ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“UNIDAD CULHUACÁN”
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA INGENIERO MECANICO
SEMINARIO:
“CONTROL MODERNO APLICADO A MAQUINAS ELECTRICAS ROTATORIAS Y A SISTEMAS AUTOMATIZADOS”
TEMA:
“IMPLEMENTACION DE UN SELECCIONADOR DE PIEZAS DE COLOR UTILIZANDO AUTOMATAS PROGRAMABLES”
REG: DES/ESIME-CUL/5122005/09/10
INTEGRANTES:
AGUADO ARRIAGA JOSE GUADALUPE.
ORTIZ NOLASCO NORMA LETICIA.
VERA CASANOVA OLIN.
ZAMORA CAZAS JORGE.
COORDINADOR ASESOR:
M. EN C. LAZARO EDUARDO CASTILLO BARRERA.
ASESORES:
M. EN C. GUILLERMO TRINIDAD SANCHEZ.
ING. EDGAR MAYA PEREZ.
UNIDAD CULHUACAN
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA INGENIERO MECANICO
NOMBRE DEL SEMINARIO:
“CONTROL MODERNO APLICADO A MAQUINAS ELECTRICAS ROTATORIAS Y A SISTEMAS AUTOMATIZADOS”
DEBERA DESARROLLAR:
AGUADO ARRIAGA JOSE GUADALUPE ORTIZ NOLASCO NORMA LETICIA
VERA CASANOVA OLIN ZAMORA CAZAS JORGE
NOMBRE DEL TEMA:
“IMPLEMENTACION DE UN SELECCIONADOR DE PIEZAS DE COLOR UTILIZANDO AUTOMATAS PROGRAMABLES”
CAPITULADO:
I. MARCO TEORICO
II. FUNDAMENTOS TEORICOS
III. PROGRAMACION Y DESARROLLO DEL PROTOTIPO CONCLUSIONES
APENDICE A APENDICE B
Fecha: México D.F. Octubre de 2010
M. EN C. LAZARO EDUARDO CASTILLO BARRERA ING. EDGAR MAYA PEREZ
COORDINADOR DEL SEMINARIO ASESOR
M. EN C. GUILLERMO TRINIDAD SANCHEZ.
ASESOR
M. EN C. HECTOR BECERRIL MENDOZA SUBDIRECTOR ACADEMICO ESIME CULHUACAN
RESUMEN.
Este proyecto plantea la iniciativa de adoptar la realización, diseño, fabricación y aplicación de una escala pequeña brazo robótico manipulador desarrollado por los jóvenes egresados a mover algunos objetos pequeños de un lado a otro, ya la mejor manipulación en el brazo con un control y buscar la mejor dirección del movimiento para el brazo también. El objetivo principal de este proyecto es la producción de un brazo mecánico que implementa para muchas industrias utiliza para mejorar una mejor producción para generar un costo menor en la realización y la eficiencia en la manufactura de los productos, también mejoran la velocidad de los productos se dio cuenta de que corta el momento de la entrega de los productos.
ÍNDICE
ÍNDICE ... 1
CAPITULO I. MARCO TEORICO. ... 4
1.1 INTRODUCCION. ... 4
1.2 OBJETIVO. ... 4
1.3 JUSTIFICACION. ... 5
1.4 ESTADO DEL ARTE. ... 5
1.5 ROBOTS Y LA ECONOMIA MEXICANA. ... 7
CAPITULO II FUNDAMENTOS TEORICOS. ... 11
2.1 INTERRUPTORES Y PULSADORES ... 11
2.2 SENSORES. ... 11
2.2.1 Sensores ópticos ... 11
2.2.2 Sensores de barrera. ... 11
2.2.3 Sensores reflectivos. ... 12
2.2.4 Sensores magnéticos. ... 12
2.2.5 Sensores de proximidad ... 13
2.2.6 Sensores de proximidad magnéticos ... 13
2.2.7 Sensores de proximidad capacitivos. ... 13
2.3 MOTORES A PÁSOS. ... 13
2.3.1 Secuencias para manejar motores paso a paso unipolares. ... 14
2.3.2 Secuencia normal. ... 14
2.3.3 Secuencia del tipo wave drive. ... 15
2.3.4 Secuencia del tipo medio pasó. ... 15
2.3.5 Bipolares. ... 15
2.3.7 Secuencia para manejar motores paso a paso bipolares. ... 15
2.3.7 Controlador de motores. ... 16
2.3.8 Puente H (L293b). ... 16
2.4 AUTOMATAS PROGRAMABLES (Programmable Logic Controller). ... 18
2.4.1 Estructura de un PLC. ... 19
2.4.2 Operaciones realizadas por un PLC. ... 20
2.4.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS. ... 21
2.4.4 Funcionamiento del PLC. ... 21
2.4.5 Funciones adicional al PLC... 22
2.4.5 Clasificación del PLC. ... 22
2.4.5.1 PLC Nano. ... 22
2.4.5.2 PLC Compacto. ... 23
2.4.5.3 PLC Modular. ... 23
2.4.6 Manipuladores... 23
2.5 ROBOTS INTELIGENTES. ... 24
2.5.1 Tipos de brazos mecánicos. ... 25
2.5.1.1 Clasificación por la Geometría. ... 25
2.5.2 Clasificación por el método de control. ... 26
2.5.3 Clasificación por la función. ... 26
2.6 PIC... 26
2.6.1 Introducción histórica. ... 26
2.6.2 Tipos de PIC ... 27
2.6.3 Familia PIC16F8X. ... 27
2.6.4 Características de CPU. ... 28
2.6.5 Características de periferia. ... 28
2.6.6 Características especiales del Microcontrolador. ... 28
2.6.7 Tecnología CMOS. ... 29
2.6.8 Patillaje. ... 29
2.6.9 Arquitectura interna. ... 30
2.6.10 La unidad lógica aritmética (ALU) ... 31
2.6.11 Organización de la memoria. ... 31
2.6.12 Diagrama de la estructura interna. ... 32
2.6.13 Memoria de programa. ... 32
CAPITULO III. PROGRAMACION Y DESARROLLO DEL PROTOTIPO. ... 34
3.1 CIRCUITOS ... 34
3.1.1 CIRCUITO DE ENCENDIDO DEL PROGRAMA ... 34
3.1.2 CIRCUITO DE APAGADO DEL PROGRAMA ... 35
3.1.3 CIRCUITO SENSOR DE CARRO ... 36
3.1.4 CIRCUITO DE CONTROL PARA EL MOTOR DE LA PINZA ... 37
3.1.5 CIRCUITO DE CONTROL PARA EL MOTOR QUE SUBE Y BAJA BRAZO ... 38
3.1.6 CIRCUITO DE CONTROL PARA EL MOTOR DEL GIRO DEL BRAZO .... 39
3.1.7 CIRCUTOS DE LAS FUENTES DE VOLTAJE... 40
3.1.8 CIRCUITO DE SENSOR DE COLOR ... 41
3.2 PLANOS ... 43
3.2.1 Vistas del perfil usado en la estructura. ... 43
3.2.2 Vistas del perfil utilizado en las líneas de salida. ... 43
3.2.3 Angulos ... 44
3.2.4 Línea de entrada. ... 45
3.3 Imágenes ... 46
3.3.1 Vista superior del prototipo ... 46
3.3.2 Pinza de sujeción ... 46
3.3.3 Linea de entrada ... 47
3.3.4 Mecanismo de giro ... 47
3.3.5 Mecanismo del Brazo ... 48
3.3.6 Mecanismo de la Pinza ... 48
3.3.7 Soportes ... 49
3.3.8 Circuitos ... 49
3.3.9 Tablero indicador ... 50
3.3.10 Banco de resistencias ... 50
3.3.11 Fuentes de alimentación ... 51
3.3.12 Control de motores y sección de potencia ... 51
3.3.13 Sensores ... 52
3.3.14 Prototipo final. ... 53
CONCLUSIONES. ... 54
APENDICE A ... 55
APENDICE B ... 57
REFERENCIAS. ... 70
CAPITULO I. MARCO TEORICO.
