UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE INGENIERIA DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN ROBOT CONTROLADO POR UN MCU T s 1 s QUE PARA OITENER EL TITULO DE: INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA p R E s E N T A N MARCO A. ENRIQUEZ RODRIGUEZ SALVADOR VALDEZ GUTIERREZ ARTURO E. MARIN HERRERA DIRECTOR DE TESIS: 11.1.1. JUAN C. ROA B. MEXICO, D. F., 1992 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis está protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. INDICE CAPITULO I ROBOTS A Historia de los robots B ¿Qué es un robot? Definición 2 Componentes básicos a. Manipulador l 12 lJ 14 15 l) Configuraciones mecánicas 17 Operación del brazo manipulador 23 Actuadores terminales 25 2) controlador 28 Programación Jl Memoria JJ Interfases 34 Sensores 35 Fuentes de potencia 40 caracteristicas de funcionamiento de un robot 41 c Clasificación de los robots 1 Geometria del brazo del robot 2 Análisis de los sistemas coordenados J Fuentes de poder a. Actuadores hidráulicos b. Actuadores neumáticos c. Actuadores eléctricos 4 Técnicas de control a. Sistemas de lazo cerrado b. Sistemas de lazo abierto 5 Formas de control a. Paso a paso b. Punto a punto c. Desplazamiento controlado 47 47 48 52 52 54 55 57 57 59 60 60 61 63 d. Desplazamiento continuo 6 Inteligencia de los controladores O Diseño mecánico CAPITULO II TRANSDUCTORES Y ACTUADORES A Características y selección de los transductores y actuadores a utilizar 1 Transductores a. Selección de transductores 2 Actuadores a. Selección del tipo de actuador .B Localización óptima de los actuadores y sensores 1 Localización de actuadores 2 Localización de sensores e Diseño de las interfases para sensores y actuadores l Diseño de interfase para sensores potenciométricos 2 Diseño de interfase para switch sensor contador 3 Diseño de interfase para switches sensores de limite de área de movimiento 4 Diseño de circuito sensor óptico para giro de muñeca 5 Diseño de circuito de manejo de motores ·D Blindaje de las señales hacia sus respectivas interfases 1 Ruta tipica del ruido 2 Uso de la teoria de redes 3 Métodos de acoplamiento de ruido a. Ruido acoplado conductivamente 64 65 67 se 88 . 94 97 102 104 104 105 108 108 110 115 116 118 122 123 124 127 127 b. Acoplamiento a traves de impedancia común 4 Campos eléctricos y magnéticos 5 otras fuentes de ruido a. Acción galvánica b. Acción electrolítica c. Efecto triboeléctrico d. Movimiento del conductor 6 Blindaje y aterrizado CAPITULO III M.c.u. A Descripción y selección del microcomputador 1 Selección del microcomputador 2 MC68705R3 Micromputadora de 8 bits con EPROM y convertidor A/D a. Características de Hardware b. Características de software c. Asignación de terminales d. Memoria e. Unidad central de procesamiento f. Registros g. Convertidor analógico/digital h. Modos de direccionamiento B Selección y características del Teclado 1 Pulsadores mecánicos convencionales 2 Pulsadores mecánicos de lámina flexible 3 Pulsadores mecánicos de bóveda 4 Pulsadores Reed 5 Pulsadores Capacitivos 6 Pulsadores de núcleo magnético 7 Pulsadores de efecto Hall 8 Teclas 127 128 129 129 129 130 130 132 138 138 148 149 150 152 159 161 161 164 167 1'71 171 172 173 174 175 176 177 180 9 Codificación 181 10 Funcionamiento del teclado elegido 183 c Sistemas de visualización y p~evención 185 1 Display de LEOS 185 a. Principio de operación del LEO 185 b. Display de 7 segmentos 185 2 Display de LCD 191 a. Principio de operación del LCD 192 3 Sistema de visualización del robot 195 D Diagrama general del software 197 l Rutinas de autoprueba 197 a. Rutina de prueba a RAM 198 b. Rutina de prueba al TIMER 199 c. Rutina de prueba al convertidor A/D 200 2 Rutinas de manejo de datos 201 a. Rutina HOME 201 b. Rutina JOB 202 c. Subrutina SINSW 204 3 Subrutinas de ejecución 205 a. Subrutinas SWITCH y SWLB 205 b. Subrutina MOTSEN 206 c. Subrutina TOOTH 208 d. Subrutina DEDOS 209 e. Subrutina GIROM 210 f. Subrutinas de retraso 210 g. Subrutina CONADR 211 4 Rutinas de Interrupción 211 a. Rutina de teclado KEYSCAN 211 b. Rutina ITIM 213 5 Diagramas de flujo 214 CAPITULO IV CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO A Filosofia del desarrollo del prototipo l Diagrama general 2 Listado de componentes electrónicos B Evaluación y pruebas c Sistemas de autoprueba D Diseño y construcción de circuitos impresos Proceso de fotograbado Elaboración de programas de trabajo Hojas técnicas de circuitos electrónicos utilizados Conclusiones 228 237 240 241 245 247 251 252 259 281 CArPílTlUlO íl CAPITULO .- ROBOTS A HISTORIA DE LOS ROBOTS La imaginación, como producto de alguna necesidad o inquietud humana, fue la que condujo a las primeras aproximaciones de lo que hoy es conocido genéricamente como robot. Aunque existieron mucho tiempo antes algunas otras máquinas, parece ser que no fue sino hasta los siglos XVII y XVIII cuando hubieron algunos ingeniosos dispositivos mecánicos que tenian las caracteristicas de un robot. Por ejemplo, a mediados del siglo XVIII, Jacques Vaucanson construyó varios muñecos de tamaño humano que tocaban música. Esencialmente, eran robots mecánicos diseñados para un uso especifico: entrenamiento. En 1805 Henri Maillardet construyó una muñeca mecánica que era capaz de escribir y de dibujar. En ella, una serie de levas eran utilizados como el "programa" que guiaba un dispositivo en·el proceso de escribir y dibujar. Pero también en el plano literario se comenzó a utilizar el concepto de robot. A pesar de las limitaciones de las máquinas robot de nuestros dias, el concepto de un "robot es el c;Ie que luce y actúa como un ser humano". Este concepto humanoide inspiró un gran número de historias de ciencia ficción, las cuales a su l vez sirvieron para popularizar el concepto general de robot. Uno de los primeros trabajos relevantes en esta nueva rama de la literatura fue el de la novela ·de Mary Shelley, publicada en Inglaterra en 1817 y titulada Frankeistain. Un siglo después una obra del checoslovaco Karel Capek llamada Rossum' s Universal Robots, da fuerza al término robot. La palabra checoslovaca 11 robota 11 define la condición de esclavitud o de obediencia forzada. No cabe duda de que la ciencia ficción ha contribuido al desarrollo de la robótica planteando ideas e inquietudes en la mente de las nuevas generaciones de cientificos e ingenieros. Pero todas estas ideas e inquietudes han tenido que limitarse a una realidad. Los robots diseñados