alimentación por el bus. Mientras el USB 2.0 permite la alimentación de dispositivos sencillos que consumen un máximo de 2,5 W, como un ratón, los dispositivos FireWire pueden proporcionar o consumir hasta 45 W, más que suficiente para discos duros de alto rendimiento y baterías de carga rápida.
d).- Es conectable/desconectable en uso. Lo que significa que no se necesita desactivar un dispositivo para conectarlo o desconectarlo y que no es necesario reiniciar el ordenador.
e).- Funciona tanto con Mac como con PC. Lo que garantiza la compatibilidad con una larga lista de productos con FireWire a precios razonables.
• Small Computer Systems Interface (SCSI).
La interfaz SCSI es una interfaz paralela, con 8, 16 o 32 líneas de datos, que se utiliza para comunicar dispositivos rápidos, como discos CD-ROM, dispositivos de audio y dispositivos de almacenamiento externo de datos.
Normalmente se considera a la configuración SCSI como un bus (conexión multipunto), sin embargo, los dispositivos están conectados entre sí formando una conexión daisy-chain, donde cada dispositivo tiene dos conectores, uno de entrada y otro de salida.
El comienzo del bus se conecta con el host y el último dispositivo incorpora un terminado para evitar problemas de reflexiones de las señales. Los dispositivos funcionan de forma independiente y pueden intercambiar datos tanto entre sí como con el host.
Este bus puede soportar múltiples procesadores y múltiples dispositivos periféricos, por ejemplo, puede soportar hasta 8 dispositivos, de los cuales cada uno puede tener 8 unidades lógicas, cada una de las cuales soporta 256 subunidades lógicas.
La especificación original se llamó SCSI-1 y usaba 8 líneas de datos a una frecuencia de 5 MHz, permitiendo una transferencia de datos de 5 Mb/s. SCSI-1 soporta hasta 7 dispositivos que pueden ser encadenados al bus.
En 1991 surgió una extensión estándar, el SCSI-2, que incrementaba el número de líneas de datos a 16 o 32 bits e incrementaba la frecuencia de reloj a 10 MHz. Así se logran tasas de transferencia máxima de hasta 40 Mbytes/s.
Las transferencias en el bus siempre tienen lugar entre un iniciador (dispositivo
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Normalmente el host es el iniciador y el controlador del dispositivo es el objetivo, aunque puede haber algún dispositivo que sea ambas cosas a la vez.
Las señales que se transmiten por el bus pueden estar implementadas utilizando un solo cable cada una y compartiendo una masa común en el caso de un single-ended SCSI o utilizando dos cables cada una en el caso del differential SCSI, el primero se utiliza para distancias menores a 6 metros y el segundo para distancias menores a 25 metros, donde los conectores son de 50 alfileres.
• Comunicación inalámbrica. Bluetooth.
Bluetooth es la norma que define un estándar global de comunicación inalámbrica que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes equipos mediante un enlace por radiofrecuencia. Los principales objetivos que se pretende conseguir con esta norma son:
a).- Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos.
b).- Eliminar cables y conectores entre éstos.
c).- Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la sincronización de datos entre nuestros equipos personales.
La tecnología Bluetooth comprende hardware, software y requerimientos de interoperabilidad, por lo que para su desarrollo ha sido necesaria la participación de los principales fabricantes de los sectores de las telecomunicaciones y la informática, tales como: Ericsson, Nokia, Motorola, Toshiba, IBM e Intel, entre otros.
Posteriormente se han ido incorporando muchas más compañías, y se prevé que próximamente lo hagan también empresas de sectores tan variados como automatización industrial, maquinaria, ocio y entretenimiento, fabricantes de juguetes, electrodomésticos, etc., con lo que en poco tiempo se nos presentará un panorama de total conectividad de nuestros aparatos tanto en casa como en el trabajo.
Bluetooth proporciona una vía de interconexión inalámbrica entre diversos aparatos que tengan dentro de sí esta tecnología, como móviles, consolas, ordenadores de mano, cámaras, computadoras portátiles, impresoras o simplemente cualquier dispositivo que un fabricante considere oportuno, usando siempre una conexión segura de radio de muy corto alcance.
El alcance que logran tener estos dispositivos es de 10 metros para ahorrar energía ya que generalmente utilizan baterías, sin embargo, se puede llegar a
un alcance de hasta 100 metros (similar a Wi-Fi) pero aumentando el consumo energético considerablemente.