1.1 INTRODUCCION.
México al ser un país en desarrollo tiene diversas limitantes tecnológicas, con esto existe producción (maquinaria industrial principalmente), que no somos capaces de desarrollar y producir en nuestro país, dándonos como conclusión el importar maquinaria de otros países (primermundistas principalmente) para su uso en nuestra tierra. Este factor es grave en nuestro país, ya que al no saber como fueron construidos estos mecanismos o dispositivos al momento de que estos fallan no sabemos como pueden ser reparados y tenemos que hablar con la empresa extranjera que nos dio esa maquinaria para que la puedan reparar ocasionando mucha pérdida de tiempo de nuestra empresa o lugar de trabajo que tengamos.
Al poder documentar este brazo mecánico sabremos más a fondo cuáles son sus fundamentos, como su función, limitantes, mejoras se pueden implementar al diseño prototipo y cuales implementaciones perjudicarían el proyecto a largo plazo, esto nos dará de resultado que cuando se llegue a implementar este proyecto a escala real sabremos como poder crear, armar, desarrollar y mejorar su mecanismo para su uso en alguna empresa, con esto lograremos ahorrarnos el tiempo de des-uso de la maquinaria descompuesta y poder crear diversas soluciones para la maquinaria que este en uso. Por otro lado también crearemos un ambiente de estudio y formación para futuras generaciones para que puedan saber las ventajas, contratiempos, usos y problemas que lleguen a tener cualquier mecanismo de esta índole.
En el ámbito profesional el poder saber que elementos componen estos mecanismos, su funcionamiento y como son usados hará ampliarnos nuestras visiones con respecto al tema de la electrónica, mecánica y las telecomunicaciones, esto con el fin de que una vez estudiado, analizado y puesto en prueba este proyecto sepamos a la larga el manejo y la implementación de los recursos que fueron usados en este proyecto sin tener problemas en su comprensión o en su manejo en mecanismos a escala real.
1.2 OBJETIVO.
El objetivo primordial de este proyecto es la realización de un brazo mecánico para poder ser analizado, probado y estudiado en pequeña escala para ser implementado en distintas fabricas para que pueda ser aplicado en distintos usos industriales que ayuden en la mejora de producción para generar un menor costo de realización y eficiencia en la fabricación de los productos así como mayor rapidez para poder acortar el tiempo de entrega de los productos.
1.3 JUSTIFICACION.
El costo actual del sistema autómata programable, en el mercado es elevado y requiere de mucha infraestructura para su aplicación siendo inaccesible a muchos usuarios. El sistema autómata programable es una sugerencia económica para su implementación en un proceso de fabricación.
1.4 ESTADO DEL ARTE.
Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imitan las partes del cuerpo humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de estos era inspiración de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban con sistemas hidráulicos, los cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los templos.
El inicio de la robótica actual puede fijarse en la industria textil del siglo XVIII, cuando Joseph Jacquard inventa en 1801 una máquina textil programable mediante tarjetas perforadas. La revolución industrial impulsó el desarrollo de estos agentes mecánicos, entre los cuales se destacaron el torno mecánico motorizado de Babbitt (1892) y el mecanismo programable para pintar con spray de Pollard y Roselund (1939). Además de esto durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muñecos mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas características de robots. Jacques de Vauncansos construyó varios músicos de tamaño humano a mediados del siglo XVIII. Esencialmente se trataba de robots mecánicos diseñados para un propósito específico: la diversión. En 1805, Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como ' el programa ' para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar.
La palabra robot se empleó por primera vez en 1920 en una obra de teatro llamada "R.U.R." o "Los Robots Universales de Rossum" escrita por el dramaturgo checo Karel Capek. La trama era sencilla: el hombre fabrica un robot luego el robot mata al hombre.
Muchas películas han seguido mostrando a los robots como máquinas dañinas y amenazadoras. La palabra checa 'Robota' significa servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al inglés se convirtió en el término robot.
En 1964 se abren laboratorios de investigación en inteligencia artificial en el MIT, el SRI (Stanford Research Institute) y en la universidad de Edimburgo.
Poco después los japoneses que anteriormente importaban su tecnología robótica, se sitúan como pioneros del mercado. A partir de esta fecha la mecánica ha sido juntada con la electrónica formando la robótica, una rama muy amplia de estudio en la ciencia, ya que la robótica abarcara todo lo
referente con dispositivos electrónicos y movimiento a través de recursos mecánicos.
Como nosotros estamos investigando un brazo mecánico nos concentraremos en la rama de robots industriales. Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definición formal de lo que es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado japonés y el euro americano de lo que es un robot y lo que es un manipulador. Así, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación, el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control. La evolución de la robótica ha ido obligando a tener diferentes actualizaciones de su definición por lo que la definición más comúnmente aceptada es la de la Asociación de Industrias Robóticas (RIA) la cual dice:
Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas. Esta definición, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la Organización Internacional de Estándares (ISO) que define al robot industrial como:
Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas.
Otra definición por la Federación Internacional de Robótica (IFR) distingue a robot industrial de manipulación como una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento.
En esta definición se debe entender que la reprogramabilidad y multifunción se consigue sin modificaciones físicas del robot. Común en todas las definiciones anteriores es la aceptación del robot industrial como un brazo mecánico con capacidad de manipulación y que incorpora un control más o menos complejo.
Un sistema robotizado, en cambio, es un concepto más amplio. Engloba todos aquellos dispositivos que realizan tareas de forma automática en sustitución de un ser humano y que pueden incorporar o no a uno o varios robots, siendo esto último lo más frecuente.
Como se ha visto hay varias definiciones acerca de un robot industrial pero todos coinciden en algo, hacer maquinaria para una automatización rígida, este fin ha dado origen a varios tipos de robots:
1.5 ROBOTS Y LA ECONOMIA MEXICANA.
La robótica no es solo un cambio tecnológico más, sino que expresa un cambio en el régimen de acumulación mundial y por lo tanto presupone profundas transformaciones en las relaciones entre los países desarrollados y los menos industrializados de América Latina, como es el caso de México.
El artículo está dividido en tres partes. La primera pretende explicar la relación entre crisis y transformación tecnológica y la reconversión industrial; el segundo evalúa los impactos de la robótica en México y el tercero, finalmente, pretende, aportar elementos para lo que se podría denominar una nueva estrategia de industrialización para el país.
Crisis, reconversión industrial y robótica.
