POSICIONADOR AUTOMATICO EN LAS COORDENADAS XY PARA USO EN PROCESOS DE IRRADIACION DE MATERIALES CON LÁSERES
ALVARO JAVIER ZAMORA RODRIGUEZ JUAN CARLOS BURBANO LOPEZ
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA
POSICIONADOR AUTOMATICO EN LAS COORDENADAS XY PARA USO EN PROCESOS DE IRRADIACION DE MATERIALES CON LÁSERES
ALVARO JAVIER ZAMORA RODRIGUEZ JUAN CARLOS BURBANO LOPEZ
Pasantía para optar por el titulo de Ingeniero Mecatrónico e Ingeniero Electrónico
Director ANDRES NAVAS Ingeniero Mecatrónico
FARUK FONTHAL RICO PH.D. Ingeniero Electrónico
Nota de aceptación:
Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos
exigidos por la Universidad
Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatronico y Electrónico.
ING. DRAGO DUSSICH
Jurado
ING. HECTOR FABIO ROJAS Jurado
AGRADECIMIENTOS
En especial queremos agradecer a Dios por permitirnos terminar esta meta de nuestras vidas, a nuestras familias, nuestros más sinceros agradecimientos por apoyarnos para terminar este sueño de formarnos como profesionales y poder aportar nuestro granito de arena a la sociedad. Además a la Universidad, Alma Matter que nos formo, no solo como profesionales si no que dejo marcado una huella imborrable de conocimientos y bonitos recuerdos.
Un franco y caluroso afecto a la Dra. Clara Goyes quien fue la participe para que la idea del POSICIONADOR AUTOMATICO EN LAS COORDENADAS XY PARA
USO EN PROCESOS DE IRRADIACION DE MATERIALES CON LÁSERES sea
toda una realidad. Al grupo de Investigación de Materiales Avanzados para Micro y Nanotecnología el cual nos apoyo para llegar hasta donde hoy estamos y al cual nos entregamos con esfuerzo y dedicación.
Al Dr. Faruk Fonthal Rico y al Ingeniero Andrés Navas, un aprecio muy especial por estar paso a paso en los planteamientos y desarrollo de todos los objetivos de nuestro proyecto. Y a las demás personas que por alguna circunstancia brindaron ideas y soluciones a inconvenientes que se presentaron, solo nos queda decirles mil gracias.
CONTENIDO Pág. GLOSARIO 17 RESUMEN 18 INTRODUCCION 19 1. OBJETIVOS 20 1.1 OBJETIVO GENERAL 20 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 20
2. PLANEACIÓN DEL PROYECTO 21
2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 21
2.2 ANTECEDENTES 21
3. IDENTIFICACION DE LAS NECESIDADES 23
3.1 DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO 23
3.2 MERCADO PRIMARIO 23
3.3 MERCADO SECUNDARIO 23
3.4 RESTRICCIONES Y PREMISAS 23
3.5 OBTENCIÓN DE DATOS PRIMARIOS 23
4. ELABORACION DEL QFD 25
4.1 RELACIÓN ENTRE NECESIDADES Y MÉTRICAS 26
4.5 VALORES IDEALES Y MARGINALES DE LAS MÉTRICAS 31
5. GENERACIÓN, SELECCIÓN Y PRUEBA DE CONCEPTOS 32
5.1 CAJA NEGRA 32
5.2 DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL 32
5.3 ÁRBOLES DE CLASIFICACIÓN PARA CONCEPTOS 33
5.4 SELECCIÓN DE CONCEPTOS (MÉTODO PASA O NO PASA) 37 5.5 CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN PARA SELECCIÓN 39
5.6 MATRIZ PARA TAMIZAJE DE CONCEPTOS 39 5.7 DISEÑOS 40 6. ARQUITECTURA DE PRODUCTOS 44 6.1 RELACIÓN ENTRE ELEMENTOS FUNCIONALES Y FÍSICOS 44
6.2 ESQUEMA DEL PRODUCTO 44
6.3 ELABORACIÓN DE CLUSTERS 45
6.4 DISTRIBUCIÓN GEOMÉTRICA 46
6.5 INTERACCIONES 46
7. ARQUITECTURA DE COMPONENTES ELECTRONICO 47
7.1REQUISITOS 47
7.2 ESPECIFICACIONES 47
7.5.2 Comunicación serial 51
8. DISEÑO DETALLADO 53
8.1 MATERIAL 53
8.2 PESO DEL SISTEMA 54
8.3 DIMENSIONES GENERALES DEL DISEÑO 55 8.4 RESOLUCIÓN Y PRECISION DEL DISEÑO 56 8.5 CAPACIDAD DE CARGA 57 8.6 COSTO 57
8.7 VIDA ÚTIL Y FIRMEZA 57
8.8 MOTORES 57
8.9 CALCULO DE ENGRANAJES 59
8.9.1 Engranajes rectos 59
8.9.2 Engranajes cónicos 62
8.9.3 Sistema piñón – cremallera 65
8.10 SIMULACIÓN 68
8.10.1 Características del mallado 68
8.10.2 Análisis del sistema global 69
8.10.3 Análisis caso crítico 70
9. PROTOTIPADO 76
9.1 PROTOTIPOS UTILIZADOS Y SUS FUNCIONES 76
10.2 EVALUACIÓN DE NECESIDADES ERGONÓMICAS 77
10.3 EVALUACIÓN DE NECESIDADES ESTÉTICAS 78
10.4 EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL D.I. 79
11. DESARROLLO DE LA MANUFACTURA Y ENSAMBLE DEL PRODUCTO 80
11.1 ANÁLISIS DISEÑO PARA MANUFACTURA (DPM) 80
11.1.1. Lista de componentes 80 11.1.2 proceso de manufactura 81
11.1.3 impacto del dpm sobre otros factores 81
11.2 ANÁLISIS DISEÑO PARA ENSAMBLE (DPE) 81
11.2.1 Estimación tiempo total de ensamble 82
11.2.2 Maximización de la facilidad de ensamble 82
11.2.3 Herramientas para el ensamble. 82
11.2.4 Pasos para el ensamble 82
12. DESARROLLO DEL MANTENIMIENTO DEL PRODUCTO 88
13. DESARROLLO DE SEGURIDAD DEL PRODUCTO 89
14. INTEGRACION DE SISTEMAS 90
14.1 SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA 90
14.2 INTERFACES 90
BIBLIOGRAFIA 102 ANEXOS 103
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Métricas preliminares 25
Tabla 2. Valores ideales y marginales de las métricas 31 Tabla 3. Matriz de tamizaje de conceptos 40
Tabla 4. Relación de los elementos del sistema 44
Tabla 5. Especificaciones del motor 57
Tabla 6. Características de los piñones rectos 60
Tabla 7. Características de los piñones cónicos 64
Tabla 8. Numero mínimo de dientes del piñón de la cremallera 66 Tabla 9. Evaluación de las necesidades ergonómicas 77 Tabla 10. Evaluación de las necesidades estéticas 78
Tabla 11. Evaluación de la calidad del D.I 79 Tabla 12. Costo y lista de componentes 80 Tabla 13. Procesos de manufactura 81
Tabla 14. Mantenimiento del sistema 88
Tabla 15. Seguridad del sistema 89
Tabla 16. Clasificación según integración del sistema 90
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. VGA-TX1 21
Figura 2. DYFE GEPLC 22
Figura 3. MESA XY 22
Figura 4. Relación entre las necesidades y las métricas 26
Figura 5. Mesa de precisión XY 27
Figura 6. Router Rt 28
Figura 7. Linear Stage Avt-65 28
Figura 8. Evaluación de la satisfacción del cliente en competidores 29
Figura 9. Relación de métricas en los competidores 30
Figura 10. Caja negra del sistema 32
Figura 11. Descomposición funcional del sistema 32
Figura 12. Posibles opciones y clasificación de las formas de aceptar energía 33 Figura 13. Posibles opciones y clasificación del movimiento rotacional 33 Figura 14. Posibles opciones y clasificación del movimiento trasnacional 34 Figura 15. Posibles opciones y clasificación de las transmisiones 34 Figura 16. Posibles opciones y clasificación de la forma de control 35 Figura 17. Posibles opciones y clasificación del material 35 Figura 18. Posibles opciones y clasificación de la Morfología 35
Figura 21. Posibles opciones y clasificación de los mecanismos de alineación 37
Figura 22. Conceptos para realizar las combinaciones 38
Figura 23. Diseño No 9 en 3D 40
Figura 24. Diseño No 10 en 3D 41
Figura 25. Diseño No 2 en 3D 41
Figura 26. Diseño No 5 en 3D 42
Figura 27. Esquema del producto 44
Figura 28. Clusters del sistema 45
Figura 29. Geometría del producto 46
Figura 30. Interacciones en el sistema 46
Figura 31. Micro controlador PIC16F877 48
Figura 32. Drive ULN2003 48
Figura 33. Drive para la comunicación serial 49
Figura 34. Circuito electrónico del posicionador 49
Figura 35. Simulación del peso del sistema 54
Figura 36. Dimensiones generales del sistema 56
Figura 37.Juego entre dientes 54
Figura 38. Diagrama de cuerpo Libre 57
Figura 43. Ubicación de distancias entre ejes 66
Figura 44. Opciones de mallado del modelo 68
Figura 45. Vista del Posicionador XY 68