hasta nuestros dias, no han tenido en su mayoria, sino un uso meramente industrial, pues es la industria la que ha aprovechado e impulsado todas las cualidades y caracteristicas atribuidas a este tipo de máquina. Desde un principio, las predicciones para la industria del robot fueron similares a las hechas para la industria de la computadora. sin embargo el patrón de crecimiento de la industria del robot no ha seguido al de la industria de la computadora por diversas razones. Primero, el entorno económico durante los años 60's en los paises industrializados no fue favorable para permitir un crecimiento rápido. El costo promedio de un robot era de cerca 2 de $ 25,000 dls; el robot tenia una vida útil estimada de 8 años y su costo de operación era de aproximadamente 4 dls/hr. Los costos laborales tipicos de un obrero eran considerablemente menores a los costos de operación del robot en ese tiempo. Como segundo punto tenemos que la tecnologia era nueva, no aprobada, riesgosa y además se requeria una inversión de capital considerable. Y tercero, el control y la tecnologia de realimentación disponible en ese tiempo limitaba a los robots a sólo unas pocas labores simples. no podia Inicialmente eran usados en trabajos que el ser humano realizar. Estos trabajos eran de tipo peligroso, aburrido, en condiciones extremas o de gran esfuerzo durante periodos prolongados de tiempo. No fue sino hasta los años 70's que la situación cambió. El crecimiento de la productividad de las empresas manufactureras declinó mientras que los costos de producción se incrementaron. Esto pasaba al mismo tiempo en que el control, la flexibilidad y las capacidades de manipulación de los robots estaban siendo mejorados. A mediados de los 70's el uso de los robots en operaciones de manufactura empezó a crecer significativamente. A partir de entonces la competencia por el mercado de la robótica es peleado por principalmente Japón y E.U. los paises industrializados, En forma de cuadro cronológico presentamos a continuación los acontecimientos que han contribuido al desarrollo de los robots, así como sus aplicaciones: SIGLO XVIII .A mediados de siglo, Vaucanson construye varios muñecos de tamaño humano que tocaban música • 1805 1922 1939 1946 1951 1952 1954 . H. Maillardet construye una muñeca mecánica capaz de escribir y dibujar . • La dramatización del autor checoslovaco Karel Capek titulada Ressum's Universal Robot acuñala palabra robot • • Isaac Asimov escribe una serie de historias sobre robots. Las· tres leyes de la robótica de Asimov son desarrolladas . • El inventor americano G. c. oevol desarrolla un dispositivo que puede grabar señales eléctricas magnéticamente y luego reproducirlas para operar una máquina mecánica .Desarrollo de los teleoperadores (manipuladores de control remoto) para manejar materiales radioactivos • • Máquina prototipo de control numérico expuesta en el Instituto de Tecnología de Massachusetts después de varios años de desarrollo . • El inventor inglés c.w. Kenward solicita la 4 1956 1958 1959 1960 1961 1962 patente por el diseño de un robot. G.C. Devol desarrolla los diseños para su "programad article transfer" . • Una especificación preliminar es esbozada para el robot de UNIMATE . • AMF inicia un proyecto de investigación y desarrollará un robot VERSATRAN (VERSAtile TRANsfer) • • El primer robot comercial es introducido por Planet Corporation. Era controlado por switches y levas • . Se introduce el primer robot "Unimate 11 , basado en el 11 programmed article transfer" de Devol. Usaba el control numérico para el control del manipulador y era un robot de manejo hidráulico . • un robot unimate es instalado para Ford Motor company para atender una máquina de moldeo por inyección • • Pullman Inc. y condec acuerdan formar una nueva empresa: Unimation Incorporated. AMF introduce su modelo 102, un dispositivo de trayectoria continua de transferencia, y su modelo 212, un dispositivo de transferencia de trayectoria punto a punto. 5 1965 1966 1967 1968 1969 Unimate prepara el prototipo de su MARK I para pruebas de campo. .AMF da licencia a dos empresas europeas para construir sus robots. AMF empieza el desarrollo de un sistema robot Versatran de estado sólido de bajo costo • • Versatran introduce su modelo 301, un robot de estado sólido de punto a punto • • Unimate introduce su MARK II 2000. El primer robot es eKportado al Japón. un Versatran AMF es usado en una aplicación de pintado de spray. Un robot móvil llamado Shakey es desarrollado en el Instituto de Investigaciones de stanford. Estaba equipado con varios sensores, incluyendo una cámara de visión y sensores de tacto. AMF Versatran introduce su modelo 302, un robot de punto a punto. PRAB entra en el mercado de los robots con uno de tecnologia media. Japón desarrolla 2 servo robots. El primer robot Unimate es importado por.Japón para las industrias pesadas Kawasaki • • El primer Unimate es instalado en una fábrica de 6 1970 1971 1973 1974 automóviles NISSAN en el Japón. La agencia de proyectos de investigación avanzada de def~nsa de los E.U. instituye la investigación sobre inteligencia artificial en 5 universidades • • Unimate introduce el primer robot industrial de 6 grados de libertad. AMF introduce su modelo 401 con trayectoria continua mejorado. AMF Japan Ltd. Para entonces 26 Versatran están instalados y funcionando en fábricas japonesas • . Se forma la asociación japonesa de robótica industrial (JIRA) • • El primer lenguaje de programación para un robot de tipo computadora es desarrollado en el Instituto de investigaciones de Stanford. Es llamado WAVE. Warnecke y Shrafft de la universidad de Stuttgart son catalogados como los fabricantes de robots en el mundo. Existen ya en este año 71 firmas fabricantes . • ASEA desarrolla un robot industrial totalmente eléctrico: el IRb6. Ofrece tres y cinco ejes en unidades antropomorfas. 7 1975 197.6 1977. 1978. 1979 .Finalmente es formada una sociedad de robótica en los E.U. Es llamada RIA (Robot Institute of América) El robot "Sigma" de Olivetti es utilizado en operaciones de ensamble, una de las primeras ensambles. aplicaciones de los robots en Muchas de las compañías originales quedan fuera del negocio. cincinnati Milacron entra al mercado. Ofrece un robot industrial antropomorfo de 6 ejes. VW exhibe un sistema robot en la feria de Hanover en Alemania . • La asociación inglesa de robótica es formada (BRA). El robot PUMA (Programable Universal Machine for Assembly) es introducido por Unimation, basado en estudios de General Motora. PUMA es un robot antropomorfo con servo rnanej o eléctrico de OC con s o 6 ejes. El robot TJ de Cincinnati Milacron es adaptado y programado para realizar operaciones de taladrado sobre componentes aéreos, bajo el patrocinio de la fuerza aérea. PRAB compra Versatran. Esta compra combina alta y media tecnologia en la fabricación de robots. 