El deterioro de los niveles de ganancia y crecimiento de la productividad del trabajo en los países industrializados manifiesto con claridad, a fines de los sesenta y principios de los setenta, los límites del régimen de acumulación que se desarrollo a partir de la segunda guerra mundial.
Al mismo tiempo, la restructuración tecnológica de las empresas y la modificación de las relaciones salariales, lo que se ha denominado reconversión industrial, es la expresión de la búsqueda de consolidación de una nueva forma de valorización y por lo tanto de un nuevo régimen de acumulación de capital. Así, los altos niveles de difusión que la robótica ha tenido en el mundo industrializado e incluso en los países de poco desarrollo industrial no es un fenómeno aislado de la crisis sino que es una de las expresiones más tangibles de la estrategia empresarial de recuperación de los niveles de crecimiento anteriores.
De esta manera, para poder evaluar el impacto que la robótica tiene en la conformación de un nuevo régimen de acumulación, se torna necesario entender las características del régimen de acumulación anterior y los elementos centrales que explican la crisis, pues son estos los que pretenden resolver la restructuración tecnológica.
El régimen de acumulación instaurado a partir de la segunda guerra mundial está asentado sobre dos pilares fundamentales: un acelerado crecimiento de la productividad del trabajo desarrollado a partir de una producción en masa o en grandes series que permite una disminución significativa del tiempo de trabajo necesario por mercancía producida y, de otro lado, la incorporación de un segmento mayor de la población al consumo de mercancías producidas en masa.
Es decir, los salarios reales de los trabajadores se incrementaron a un ritmo similar al de la productividad conformando así una nueva norma de consumo para la clase obrera lo que permitía acceder a la mercancía industrializada de
consumo duradero (aparatos electrodomésticos, automóviles, etc.). Este régimen se expande no solo en los países desarrollados sino incluso en algunos de los más industrializados del tercer mundo, pero a principios de los setentas dos indicadores muestran los limites de este régimen de acumulación.
De un lado, el crecimiento de la productividad del trabajo se vuelve significativamente más lento. De otro lado, los aumentos en la composición técnica de capital que los países industrializados tienen en la década de los setentas dejan de ser Compensados por los aumentos de la productividad.
Estos dos elementos ponen en duda los cimientos sobre los que se sustento el régimen de acumulación anterior, en primer lugar porque la disminución relativa en el crecimiento de la productividad no permitían ya un aumento en los salarios reales y por lo tanto en el consumo, y segundo porque el costo del capital fijo no compensaba a la productividad obtenida. Esto, aunado a cambios en las relaciones internacionales entre los países industrializados (corno fueron los aumentos en los precios del petróleo y la pérdida de competitividad de algunos productos norteamericanos frente a los europeos y japoneses), transformo la crisis en una crisis internacional de gran magnitud.
Desde finales de la década de los setenta asistimos a una serie de cambios económicos y políticos de los países industrializados, que aunque evidencian su intención de generar las bases de un nuevo régimen de acumulación de capital que les permita recuperar los niveles de crecimiento anteriores, no son en realidad sino expresión de una transición de una forma de regulación que ya no funciona, hacia otra que todavía no existe.
La denominada reconversión industrial y las nuevas estrategias de división internacional de trabajo son quiso las expresiones más claras de esta transición. Y aunque son producto de la crisis, no podrían haber sido implementadas de no ser por el desarrollo, a finales de la década de los setentas, de la microelectrónica.
La reconversión industrial tiene como objetivo fundamental el generar un nuevo circuito de circulación de capital, donde el aumento de la productividad no esté asociado a una producción en masa, como en el régimen anterior, sino que se deriva de las ventajas de una manufactura flexible o que conjunta las conveniencias de las economías de escala con las economías de ambiento es decir, las economías derivadas de la adaptación rápida a los frecuentes cambios en la estructura de la demanda. La manufactura flexible, elemento nodal en el cambio tecnológico, representa aumentos en la productividad no derivados de un ahorro del tiempo de maquina en operación, sino de una utilización de tiempo completo de maquinaria a pesar de producir en pequeñas series, por la facilidad de cambiar de una operación a otra a través de los aportes de la microcomputación.
Así parecería que el nuevo régimen de acumulación estaría basado en las ventajas de una producción de pequeñas series para un mercado segmentado y versátil de la clase media alta. Mucho se ha dicho en torno a que el desarrollo
de la computación es muy anterior a esta época y que por lo tanto no se le debe asociar como una innovación que permite recuperar el ciclo de acumulación. Pero aun estando de acuerdo parcialmente con esto, sería necesario hacer algunas precisiones. Aunque el desarrollo de la computación se remonta a finales de la segunda guerra mundial, lo que realmente la convierte en una alternativa de uso industrial, es el desarrollo a finales de la década de los 70's de la microelectrónica.
Es decir, la crisis económica marca los límites de un régimen de acumulación basado en aumentos en la productividad asociados a aumentos en los volúmenes de producción, el desarrollo y madurez de las tecnologías basadas en la microelectrónica permiten su incorporación a un nuevo régimen de acumulación. El abaratamiento relativo de estas tecnologías así como la disminución en la calificación requerida para su uso son elementos fundamentales que explican esta rápida incorporación.
De esta manera la impresionante difusión que ha alcanzado la robótica a partir de finales de la década de los setenta tanto en los países industrializados como en algunos del tercer mundo debe ser evaluado en el contexto de la transición de un régimen de acumulación a otro. De las tres tecnologías que integran lo que comúnmente se denomina robótica (MHCN, sistemas de CAD/CAM Y Robots industriales), las MCHCN (Maquinas Herramientas de Control Numérico) son las que han alcanzado mayor difusión, en gran parte por sus ventajas frente a las maquinas herramientas convencionales y por la reducción relativa de su precio.
En 1974 un torno de Control Numérico era 8.5 veces más caro que uno convencional, en 1980 lo era solo 2.5 veces. En los Estados Unidos que es el país industrializado con el parque de bienes de capital más antiguo, para 1980 el 36.5% de todas las inversiones hechas en maquinas herramientas eran de control numérico. En Japón en 1975 las MHCN representaban el 17% de la inversión hecha en maquinas herramientas, para 1979 representaban el 36%, en Suecia el porcentaje pasa de 23% en 1974 a 54% en 1979.8. Ahora bien, la difusión de las MHCN no solo ha alcanzado a los países industrializados sino incluso a aquellos de menos desarrollo industrial. La UNCATD estimo que en 1982 el 10% de todas las inversiones hechas en maquinas herramientas de los países más industrializados del tercer mundo eran de control numérico.
Solamente México, Brasil y Argentina se estima que tienen un parque de aproximadamente 2,000 unidades. A pesar de que las MHCN son de la robótica la tecnología más difundida, los sistemas CADICAM y los robots industriales muestran un crecimiento importante en su difusión internacional.
Se estima que para 1982 existían 10,000 sistemas de CADICAM en el mundo de los cuales la mitad operaban en los EEUU y el 35% en Europa. 1° Sin embargo se estima que la dilución de estos sistemas, sobre todo aquellos vinculados a la parte de diseño y dibujo se amplíen significativamente porque el mercado está siendo invadido por microcomputadoras con paquetes de diseño
y dibujo que abaratan sensiblemente esta tecnología. En relación con las estimaciones de difusión de los robots industriales existen diferencias importantes dependiendo de la fuente o del investigador, pero estas diferencias tienen su origen en diferencias conceptuales muy importantes.