Figura 46. Vista Posicionador sometido a diferentes pesos 69
Figura 47. Vista eje X como base de estudio a diferentes pesos 71
Figura 48. Vista de Pieza móvil objeto de estudio a diferentes pesos 72 Figura 49. Vista de fija móvil objeto de estudio a diferentes pesos 72
Figura 52. Vista de Piñón- cremallera objeto de estudio a diferentes pesos. 73
Figura 51. Vista cremallera objeto de estudio a diferentes pesos 73
Figura 52. Vistas piñón de la cremallera objeto de estudio a diferentes pesos 74
Figura 53. Vistas piñón de la cremallera con acero inoxidable 304. 75
Figura 54. Ubicación de cada prototipo según sus características 76
Figura 55. Clasificación del producto 77
Figura 56. Ensamble de las bases del sistema 83
Figura 57. Colocación del sistema piñón-cremallera 83
Figura 58. Ensamble de la parte móvil en la fija 84
Figura 59. Colocación platina que soporta el motor (Eje Y) 84
Figura 60. Ensamble de las partes X y Y 85 Figura 61. Acoplamiento del vástago inferior 85
Figura 62. Colocación base general y motores 86
Figura 65. Interfaz de control 91
Figura 66. Ejemplo de dibujo 91
Figura 67. Tonillo de potencia 100
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Datasheet uln2003 103
Anexo B. Datasheet pic16877 104
Anexo C. Datasheet max232 105
Anexo D. Base general 106 Anexo E. Cilindro vertical 107 Anexo F Engranaje cônico 108
Anexo G. Engranaje recto 119
Anexo H. Lamina porta pinzas 110
Anexo I. Pieza fija 111
Anexo J. Pieza móvil 112
Anexo K. Piñón cónico 113
Anexo L. Piñón recto 114
Anexo M Platina soporte motor X 115
Anexo N Platina soporte motor Y 116
Anexo O. Seguro soporte vertical 117
Anexo P. Soporte vertical 118
Anexo Q. Piñón de la cremallera 129
GLOSARIO
COLA DE MILANO: guías realizadas con el fin de restringir el movimiento en uno
de los ejes, por medio de una forma trapezoidal a 60º tanto en el macho como en la hembra. Son muy usadas en maquinaria como: tornos, fresadoras, taladros, etc.
FACTOR DE SEGURIDAD: es el porcentaje de sobrecarga que puede soportar un
elemento de maquina.
SOFTWARE CAE: el software de CAE al igual que el de CAD, es muy utilizado
por diferentes empresas e industrias como la Petroquímica, Química, Alimentaria y de Bebidas, Cervecera, Papel y Cartón, Industria Farmacéutica y en muchos casos por las firmas de Ingeniería o los departamentos de Ingeniería o proyectos dentro de las mismas empresas.
La información que genera el Software le dará a usted la posibilidad de tomar las mejores decisiones en cuanto a materiales, características del diseño (Dimensiones, espesores, accesorios, etc.) o realizar su diseño al menor costo en cuanto a Ingeniería y costos de materiales requeridos para su construcción; siempre cumpliendo con los estándares y códigos de ingeniería.
VITROCERAMICAS: en los vidrios que contienen determinados metales se
produce una cristalización localizada al ser expuestos a radiación ultravioleta. Si se calientan a temperaturas elevadas, estos vidrios se convierten en vitrocerámica, que tiene una resistencia mecánica y unas propiedades de aislamiento eléctrico superiores a las del vidrio ordinario.
RESUMEN
Debido al avance tecnológico y al aumento de las necesidades de las personas de poseer equipos y servicios más eficaces y rápidos, se ha iniciado el estudio en muchos de los campos con el fin de obtener dispositivos tecnológicos de mucha más eficiencia.
Uno de estos campos es la electrónica, mediante sus análisis para la fabricación de guías de ondas, las cuales son considerados como amplificadores ópticos, ya que de manera comparativa con las fibras ópticas, las guías de onda de silicio están basadas en que las ondas de luz pueden ser limitadas y guiadas por películas delgadas de material transparente, permitiendo establecer enlaces entre los componentes que conforman el dispositivo óptico.
El principio básico de operación de una guía de onda óptica o guía de onda dieléctrica, se fundamenta en la reflexión total interna de un rayo de luz en la interfase de dos películas dieléctricas con diferentes índices de refracción.
Es por ello, que una guía de onda requiere de un camino por el cual el haz de luz se irá reflejando, y es en donde se hace primordial el uso de láseres y vitrocerámica. Estas últimas se fabrican en forma de finas películas, con el SiO2 (Oxido de silicio) como material base, y otra sustancia como segundo donador, el cual puede ser: ZrO2,HfO2, entre otros. Las técnicas para obtener dichas películas son: Pulverización catódica, sol gel, etc.
Debido a que los láseres son muy grandes y pesados, se ha buscado la forma de obtener un dispositivo electromecánico, el cual permita realizar el camino deseado en la guía de onda, para orientar el haz de luz, sin la necesidad de mover el láser. Con ello no solo se lograra precisión, mejor calidad de acabado, sino que también se mejorara los tiempos de fabricación de una guía de onda y su seguridad al hacerlo.
INTRODUCCION
La aplicación de técnicas de irradiación con láser en la obtención de materiales nanoestructurados, constituye una tecnología que está siendo estudiada actualmente por investigadores en diversos campos, y sus ventajas tecnológicas están creando muchas expectativas para la obtención de nuevos materiales, especialmente en la exploración de procesos de fabricación más efectivos y económicos.
En este sentido, este trabajo plantea una actividad experimental dirigida al diseño y fabricación de sistemas electromecánicos que faciliten el procesamiento de materiales utilizando láser.
Algunos de los objetivos que se busca con esta implementación es mejorar en un gran porcentaje la fabricación de dispositivos optoelectrónicos, mejorar la calidad de la guía del haz de luz, mejorar la precisión de la misma, etc.
Es por ello, que se muestra en este documento, paso a paso el diseño y sus diferentes fases para llegar a la implementación del posicionador como son: diseño electrónico, diseño industrial, elaboración de clusters, generación de ideas, maquinado,
Estudio de los diferentes y posibles mercados, realizar prototipos virtuales de diseño en un Software CAD y CAE que proporcionara evaluar el funcionamiento real a través de una simulación, realizar una simulación del control para el prototipo, aplicar el diseño para productos mecatrónicos y electrónicos.
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema automático portátil que permita el posicionamiento de muestras para procesos de irradiación láser, en las coordenadas XY. 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Estudio de mercado
• Aplicar el diseño para productos mecatrónicos y electrónicos
• Identificar los parámetros que se deben tener en cuenta para el
posicionamiento de muestras en procesos de irradiación láser.
• Realizar un prototipo virtual de diseño en un Software CAD.
• Realizar una simulación dinámica del prototipo en un software CAE, que
permita evaluar el funcionamiento real del posicionador.
• Realizar un control para el prototipo
2.PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO
2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
¿Cómo optimizar el proceso de fabricación de guías de onda por medio de irradiación con láser controlada y obtener un grado de precisión sobre la nanoestructuración de estos materiales, haciendo uso de un dispositivo automático?