La especificación de Bluetooth define un canal de comunicación de máximo 720Kb/s (1 Mbps de capacidad bruta) con un alcance óptimo de 10 metros (opcionalmente100 m con repetidores).
La frecuencia de radio con la que trabaja está en el rango de 2,4 a 2,48 GHz con amplio espectro y saltos de frecuencia con posibilidad de transmitir en full duplex con un máximo de 1600 saltos/seg. Los saltos de frecuencia se dan entre un total de 79 frecuencias con intervalos de 1 MHz; esto permite dar seguridad y robustez.
La potencia de salida para transmitir a una distancia máxima de 10 metros es de 0 dBm (1 mW), mientras que la versión de largo alcance transmite entre 20 y 30 dBm (entre 100 mW y 1 W).
El protocolo de banda base (canales simples por línea) combina conmutación de circuitos y paquetes, donde para asegurar que los paquetes no lleguen fuera de orden, los slots pueden ser reservados por paquetes síncronos, un salto diferente de señal es usado para cada paquete.
Por otro lado, la conmutación de circuitos puede ser asíncrona o síncrona. Tres canales de datos síncronos (voz), o un canal de datos síncrono y uno asíncrono, pueden ser soportados en un solo canal.
Cada canal de voz puede soportar una tasa de transferencia de 64 Kb/s en cada sentido, la cual es suficientemente adecuada para la transmisión de voz, un canal asíncrono puede transmitir 721 Kb/s en una dirección y 56 Kb/s en la dirección opuesta, sin embargo, para una conexión asíncrona es posible soportar 432,6 Kb/s en ambas direcciones si el enlace es simétrico.
El hardware que compone el dispositivo Bluetooth esta compuesto por dos partes:
1. Un dispositivo de radio, encargado de modular y transmitir la señal.
2. Un controlador digital, compuesto por una CPU, por un procesador de señales digitales (DSP - Digital Signal Processor) llamado Link Controller (o controlador de enlace) y por los interfaces con el dispositivo anfitrión.
El LC (Link Controller) está encargado de hacer el procesamiento de la banda base y del manejo de los protocolos ARQ (protocolo utilizado para el control de errores en la transmisión de datos) y MPE-FEC (protocolo de corrección de errores) de capa física, además, se encarga de las funciones de transferencia
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La CPU del dispositivo se encarga de atender las instrucciones relacionadas con Bluetooth del dispositivo anfitrión, para así simplificar su operación, para ello, sobre la CPU corre un software denominado Link Manager que tiene la función de comunicarse con otros dispositivos por medio del protocolo LMP.
El protocolo de gestión de enlace (LMP) se usa para controlar y negociar todos los aspectos de funcionamiento de la conexión Bluetooth entre dos dispositivos.
1.2. 3 El microcontrolador
Desde la invención del circuito integrado, el desarrollo constante de la electrónica digital ha dado lugar a dispositivos cada vez más complejos. Entre ellos los microprocesadores y los microcontroladores.
Los microcontroladores están conquistando el mundo y están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general, se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de las computadoras, en los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar.
Escribir software consume mucho tiempo por lo que resulta más costoso y en aplicaciones sencillas, a menudo es más razonable efectuar tareas en hardware, sin embargo, conforme aumenta la complejidad del sistema, aumentan las ventajas del uso de sistemas programables.
Una de las principales ventajas de los sistemas programables es su flexibilidad, esto permite actualizar el funcionamiento de un sistema tan sólo cambiando el programa sin tener que volver a diseñar el hardware. Esta flexibilidad es muy importante, al permitir que los productos se actualicen con facilidad y economía.
En definitiva, un microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los elementos de una computadora, generalmente se utiliza para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y por su pequeño tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo que gobierna. Esta última característica es la que le confiere la denominación de controlador incrustado (embedded controller).
El microcontrolador puede considerarse como una computadora dedicada a una tarea específica, debido a que en su memoria solamente reside un programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de entrada/salida soportan la conexión de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar y
todos los recursos complementarios disponibles tienen como única finalidad atender sus requerimientos. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve para gobernar la tarea asignada.
Los microcontroladores disponen de los bloques esenciales: procesador, memoria de datos y de programa o de instrucciones, módulos de E/S, oscilador de reloj, módulos controladores de periféricos, recursos auxiliares etc. (figura 1.2).
Figura 1.2 Componentes básicos del microcontrolador.