1980 1981 Desarrollo del robot tipo SCARA (Selective compilace Arm for Robotic Assembly) en la universidad japonesa de Yamanashi . • El sistema de levantamiento de contenedores es exhibido en la universidad de Rhode Island. Utilizando una máquina de visión, el sistema era capaz de levantar partes colocadas en orientaciones aleatorias. La sociedad americana de inteligencia artificial es formada (AAAI). La sociedad publica una revista de inteligencia artificial. Automatix Inc. es formada. La meta compañia es combinar computer manufacturar con la robótica. de la aided CYBOTECH, una empresa conjunta entre RANSBURG y RENAULT es formada. Produce toda especie de robots . • un robot de manejo directo es desarrollado en la universidad de Carnegie-Mellon. Utilizaba motores eléctricos localizados en las uniones del manipulador sin el usual mecanismo de transmisión utilizado en la mayoria de los robots. Planet Robot Division cambia su nombre a Armax 9 1982 Robotics Inc. Ofrece una linea de robots desde el simple levantamiento y colocación de objetos, hasta los de servo sensado. General Electric fabrica un manipulador impresionante llamado Man-mate • • GE firma acuerdos con VW y Hitachi para vender sus robots en los E.U. IBM se adentra en el campo de los robots con robots de ensamble que venia utilizando internamente. Estas unidades usan un lenguaje de computadora especial llamada "AMI." (An Assembly Language). IBM ofrece dos robots, uno hidráulico de coordenadas cartesianas, con seis grados de libertad, llamado RSI; y uno horizontal, antropomorfo con cuatro grados de libertad llamado 7535. Ambos eran operados con una computadora personal. Westinghouse entra en el mercado. CYBOTECH expande su linea al incluir un robot eléctrico. Cincinnati Milacron produce dos nuevos robots antropomorfos. El nuevo TJ 746 y el T3 726. Los fabricantes japoneses de robots tienen como blanco el mercado de los E.U. 10 1983 Westinghouse adquiere Unimate en diciembre de 1982. Este movimiento habrirá nuevos mercados para ambas compañias. Da la capacidad hidráulica de Westinghouse y los nuevos robots eléctricos de Unimate. Un nuevo y vasto grupo de fabricantes aparecen en escena. ,Westinghouse desarrolla un proyecto piloto para una linea de ensamble auto~atizada. Se cree que.los mecanismos simples de levantar-colocar serán los que tendrán mas uso para los años venideros dentro de la industria. Para fines del siglo los servo robots, debido a los altos volúmenes de producción, bajarán de costo. empleados a la vez. Esto los hará más Los pequeños negocios comenzarán a utilizar robots para sus tareas rutinarias, quedando atrás la época en que sólo la industria grande podia utilizarlos. También, el mercado japonés podria llegar a ser dos veces el de los E.U. Pero la carrera tecnológica es reñida por muchos paises que buscan dia con dia el mejoramiento de lo ya esis~ente con el fin de alcanzar un liderazgo ambicionado por muchos. México no debe quedar rezagado en esa carrera. ll B ¿QUE ES UN ROBOT ? El instituto de Robótica de América define a un robot como un "manipulador mul ti funcional reprogramable diseñado para mover material, piezas, herramientas o dispositivos especializados a través de movimientos programados para la ejecución de una variedad de tareas". UNIMATION, la firma pionera en el campo de la robótica de los Estados Unidos, define a un robot industrial como un "manipulador programable con un n\1mero de articulaciones". La Asociación Japonesa de Robots Industriales· ha definido cuatro niveles de robots industriales: Manipuladores manuales que ejecutan secuencias de tareas establecidas o propuestas. Reproducciones que repiten instrucciones establecidas. Robots controlados que llevan a cabo tareas a través de información cargada numéricamente. Robots inteligentes que ejecutan movimientos a través de su propia capacidad de reconocimiento. 12 l DEFINICION El Instituto de Robótica de América, presenta en su definición, tres términos esenciales para entender el concepto básico de un robot, siendo estos: REPROGRAMABLE. Un robot industrial es controlado por un controlador programable con memoria, tal como un microprocesador. El controlador es programado para comandar el brazo del robot y la pinza para repetir una serie especifica de movimientos, como mover una pieza de trabajo a través de una operación de perforación. MULTIFUNCIONAL. Un robot industrial es mucho más flexible que una automatización dura: el robot industrial puede ejecutar una ámplia variedad de tareas. Durante un sólo ciclo de movimiento, por ejemplo, un robot puede cargar una máquina; descargar la pieza de trabajo; transportarla a otra etapa mecanizada; tornear la pieza y colocarla en una banda transportadora. Es por lo tanto un dispositivo de propósito general, más que una máquina dedicada. MANIPULADOR. Un robot industrial difiere de otras formas de automatización en su habilidad de mover un objeto a través del espacio, mientras que al mismo tiempo reorienta su posición. Es esta habilidad de manipular objetos la que nos guia a las comparaciones inevitables entre los robots,y los brazos y manos humanas. Los robots pueden ser pensados como máquinas que 13 llenan el espacio entre las capacidades especializadas normalmente asociadas con automatización dura y la flexibilidad extrema de la labor humana. Básicamente un robot es un dispositivo con un brazo llnico para manipular herramientas o partes en una secuencia programada de movimientos a través del espacio. Debido a su capacidad llnica de ejecutar un gran número de diferentes tareas, los robots son utilizados en una variedad de aplicaciones industriales donde la tarea o labor puede ser realizada por éstos de una manera más efectiva y segura, que por trabajadores humanos. 2 COMPONENTES BASICOS Aunque los robots industriales cstan disponibles en una ámplia variedad de configuraciones, todos los robots consisten de tres elementos básicos: l. Un manipulador. 2. un controlador. J. una fuente de poder. El manipulador (Y su soporte o brazo) es el elemento mecánico básico de un robot, siendo el responsable de ejecutar el trabajo. 