2.2. ANTECEDENTES
Los sistemas que existentes y que se utilizan para irradiación de materiales son: Transladores horizontales vga-tx1: Translador para orientar TAS con diferentes opciones de tamaño de la base de datos. Tornillo de activación de paso con el 1,0 mm. Dos piezas pueden apilarse en ángulos rectos para formar un posicionador de coordenadas XY. La unidad se hace con el tornillo y la tuerca con sólo una pequeña diferencia de rendimiento. La perforación de la placa permite la fijación de los componentes de diversos acuerdos. Componentes en aluminio anodizado negro.
Figura 1. VGA-TX1
Fuente: Catalogo [en línea]. Santiago de Cali: Interempresas, 2004. [Consultado 06 de Agosto de
2008]. Disponible en Internet:
• Mesas xy: controladas por Pc/Windows
Figura 2. DYFE GEPLC
Fuente: Catalogo [en línea]. Santiago de Cali: Interempresas, 2004. [Consultado 06 de Agosto de
2008]. Disponible en Internet:
http://www.interempresas.net/MetalMecanica/FeriaVirtual/ResenyaProducto.asp?R=13722
El posicionador Kinematic controlado bajo PC en entorno Windows de Bazus es un sistema que permite controlar la mesa XY desde un entorno amigable basado en la tecnología de Windows. El software propio permite un desarrollo individualizado a medida de cada aplicación y permite ofrecer una solución tan potente como los sistemas de CNC pero a un precio mucho más competitivo. Con el Dyfe Geplc además de programar movimientos lineales, la mesa puede trabajar también con interpolación lineal y circular.
Tan importante es detectar la necesidad de una automatización como determinar el grado de automatización adecuado para una aplicación dada. Bazus ofrece sistemas de menor a mayor grado de automatización; desde mesas de coordenadas manuales hasta el centro de taladrado y roscado pasando por cualquier solución intermedia.
• Mesa xy de Intelitek
3. NECESIDADES DEL CLIENTE
A continuación realizaremos un breve planteamiento de la misión: 3. 1 DESCRIPCION DEL PRODUCTO
El sistema tendrá la capacidad de moverse en el plano cartesiano (X,Y), será automático, con fuente de energía dependiente, preciso, portátil y confiable.
3.2 MERCADO PRIMARIO
• Empresas relacionadas con las irradiaciones con láser no móviles
3.3 MERCADO SECUNDARIO • Universidades • Academias de estudio • Científicos 3.4 PREMISAS Y RESTRICCIONES • Automático • Portátil • Confiable • Fácil de programar • Costo razonable • Silencioso
3.5 OBTENCION DE DATOS PRIMARIOS
Se pregunto a un grupo de estudiantes de Ingeniería de la Universidad Autónoma, lo que ellos necesitarían a la hora de comprar un dispositivo automático para revisar la calidad de un producto X. A continuación se muestran las respuestas más populares:
• 1. El dispositivo Debe ser automático • 2. El dispositivo Debe ser pequeño
• 3. El dispositivo Debe tener resistencia al láser • 4. El dispositivo Debe ser fácil de programar • 5. El dispositivo Requiere poco mantenimiento • 6. El dispositivo Debe ser fácil de adaptar • 7. El dispositivo Debe ser liviano
• 8. El dispositivo Debe ser fácil de transportar • 9. El dispositivo Debe ser fácil de instalar
• 10. El dispositivo Debe tener un costo razonable • 11. El dispositivo Debe ser fácil de reparar • 12. El dispositivo Debe ser de gran durabilidad • 13. El dispositivo Debe ser preciso
• 14. El dispositivo Debe estar sujeto a una superficie
• 15. El dispositivo Debería manipular una carga considerable • 16. El dispositivo Debe ser portátil
4. ELABORACION DE QFD
Para comenzar con este punto, se establecerán unas métricas preliminares para las anteriores necesidades ya especificadas. Por lo tanto, las métricas son:
Tabla 1. Métricas preliminares
# NC METRICAS IMP. UNIDAD VALOR
1 13 Precisión 5 mm 0.05 2 13 Repetibilidad. 5 mm 0.1 3 2, 7,8,16 Dimensión (LxHxW) 4 mm 100x300x150 4 5,11 Costo 3 $ 700.000 5 1,13 Velocidad 4 cm/s 2 6 3,14 Firmeza 5 Subj. 4
7 3,5,12 Vida útil 5 Años 5
8 6,8 Adaptabilidad 5 Subj. 4.5
9 2,7,8,16 Peso 3 Kg 2
10 1,4 Facilidad de programación 5 Subj. 4
11 15 Capacidad de carga 4 gr. 100
12 11,5 Costo Mantenimiento 3 $ 40.000
4.1 RELACIÓN ENTRE NECESIDADES Y MÉTRICAS
4.2 ALGUNOS COMPETIDORES • Mesa Precisión xy Velocidad: 30 m/min Resolución: ±0,2 mm Dimensiones: 800x240mm Peso aproximado: 25 a 28 Kg Figura 5. Mesa de precisión XY
Fuente: Catalogo [en línea]. Santiago de Cali: Interempresas, 2004. [Consultado 06 de Agosto de
2008]. Disponible en Internet:
http://www.interempresas.net/MetalMecanica/FeriaVirtual/ResenyaProducto.asp?R=13722
• Router Rt: características generales
Velocidades de corte: 1 a 30 mm/seg Resolución: 0.025 mm (0.001")
Motor de fresado: 425 W, universal, 25000 RPM, con pinzas para herramientas de 1/8"e 1/4". Control de velocidad manual o electrónica.
Carrera vertical (eje Z): 50 mm
Mesa ranurada con accesorios de fijación Luz entre puente y mesa: 50 mm
Tablero eléctrico: 0.45 x 0.30 x 0.22 unido al router por cables de 1.20 m de largo. Comunicación con PC: puerto serie de 9600 baud.
Figura 6. Router Rt
Fuente: Catalogo [en línea]. Argentina: Digimaq, 2002. [Consultado 20 de Septiembre de 2008].
Disponible en Internet: http://usuarios.advance.com.ar/carloscortes/rt550.asp
• Linear stage avt-65
Key features Travel: 5 mm Slides: dove tail Screw: fine pitch Pitch: 0.25 mm Aperture: 30 mm Sensitivity: 2 µm
Figura 7. Linear Stage Avt-65
Fuente: Catalogo [en línea]. Alemania: Micos, 2000. [Consultado 21 de Septiembre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.micos.ws/AVT_65.html
4.3 EVALUACIÓN DE LA SATISFACCIÓN DEL CLIENTE EN COMPETIDORES
4.4 RELACIÓN DE LAS MÉTRICAS CON LOS COMPETIDORES Figura 9. Relación de métricas en los competidores
mm 0.025 ±0,2 2e-3 1e-3 mm 0.025 0.025 0.025 0.025 cm 89x40x50 80x24x120 5x2x5 15x27x15 $*1000 1200 950 200 690 mm/seg 30 41 - 5 Subj. 5 5 4 5 Años 5 4.5 5 3 Subj. 5 5 5 5 Kg. 15 28 0.45 2 Subj. 5 5 5 5 Gr. 5000 4000 1000 0.2 $ *1000 - - - 30 mm ±0,2 ±0,1 ±0,2 ±0,2
4.5 VALORES IDEALES Y MARGINALES DE LAS MÉTRICAS
Tabla 2. Valores ideales y marginales de las métricas
# NC METRICAS UNIDA
D VALOR IDEAL MARGINAL VALOR
1 16 Precisión mm 0.05 0.05---0.08 2 10,16 Repetibilidad mm 0.1 0.1 ----0.2 3 2,3,7,8 Dimensión (L xh xW) mm 150 X270 X150 140-180 250-300 140-180 4 5,12 Costo $ 600.000 500.000-800.000 5 1,10,1 6 Velocidad cm/s 1 1-3 6 3,17 Firmeza Subj. 4 4-5
7 3,5,15 Vida útil Años 3 3--4
8 6,8,14 Adaptabilidad Subj. 4.5 4-5 9 2,7,8 Peso Kg 2 1.5---3.5 10 1,4,11 Facilidad de programación Subj. 4 4-5 11 14 Capacidad de carga gr. 250 200-350 12 13,5 Costo Mantenimiento $ 40.000 35.000-50.000 13 16 Resolución mm 0.1 0.1-0.2
5. GENERACIÓN, SELECCIÓN Y PRUEBA DE CONCEPTOS
5.1 CAJA NEGRA
Se analiza todo el sistema como un solo proceso, en donde se toman en cuenta solamente las entradas y las salidas que tiene este.