En los Estados Unidos se considera un robot desde un simple brazo manipulador de piezas hasta un robot inteligente, en cambio para los japoneses el primero no es propiamente un robot sino 9610 un mecanismo automático de llenado y vaciado de piezas, Así, por ejemplo, una buena parte de las MHCN japonesas fabricadas recientemente cuentan con un brazo manipulador para colocar y sacar las piezas de la maquina. Si se considera esto como robots se incrementaría el número de robots tanto como el número de MHCN.
En cualquier caso, y a pesar de las diferencias, todas las investigaciones coinciden en que el país con más robots industriales es Japón con más de 140,000 unidades en 1984 y 50,000 unidades para los Estados Unidos. Se estima además que la población mundial de robots alcanzarla en el año 2000 cerca de un millón y medio de unidades en el mundo.
CAPITULO II FUNDAMENTOS TEORICOS.
2.1 INTERRUPTORES Y PULSADORES
En este grupo incluimos a todos los elementos que son utilizados para que el operador o usuario controle el proceso manualmente: pulsadores de arranque o parada, botones de llamada, interruptores de emergencia, teclas de selección, etc.
En el caso de los pulsadores, son contactos eléctricos que son mantenidos abiertos o cerrados mediante un resorte, cambian de estado cuando se los pulsa y cuando se los libera vuelven a su situación normal.
Los interruptores, al igual que los usados en instalaciones eléctricas, pueden quedar abiertos o cerrados de acuerdo a la posición en la que los deja el usuario.
2.2 SENSORES.
Existen diferentes y diversos sensores, estos se clasifican dependiendo las características de ellos y la función para la cual se apliquen. Algunos de ellos se mencionan a continuación:
2.2.1 Sensores ópticos
Son ampliamente utilizados en la industria. Trabajan bajo el siguiente principio:
un emisor de luz emite un rayo de luz (generalmente infrarroja) que recibe un elemento receptor. Si un objeto interrumpe el haz, el receptor cambia de estado indicando su presencia. Hay dos tipos básicos:
2.2.2 Sensores de barrera.
El emisor y receptor se encuentran enfrentados creando una barrera luminosa (aunque normalmente no visible por ser infrarroja).
Figura 2.1 Sensor de barrera.
2.2.3 Sensores reflectivos.
El emisor y receptor están alineados en un mismo gabinete. El receptor recibe el haz sólo si este es reflejado por un objeto que hace las veces de espejo.
Figura 2.2 Sensores Reflectivos.
Para objetos que no reflejan la luz, se arma una barrera con un espejo y el objeto al cortar esta barrera es detectado.
Figura 2.3 Sensor Reflectivo con Espejo.
2.2.4 Sensores magnéticos.
Interruptores magnéticos.
Están compuestos de dos partes. Por un lado, un interruptor especial que se cierra en presencia de un campo magnético y por otro lado, un pequeño imancito. Cuando el imán está suficientemente cerca, el interruptor se cierra.
Figura 2.4 Sensores magnéticos.
Son muy usados en sistemas de alarma. Pueden ser usados para las mismas aplicaciones que los interruptores mecánicos pero con la ventaja que no es necesario qua haya contacto físico entre el sensor y el objeto a detectar.
2.2.5 Sensores de proximidad
Estos sensores detectan la presencia cercana de cierto tipo de objetos. Se clasifican en dos grandes grupos según el principio de funcionamiento:
2.2.6 Sensores de proximidad magnéticos
Detectan la presencia de objetos que poseen materiales magnetizables.
Figura 2.5 Sensores de proximidad magnéticos.
2.2.7 Sensores de proximidad capacitivos.
Detectan un rango muy amplio de materiales que modifican el campo eléctrico cercano al sensor.
Figura 2.6 Sensores de Proximidad capacitiva.
2.3 MOTORES A PÁSOS.
Los motores a pasos son muy utilizados en la actualidad para el desarrollo de mecanismos que requieren de una alta precisión. Este tipo de motores poseen cualidades especiales por el hecho de poderlos mover un paso hasta una
secuencia interminable de pasos dependiendo de la cantidad de pulsos que se le aplique. Este paso puede ir desde pequeños movimientos de 1.8° hasta 90°.
Es por eso que este tipo de motores son muy utilizados, ya que pueden moverse a deseo del usuario según la secuencia que se les indique a través de un microcontrolador.
Estos motores poseen la habilidad de quedar enclavados en una posición si una o más de sus bobinas esta energizada o bien totalmente libres si no existe corriente alguna circulando por sus estas. Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente.
Toda la comunicación o excitación de las bobinas debe ser externamente manejada por un controlador.
Existen 2 tipos de motores paso a paso de imán permanente que son los más utilizados en robótica: Unipolares y Bipolares. A continuación se muestra una descripción de estos dos tipos de motores y una imagen del tipo de motor utilizado en este proyecto que es bipolar.
Unipolares.
Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de su conexionado interno, que suelen ser comúnmente 4 cables por los cuales se reciben los pulsos que indican al motor la secuencia y duración de los pasos y lo restante sirve como alimentación al motor.
2.3.1 Secuencias para manejar motores paso a paso unipolares.
Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuación. Todas las secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado el paso final (4 u 8). Para revertir el sentido de giro, simplemente se deben ejecutar las secuencias en modo inverso.
2.3.2 Secuencia normal.
Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene una alto torque de paso y de retención. En la tabla 2.1 se muestran los valores de voltaje que deben suministrarse al motor para la realización de los pasos:
Tabla 2.1 Secuencia normal de pasos para motores unipolares.
Paso Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1 V + V + V - V -
2 V - V + V + V -
3 V - V - V + V +
4 V + V - V - V +
2.3.3 Secuencia del tipo wave drive.
En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave, pero por otro lado al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor. En la tabla 2.2 se muestran los valores que deben suministrarse al motor.
Tabla 2.2 Secuencia de tipo wave drive de pasos para motores unipolares.
Paso Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1 V + V - V - V -
2 V - V + V - V -
3 V - V - V + V -
4 V - V - V - V -
2.3.4 Secuencia del tipo medio pasó.
En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma que se realice un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se activan 2 bobinas y luego solo 1 así sucesivamente. En la tabla 2.3 se muestra la secuencia completa que consta de 8 movimientos en lugar de 4.
Tabla 2.3 Secuencia del tipo medio paso para motores unipolares.
Paso Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1 V + V - V - V -
2 V + V + V - V -
3 V - V + V - V -
4 V - V + V + V -
5 V - V - V + V -
6 V - V - V + V +
7 V - V - V - V +
8 V + V - V - V +
2.3.5 Bipolares.
Este tipo de motores tienen generalmente cuatro cables de salida. Necesitan ciertas manipulaciones para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Es necesario además un puente H por cada bobina del motor, es decir que para controlar un motor paso a paso de 4 cables (dos bobinas), se necesitaran usar dos puentes H.
2.3.7 Secuencia para manejar motores paso a paso bipolares.
Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversión de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la secuencia seguida. A continuación se
puede ver la tabla 2.4 con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo bipolares:
Tabla 2.4 Secuencia para manejar motores bipolares.