14 El controlador es el cerebro del robot, y es responsable de dirigir el movimiento del manipulador. La fuente de poder es el dispositivo que proporciona la energ1a necesaria para la realizaci6n de las funciones del manipulador. a. MANIPULADOR El objetivo fundamental de un robot industrial es mover un objeto a través del espacio tri-dimensional. Este movimiento es llevado acabo mec¡ánicamente por el manipulador. El manipulador consiste de un "brazo" mecánico y una "cintura", ambos montados en un soporte. Al final de la cintura existe una base para sujetar la pieza (llamada actuador terminal) con la cual el robot ejecuta su trabajo. T1picamente, el actuador final tiene la forma de un dispositivo de sujeci6n para asir, mover y colocar la pieza de trabajo en el sitio y posici6n adecuadas. FIG. 1-B·t.o TIPOS DE ACTUADORES TERMINALES 15 tit VAr.IO PARA SUl'CRrlCltS CURVA'S' Ot YA.tlO FA.U suruncu:s CORRUCi,.llAS PAPA OU 1 L TOS '>"A~l•[S [lt VAt;IO VARIAS rlCZAS re CiLCIDO PARA llOTELtAS • , .. ._.. ! • : .... ,• ~ l'l/\IO:Cll''.' l'Af'!. !'."IP.H~ "':!Lll[A.OAS PlATA.fOP"A t't VAl;lf'.I l'AVA \IAPIAS l"l[Z"!; FIC, l·D-1.b TIPOS DE ACTUADORES TERMINALES 16 ''"':'!"' l'C \IAt;Jc> [>(llll[ M VA.('lt;i TC'CA t>l!;t;(I::; 1) CONFIGURACIONES MECANICAS Existen varias maneras de construir un manipulador para mover una pieza a través del espacio. Como en el brazo humano, el movimiento se lleva a cabo a través de una serie de enlaces y articulaciones mecánicas. La configuración básica del brazo mecánico se describe de una mejor manera en términos de su sistema coordenado. Existen actualmente cuatro diferentes sistemas coordenados que se utilizan para mover una pieza de un punto ºA" a un punto 11 8 11 • El ·sistema más simple es el rectangular, o sistema de coordenadas cartesianas corno se ilustra en la figura I-B-2. FIC, I-D-2 SISTEMA DE COORDENADAS RECTANCULA.RES. 17 Este tipo de movimiento es el más sencillo de controlar, pues sólo tiene traslaciones a lo largo de cualquiera de los 3 ejes perpendiculares, cuya aplicación coman es el transporte de piezas de un punto a otro. Las configuraciones de brazos de robots basadas en movimiento rotacional a través de varios ejes, aan cuando son mas difíciles de controlar se prefieren de la mayoría disponibles actualmente, debido a su rango más amplio con el cual tales robots pueden tra!Jajar. Actualmente existen tres sistemas rotacionales en uso, estos son: cilíndrico, esférico y brazo articulado esférico, los cuales se presentan en las siguientes figuras. FIG. 1-B-J SISTEMA. ROTACIONAL CILINDRICO 18 FJC, 1-8-4 SISTEMA ROTACIONAL E5F"ERICO BASE . ¿;¿c:+:>ROTAT~l~N /\ ~~~~~ ELEVATION --V BEND) (SHOULDER {\ • ~ f\ BEND) 0· __ I ·-V FJC, 1-0-5 SISTEHA ROTACIONAL DE DRA2D ARTICULADO ESFERICO 19 La importancia de cada uno de estos sistemas para un usuario en potencia se determina por el "entorno de trabajo" con el cual el manipulador del robot es capaz de trabajar. El entorno de trabajo del robot es análogo al entorno de trabajo humano definido por los ingenieros industriales. Los fabricantes de robots normalmente incluyen dibujos de los entornos de trabajo para cada modelo de robot junto con las dimensiones. Es importante entender cómo define el fabricante el entorno de trabajo. Típicamente el entorno de trabajo incluye la región de espacio que puede ser alcanzada por un punto particular en la cintura del manipulador, no en la punta del manipulador. Esto es porque el efecto terminal es generalmente un articulo diseñado a la medida prevista por el usuario, por tanto las dimensiones no pueden ser pronosticadas por el fabricante. Para planear el lugar exacto donde se colocará el equipo cercano al robot y la seguridad de los trabajadores, el comprador de robots debe tomar en cuenta el alcance adicional que se ha previsto para el manipulador cuando este se acople a la cintura del robot. Las formas tipicas de entorno de trabajo para cada uno de los sistemas coordenados rotacionales se muestran en la figura I-B-6. 20 T _1_ JOH1'[0 ARM ROBOT rrc. I-B-6 FORMAS TIPICAS DE ENTORNO DE TnADA.JO 21 Un robot de coordenadas cilindricas tiene un entorno de trabajo en forma de una porción de cilindro. Este tipo de robots consiste de un brazo horizontal sujeto a una columna vertical, la cual se encuentra montada en la base rotatoria. El mecanismo es una combinación de movimientos de traslación y rotación. El brazo horizontal se mueve radialmente dentro y fuera mientras que se mueve hacia arriba y hacia abajo en la columna. Ambas piezas rotan alrededor de la base. El robot de coordenadas esféricas es similar a una torreta de tanque. un brazo sp extiende y se encoge, gira sobre su propio eje en un plano vertical y rota en el eje vertical para trazar el perfil de una esfera. El robot de brazo articulado esférico es un manipulador que se asemeja a un brazo humano. Dos miembros del brazo son conectados uno al otro por medio de un codo, un hombro conecta el brazo a su vez con la cintura, proporcionando tres movimientos rotatorios. Cuando el actuador terminal se conecta al brazo se obtienen tres grados de libertad adicionales. Los ejes de la cintura permiten el "roll" (rotación de un plano perpendicular al final del brazo) , "pitch" (rotación vertical alrededor del final del brazo), y "yaw" (rotación horizontal alrededor del final del brazo). 22 El movimiento resultante al final del manipulador traza una forma irregular aproximada a la de una esfera. El robot de brazo articulado tiene. un total de seis grados de libertad disponibles para su movimiento. En general, los robots industriales pueden tener de dos a ocho grados de libertad. Los robots típicos en aplicaciones industriales tienen cinco o seis grados de libertad. Un séptimo grado de libertad puede alcanzarse montando al robot en una trayectoria móvil (en el piso o arriba), y un octavo grado de libertad puede obtenerse si la trayectoria permite movimiento del robot en dos direcciones. En resumen, un robot típico con seis grados de libertad tiene tres ejes de movimiento provistos por el brazo manipulador, y tres ejes adicionales provistos por el efecto terminal. OPERACION DEL BRAZO MAHIPULADOR. El brazo es básicamente una serie de uniones y articulaciones mecánicas que se mueven en una secuencia definida. Su función es mover al efecto terminal a un punto especifico en el espacio. Este mecanismo se cumple por medio de alg~no de los tipos de sistemas de transmisión: hidráulicos, neumaticos o motores eléctricos. 