Figura 10. Caja negra del sistema
5.2 DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
Se entra a analizar los procesos que se llevan a cabo dentro del robot Figura 11. Descomposición funcional del sistema
POSICION XY Energía Plaqueta Posicionamiento eje X Entradas Salidas Posicionamiento eje Y Datos software Datos software Energía Plaqueta Aceptar Energía externa Converso de energía en Móv. Rotacional
Recibir datos y Traducir a posiciones Transmisiones Converso de energía en Móv. Rotacional Mandar señal de movimiento a motores Porta Plaqueta Posiciona miento en X y Y Converso de móv. Rotacional a Móv. Traslacional Converso de móv. Rotacional a Móv. Traslacional Mecanismos de alineación
5.3 ÁRBOLES DE CLASIFICACIÓN PARA CONCEPTOS
Figura 12. Posibles opciones y clasificación de las formas de aceptar energía
Figura 13. Posibles opciones y clasificación del movimiento rotacional Aceptar Energía externa Química Hidráulica Eléctrica Baterías Tomada de la red Eólica Energía solar Neumática Aceptar Energía externa Toma de red Solar Eolica Baterías Eléctrica Neumática Química Hidráulica Converso de energía en Móv. Rotacional
Pistón neumático con engranes Eléctrica Motor DC
Motor Paso a Paso Servomotor Motor con engranes
Eólica Neumática
Hidráulica Pistón hidráulico con engranes
Torre eólica Converso de energía en
Móv. Rotacional
Motor DC Motor paso a paso Servomotor
Motor PAP con engranaje Pistón neumático con engranes Torre eólica
Figura 14. Posibles opciones y clasificación del movimiento traslacional
Figura 15. Posibles opciones y clasificación de las transmisiones Converso de móv. Rotacional a Móv. Traslacional Masa y resorte Rail Gun Solenoide Piñón-cremallera Sistema pistón-biela Sistema tornillo sin fin-tuerca Sistema tornillo-tuerca
Transmisiones
Piñones rectos
Piñones con dientes inclinados Piñones cónicos
Bandas dentadas Tornillo sin fin Piñón – cremallera Poleas
Bandas en V Cadenas
Sistema tornillo tuerca Sinfín-corona
Trasmisiones
Piñones rectos Piñones cónicos Sinfín-corona Piñones con dientes inclinados
Tornillos
Tornillo sin fin Sistema tornillo tuerca Piñón- cremallera Sinfín-corona Cadenas Piñones Móv. Rotacional Móv. Traslacional
Los dos movimientos Converso de móv.
Rotacional a Móv. Traslacional
Eléctrica Rail Gun Solenoide Eléctrica
Mecánica Piñón-cremallera Sistema pistón-biela Sistema tornillo sin fin-tuerca Sistema tornillo-tuerca
Figura 16. Posibles opciones y clasificación de la forma de control
Figura 17. Posibles opciones y clasificación del material
Figura 18. Posibles opciones y clasificación de la Morfología Recibir datos y traducir a
valores numéricos
Microprocesador
Programador Lógico Controlable (PLC) Electrónica Digital Compuertas lógicas Memorias Material Aluminio Fibra de vidrio Fibra de carbono Acero Lamina de hierro Acrílico Teflón Madera Plástico Natural Polímeros Metales Material Aluminio Acero Lamina de hierro Acrílico Teflón Plástico Fibra de vidrio Fibra de carbono Madera Morfología Antropomórfico Circular Rectangular Ovalado Cuadrado Polígono
Figura 19. Posibles opciones y clasificación de las porta plaquetas
Figura 20. Posibles opciones y clasificación del perfil de la base Porta- Plaquetas Cajilla en lámina Cajilla en aluminio Pinzas de polímero Pinzas en acero Pinzas de aluminio Pinzas en madera Cajilla en vidrio Natural Polímeros Metales Porta-plaquetas Cajilla en lámina Cajilla en aluminio Pinzas en acero Pinzas de aluminio Pinzas de polímero Pinzas en madera Cajilla en vidrio Base General
Plancha con Perfil redondo Plancha con Perfil cuadrado Plancha con Perfil ovalado Plancha con Perfil hexagonal Plancha con Perfil rectangular Trípode Dos párales Cuatro párales Patas Planchas Base general
Con Perfil redondo Con Perfil cuadrado Con Perfil ovalado Con Perfil hexagonal Con Perfil rectangular
Trípode Dos párales Cuatro párales
Figura 21. Posibles opciones y clasificación de los mecanismos de alineación
5.4 SELECCIÓN DE CONCEPTOS (METODO PASA O NO PASA)
Para la selección de conceptos se basó en criterios absolutos para la valoración individual de los conceptos, antes de valorarlos en forma conjunta y de esta manera reducir el número de combinaciones.
• Para la energía: debido al costo y al espacio que estas ocuparían decidimos
eliminar: química, hidráulica, eólica y solar, ya que esta no se presta para instalar en ninguna industria. Además, la energía hidráulica no serviría, ya que no se posee actuadores neumáticos, debido a la precisión que se requiere parea el posicionador.
• Conversión de Móv. Rotacional a Móv. Rotacional: se ha decidido eliminar
el sistema biela-pistón, ya que este requiere una infraestructura más detallada y no es posible controlar la precisión con este método. Además de esto, se elimino las opciones eléctricas, debido a que son muy grandes para nuestra aplicación.
• Trasmisiones: se descartaron las opciones de bandas y cadenas, porque su
instalación es bastante difícil y su funcionamiento en el proyecto no seria el adecuado. De igual forma la opción de tornillos no sirve, ya que este sistema es muy robusto, lo cual le da mas peso al posicionador. La opción de piñones cónicos y sistema sinfín-corona, también son descartados, ya que no se necesita cambiar el sentido del movimiento en 90º y el costo de un sinfín-carona es muy alto y además necesita de mucho volumen de trabajo.
• Recibir datos y traducir a valores numéricos: se descarta el PLC por su
costo y el de las compuertas y memorias por su lentitud y costos.
• Material: se descarta los polímeros y los naturales, debido a que el dispositivo
debe soportar el calor de una empresa de metales y además, deberá soportar en algún momento el calor del láser por algún error. De igual forma, la lamina de hierro, debido a que el sistema debe soportar una carga considerable.
• Morfología: Se puede pensar que la posibilidad de construirlo en forma:
antropomórfico, polígono y triangular no serian las mas aptas, ni las mas baratas para implementar y reparar. Además, las formas ovaladas y circulares no permitirían los movimientos que deseamos en el plano cartesiano.
Mecanismos de alineación
Guías paralelas Guía cuadrada
Guía en cola de milano Guía principal
• Base general: son desechas las ideas de las patas, debido a que el sistema
debe ir sujeto o fijado a una superficie. Además, las planchas con perfil ovalado y hexagonal presentan mucha dificultad de maquinado y no proporciona puntos clave de fijación.
• Mecanismos de alineación: se descarta la idea de las guías paralelas, ya que
deben ser muy exactas para que no interfieran con el movimiento, por lo cual no podemos correr el riesgo de que el sistema se atasque en plena prueba con el láser.
De esta manera los conceptos quedan de la siguiente manera: Figura 22. Conceptos para realizar las combinaciones
Recibir datos y traducir a valores numéricos Microprocesador E1 A1 A2 Almacena o aceptar Energía externa Toma de red Eléctrica Baterías D1 D2
Trasmisiones Piñones rectos
Piñones con dientes inclinados Piñones Metales Material Aluminio Acero F1 F2 Morfología Rectangular Cuadrado G1 G2 B1 B2 B3 Converso de energía en
Móv. Rotacional Eléctrica Motor DC Motor Paso a Paso Motor PaP con reductor
Converso de móv. Rotacional a Móv.