Paso Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1 V + V - V + V -
2 V + V - V - V +
3 V - V + V - V +
4 V - V + V + V -
Los motores a pasos cabe destacar a que estos son dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar el paso antes de la próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de la siguiente forma:
Puede que no realice ningún movimiento en absoluto.
Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar.
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. Si se desea cambiar el sentido de giro debería también ser realizado previamente bajando la velocidad del motor y luego cambiar el sentido de rotación.
2.3.7 Controlador de motores.
Como se describió en el apartado anterior, los motores a pasos requieren de una secuencia de pulsos en sus bobinas para generar su movimiento. El controlador es capaz de enviar esta secuencia, queda a cargo de un microcontrolador. Como se ha mencionado anteriormente, en el mecanismo se utilizan dos motores paso a paso, por lo cual se debe realizar un controlador, que tenga la capacidad de manejar dos secuencias de manera independiente.
Cabe menciona, que las dos secuencias no son manejadas simultáneamente, aunque podría realizarse. Sin embargo, en este caso el tiempo no es un factor determinante, sobre todo siendo el movimiento de uno de los motores (altura) muy breve. Así que, por mayor simplicidad en el manejo y estructura de la programación, se controla cada motor por separado, uno en secuencia del otro.
2.3.8 Puente H (L293b).
Los motores paso a paso requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de sus bobinas en la secuencia apropiada. Dicha corriente es muy elevada con respecto a lo que un microcontrolador puede soportar. Dado
lo anterior, es necesario utilizar un puente H por cada bobina del motor. Un puente H es un dispositivo capaz de soportar el flujo bidireccional de corriente invertida. A continuación se presenta la configuración y funciona de un puente H.
Un puente H, es básicamente un arreglo de cuatro interruptores acomodados.
Figura 2.7 Puente H.
Estos interruptores (A, B, C y D) pueden ser de transistores bipolares, mosfets, jfets, relevadores o cualquier combinación de elementos. Los puentes H se utilizan para hacer funcionar el elemento actual (en este caso el motor) en dos sentidos (adelante y atrás) sin tener que manejar voltajes negativos.
Si se cierran solamente los contactos A y D la corriente circulara en un sentido a través del motor (o del relevador o de cualquier sistema que esté conectado), y si se cierran solamente los contactos B y C la corriente circulara en sentido contrario. Siempre se debe tener cuidado en no cerrar los contactos A y B o C y D al mismo tiempo, porque se ocasionaría un corto circuito. Es recomendable colocar diodos de protección para el motor para asegurar que la corriente no regrese, debido al efecto inductivo de sus bobinas.
Existen en el mercado diversos circuitos integrados que son controladores para motores a pasos. Estos ya incluyen en su interior los puentes H necesarios para manejar las bobinas de los motores a pasos. La cantidad de puentes que contiene así como características especifiquen, varían entre diversos dispositivos. A continuación se muestran las Características del L293b.
2.4 AUTOMATAS PROGRAMABLES (Programmable Logic Controller).
Cuando se empezaron a usar los relés en el control de procesos productivos, se comenzó a añadir lógica a la operación de las máquinas y así se redujo e incluso se eliminó la carga de trabajo del operador humano. Los relés permitieron establecer automáticamente una secuencia de operaciones, programar tiempos de retardo, contar las veces que se producía un suceso o realizar una tarea en dependencia de que ocurrieran otras.
Los relés sin embargo, tienen sus limitaciones: Tienen un tiempo limitado de vida, debido a que sus partes mecánicas están sometidas a desgaste, los conductores de corriente pueden quemarse o fundirse, y con ello puede provocarse una avería y tendrán que ser reemplazados. Desde el punto de vista de la programación, su inconveniente mayor era que la estructura de programación era fija. El panel de relés lo configuraban los ingenieros de diseño. Luego se construía y se cableaba. Cuando cambiaban las necesidades de producción había que construir un panel nuevo. No se podía modificar, al menos sin un coste excesivo en tiempo y mano de obra. Una aplicación típica de estos sistemas utilizaba un panel de 300 a 500 relés y miles de conexiones por cable, lo que suponía un coste muy elevado en instalación y mantenimiento del sistema (aproximadamente de 25 a 45 euros por relé).
En aquella época, al entrar en una sala de control, era habitual oír el clic continuo de los relés al abrirse y cerrarse.
Hacia 1970 surgieron los sistemas lógicos digitales construidos mediante circuitos integrados, aunque eran productos diseñados para una aplicación específica y no eran controladores genéricos. Un paso es un paso. Muchos de ellos usaban microprocesadores, pero al programarse en un lenguaje extraño a los ingenieros de control (el assembler, observa la figura de la izquierda), el mantenimiento era muy complejo.
La existencia de ordenadores en el momento del desarrollo de los PLC fue lo que inspiró su concepto: Había que diseñar un artefacto que, como una computadora, pudiese efectuar el control y pudiese ser re-programada, pero pudiera soportar el ambiente industrial. Los primeros controladores completamente programables fueron desarrollados en 1968 por una empresa de consultores en ingeniería (Bedford y Asociados), que luego se llamó MODICOM.
Así el primer PLC fue construido en 1969 por encargo de General Motors Hydramatic División (fábrica de transmisiones para los vehículos de la General Motors). Este PLC se diseñó como un sistema de control con un computador dedicado para controlar una parte de la cadena de producción y sustituir los sistemas de cableado que usaban hasta la fecha, que resultaban difíciles de modificar, cada vez que se requerían cambios en la producción.
Con estos controladores primitivos era posible:
• Programar desarrollos de aplicaciones para su uso en ambientes industriales.
• Cambiar la lógica de control sin tener que cambiar la conexión de los cables.
• Diagnosticar y reparar fácilmente los problemas detectados.
Los primeros PLC incorporaban sólo un procesador para programas sencillos y algunos dispositivos de entrada / salida. Posteriormente han ido desarrollándose hasta los equipos actuales, que ya integran:
Módulos multiprocesadores.
Entradas y salidas digitales de contacto seco, de relé o TTL (Transistor- Transistor-Logic o "Lógica Transistor a Transistor", tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales, en los que los elementos de entrada de la red lógica son transistores, así como los elementos de salida del dispositivo).
Entradas y salidas analógicas para corriente continua o alto voltaje. Puertas de comunicación en serie o de red. Multiplexores análogos. Controladores PID (Proporcional Integral Derivativo, controlador que intenta mantener la salida del dispositivo en un nivel predeterminado). Interfaces con pantallas, impresoras, teclados, medios de almacenamiento magnético.
Con la llegada de los autómatas programables, los llamados PLC, la industria sufrió un impulso importante, que ha facilitado de forma notable que los procesos de producción o control se hayan flexibilizado mucho. Encontramos PLC en la industria, pero también en nuestras casas, en los centros comerciales, hospitalarios, etc. También en nuestras escuelas de formación profesional encontramos frecuentemente autómatas programables. PLC son las siglas en inglés de Controlador Lógico Programable (Programmable Logic Controller). Cuando se inventaron, comenzaron llamándose PC (Controlador programable), pero con la llegada de los ordenadores personales de IBM, cambió su nombre a PLC (No hay nada que una buena campaña de marketing no pueda conseguir). En Europa se les llama autómatas programables. Sin embargo, la definición más apropiada sería: Sistema Industrial de Control Automático que trabaja bajo una secuencia almacenada en memoria, de instrucciones lógicas.