23 Estos actuadores accionan las articulaciones directa o indirectamente a través de engranes, cadenas o tornillos sin-fin. En el caso de compuertas hidráulicas o neumáticas, las válvulas se montan en el manipulador controlando el flujo de aire o aceite a los actuadores. Los robots accionados hidráulicamente tienen la ventaja de simplicidad mecánica, fuerza y alta velocidad. Los robots accionados electricamente, la mayoría de ellos manejados por servo motores de o.e.; no son generalmente tan rápidos o tan fuertes como los robots hidráulicos, pero tienden a ser más exactos y pueden repetir secuencias de operaciones con mayor precisión. Además ya que no se requiere de una unidad de potencia hidráulica, se economiza espacio en el área de trabajo. Los robots que se accionan neumáticamente se utilizan generalmente para operaciones pequeñas del tipo "recoge y coloca". Los actuadores, para cada articulación del brazo manipulador tienen un dispositivo de realimentación el cual mantiene al controlador informando de su posición. El tipo de mecanismo de realimentación que se utiliza puede variar de un simple switch accionado por el brazo manipulador a varios dispositivos de medición de posición, tales como decodificadores, potenciómetros o tacómetros. El tipo .de mecanismo que se utilice dependerá de diversos factores, desde el tipo de movimiento hasta el tipo de resolución deseados. Estos 24 dispositivos de realimentación son los sensores internos usados por el controlador del robot para acumular información y asi generar señales con el fin de mover el.manipulador en el espacio. ACTUADORES TERMINALES. Un efecto terminal, se instala en la superficie de soporte del brazo. Este es el mecanismo utilizado para ejecutar las tareas del robot. El término actuador terminal se refiere a una pinza (utilizada para asir una pieza) , una herramienta sostenida por una pinza, o bien una herramienta montada directamente para una de las tres operaciones b6sicas: (1) Asir y manipular una pieza de trabajo. (2) Ejecutar operaciones de manufactura, tales como perforar, atomizar o soldar. (3) Sensar la posición o la forma de un articulo. La mayoria de los manipuladores se diseñan para una aplicación especifica y según los requerimientos de los usuarios. De cualquier modo, un número elevado de diseños de pinzas estandar se estan ofreciendo por los fabricantes. 25 -'· flG, l-D-7 TIPDS DE ACTUADORES TEAHIHALES 26 Una gran variedad de diseños de pinzas y de herramientas pueden ser utilizados en los robots industriales; asi como para sostener las herramientas que llevan a cabo operaciones de manufactura. Muchas pinzas contienen sus propios actuadores para permitir la manipulación y colocación compleja de objetos. Aunque las pinzas son normalr.1ente diseñadas a la medida, existen tres categorias básicas que actualmente se utilizan: mecánica, magnética ó al vacío (utilizando ventosas de succión). Las mecánicas sostienen un objeto ejerciendo presión en la pieza (fricción) o colocando gentilmente material sólido alrededor del objeto para reforzarlo fisicamente y no moverlo. Los tipos de pinzas mecánicas utilizadas incluyen pinzas de mandíbula y de dedo. Las pinzas de tipo mandibula contactan al objeto acercando dos superficies planas en paralelo, asi como en ángulo. Las pinzas mecánicas de tipo dedo incluyen dispositivos de dos, tres o varios dedos. Las pinzas magnéticas usan un campo magnético para atraer objetos metálicos. Las pinzas de vacio son especialmente útiles en aplicaciones donde piezas planas de material deben ser movidas; como las láminas. 27 Para asir objetos de forma irregular, las ventosas de succión o magnétos se fijan ordenados varios de ellos en soportes especiales. Un pequeño ejemplo de los diversos tipos de pinzas utilizados hoy en dia se ilustran en la figura I-B-7. Además una variedad de herramientas pueden ser colocadas en el manipulador, como pistolas de soldadura por puntos, mezcladoras, fresadoras, calderos de colada, trituradoras, afiladoras, taladros y sopletes. Al diseñar actuadores terminales es importante tomar en cuenta el peso de la herramienta o de la pinza y su efecto en la capacidad de carga del brazo También para el tamaño y la forma de éstos debe se considerada la habilidad del manipulador para poder maniobrar con equipo u otros obstáculos alrededor. 2. CONTROLADOR. La unidad de control es el "cerebro del robot". La función básica del controlador es dirigir el movimiento del manipulador· para que ambos se encuentren colocados y orientados correctamente en el espacio sobre el tiempo. El controlador almacena en una memoria la secuencia de movimientos requerida del brazo manipulador y del actuador terminal. cuando se solicita por un operador, el controlador dirige al manipulador a través de una serie de dispositivos de respaldo para 28 asegurar que los movimientos correctos se estan siguiendo. Actualmente se encuentran disponibles en el mercado una gran variedad de controladores de robot. Este puede ser ejecutado a través del uso de una secuencia lógica neumática, un tablero de matriz de diodos, una secuencia electrónica, un microprocesador, o una minicomputadora. El controlador puede estar integrado en el brazo manipulador o en una unidad separada. El movimiento del manipulador se controla a través de varias válvulas de control y dispositivos de respaldo de control de posición localizadas en las articulaciones de los brazos. El controlador continuamente comprueba la posición, orientación, rapidez y aceleración del manipulador y lo dirige a través de su ciclo operativo. Uno de los planteamientos para la clasificación de robots es de acuerdo al tipo de controlador que utiliza, este puede ser: Robot no-servo. Servo-robot punto a punto. servo-robot de sendero continuo. 29 rIC. I-D·D EJEMPLOS DE CONTROLAOOACS DE ROUOTS 30 PROGRAMACION. Para que el controlador sea capaz de dirigir los movimientos del manipulador, el operador primero debe decirle al controlador qué hacer. El proceso de programación del controlador se refiere a "enseñar" al robot. Existen tres planteamientos básicos utilizados para programar un robot industrial: Manual.- no-servo, la controladores eléctricas. Se utiliza tipicamente para programar robots programación que tienen manual se memorias asocia generalmente con mecánicas, neumáticas o En este planteamiento, el robot se programa preinstalando fisicamente las levas en un cilindro o tambor rotatorio, colocando switches limites en los ejes, cables fijos, o poniendo tubos de aire. Este planteamiento es factible para los robots menos sofisticados que se mueven por medio de pocos pasos en sus ciclos operativos. - Guiar a través.