Traslacional
Mecánica
Piñón-cremallera
Sistema tornillo sin fin-tuerca Sistema tornillo-tuerca C1 C2 C3 Natural Polímeros
Porta-plaquetas Pinzas de polímero
Cajilla en vidrio
Figura 22. Conceptos para realizar las combinaciones (Continuación)
5.5 CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN PARA SELECCIÓN
• Automático • Pequeño • Resistencia al láser • Fácil de programar • Poco mantenimiento • Fácil de adaptar • Liviano • Fácil de transportar • Fácil de instalar • Costo razonable • Fácil de reparar • Gran durabilidad • Preciso
• Sujeto a una superficie • Una carga considerable
Los datos de referencia para la matriz de tamizaje se obtuvieron de la Figura 5. Mesa de precisión XY.
5.6 MATRIZ PARA TAMIZAJE DE CONCEPTOS.
Es analizaron todas las posibles combinaciones de los conceptos, obteniendo un total de 10 posibles combinaciones, comparando cada una con los criterios de selección se obtiene un orden de preferencia para las combinaciones.
• 1 = A1-B1-C1-D1-E1-F1-G1-H1-I1-J1 • 2 = A2-B2-C2-D3-E1-F2-G2-H2-I2-J2 • 3 = A1-B3-C1-D2-E1-F1-G1-H1-I3-J3 • 4= A2-B1-C2-D3-E1-F2-G2-H2-I1-J1 • 5= A1-B2-C1-D2-E1-F1-G1-H1-I2-J2 Planchas
Base general Con Perfil cuadrado Con Perfil redondo Con Perfil rectangular
I1 I2 I3 Mecanismos de alineación Guía cuadrada Guía en cola de milano Guía principal
J1 J2 J3
• 9= A2-B3-C1-D2-E1-F1-G1-H1-I3-J2 • 10 = A2-B3-C2-D3-E1-F1-G1-H1-I1-J2
Tabla 3. Matriz de tamizaje de conceptos
5.7 DISEÑOS
Los diseños de los dispositivos que pasaron son: Figura 23. Diseño No 9 en 3D
Conceptos
Criterios de selección 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ref
Automático 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Pequeño - + + - 0 - - + + 0 0 Resistencia al láser + - + - + - + - + - 0 Fácil de programar - 0 0 - 0 0 - 0 0 0 0 Poco mantenimiento - 0 + - 0 + - + + + 0 Fácil de adaptar 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Liviano 0 - 0 - 0 - - + + + 0 Fácil de transportar - + 0 - 0 - - + + + 0 Fácil de instalar 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Costo razonable 0 + - + 0 + + - - - 0 Fácil de reparar + 0 - + 0 0 + - - 0 0 Gran durabilidad - 0 - 0 + 0 + 0 + + 0 Preciso - 0 + - + 0 - 0 + 0 0
Sujeto a una superficie 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Una carga considerable - + - + - + - - - + 0
Positivos 2 4 4 3 3 3 4 4 7 5 Iguales 6 9 7 5 11 8 4 7 5 8 Negativos 7 2 4 7 1 4 7 4 3 2 Puntuación -5 2 0 -4 2 -1 -3 0 4 3 Orden 10 3 6 9 4 7 8 5 1 2 ¿Continuar? NO SI NO NO SI NO NO NO SI SI
(ContinuaciónFigura 23.) Figura 24. Diseño No 10 en 3D MATERIAL: Aluminio MORFOLOGIA: Rectangular MOTORES: PaP
ENGRANAJES: piñón-cremallera, piñones cónicos, piñones rectos
PORTA-PLAQUETA: Pinzas de polímero
MATERIAL: Aluminio MORFOLOGIA: Rectangular MOTORES: PaP con reductores ENGRANAJES: sinfín-tuerca y piñones cónicos
Figura 25. Diseño No 2 en 3D Figura 26. Diseño No 5 en 3D MATERIAL: Acero MORFOLOGIA: cuadrada MOTORES: PaP
ENGRANAJES: sinfín-tuerca y piñones cónicos
(Continuación Figura 26.)
MATERIAL: Alumínio MORFOLOGIA: rectangular MOTORES: PaP
ENGRANAJES: piñón-cremallera y piñones de dientes inclinados
6. ARQUITECTURA DE PRODUCTOS
6.1 RELACION ENTRE ELEMENTOS FUNCIONALES Y FISICOS Tabla 4. Relación de los elementos del sistema
6.2 ESQUEMA DEL PRODUCTO Figura 27. Esquema del producto
ELEMENTOS FISICOS RELACION ELEMENTOS FUNCIONALES
Microprocesador G Movimiento X A
Guía móvil A,B,F Movimiento Y B
Guía fija A,B,F Uniones generales C
Cremallera A,B Elemento Terminal D
Piñón(cremallera) A,B Soporte general E
Porta-plaquetas D,E Alineación F
Eje del
piñón-cremallera A,B,F Lógica del sistema G
Piñones cónicos A Protección de la plaqueta H
Pinzas de polímetro D Lamina sujeta motor E Lamina de soporte E,F
Cilindro soporte E,F
Plancha de base E Shouter H Piñones rectos B PROCESAMIEN TO Guía móvil. (Móv. X) Eje piñón (cremallera) Piñón cónico MOTO DRIVER Y PROTECCI DRIVER Y PROTECCI MOTOR Piñón recto Eje piñón (cremallera) Guía móvil. (Móv. Y) B C PC
6.3 ELABORACION DE CLUSTERS
Figura 28. Clusters del sistema
LOGICA Y CONTROL
PROCESAMIENTO
DE DATOS
Guía móvil.
(Móv. X)
Eje piñón (cremallera)
Piñón cónico MOTOR DRIVER Y PROTECCION DRIVER Y PROTECCION MOTOR SOPORTE MOTOR Y Guía fija (Móv. Y) A Piñón recto
Eje piñón (cremallera)
Guía móvil. (Móv. Y) C Porta-plaqueta Pinzas de polímero Lámina y cilindro de soporte Guía fija (Móv. X) SOPORTE MOTOR X A B B C PLANCHA DE BASE POTENCIA MOVIMIENTO Y MOVIMIENTO X ELEMENTO TEMINAL SOPORTE GENERAL PC
6.3 DISTRIBUCION GEOMETRICA
Figura 29. Geometría del producto
6.4 INTERACCIONES
Figura 30. Interacciones en el sistema
BASE
MOVIMIENTO
X
MOVIMIENTO
Y
PORTA-PLAQUETA POLIMERO PINZAS DE POTENCIA CONTROL Y LOGICA Distorsión Térmica Vibración Vibración
7. ARQUITECTURA DE COMPONENTES ELECTRÓNICO
7.1 REQUISITOS
Para los requisitos electrónicos del sistema, debemos tomar en cuenta los requisitos del cliente como los primeros parámetros de selección de los componentes electrónicos:
• El dispositivo Debe ser automático • El dispositivo Debe ser pequeño
• El dispositivo Debe tener resistencia al láser • El dispositivo Debe ser fácil de programar • El dispositivo Requiere poco mantenimiento • El dispositivo Debe ser fácil de adaptar • El dispositivo Debe ser liviano
• El dispositivo Debe ser fácil de transportar • El dispositivo Debe ser fácil de instalar • El dispositivo Debe tener un costo razonable • El dispositivo Debe ser fácil de reparar • El dispositivo Debe ser de gran durabilidad • El dispositivo Debe ser preciso
• El dispositivo Debe estar sujeto a una superficie
• El dispositivo Debería manipular una carga considerable • El dispositivo Debe ser portátil
7.2 ESPECIFICACIONES
• Control Y Lógica: para este requerimiento, usaremos un microcontrolador
PIC16F877, el cual posee todas las características para nuestro diseño.
• Potencia: para este requerimiento se recurrirá al uso del drive ULN2003, con el
cual obtendremos una buena salida de corriente para el motor paso a paso y además un acople de impedancias.
• Sensores: no poseerá sensores, debido a que el sistema debe ser portátil y
• Comunicación: para la comunicación entre el PC y el micro se usara el
MAX232, el cual es el driver para la comunicación serial entre el microcontrolador y el PC.