2.4.1 Estructura de un PLC.
El PLC es un dispositivo de estado sólido, diseñado para controlar procesos secuenciales (una etapa después de la otra) que se ejecutan en un ambiente industrial. Es decir, que van asociados a la maquinaria que desarrolla procesos de producción y controlan su trabajo.
Como puedes deducir de la definición, el PLC es un sistema, porque contiene todo lo necesario para operar, y es industrial, por tener todos los registros necesarios para operar en los ambientes hostiles que se encuentran en la industria.
Figura 2.8 Estructura del PLC.
2.4.2 Operaciones realizadas por un PLC.
Un PLC realiza, entre otras, las siguientes funciones:
• Recoger datos de las fuentes de entrada a través de las fuentes digitales y analógicas.
• Tomar decisiones en base a criterios preprogramados.
• Almacenar datos en la memoria.
• Generar ciclos de tiempo.
• Realizar cálculos matemáticos.
• Actuar sobre los dispositivos externos mediante las salidas analógicas y digitales.
• Comunicarse con otros sistemas externos.
Los PLC se distinguen de otros controladores automáticos, en que pueden ser programados para controlar cualquier tipo de máquina, a diferencia de otros controladores (como por ejemplo un programador o control de la llama de una caldera) que, solamente, pueden controlar un tipo específico de aparato.
Además de poder ser programados, son automáticos, es decir son aparatos que comparan las señales emitidas por la máquina controlada y toman decisiones en base a las instrucciones programadas, para mantener estable la operación de dicha máquina.
Puedes modificar las instrucciones almacenadas en memoria, además de monitorizarlas.
2.4.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS.
Ventajas.
1. Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:
No es necesario dibujar el esquema de contactos.
No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas ya que, por lo general, la capacidad de almacenamiento del modulo de memoria es lo suficientemente grande como para almacenarlas.
La lista de materiales a emplear es más reducida y, al elaborar el presupuesto correspondiente, se elimina parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc.
2. Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado y añadir aparatos.
3. Mínimo espacio de ocupación
4. Menor coste de mano de obra de la instalación
5. Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden detectar e indicar posibles averías.
6. Posibilidad de gobernar varias maquinas con un mismo autómata.
7. Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado.
8. Si por alguna razón la maquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para controlar otra máquina o sistema de producción.
Desventajas.
1. Hace falta un programador, lo que exige la preparación de los técnicos en su etapa de formación.
2. La inversión inicial es mayor que en el caso de los relés, aunque ello es relativo en función del proceso que se desea controlar. Dado que el PLC cubre de forma correcta un amplio espectro de necesidades, desde los sistemas lógicos cableados hasta el microprocesador, el diseñador debe conocer a fondo las prestaciones y limitaciones del PLC. Por tanto, aunque el coste inicial debe ser tenido en cuenta a la hora de decidirnos por uno u otro sistema, conviene analizar todos los demás factores para asegurarnos una decisión acertada.
2.4.4 Funcionamiento del PLC.
Una vez que se pone en marcha, el procesador realiza una serie de tareas según el siguiente orden:
a) Al encender el procesador ejecuta un auto-chequeo de encendido y bloquea las salidas. A continuación, si el chequeo ha resultado correcto, el PLC entra en el modo de operación normal.
b) El siguiente paso lee el estado de las entradas y las almacena en una zona de la memoria que se llama tabla de imagen de entradas (hablaremos de ella más adelante).
c) En base a su programa de control, el PLC actualiza una zona de la memoria llamada tabla de imagen de salida.
d) A continuación el procesador actualiza el estado de las salidas "copiando"
hacia los módulos de salida el estado de la tabla de imagen de salidas (de este modo se controla el estado de los módulos de salida del PLC, relay, triacs, etc.).
e) Vuelve a ejecutar el paso b)
Cada ciclo de ejecución se llama ciclo de barrido (Scan), el cual normalmente se divide en:
• Verificación de las entradas y salidas
• Ejecución del programa 2.4.5 Funciones adicional al PLC
a) En cada ciclo del programa, el PLC efectúa un chequeo del funcionamiento del sistema reportando el resultado en la memoria, que puede ser comprobada por el programa del usuario.
b) El PLC puede controlar el estado de las Inicializaciones de los elementos del sistema: cada inicio de un microprocesador también se comunica a la memoria del PLC.
c) Guarda los estados de las entradas y salidas en memoria: Le puedes indicar al PLC el estado que deseas que presenten las salidas o las variables internas, en el caso de que se produzca un fallo o una falta de energía en el equipo. Esta funcionalidad es esencial cuando se quieren proteger los datos de salida del proceso.
d) Capacidad modular: Gracias a la utilización de Microprocesadores, puedes expandir los sistemas PLC usando módulos de expansión, en función de lo que te requiera el crecimiento de tu sistema. Puede expandirse a través de entradas y salidas digitales, análogas, etc., así como también con unidades remotas y de comunicación.
2.4.5 Clasificación del PLC.
Los PLC se pueden clasificarse, en función de sus características en:
2.4.5.1 PLC Nano.
Generalmente es un PLC de tipo compacto (es decir, que integra la fuente de alimentación, la CPU y las entradas y salidas) que puede manejar un conjunto reducido de entradas y salidas, generalmente en un número inferior a 100. Este PLC permite manejar entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales.
2.4.5.2 PLC Compacto.
Estos PLC tienen incorporada la fuente de alimentación, su CPU y los módulos de entrada y salida en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas entradas y salidas hasta varios cientos (alrededor de 500 entradas y salidas), su tamaño es superior a los PLC tipo Nano y soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como:
• entradas y salidas análogas
• módulos contadores rápidos
• módulos de comunicaciones
• interfaces de operador
• expansiones de entrada y salida 2.4.5.3 PLC Modular.
Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el controlador final. Estos son:
• El Rack.
• La fuente de alimentación.
• La CPU.
• Los módulos de entrada y salida.
De estos tipos de PLC existen desde los denominados Micro-PLC que soportan gran cantidad de entradas y salida, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de entradas y salidas.
Figura 2.9 PLC Modular.
2.4.6 Manipuladores.
Los manipuladores, conocidos también como brazos mecánicos son sistemas mecánicos multifuncionales, con un sencillo sistema de control de los cuales existen 3 tipos:
A. Manual: cuando un operario controla directamente al manipulador.
B. Secuencia fija: cuando se repite de forma invariable el proceso de trabajo preparado previamente.
C. Secuencia variable: se pueden modificar características del ciclo de trabajo.
Una particularidad de estos robots es que mientras las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas son ampliamente usados.
Robots de repetición o aprendizaje. Estos manipuladores se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador, haciendo uso de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En la fase de enseñanza el operador usa una pistola de programación con diversos pulsadores, teclas, joysticks, o bien utiliza un maniquí o desplaza directamente la mano del robot. Esta clase de robots son los más conocidos hoy en día en los ambientes industriales y su tipo de programación que incorporan se conoce como gestual.