Además de estos elementos, existen una serie de recursos especiales que los fabricantes pueden ofertar, algunos amplían las capacidades de las memorias, otros incorporan nuevos recursos y hay quienes reducen las prestaciones al mínimo para aplicaciones muy simples y solo depende del programador el encontrar el modelo mínimo que se ajuste a sus requerimientos y de esta manera minimizar el hardware, el software y sobre todo el costo. Algunos de los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son:
s Temporizadores (Timers).
s Perro guardián (Watchdog).
s Protección frente a fallo de alimentación (Brown-out).
s Estado de bajo consumo.
s Conversores AD y DA.
s Modulador de anchura de pulsos PWM.
s Comparadores analógicos.
s Puertos de E/S digital.
s Puertos de comunicación: serie, USB, I2C, etc.
El procesador es una parte muy importante del microcontrolador, encargada del procesamiento de las instrucciones y datos, por lo que en todo diseño con PIC`s siempre se busca optimizar su rendimiento, que se logra en gran parte, con el empleo de procesadores con arquitectura Harvard, cuya ventaja frente a los tradicionales de arquitectura Von Neumann es muy significativa.
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La arquitectura Von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta y el acceso a dicha memoria se lleva a cabo mediante un sistema de buses único.
En este tipo de arquitectura, el bus de direcciones es usado para identificar qué posición de memoria esta siendo accedida, mientras que el bus de datos es utilizado para trasladar información entre la CPU y alguna dirección de memoria o viceversa.
Con un único sistema de buses, la arquitectura Von Neumann es usada secuencialmente para acceder a instrucciones de la memoria de programa y ejecutarlas regresando desde/hacia la memoria de datos, lo cual significa que el ciclo de instrucción no puede solaparse con ningún acceso a la memoria de datos.
Una gran desventaja de esta arquitectura podría ser, que el contador de programa o algún otro registro se corrompieran y apuntaran a la memoria de datos y se tomara ésta momentáneamente como memoria de programa.
Consecuentemente se ejecutaría una instrucción no deseada o un error en la decodificación de la instrucción.
La Arquitectura Harvard por otro lado, se caracteriza por disponer de dos memorias independientes, una que contiene sólo instrucciones y otra que contiene sólo datos, ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias.
Una de las ventajas de esta arquitectura es que la operación del microcontrolador puede ser controlada más fácilmente si se presentara una anomalía en el contador de programa.
En fechas mas recientes, surgió otro tipo de arquitectura conocida como arquitectura Harvard modificada, que permite acceder a tablas de datos desde la memoria de programa y actualmente se considera dominante en los microcontroladores ya que la memoria de programa es usualmente ROM, OTP, EPROM o FLASH mientras que la memoria de datos es usualmente RAM.
Consecuentemente, las tablas de datos pueden estar en la memoria de programa sin que sean perdidas cada vez que el sistema es apagado.
Otra ventaja importante en la arquitectura Harvard modificada, es que las transferencias de datos pueden ser ejecutadas conjuntamente con los ciclos de decodificación de instrucciones, esto significa que la siguiente instrucción puede ser cargada de la memoria de programa mientras se está ejecutando una instrucción que accede a la memoria de datos.
La desventaja de la arquitectura Harvard modificada podría ser que se requieren instrucciones especiales para acceder a valores en memoria RAM y ROM haciendo la programación un poco complicada.
Algunas de las principales ventajas que se pueden aprovechar en el uso de microcontroladores son:
s Gestión eficiente de procesos.
s Aumento de la fiabilidad.
s Reducción del tamaño, consumo y costo.
s Mayor flexibilidad (únicamente se requiere la reprogramación).
Dentro de la gran diversidad de microcontroladores existentes actualmente, en el mercado, quizá la clasificación más importante sea entre microcontroladores de 4, 8, 16 o 32 bits, aunque las prestaciones de los microcontroladores de 16 y 32 bits son superiores a los de 4 y 8 bits.
En realidad los microcontroladores de 8 bits dominan el mercado, mientras que los de 4 bits se resisten a desaparecer, la razón de esta tendencia es porque los microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para la gran mayoría de las aplicaciones, lo que hace innecesario emplear microcontroladores más potentes y consecuentemente más caros.
En cuanto a las técnicas de fabricación, cabe decir que prácticamente la totalidad de los microcontroladores actuales se fabrican con tecnología CMOS 4 (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Esta tecnología supera a las técnicas anteriores por su bajo consumo y alta inmunidad al ruido.