7.3 DISEÑO ARQUITECTURAL
Para esto, usaremos la herramienta de software PROTEUS, con la cual simularemos la parte electrónica del circuito, la cual se dispondrá de la siguiente manera:
• Control Y Lógica: simularemos el PIC16F877 , con un programa hecho en
PICC
Figura 31. Microcontrolador PIC16F877
• Potencia:
• Comunicación
Figura 33. Drive para la comunicación serial
7.4 DISEÑO LÓGICO
El circuito conectado, quedaría de la siguiente forma: Figura 34. Circuito electrónico del posicionador
7.5 CODIGO FUENTE
En este punto, se mostrará algunos trozos de código fuente del microcontrolador en lenguaje C.
7.5.1 Movimiento de motores.
L=getc(); // comando en C para capturar el bit de dirección que envía la interfaz.
• Mover el motor x a la derecha
If(l==’1’) { // compara si el bit de dirección es 1
K= p/4// divide el numero de pasos mandado por la interfaz entre 4, ya que la rutina posee 4 pasos y no solo 1.
For(i==0;i<k;i++){
output_c(0x06); ///// HORARIO
delay_ms(250); // retardo para que se energice las bobinas
output_c(0x0c); delay_ms(250); output_c(0x09); delay_ms(250); output_c(0x03); delay_ms(250); } }
• Mover el motor x a la izquierda
If(l==’0’) { K= p/4 For(i==0;i<k;i++){ output_c(0x09); /////// ANTIHORARIO delay_ms(250); output_c(0x0c); delay_ms(250); output_c(0x06); delay_ms(250); output_c(0x03); delay_ms(250);}
• Mover el motor Y a la abajo If(l==’2’) { K= p/4 For(i==0;i<k;i++){ output_b(0x06); ///// HORARIO delay_ms(250); output_b(0x0c); delay_ms(250); output_b(0x09); delay_ms(250); output_b(0x03); delay_ms(250); } }
• Mover el motor Y a la arriba
If(l==’3’) { K= p/4 For(i==0;i<k;i++){ output_b(0x09); /////// ANTIHORARIO delay_ms(250); output_b(0x0c); delay_ms(250); output_b(0x06); delay_ms(250); output_b(0x03); delay_ms(250);} } }
7.5.2 Comunicación serial. Para ello, debemos configurar la comunicación tanto en el microcontrolador como en la interfaz, es decir: la misma velocidad de transmisión. Además de est6o, se debe manejar dicha comunicación como una interrupción, ya que el micro no puede solo estar esperando algun dato siempre, sino que también debe atender otras tareas.
Por lo tanto la configuración de la comunicación serial en código C es: #use rs232 (baud=9600,Xmit=pin_c6,Rcv=pin_c7)// configura los pines de
Esto debe ir en el main del programa:
ENABLE_INTERRUPTS(INT_RDA);// habilita la interrupción de la comunicación
serial
ENABLE_INTERRUPTS(GLOBAL); // habilita todas las interrupciones
Después de esto, si se presenta alguna interrupción, debe ir a un método, el cual se ejecutara siempre que se presente una interrupción por comunicación serial. Este método es:
#int_rda // directiva de la interrupción
Void rs(){// declaración del método
I++; If(I==1){
X=getc(); // recibe coordenada X inicial del programa }
If(I==2){
Y= getc();// recibe coordenada Y inicial del programa }
If(I==3){
L= getc();// recibe bit de dirección }
If(I==4){
p= getc();// recibe numero de pasos i=0;
}
8.DISEÑO DETALLADO
8.1 MATERIAL
Para la fabricación del dispositivo se utilizara el aluminio debido a sus propiedades físicas y mecánicas.
Aluminio: Características físicas
• Entre las características físicas del aluminio, destacan las siguientes:
• Es un metal ligero, cuya densidad o peso específico es de 2700 kg/m3 (2,7
veces la densidad del agua).
• Tiene un punto de fusión bajo: 660ºC (933 K). • El peso atómico del aluminio es de 26,9815. • Es de color blanco brillante.
• Buen conductor del calor y de la electricidad.
• Resistente a la corrosión, gracias a la capa de Al2O3 formada. • Abundante en la naturaleza.
• Material fácil y barato de reciclar. • Material resistente a los láser
Características mecánicas
• Entre las características mecánicas del aluminio se tienen las siguientes: • De fácil mecanizado.
• Muy maleable, permite la producción de láminas muy delgadas. • Bastante dúctil, permite la fabricación de cables eléctricos.
• Material blando (Escala de Mohs: 2-3). Límite de resistencia en tracción
160-200 N/mm2 [160-200 MPa] en estado puro, en estado aleado el rango es de 1400-6000 N/mm2. El duraluminio es una aleación particularmente resistente.
• Material que forma aleaciones con otros metales para mejorar las propiedades
mecánicas.
Acero inoxidable 304: Las características Excelente resistencia a la corrosión
a una amplia variedad de medios corrosivos, incluyendo productos de petróleo caliente y gases de combustión. Resistente a la corrosión en servicio intermitente hasta 871ºC (1600º F) y hasta 926º C (1700º F) en servicio continúo. Excelente soldabilidad, utilizar electrodos tipo 308S. Poco maquinable: 45% del acero 1212, se recomiendan velocidades de 40 a 85 pies de superficie / min.
Se utiliza en la industria química, alimenticia, textil y petrolera, para piezas varias y partes que requieran ser soldadas; para fabricar flechas, tuercas, tornillos, partes para válvulas, cuchillería, artículos domésticos, etc..
8.2 PESO DEL SISTEMA
Dado que en las métricas del sistema, se tenia un peso entre 1.5 a 3.5 Kg, se puede afirmar que el prototipo ha de cumplir con el peso buscado ya que gracias a simulaciones en Solid Edge, se puede observar que el diseño solo pesará 2.6 Kg, lo cual es muy bueno para el usuario.
8.3 DIMENSIONES GENERALES DEL DISEÑO
A continuación, se mostrara que estas dimensiones, satisfacen en su totalidad a las métricas de dimensiones establecidas en todos sus aspectos.
Todas las dimensiones vienen dadas en mm. Figura 36. Dimensiones del sistema
8.4 RESOLUCIÓN Y PRECISION DEL DISEÑO
Se basó en que el juego máximo entre dientes que puede obtener un modulo 1 es de 0.025 mm1, podemos obtener la precisión del sistema, al igual que su resolución.
4
• Método datos tabla: Conociendo que el juego entre dientes es de 0.025mm,
tenemos:
Figura 37. Juego entre dientes
Por lo tanto, la perdida entre un movimiento a otro seria de 0.025mm+0.025mm, lo que es igual a 0.05 mm.
Es decir que si se da la orden de moverse 1mm, en realidad solo se desplazara 0.95 mm, lo cual lo deja dentro de nuestra precisión, la cual es de 0.1mm, por lo cual el rango estaría entre 1.05 mm y 0.95 mm.
Dando así una resolución minima es de 0.05 mm, pero por cuestiones de seguridad, se dio una resolución de 0.1 mm, ya que la resolución debe ser siempre mayor a la precisión.
Juego de 0.025 mm entre sistema piñón-cremallera Juego de 0.025 mm, entre dos piñones rectos
8.5 CAPACIDAD DE CARGA
El dispositivo soporta hasta una carga de 400 g, lo cual es ideal y superior a las especificaciones, dando un factor de seguridad de aproximadamente 3.5.
8.6 COSTO
El costo del dispositivo es de $ 741.000, lo cual esta dentro del rango del costo dado en las especificaciones
8.7 VIDA ÚTIL Y FIRMEZA
La vida útil del sistema, será de 4 años y su firmeza es de 5, gracias a su base que brinda una seguridad excelente.
8.8 MOTORES
Para seleccionar los motores, debemos conocer el torque mínimo que necesitamos, como el caso mas critico esta en el eje X, ya que este elemento, carga la parte del eje Y con su respectivo motor. Es por ello que si encontramos el torque mínimo para este caso, cumplirá topados los requerimientos del eje Y.
Piñon Radio X cinetica Fuerza Fk Uk F Fk X Fk T = = = = * * min
Entonces, se encuentra la fuerza: Figura 38. Diagrama de cuerpo Libre
Uk
Por lo tanto: Para el cálculo de la fuerza (F), simulamos un peso en el motor de 250 gr, el cual estará incluido en el peso total del sistema a analizar.
N s m Kg F mg F 82 . 8 / 8 . 9 * ) 900 . 0 ( 2 = = =
Según Garcia2 , El coeficiente fricción entre aluminios es de 1.4 (Adimensional).