- En el caso de robots más sofisticados se usan memórias el ctrónicas en los controladores, el robot puede ser 11 enseñado" guiándolo a través de una secuencia operativa por medio de una consola de control o de una caja de control manual (teach pendant) • El manipulador del robot es guiado a través de cada 31 paso, y el movimiento se graba en memoria al final de cada uno de estos. Este planteamiento se utiliza típicamente para programar servo-robots punto a punto. - Caminar a través. se utiliza típicamente para programar robots de desplazamiento continuo, este procedimiento requiere que el programador mueva manualmente al manipulador a través de un ciclo completo de operación. Estos movimientos se graban en memoria exactamente como fueron ejecutados por el operador, Este planteamiento no requiere que el operador tenga un ámplio conocimiento de robótica pero si una gran cantidad de destreza para ejecutar la operación que es enseñada al robot. Pintar con pistola y soldar son dos buenos ejemplos de operación en los que la programación "caminar a través" se utiliza. Programación fuera de linea.- Es similar al tipo de programación utilizada en la programación por partes en· operaciones de máquinas de control numérico, la programación sin linea involucra el desarrollo de un programa en una computadora utilizando un lenguaje de programación más alto. El programa se accesa en la memoria del controlador del robot. De esta men~ra la cantidad de "tiempo bajo" del robot se reduce durante el aprendizaje. La desventaja de este procedimiento es la 32 dificultad de escribir programas que tomen en cuenta la posición relativa en el espacio del manipulador para separar objetos en su entorno. Sin embargo, se espera que; la programación fuera de linea, la cual se· utiliza en menos del 10 t de las aplicaciones de robots industriales, incremente su uso significativamente en un futuro. MEMORIA. La memoria del robot o almacenamiento de datos es una componente integral del controlador. Esta almacena los programas y le da ordenes al robot a través del controlador. El tipo de memoria utilizado es importante, ya que ésta determina la manera en la cual las ordenes son almacenadas. Los dispositivos de memoria pueden ser tan simples como secuencias de pasos mecánicos con tambores rotatorios. También pueden existir dispositivos neumáticos como tableros de parches, matrices de diodos, o memorias electrónicas más sofisticadas, como dispositivos microprocesadores (ROM, RAM, cinta magnética o discos blandos) • Generalmente, el grado de sofisticación de la memoria concuerda con el del controlador y con el del robot mismo. 33 INTERFASE, La mayoria de los robots necesi.tan interactuar con otras máquinas, transferir lineas o piezas desde fuera de su ambiente inmediato. Por ejemplo, un robot no puede transferir una pieza si la señal de entrada no ha sido recibida por el robot, es decir si la pieza no ha llegado a la posición inicial. Una vez que el robot ha transferido satisfactoriamente la pieza a la posición final, el robot debe moverse de la cinta transportadora e indicar a la linea el envio de la siguiente pieza a la posición inicial. Las señales de entrada y salida pueden ser provistas de varias formas como eléctrica, neumática, o electrónica. Es en el área de interfase que las capacidades de sensado externo pueden jugar un papel. Los sensores táctiles, los detectores de proximidad, los dispositivos de alimentación de fuerza, y los sensores de visión pueden todos ser usados en aplicaciones donde el robot requiera datos de la localización o posición de la pieza, como en la descarga de paletas o espátulas. Es sensible la diferencia entre los sensores externos y los internos o dispositivos de respaldo, los últimos guian el controlador del servo-robot a la superficie de contacto con el efecto terminal del robot. Los sensores externos guian al controlador del robot a la superficie de contacto con equipo Y 34 piezas desde afuera, representan el nivel más alto de tecnologia robótica actualmente disponible. También representan una de las mayores áreas de actividad futura de desarrollo en el campo de la robótica. SENSORES Los sensores no son necesariamente fijos donde cada posición de un- objeto debe ser conocida. En los robots, sin embargo, los movimientos son mucho más complejos, y entonces el gasto de rediseñar seria alto. una he;rramienta para asegurar una posición precisa La alternativa para precisar la posición correcta de la herramienta es el uso de sensores que detecten ciertas características de objetos a través de alguna forma de interacción entre ellos. Un sensor es simplemente un dispositivo de respaldo para guiar al robot a hacer cambios en sus movimientos basados en la información acerca de su ambiente externo. Existen tres tareas generales ejecutadas por sensores: Inspección visual.- una amplia variedad de aplicaciones potenciales ahora realizadas por humanos podrían ser ejecutadas con· el uso de sensores inspeccionando piezas o montajes para asegurar si las piezas se encuentran correctamente colocadas 35 oestan dañadas. La inspección visual incluye la identificación de piezas, la detección de defectos, la determinación del tamaño y ubicación de agujeros, y otras aplicaciones. utilizan normalmente para medición. Los sensores no se - Posición de la pieza. - cuando se utiliza la automatización dura, las piezas deben localizarse y orientarse con precisión esto puede conducir a costos de dispositivos altos. Los sensores pueden localizar piezas y determinar su orientación, lo que reduce mucho.su costo. Sin embargo, la capacidad de los sensores para realizar ésto es extremadamente limitada. Las piezas escogidas al azar no pueden identificar las piezas individuales y orientar la pinza del robot correctamente para recogerlas de recip.ientes que contienen escasas piezas almacenadas superpuestas. - control de manipulación.- En tales operaciones complejas como ensamblar o maquinar; varias operaciones pueden ser requeridas; como insertar, torcer, alinear, orientar y atornillar. si cada paso de la operación se controla completamente, puede ser posible ejecutar el trabajo sin sensores. sin embargo, el costo seria extremadamente alto. Los humanos realizan estas tareas dependiendo casi completamente de los sensores. similarmente los robots pueden ejecutarlas si la capacidad de sensado adecuada esta disponible para determinar cuando dada tarea ha sido terminada. 