El número de productos que funcionan en base a uno o varios microcontroladores aumenta de forma exponencial, siendo la industria de la informática, la que acapara gran parte de los microcontroladores que se fabrican. Casi todos los periféricos del computador, desde el ratón o el teclado hasta la impresora, son regulados por el programa de un microcontrolador.
Los electrodomésticos (desde hornos y lavadoras hasta televisores y vídeos) incorporan también numerosos microcontroladores e, igualmente, los sistemas de supervisión, vigilancia y alarma en los edificios, utilizan estos chips para optimizar el rendimiento de los ascensores, calefacción, aire acondicionado, etc.
Las comunicaciones y sus sistemas de transferencia de información utilizan profusamente estos pequeños computadores, incorporándolos en los grandes automatismos y mas comúnmente en los teléfonos móviles.
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La instrumentación y la electromedicina son dos campos idóneos para la implantación de estos microcontroladores. Otra importante industria usuaria de los microcontroladores es la automotriz, que los aplica en el control de la climatización, la seguridad y los frenos ABS.
La figura 1.3, muestra una gráfica con datos aproximados sobre el empleo de los PIC`s en los diferentes sectores de nuestra sociedad, que permite dar una idea del aumento de aplicabilidad que ha logrado este diminuto componente electrónico y que de alguna manera está revolucionando las formas de control.
Figura 1.3 Empleo de los Microcontroladores por sectores.
Algunos de los principales fabricantes de microcontroladores son Microchip, Motorota, Intel, Atmel, Siemens, Philips, Hitachi o Nacional Semiconductor, entre otros, sin embargo, De entre todos los fabricantes expuestos, Microchip es el que más diversidad posee, cuenta actualmente con 159 microcontroladores distintos además de todas sus versiones según encapsulado.
1.2. 4 Adquisición de datos mediante sensores.
El proceso de adquirir datos desde el exterior, se realiza con la detección y en algunos otros casos con la medición de los parámetros físicos, donde los sensores se encargan de transformar y adecuar en señales eléctricas para posteriormente ser introducidas al sistema.
Mientras se lleva a cabo el proceso de adquisición de datos, se pueden producir eventos que involucran a las señales detectadas, tales como: accionamiento de alarmas, escalado de datos, en ocasiones acciones de control, almacenamiento de los mismos datos, etc.
Posterior a la adquisición de datos se realizan análisis para extraer información útil a partir de la cual se reportan resultados, se monitorean procesos y se comparte la información. Estas fases representan la funcionalidad de los sistemas modernos de adquisición de datos apoyados en una PC.
La función de adquisición de información es una de las etapas más críticas en el diseño y la construcción de cualquier prototipo mecatrónico, debido a las consideraciones que hay que hacer cuando dicho sistema se basa en una PC, especialmente si la adquisición se realiza mediante un hardware especializado de medición que puede desglosarse en sensores, conectividad de la señal o de los sensores, acondicionamiento de la señal, y conversión analógica-digital.
Actualmente existe una amplia variedad de dispositivos (ver figura 1.4), diseñados para percibir la información externa de una magnitud física y transformarla en un valor electrónico que sea posible introducir al circuito de control, de modo que el procesador sea capaz de cuantificarla y reaccionar en consecuencia.
Un sensor consta de algún elemento sensible a una magnitud física como por ejemplo la intensidad o color de la luz, temperatura, presión, magnetismo, humedad, etc., y debe ser capaz, por su propias características, o por medio de dispositivos intermedios, de transformar esa magnitud física en un cambio eléctrico que se pueda alimentar en un circuito que la utilice directamente, o sino en una etapa previa que la condicione (amplificando, filtrando, etc.), para que finalmente se la pueda utilizar para el control del sistema mecatrónico.
Figura 1.4 Algunos sensores detectores de objetos.
Otro aspecto importante a considerar, es el acondicionamiento de la señal, algunas de las cuales requieren de algún tipo de preparación antes de ser
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nivel, que requieren de una etapa de amplificación, filtrado y linealización. Otros sensores, como termistores, galgas y acelerómetros, requieren alimentación además de amplificación y filtrado, mientras que otras señales pueden requerir aislamiento para proteger alguna etapa de alto voltaje.
Idealmente un equipo debería permitir todo tipo de acondicionamiento incluido la combinación de algunos procesos, buscando siempre adaptarse a las posibles necesidades del usuario.