N N Fk Uk F Fk 348 . 12 4 . 1 * 82 . 8 * = = =
Por lo tanto el torque mínimo del motor es: Siendo X el radio del piñón que engrana con la cremallera. (X=0.004m).
Nm m N T X Fk T 0494 . 0 004 . 0 * 72 . 9 min * min = = =
Por lo tanto, el motor debe tener un torque mínimo de 0.0494Nm Tabla 5. Especificaciones del motor
CARACTERISTICAS ESPECIFICACIONES
Tipo de motor Paso a paso Bipolar
Angulo de fase (º) 1.8
Norma nema size 17
Peso máximo (g) 250
Reductor NO
Mínimo torque (Nm) 0.0494
Voltaje de funcionamiento(V) 12
Corriente sugerida (A) 0.4---0.6
5
8.9 CALCULO DE ENGRANES
8.9.1 Engranajes rectos. Para dicho análisis, inicialmente solo tenemos la
distancia entre ejes la cual es de 36mm. Figura 39. Relación entre engranaje y piñón.
Como a distancia entre ejes es de 36 mm, se debe escoger 2 radios de circunferencias que tengan una delación 2:1, las cuales cumplan con la distancia anterior. Estos radios significaran los radios de la circunferencia primitiva de cada uno de los engranajes.
Es por ello que hemos tomado: Dpe=48mm
Dpp=24mm
• Calculo de número de dientes
Para encontrar el número de dientes se hará uso de la siguiente expresión:
En donde:
m= modulo en mm z=numero de dientes.
Para nuestro caso, se escogerá el modulo como 1mm3 (m=1mm), y ya teniendo el Diámetro primitivo de cada elemento (Dp), podemos calcular el número de dientes para cada uno, mediante la expresión [1]:
6
Piñón (p) Engrane (e)
• Calculo de los diámetros exteriores, diámetros base y diámetros de la raíz
Para ello se emplearan las siguientes expresiones:
Exterior Diametro z m De= ( +2) Raiz Diametro m Dp Dr = −2(1.25 ) [4]
A continuación, reemplazando los valores de cada elemento en las expresiones [2], [3]y [4], se obtiene: mm mm mm m Dpe Dre = −2(1.25 )=48 −2(1.25*1 )=48−2.5=45.5 mm mm mm m Dpp Drp = −2(1.25 )=24 −2(1.25*1 )=24−2.5=21.5
• Calculo de Razón de contacto (Mc)
Para ello, se usa la siguiente expresión: En donde:
Z= la longitud de acción Pb=paso base
Por lo tanto, la longitud de acción Z, cual se define mediante la siguiente expresión:
Siendo:
ree=radio externo del engranaje rep=radio externo del piñón rbe=radio base del engranaje rbp=radio base del piñón C=distancia entre centros α=Angulo de presión (20°)
[2] [3]
[6] [5]
El paso base se calcula de la siguiente manera:
Como los dos pasos base deben ser iguales, se calcularan con los datos del engranaje:
Por lo tanto, el Mc es igual a:
El valor de Mc, nos indica el número mínimo de dientes que estarán en contacto, dado que el libro de Norton dice que este valor no puede ser inferior a 1.2, el valor obtenido de 1.6, satisface este requisito.
• Ancho de la cara
La relación que nos indica este valor es: Por lo tanto:
Para este caso, se tomó como el valor de b como 8 mm. Tabla 6. Características de los piñones rectos
CARACTERISTICA PIÑON(mm) ENGRANAJE(mm)
Diámetro Primitivo 24 48 Numero de dientes 24 48 Modulo 1 1 Diámetro Raíz 45.5 21.5 Diámetro Exterior 26 50 Paso base 2.952 2.952 Ancho de cara 8 8
Razón de Contacto(# dientes) 1.67 1.67
[7]
8.9.2 Engranajes cónicos. Para dicho análisis, inicialmente solo se tiene la distancia de cada uno de los ejes al borde del sistema, así:
Figura 40. Representación distancias de los ejes del posicionador.
Como la distancia del eje del motor hasta el borde del porta motor es de 30mm, el diámetro primitivo del engrane, no debe sobrepasar los 25mm, ya que de ser así, al encontrar el diámetro exterior, excedería el espacio en el cual se podría montar el engrane, además de ello no quedaría espacio para que el engrane gire.
De igual forma para el eje del piñón de la cremallera, el diámetro primitivo del piñón, no debe exceder los 25mm, ya que podría ocurrir lo mencionado anteriormente.
Es por ello que se ha tomado: Dpe=40mm
Dpp=20mm
• Calculo del Angulo del piñón
Para ello se debe realizar un análisis geométrico: Figura 41. Vista de ángulos y distancias para análisis
30 34
Por lo tanto: º 646 . 27 524 . 0 tan 21 11 tan £= -1 = -1 =
Este ángulo es el del piñón, pero como los ejes están a 90º se cumple: € = 90º -£
€ = 90º - 27.646º = 62.354º
Calculo del Angulo del cono (¥): Como el cono del engranaje se forma a partir de una línea recta trazada perpendicularmente a la línea que toca los 2 diámetros primitivos, se puede calcular este ángulo mediante complemento de ángulos, así: Figura 42. Vista ampliada de ángulos y distancias para análisis
Por lo tanto: 180º £ 90º ¥+ + = º 354 . 62 7.646º 180º-90º-2 £ 180º-90º ¥ = − = =
• Calculo de número de dientes: Para encontrar el número de dientes se hará
uso de expresión [1]: En donde:
m= modulo en mm z=numero de dientes.
Para este caso, se escogerá el modulo como 1mm (m=1mm), y ya teniendo el Diámetro primitivo de cada elemento (Dp), podemos calcular el número de dientes para cada uno:
£
€ ¥
dientes mm mm m Dpe ze 40 1 40 = = = dientes mm mm m Dpe ze 20 1 20 = = =
• Calculo de los diámetros exteriores, diámetros base y de raíz
Para ello se emplearan las expresiones [2],[3],[4]; de lo cual se obtiene: mm mm ze m Dee = ( +2)=1 (40+2)=42 mm mm ze m Dep = ( +2)=1 (20+2)=22 mm Cos Cos Dpe Dbe = * α =40* 20º=37.588 mm Cos Cos Dpp Dbp = * α =20* 20º=18.794 mm mm mm m Dpe Dre = −2(1.25 )=40 −2(1.25*1 )=40−2.5=37,5 mm mm mm m Dpp Drp = −2(1.25 )=20 −2(1.25*1 )=20−2.5=17.5
• Calculo de Razón de contacto (Mc)
Para ello, se usa la expresión [5]: En donde:
Z= la longitud de acción Pb=paso base
Por lo tanto, la longitud de acción Z, cual se define mediante la expresión [6]: Siendo:
ree=radio externo del engranaje rep=radio externo del piñón rbe=radio base del engranaje rbp=radio base del piñón C=distancia entre centros α=Angulo de presión (20°) Por lo tanto: mm mm ze m Dee = ( +2)=1 (40+2)=42 mm mm ze m Dep = ( +2)=1 (20+2)=22 mm Cos Cos Dpe Dbe = * α =40* 20º=37.588 mm Cos Cos Dpp Dbp = * α =20* 20º=18.794
Como los dos pasos base deben ser iguales, se calcularan con los datos del engranaje: 952 . 2 40 ) 588 . 37 ( = = = mm z Db Pb π π
Por lo tanto, el Mc es igual a:
11 . 5 952 . 2 087 . 15 = = = Pb Z Mc
Con esto, aseguramos que los dientes que estarán en contacto son 5.11 dientes
• Ancho de la cara
La relación que nos indica este valor es: Por lo tanto:
Para el caso, se adopto el valor de b como 12mm. Tabla 7. Características de los piñones cónicos
CARACTERISTICA PIÑON(mm) ENGRANAJE(mm)
Diámetro Primitivo 20 40
Numero de dientes 20 40
Modulo 1 1
Angulo del cono primitivo 27.646 62.354º
Angulo del cono
complementario 62.354 62.354 Diámetro Raíz 17,5 37,5 Diámetro Exterior 22 42 Paso base 2.952 2.952 Ancho de cara 12 12 Razón de Contacto(# dientes) 5.11 5.11
8.9.3 Sistema Piñón – Cremallera. Este tipo de sistemas se analizan como si
Tabla 8. Numero mínimo de dientes del piñón de la cremallera
ANGULO DE PRESION (GRADOS) NUMERO MINIMO DE DIENTES
14.5 32
20 18
25 12
Fuente: NORTON L, Robert. Diseño de maquinas. 1era Edición. México: Prentice
Hall. 1999. 420 p. Por lo tanto:
Se inicio de la información de la tabla numero 5, la cual indica que el numero recomendado de dientes para el piñón es de 18 dientes y un modulo de 0.3mm4. La distancia entre ejes es de 6mm:
Figura 43. Ubicación de distancias entre ejes
Como la distancia entre ejes es de 6 mm, se encontrarán 2 radios de circunferencias que tengan una relación 1:1, las cuales cumplan con la distancia
Es por ello que hemos tomado: Dpc=6mm
Dpp=6mm
• Calculo de número de dientes: para encontrar el número de dientes se hará
uso de la expresión [1]: En donde:
m= modulo en mm z=numero de dientes.