36 FJC, I-D-9 SENSORES 37 Las dos categorias básicas de los sensores actualmente disponibles son contacto y no contacto. Los sensores de contacto o táctiles se utilizan para medir fuerz.a, momento de torsión, para simplemente detectar la existencia de un objeto a través de contacto. Los sensores de fuerza y momento de torsión producen señales que miden la magnitud de las fuerzas de contacto. los sensores táctiles producen señales que indican la presencia de un objeto pero no la magnitud de una fuerza. Por lo anterior tienden a ser más liqeros y mas sensibles a fuerzas pequeñas que a fuerzas en sensores de torsión. Los sensores de contacto pueden ser utilizados en aplicaciones como inserción de piezas, operaciones de ensamblaje, empaque, evadir coalisiones y operaciones mecanizadas. Existe una variedad de transductores utilizados para sensar fuerza, como son strein gage, magnéticos o piezo-eléctricos. Id0almente, un sensor debería medir las tres componentes de fuerza asi como las tres componentes de torsión. Hoy en dia, la capacidad de los sensores de contacto disponibles comercialmente son limitadas. Se requiere más trabajo desarrollado antes de que los sensores de fuerza y tacto se utilicen ampliamente. Los sensores de no contacto se utilizan para determinar las 38 caracteristicas de un objeto (posición, forma, etc.) sin tener contacto directo con el objeto. Existen tres tipos básicos de sensores de no contacto disponibles: Sensores de proximidad. Este tipo de sensor de no contacto determina cuando un objeto está cerca de otro. "Cerca" se define corno un rango de distancia, de varias pulgadas a pocos milimetros. Los sensores de proximidad normalmente no miden la distancia real, sino simplemente detectan la presencia de los objetos. comercialmente los sensores de proximidad disponibles se basan en detección de luz infraroja, campos magnéticos, ultrasonido o campos electrostáticos. Sensores de rango. Un sensor de rango puede ser usado para medir la distancia del sensor a un objeto. Esto puede llevarse a cabo utilizando cámaras de televisón que midan la distancia a través de triangulación. otro planteaminento es el uso de un calibrador láser inferométrico, el cual es preciso pero caro, dificil de usar y sensible a las condiciones ambientales. otro. planteamiento relativamente nuevo es el uso de un descubridor de rango acústico basado en el principio del sonar. En general existen pocos sensores de rango, disponible comercialmente. Sensores de visión. El tipo se sensor más útil .es potencialmente el que se basa en el respaldo visual. El uso de sensores visuales puede reducir bastante la necesidad de 39 plantillas y dispositivos, que pueden facilitar la tolerancia de piezas. Las cámaras de televisión standard estan comunmente conectadas a computadoras para reconocimiento de piezas. La dificultad se encuentra en traducir la información recibida del sensor a una información útil para el robot. Muchas organizaciones de investigación como el Instituto de Investigación de stanford, llevan a cabo extensas investigaciones del problema de desarrollar a bajo costo un sensor visual efectivo. Las primeras aplicaciones de los sensores visuales son reconocer e identificar una pieza estudiando su forma, detectar la orientación de una pieza (en una banda transportadora), y para medir la posición especifica de un objeto para que el brazo manipulador pueda moverlo. En los siguientes cinco años, bajo costo y sensores de visión efectivos deberán ser ampliamente disponibles. FUENTES DE POTENCIA. El tercer componente básico de tin robot industrial (los otros dos son el manipulador y el controlador) es la fuente de energía que manejan los actuadores y el manipulador. El tipo de fuente de poder que se requiere es generalmente una función del tipo .de actuadores utilizados en los ejes del brazo manipulador. Los sistemas de encendido de un robot deben ser considerados al 40 escoger un tipo de robot, desde que la ejecución y capacidades de cada tipo varian de acuerdo a la aplicación. Los robots encendidos eléctricamente tienden a trabajar más silenciosos que otros, y sus motores pueden ser encerrados y protegidos de ambientes sucios. Los robots neumáticos son generalmente usados en aplicaciones donde se requieren operaciones rápidas. Los robots hidráulicos tienden a ser más fuertes que otros, siendo además más exactos ya que el fluido hidráulico no es compresible. La fuente de poder para los robots manejados en forma eléctrica simplifica funciones para regular la electricidad que entra. Los robots de tipo neumático usualmente reciben energia desde un compresor remoto, el cual puede abastecer de energia a otras máquinas. En el caso de los robots hidráulicos, en un sistema de energia hidráulica puede ser una pieza integral del manipulador o una unidad separada. CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN ROB.OT. Las secciones anteriores describen la estructura f isica básica de un robot industrial y los tipos de aplicaciones en las 41 que puede ser usado. El proposito de estas secciones fue decir qué es un robot y qué hace. En ésta sección se definen los parámetros con los cuales el funcionamiento de un robot se mide. Estas características representan algunas de las consideraciones más importantes que un comprador de robots necesita estudiar cuando decide qué tipo de robot seleccionar para una aplicación particular. En general, un robot industrial debe satisfacer tres requerimientos básicos. Primero, debe ser flexible. Por definición un robot no es una máquina dedicada, pero muy pocas veces ofrece la ventaja de ser 11multifuncional". Por lo tanto un robot deberia ser capaz de ser usado en varias operaciones de manufactura. segundo, un robot industrial debe ser seguro y confiable. La ventaja de una alta utilización, de un alto grado de flexibilidad se pueden si el robot se encuentra fuera de servicio muy a menudo para mantenimiento y reparaciones. Seguridad o fiabilidad significa un requerimiento relativamente bajo de mantenimiento, una operación fiable que requiera pocas reparaciones, y la habilidad de funcionar satisfactoriamente en un ambiente hostil (por ejemplo, altas temperaturas o corrosión). 