Después de que los parámetros físicos se han convertido y acondicionado en señales eléctricas útiles que generalmente son analógicas, se convierten ahora en valores digitales y se pasan al computador. La conversión analógica-digital se puede realizar a través de la misma tarjeta de adquisición de datos o en un sistema integrado con acondicionamiento y conectividad.
La combinación de sensores, conectividad de la señal, acondicionamiento y conversión analógica-digital constituye el hardware de medición de un equipo de adquisición basado en una PC. Este hardware se configura y se controla a través de software construyendo aplicaciones a la medida de la aplicación deseada.
1.2. 5 Empleo de actuadores.
Los actuadores son elementos cuyo objetivo principal es propiciar el movimiento de los elementos del sistema mecatrónico según las ordenes suministradas por la unidad de control. Los actuadores utilizados en los sistemas pueden emplear energía neumática, hidráulica o eléctrica.
Cuando en el diseño de algún sistema mecatrónico se llega a la etapa de elegir los actuadores mas apropiados, se deben considerar algunas de las características siguientes:
• La potencia proporcionada por el elemento.
• La forma y simplicidad de controlarlo (Controlabilidad).
• El peso y volumen.
• La precisión.
• La velocidad.
• El mantenimiento que requiere.
• El costo.
Generalmente los actuadores por el tipo de energía que utilizan se pueden clasificar en:
• Neumáticos.
• Hidráulicos.
• Eléctricos
Por su construcción, principio de operación y funcionamiento, los actuadores más comúnmente empleados en los sistemas mecatrónicos son:
• Los cilindros neumáticos e hidráulicos que proporcionan movimientos lineales.
• Los motores neumáticos e hidráulicos, también considerados como actuadores de giro, proporcionan movimientos giratorios mediante la conversión de energía hidráulica o neumática.
• Las válvulas de mando directo, motorizadas, electroneumáticas, etc., se aplican para regular el caudal de gases y líquidos.
• Las resistencias calefactoras son comúnmente empleadas como fuentes de calor.
• Los motores eléctricos son los actuadores más empleados y por su tipo se clasifican en inducción o jaula de ardilla, de corriente continua, brushless y paso a paso.
• Las bombas, compresores y ventiladores también son considerados en muchos casos como actuadores, son movidos generalmente por motores eléctricos de inducción.
Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son muy usados en los sistemas mecatrónicos.
Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean con más frecuencia cuando lo que se necesita es potencia, y los actuadores neumáticos son simples posicionamientos, sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico.
Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.
Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo en los robots, donde los servomotores de c.a.
sin escobillas se utilizarán en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso, debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento.
Por todo esto, es necesario conocer muy bien las características de cada actuador para utilizarlos correctamente de acuerdo a su aplicación específica.
Los actuadores neumáticos, utilizan aire comprimido entre 5 y 10 bar como
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rápidos, pero de precisión limitada. Los tipos de actuadores neumáticos más empleados son: los cilindros y los motores.
Con los cilindros neumáticos (Figura 1.5a), solo se persigue un posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo, el cual se consigue con una válvula de distribución (normalmente de accionamiento directo), que canaliza el aire a presión hacia una de las dos caras del émbolo alternativamente.
(a) (b)
Figura 1.5 Actuadores neumáticos
Existen dos clases de cilindros neumáticos que son de simple o de doble efecto.
En los primeros, el embolo se desplaza en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a presión, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de un muelle (que recupera al embolo a su posición en reposo).
En los cilindros de doble efecto el aire a presión es el encargado de empujar al embolo en las dos direcciones, al poder ser introducidos de forma arbitraria en cualquiera de las dos cámaras.
En los motores neumáticos de aletas rotativas (Figura 1.5b), se consigue el desplazamiento de un embolo encerrado en un cilindro, como consecuencia de la diferencia de presión a ambos lados de este.
Los motores de pistones axiales tienen un eje de giro solidario a un tambor que se ve obligado a girar las fuerzas que ejercen varios cilindros, que se apoyan sobre un plano inclinado.
Con respecto a los actuadores hidráulicos, no hay mucha diferencia entre estos y los actuadores neumáticos, solo que en lugar de aire utilizan aceites minerales a una presión comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar,
llegándose en ocasiones a superar los 300 bar, y también como en el caso de los neumáticos, existen actuadores de tipo cilindro (figura 1.6a), y de motores de aletas y pistones (figura 1.6b).