Robots con control por computador Manipuladores multifuncionales controlados por una computadora que frecuentemente es un microordenador. En esta clase de robots el operador no necesita mover realmente el elemento de la maquina.
El control por computador tiene un lenguaje en específico compuesto por varias órdenes adaptadas al robot con las que se crea un programa de aplicación utilizando solo la terminal de la computadora, a esta clase de programación se le denomina textual y se crea sin la intervención del manipulador.
El problema con esta clase de robots es que exige una preparación especial para la programación en la computadora.
2.5 ROBOTS INTELIGENTES.
Similares al grupo anterior pero estos tienen la variante de que se relacionan con su entorno por medio de sensores haciendo que tome decisiones en tiempo real. Esta clase de robots usan inteligencia artificial y por eso aun están en fase experimental ya que se trata de hacerlos más efectivos y darles más potencia al mismo tiempo que accesibles en precio. No todos los robots son usados en el ambiente industrial, existen también robots que realizan tareas no industriales de servicio.
En general la historia de la robótica la podemos clasificar en cinco generaciones (división hecha por Michael Cancel, director del Centro de Aplicaciones Robóticas de Science Application Inc. En 1984). Las dos primeras, ya alcanzadas en los ochenta, incluían la gestión de tareas repetitivas con autonomía muy limitada. La tercera generación incluiría visión artificial, en lo cual se ha avanzado mucho en los ochenta y noventas. La cuarta incluye movilidad avanzada en exteriores e interiores y la quinta entraría en el dominio de la inteligencia artificial en lo cual se está trabajando actualmente.
2.5.1 Tipos de brazos mecánicos.
Uno de los problemas clásicos en el diseño de brazos mecánicos es su peso, el cual genera un torque (fuerza angular) que debe ser soportado por motores, que a su vez tienen que tener fuerza adicional para soportar el torque, generado por el peso de un objeto que pueda sujetar. Por esta razón es que los brazos mecánicos se clasificaron en distintos modelos:
2.5.1.1 Clasificación por la Geometría.
Figura 2.10 Tipos de brazo manipulador.
1. Cilíndricos: cada eje es de revolución total(o casi) y esta encajado en el anterior.
2. Esféricos: hay ejes de rotación que hacen pivotar una pieza sobre otra.
3. Paralelogramo: la articulación tiene una doble barra de sujeción.
4. Mixtos: poseen varios tipos de articulación.
5. Cartesianos: las articulaciones hacen desplazar linealmente una pieza sobre otra.
2.5.2 Clasificación por el método de control.
• No servo-controlados: son aquellos en los que cada articulación tiene un número fijo (normalmente 2) posiciones con tope y solo se desplazan para fijarse en ellas. Suelen ser neumáticos, bastante rápidos y precisos.
• Servo-controlados: en ellos cada articulación lleva un sensor de posición (lineal o angular) que es leído, y enviado al sistema de control que genera la potencia para el motor. Se pueden así parar en cualquier punto deseado.
• Servo-controlados punto a punto: para controlarlos solo se les indican los puntos iniciales y finales de la trayectoria: el ordenador calcula el resto siguiendo ciertos algoritmos. Normalmente pueden memorizar posiciones.
2.5.3 Clasificación por la función.
• Producción: usados para la manufactura de bienes, pueden a su vez ser de manipulación, de fabricación, de ensamblado y de test.
• Exploración: para obtener datos acerca de terreno desconocido.
• Rehabilitación: prolongaciones de la anatomía, se usan para ayudar a los discapacitados.
2.6 PIC.
Un PIC es un microcontrolador basado en memoria EPROM/FLASH desarrollado por Microchip Technology.
2.6.1 Introducción histórica.
En 1965 GI formó una división de microelectrónica, destinada a generar las primeras arquitecturas viables de memoria EPROM y EEPROM. De forma complementaria GI Microelectronics División fue también responsable de desarrollar una amplia variedad de funciones digitales y analógicas en las familias AY3-xxxx y AY5-xxxx.
GI también creó un microprocesador de 16 BIT, denominado CP1600, a principios de los 70. Este fue un microprocesador razonable, pero no particularmente bueno manejando puertos de e/s. Para algunas aplicaciones muy específicas GI diseñó un Controlador de Interfase Periférico (PIC) entorno a 1975. Fue diseñado para ser muy rápido, además de ser un controlador de e/s para una máquina de 16 bits pero sin necesitar una gran cantidad de funcionalidades, por lo que su lista de instrucciones fue pequeña.
No es de extrañar que la estructura diseñada en 1975 es, sustancialmente, la arquitectura del actual PIC16C5x. Además, la versión de 1975 fue fabricada con tecnología NMOS y sólo estaba disponible en versiones de ROM de
máscara, pero seguía siendo un buen pequeño microcontrolador. El mercado, no obstante, no pensó así y el PIC quedó reducido a ser empleado por grandes fabricantes únicamente.
Durante los 80, GI renovó su apariencia y se reestructuró, centrando su trabajo en sus principales actividades, semiconductores de potencia esencialmente, lo cual siguen haciendo actualmente con bastante éxito. GI Microelectronics División cambió a GI Microelectronics Inc (una especie de subsidiaria), la cual fue finalmente vendida en 1985 a Aventure Capital Investors, incluyendo la fábrica en Chandler, Arizona. La gente de Ventura realizó una profunda revisión de los productos en la compañía, desechando la mayoría de los componentes AY3, AY5 y otra serie de cosas, dejando sólo el negocio de los PIC y de las memorias EEPROM y EPROM. Se tomó la decisión de comenzar una nueva compañía, denominada Arizona Microchip Technology, tomando como elemento diferenciador sus controladores integrados.
Como parte de esta estrategia, la familia NMOS PIC165x fue rediseñada para emplear algo que la misma compañía fabricaba bastante bien, memoria EPROM. De esta forma nación el concepto de basarse en tecnología CMOS, OTP y memoria de programación EPROM, naciendo la familia PIC16C5x.
Actualmente Microchip ha realizado un gran número de mejoras a la arquitectura original, adaptándola a las actuales tecnologías y al bajo costo de los semiconductores.
2.6.2 Tipos de PIC
Existen diversas familias de PIC, las cuales se amplían constantemente, pero las más básicas son:
PIC16C5x: instrucciones de 12 bit, 33 instrucciones, 2 niveles de acumulador, sin interrupciones. En algunos casos la memoria es del tipo ROM, definida en fábrica.
PIC16Cxx: instrucciones de 14 bit, 35 instrucciones, 8 niveles de acumulador.
El PIC16C84: posee memoria EEPROM.
PIC17Cxx: instrucciones de 16 bit, 55 instrucciones, 16 niveles de acumulador.
A menos que se indique, la memoria es del tipo EPROM.
2.6.3 Familia PIC16F8X.
Dispositivos integrantes de la familia:
Tabla 2.5 Familia PIC16F8X
FLASH-PROGRAMA MEMORIA-DATOS EEPROM-DATOS PIC16F83 512 bytes 36 bytes 64 bytes
PIC16F84 1 K bytes 68 bytes 64 bytes
Adicionalmente hay una familia derivada PIC16LF8X con voltaje extendido. Los PIC16F8X son iguales a los 16C8X salvo que sustituyen FLASH por EPROM para la memoria de programa.