Para el caso, se escogerá el modulo como 1mm (m=1mm), y ya teniendo el Diámetro primitivo de cada elemento (Dp), se calculó el número de dientes para cada uno: dientes mm m Dpp zp 20 3 . 0 6 = = =
Para definir el número de dientes de la cremallera, se debe encontrar el paso diametral y verificar cuantos pasos alcanzan en la longitud de la cremallera. Por lo tanto, el paso diametral (Pd) se define así:
Como no se tiene un diámetro de la cremallera se usará los datos del piñón: mm mm zp Dpp Pc 0.943 20 * 6 * = = = π π
Como la longitud de la cremallera es de 45mm:
dientes mm Circular Paso cremallera longuitud zc 47,72 943 . 0 45 = = =
• Calculo de los diámetros exteriores y diámetros base: para ello se emplearan
las siguientes expresiones:
Exterior Diametro z m De= ( +2) De lo cual se obtiene: [9]
• Calculo de Razón de contacto (Mc): dado que el Dec es infinito, el resultado de
la razón de contacto será infinito
• Ancho de la cara
La relación que indica este valor es:
Por lo tanto, el ancho de la cara del piñón es de:
Para este caso, el valor de b como 8mm. 8.10 SIMULACION
Para corroborar el buen diseño, se han simulado los esfuerzos que debería soportar el sistema, al ser colocada una plaquita de aproximadamente 150g. Cabe destacar que ninguna plaqueta para guías de ondas va a pesar más de 100g, pero por cuestiones de análisis se ha tomado un peso superior a este, con el fin de asegurar el buen funcionamiento del prototipo.
Para ello se hará uso de un software CAE, el cual mostrara los resultados de nuestro análisis.
8.10.1 Características del mallado. Para este caso, se ha tomado las siguientes
características:
Figura 45. Vista del Posicionador XY
8.10.2 Análisis del sistema global. Como el porta plaquetas esta en el borde izquierdo del eje Y, se coloco la fuerza en un punto de la pieza del mismo eje, obviando así el porta plaquetas, ya que el punto concentración de la fuerza es el mismo con o sin porta plaquetas, lo que representa para este caso una pieza menos que analizar.
Además de esto, todas las piezas fueron simuladas en Aluminio 1050. Los resultados fueron:
(Continuación Figura 46)
De ello podemos concluir que el sistema podrá soportar la carga sin ningún problema, ya que factor de seguridad es muy elevado, lo que representa que ninguna pieza sufrirá alguna grieta, ni mucho menos un rompimiento.
8.10.3 Análisis en caso critico. Como ya se observo anteriormente, el sistema
puede soportar la carga sin ningún problema, pero en el anterior modelo, simulamos el sistema en una forma oprima, es decir en su posición inicial, lo cual indica que el prototipo esta completamente estable y sus pesos balanceados. En este nuevo estudio, tomaremos cada una de las piezas del eje X y las analizaremos de forma individual, con el fin de encontrar algún error de diseño o de material, en una posición critica para el sistema, ya que el eje Y estará desplazado a su máximo rango, lo cual implica que todas las partes del eje X estarán bajo cargas máximas.
Se ha tomado el eje X como base de este estudio, ya que las partes que lo componen son las que mas deben soportar peso y carga, puesto deben soportar al eje Y.
Los resultados de este análisis fueron:
Figura 47. Vista eje X como base de estudio a diferentes pesos.
De ello se puede concluir que exteriormente, todas las partes soportan la carga aplicada y ninguna de ellas sufre graves deformaciones, las cuales puedan afectar el buen funcionamiento del sistema. De igual forma, se puede observar que el factor de seguridad es muy alto, lo que corrobora la afirmación anterior.
• Pieza móvil
Figura 48. Vista de Pieza móvil objeto de estudio a diferentes pesos.
Como se observa, la pieza no sufre ninguna deformación, y su factor de seguridad es muy alto, lo que implica que este elemento no pasara por ningún problema.
• Pieza fija
Figura 49. Vista de fija móvil objeto de estudio a diferentes pesos.
Esta pieza muestra que sufrirá algún esfuerzo máximo en el extremo derecho, pero no sufrirá ninguna deformación, lo cual es muy importante. Además, su factor de seguridad es muy bueno, por lo cual esta pieza no es un problema.
• Piñón de la cremallera
Figura 50. Vista de Piñón- cremallera objeto de estudio a diferentes pesos.
No posee ningún problema.
• Cremallera
Figura 51. Vista cremallera objeto de estudio a diferentes pesos.
En esta pieza, se puede afirmar que no sufrirá ningún problema, ya que su factor de seguridad es muy alto.
• Eje del piñón de la cremallera
Figura 52. Vistas piñón de la cremallera objeto de estudio a diferentes pesos.
Como se puede ver, el eje si soporta la carga, ya que su factor de seguridad es muy alto, pero posee el problema de que se deforma mucho, lo cual es muy perjudicial para nuestro sistema.
Sus deformaciones tanto en el eje X y en el Y no son muy notables, pero para un sistema que busca una precisión muy alta, esto puede ser negativo para este aspecto.
Para solucionar este problema, cambiaremos el material del eje a un acero 1045. Los resultados son:
Figura 53. Vistas piñón de la cremallera objeto de estudio a diferentes pesos con acero inoxidable 304.
Como se observa, los resultados son mas satisfactorios, ya que el eje no presenta demasiadas deformaciones, lo cual es optimo para nuestro sistema.
9. PROTOTIPADO
9.1 PROTOTIPOS UTILIZADOS Y SUS FUNCIONES
Durante el proceso de desarrollo se generaron diversos prototipos:
Prototipo 1: Prototipos del diseño para el circuito electrónico, montados en un protoboard. Esto con el fin de probar el funcionamiento real del diseño de la electrónica que llevara el sistema.
Prototipo 2: Prototipos analíticos de los mecanismos usando herramientas CAD,
especialmente para analizar las dimensiones del producto. Es se te utilizo para obtener una idea de la forma definitiva, y de las tolerancias permisibles. Para tal propósito se uso Solid Edge.
Prototipo 3: Prototipo analítico-parcial del programa que guiara al sistema,
usando herramientas de depuración cómo es PICC. Estos prototipos tienen la finalidad de verificar que el algoritmo propuesto era realmente funcional y analizar las consecuencias de eventos posibles pero que no que no se pueden predecir mediante una prueba de escritorio.
Prototipo 4: Prototipo analítico parcial del sistema de Dibujo, desarrollado con las
herramientas de Visual donde se realizo la interfaz con el usuario. Figura 54. Ubicación de cada prototipo según sus características
10. DESARROLLO DEL DISEÑO INDUSTRIAL
10.1 CLASIFICACIÓN DEL PRODUCTO
Según la naturaleza de nuestro producto, el cuál va a ser un dispositivo autónomo, que va a estar trabajando en un ambiente industrial durante largas jornadas, con poca interacción de los operarios; podemos decir que se trata de un producto dominado por la tecnología en gran parte, ya que posee una interfaz con el usuario, por lo cual también debe poseer un enfoque de beneficio, en un porcentaje igual al del tecnológico.
Figura 55. Clasificación del producto
10.2. EVALUACIÓN DE NECESIDADES ERGONÓMICAS Tabla 9. Evaluación de las necesidades ergonómicas