La principal diferencia estriba en el hecho de que el grado de comprensibilidad de los aceites usados es considerablemente menor al del aire, por lo que la precisión obtenida en este caso es mayor, por lo que resulta más fácil en ellos realizar un control continuo, pudiendo posicionar su eje en todo un rango de valores (haciendo uso del servocontrol) con una notable precisión.
(a) (b)
Figura 1.6 Actuadores Hidráulicos.
Los motores hidráulicos (figura 1.6b), son recomendables como actuadores manipuladores donde se requiere una gran capacidad de carga, junto a una precisa regulación de velocidad.
Las elevadas presiones de trabajo, aproximadamente diez veces superiores a las de los actuadores neumáticos, permiten desarrollar elevadas fuerzas y en consecuencia presenta una excelente estabilidad frente a las cargas estáticas, esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas, como el peso o una presión ejercida sobre una superficie, sin aporte de energía (para mover el embolo de un cilindro seria preciso vaciar este de aceite). También es destacable su eleva capacidad de carga y relación potencia-peso, así como sus características de auto lubricación y robustez.
Una de las grandes desventajas que caracteriza al sistema hidráulico, son las elevadas presiones de trabajo que propician la existencia de fugas de aceite a lo largo de las instalaciones.
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Dichas instalaciones suelen ser mas complicadas que las utilizadas por los actuadores neumáticos y eléctricos, necesitando de equipo de filtrado de partículas, eliminación de aire, sistemas de refrigeración y unidades de control de distribución para un funcionamiento confiable.
Los motores eléctricos son los más utilizados, por lo fácil y preciso que resulta controlarlos, así como por otras propiedades ventajosas que establecen su funcionamiento, como consecuencia del empleo de la energía eléctrica. Para obtener un control deseable, se utiliza en el propio motor, un sensor de posición llamado encoder.
Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse los siguientes tipos:
s Motores de corriente continua (c.d.) que pueden ser controlados por inducción o controlados por excitación.
s Motores de corriente alterna (c.a.) del tipo síncronos y asíncronos.
s Motores paso a paso.
Los motores de c.d. (figura 1.7a), están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua. El inducido, también denominado devanado de excitación, está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado excitación.
(a) (b) (c) Figura 1.7 Actuadores eléctricos.
Para que se pueda dar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica de forma continua es necesario que los campos magnéticos del estator y del rotor permanezcan estáticos entre sí.
Esta transformación es máxima cuando se encuentran en cuadratura. El colector de delgas es un conmutador sincronizado con el rotor encargado de
que se mantenga el ángulo relativo entre el campo del estator y el creado por las corrientes rotóricas, de esta forma se consigue transformar automáticamente, en función de la velocidad de la máquina, la corriente continua que alimenta al motor en corriente alterna de frecuencia variable en el inducido.
Este tipo de funcionamiento se conoce con el nombre de autopilotado.
Los motores eléctricos de corriente alterna, son los actuadores más deseables (ver figura 1.7b), debido a su alto rendimiento y bajo mantenimiento, aunque para controlarlo resulta un poco más complicado.
Existen dos tipos de motores de c.a.: el motor síncrono y el motor de inducción asíncrono, cada uno de estos tipos puede usar energía de c.a. monofásica o trifásica.
En aplicaciones industriales, los motores trifásicos son más empleados, comparativamente con los motores monofásicos y el motor síncrono es mucho menos generalizado que el motor de inducción asíncrono, sin embargo se usa en algunas aplicaciones especiales, que requieren una velocidad absolutamente constante o una corrección del factor de potencia.
Los motores a pasos (figura 1.7c), son dispositivos electromagnéticos, rotativos, incrementales que convierten pulsos digitales en rotación mecánica.
Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.
La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.
Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres, si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
La cantidad de rotación es directamente proporcional al número de pulsos y la velocidad de rotación es relativa a la frecuencia de dichos pulsos .Los motores a pasos son simples de operar en una configuración de lazo cerrado y debido a su tamaño proporcionan un excelente torque a baja velocidad.
Cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos
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frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta.
El motor debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas:
s Puede que no realice ningún movimiento en absoluto.
s Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar.
s Puede girar erráticamente.
• puede llegar a girar en sentido opuesto.
Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad deseada sin superar la máxima tolerada.
El giro en reversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.
Los beneficios ofrecidos por estos motores incluyen:
s un diseño efectivo y un bajo costo.
s alta confiabilidad.
s libres de mantenimiento (no disponen de escobillas).
s lazo abierto (no requieren dispositivos de realimentación).