2.6.4 Características de CPU.
• CPU con núcleo RISC.
• 35 instrucciones.
• Ejecución de instrucciones en un ciclo (salvo saltos de programa en dos ciclos).
• Frecuencia máxima de trabajo: 10 MHz (400ns de ciclo de instrucción).
• 14 bits de tamaño de instrucción.
• 8 bits de tamaño de datos.
• 15 registros de función especial.
• Stack de 8 niveles de profundidad.
• Modos de direccionamiento directo, indirecto y relativo.
• 4 Fuentes de interrupción:
o Pin externo RB0/INT.
o Exceso de temporizador TMR0.
o Interrupción por cambio del puerto B (7:4).
o Escritura completa de EEPROM.
o 1 millón de ciclos de borrado/escritura en EEPROM.
• Retención de datos en EEPROM > 40 años.
2.6.5 Características de periferia.
• 13 pins de e/s para control de direccionamiento individual.
• Alta corriente de salida para manejar LEDs directamente:
o 25 mA de pico por pin.
o 20 mA entregados por pin.
• TMR0: contador/temporizador de 8 bits pre-escalar y programable.
2.6.6 Características especiales del Microcontrolador.
• Power en Reset (POR).
• Power por temporización (PWRT).
• Temporizador de comienzo por oscilador (OST).
• Temporizador de "perro guardián" o watchdog (WDT) con su propio oscilador RC para mejor operación.
• Protección de código.
• Modo SLEEP para ahorro de energía.
• Programación del sistema por puerto serie de dos pines (los dispositivos ROM sólo soportan programación de datos en EEPROM).
2.6.7 Tecnología CMOS.
• Tecnología de baja potencia y alta velocidad CDMOS Flash/EEPROM.
• Diseño completamente estático.
• Rango de voltajes de trabajo:
o Comercial: 2.0V a 6.0V.
o Industrial: 2.0V a 6.0V.
• Bajo consumo de potencia:
o <2mA típicos a 5V y 4MHz.
o 15uA típicos a 2V y 32 KHz.
• 1 uA típico de corriente de "standby" o espera a 2V.
2.6.8 Patillaje.
Figura 2.11 Patillaje del Circuito Integrado.
Tabla 2.6 Función de los pines del Circuito Integrado.
Nº
pin Nombre Tipo
(E/S/A) Tipo de
buffer Descripción
16 OSC1/CLKIN E ST/CMOS
(3)
Entrada del cristal oscilador / entrada externa de reloj.
15 OSC2/CLKOUT S - Salida del cristal oscilador. En el modo de oscilación por cristal se conecta al cristal o resonador. En modo RC OSC2 proporciona CLKOUT (salida de reloj), que posee 1/4 de la frecuencia de OSC1, y representa el ciclo de instrucción.
4 MCLR' E/A ST Entrada de reset / entrada de voltaje de programación. Este pin es un reset activo a nivel lógico bajo del dispositivo.
17 18 1 2 3
RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/T0CKI
E/S E/S E/S E/S E/S
TTL TTL TTL TTL ST
PORTA es un puerto de E/S bidireccional Puede ser seleccionado también para ser la entrada de reloj al contador/temporizador TMR0. La salida es de colector abierto.
6 RB0/INT E/S TTL/ST (1) PORTB es un puerto de E/S bidireccional
7 8 9 10 11 12 13
RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7
E/S E/S E/S E/S E/S E/S E/S
TTL TTL TTL TTL TTL
TTL/ST (2) TTL/ST (2)
que puede ser programado para levantar internamente todas las entradas.
RB0/INT puede ser seleccionado como un pin de interrupción externa RB4 a RB7 son pines de interrupción por
cambio de estado.
RB6 es la entrada de reloj de programación y RB7 la entrada de programación serie.
5 Vss A - Referencia de tierra (masa) para todos
los pines lógicos de E/S.
14 Vdd A - Alimentación positiva para todos los pines
lógicos de E/S.
Leyenda y notas:
• E=entrada.
• S=salida.
• E/S=entrada/salida.
• A=alimentación.
• -=no empleado.
• TTL=entrada TTL.
• ST=entrada Schmitt.
o Este buffer es una entrada Schmitt cuando se configura como interrupción externa.
o Este buffer es una entrada Schmitt cuando se emplea en el modo de programación serie.
o Este buffer es una entrada Schmitt cuando se configura en el modo de oscilación RC y como entrada CMOS.
2.6.9 Arquitectura interna.
Los microcontroladores PIC utilizan la arquitectura Harvard, la cual separa la memoria de programa de la memoria de datos. Esto hace que el dispositivo tenga un bus de datos y un bus de memoria de programa, hecho que permite acceder a ambos simultáneamente. En el caso de la memoria de programa es interna, ya que se encuentra en forma de EPROM o FLASH dentro del propio PIC.
Otra característica reseñable es que las instrucciones en los PIC son de 14 bits y no de 8, permitiendo instrucciones de palabra única con operación y operando en la misma palabra.
Esta estructura, acompañada de un pipeline, permite que las instrucciones se ejecuten en un sólo ciclo de reloj, salvo en el caso de saltos/rupturas de programa. Lo que se hace internamente es que mientras se ejecuta la
instrucción actual se carga la siguiente instrucción en el pipeline, con lo que se alcanza una alta velocidad de ejecución.
En cuanto a los registros los PIC pueden direccionarse tanto directa como indirectamente. Todos los registros de función especial, incluyendo el contador de programa, están accesibles en la memoria de datos y pueden ser operados de cualquier forma y empleando cualquier modo de direccionamiento (ortogonalización). Igualmente, todos los elementos del sistema (temporizadores, puertos de e/s, etc.) están implementados como registros.
2.6.10 La unidad lógica aritmética (ALU)
Los PIC poseen una ALU de 8 bits y un registro de trabajo (W) de 8 bits, pudiéndose efectuar operaciones aritméticas y booleanas entre el registro de trabajo y cualquier otro registro. Por naturaleza los datos se operan en complemento a 2, a menos que se diga lo contrario.
En función de las instrucciones ejecutadas la ALU puede afectar los valores de los siguientes registros:
• Acarreo (C).
• Acarreo de dígito (DC).
• bit Cero (Z) del registro de estado.
2.6.11 Organización de la memoria.
Hay dos bloques de memoria en el PIC16F8X. Éstas son la memoria del programa y la memoria de datos. Cada bloque posee su propio bus, con la finalidad que el acceso para cada bloque pueda ocurrir durante el mismo ciclo del oscilador.
Figura 2.12 Memoria Interna del PIC.
2.6.12 Diagrama de la estructura interna.
Figura 2.13 Estructura interna del PIC 16F8X.
2.6.13 Memoria de programa.
La memoria de programa está organizada en palabras de 14 bits y es del tipo FLASH. Esta memoria es de sólo lectura y únicamente se ejecutará el código contenido en ella. El vector de reset se encuentra en la posición 0000h y el de interrupciones en la 0004h, por lo que la memoria de usuario se extiende desde la dirección 0005h.
2.6.14 Memoria de datos.
La memoria de datos está dividida en Registros de Propósito General (GPR) y los Registros de Función Especiales (SFR).Los SFR controlan la operación del dispositivo.