42 Finalmente, un robot debe ser fácilmente programable. Ya que un robot puede ser usado para muchas diferentes tareas de manufactura, es obvio que se requiere reprogramación constante para cambiar su ciclo de operación. Debido a que la constante programación causa una cierta cantidad de tiempo bajo, es esencial que la canti.dad minima de tiempo sea dedicada a esta actividad. Esta es una de las razones por las que la programación fuera de linea va a aumentar en el futuro. Además, de estos requerimientos generales básicos, existen varias caracteristicas de especificación de funcionamiento que deberian ser entendidas y analizadas cuando se considera la compra de un robot: Exactitud de colocación. Esta es una medida de la habilidad de manipulador para colocar el actuador terminal (herramienta o pinza) en el punto especifico ordenado por el controlador. La exactitud se especifica en un rango (por ejemplo, + o. 020") alrededor de un punto con el cual el centro del actuador· terminal espera colocarse al recibir una orden. La exactitud es una medición significativa sólo en el caso de sistemas controlados por la computadora donde el sistema de control tiene que calcular una posición y después ordenar al manipulador que se mueva ahi •. · En el caso de un modo de grabación, en el cual el sistema de control simplemente graba las posiciones mientras le enseñan, Y 43 luego las reproduce durante la operación, la exactitud no se toma en consideración. En el caso de pintar con pistola (sendero continuo), por ejemplo una vez que la secuencia inicial se programa, la consideración importante es si el manipulador puede alcanzar la misma posición otra vez. Esto se conoce como habilidad de repetición. Habilidad de repetición. La mayoria de fabricantes y usuarios estan más preocupados acerca de ésta medición, la cual especifica qué tan bien esta capacitado el manipulador para alcanzar una posición especifica una y otra vez. Una habilidad de repetición de + 0.010 ", por ejemplo significa que una vez que cierta posición ha sido alcanzada por el actuador terminal, durante el siguiente ciclo el actuador terminal alcanzará una posición que está O. 010" de la posición original. Seguridad o fiabilidad (tiempo alto). La seguridad de un robot se especifica normalmente como un porcentaje de tiempo durante el cual se puede esperar que el robot esté operando normalmente (por ejemplo, no estar fuera de servicio por mantenimiento o reparaciones). En general, la seguridad de los robots industriales es buena, con estimaciones tipicas del 96 - 98% de tiempo alto dadas por los fabricantes de robots. En la mayoria de los casos, los usuarios de robots han encontrado que estas estimaciones son correctas. Tiempo medio antes de falla. Esta es una medida del número 44 estimado de horas que se espera que un robot opere hasta que encuentre su primera falla requiriendo tiempo bajo. La mayoria de los fabricantes dan un tiempo entre la~ 200 y aoo horas para sus robots, con algunos rangos de estimación tan altos como 2000 horas. Capacidad de carga lltil. La cantidad de peso que un robot industrial puede cargar durante la operación es una importante consederación al determinar el tamaño del robot requerido. La capacidad de carga útil es el peso máximo que puede ser cargado por un robot a baja velocidad (dado como un porcentaje de máxima velocidad), y a velocidad normal de ?Peración. Estos números tienen un rango tipico desde sólo una o dos libras hasta 2000 libras. - Velocidad del fin del brazo. Esta es una medición dificil para definir acertadamente, ya que dependen de las variaciones del movimiento del brazo, colocación, y carga que soporta. Sin embargo, es útil comparar las velocidades con las cuales los robots pueden mover un objeto de un punto a otro y regresar otra vez. Las velocidades tipicas de los robots actuales estan en el rango de 30 - 60 pulgadas por segundo. Los robots no-servo tienden de alguna manera a ser más rápidos que los robots servo. capacidad de memoria. La capacidad de memoria de de un controlador de un robot servo es una importante caracteristica, ya que determina la longitud y complejidad del ciclo de operación 45 con el que puede ser ejecutado. Los robots no-servo no poseen un memoria corno se define normalmente. La capacidad de memoria se define por el numero de pasos o m~vimientos que pueden ser realizados durante un ciclo de operación. La mayoria de los robots disponibles comercialemente ofrecen varios cientos de pasos (o "puntos") en capacidad de almacenamiento. De esta manera, el movimiento de un robot punto a punto puede ser programado tan precisamente que el movimiento del brazo manipulador se asemeja a un robot continuo. 46 C CLASIFICACION DE LOS ROBOTS En nuestro mundo se tiende a poner todas las cosas u objetos dentro de categorías, grupos y clasificaciones. Los robots industriales no son la excepción. No existe un consenso me.dio para la manufactura de los robots, por lo que, se utiliza el mejor método que se tiene para clasificarlos de acuerdo a ciertas características especificas que se toman en cuenta. Una de las técnicas de clasificación es con base en la geometría del brazo, dividiendo a los robots en diferentes categorías basadas en el espacio de trabajo de estos. Conforme a esta técnica, la configuración del robot puede ser rectangular, cilíndrica, o esférica, con subgrupos dentro de la clasificación, algunas de ellas se van a tratar en este capitulo. 1 GEOMETRIA DEL BRAZO DEL ROBOT. En general, las configuraciones mecánicas del brazo se describen de una manera si se definen en términos de un sistema coordenado. De esta forma existen tres configuraciones básica,s: rectángular, cilíndrica y esférica. 47 Un brazo mecánico con configuración rectangular tiene la habilidad de mover pinzas en cualquier posición dentro de un cubo o rectángulo, definiendo un volllmen de trabajo. En la configuración cilindrica, puede mover las pinzas dentro de un volumen descrito por un cilindro. Y por el llltimo en la esférica, puede mover las pinzas describiendo el perfil de una esfera. 2 ANALISIS DE LOS SISTEMAS COORDENADOS, El sistema coordenado rectangular, es usado con el trabajo de perfil rectangular. En este tipo de sistema los tres grados de libertad están indicados por la posición de dirección del movimiento en X, las flechas, que muestran la y y z. La orientación de la herramienta es completa con la rotación alrededor de los ejes con la cual proporciona los diferentes movimientos asociados en la muñeca. Ver fig. 1-c-1. Los actuadores lineales o mecanismos de transmisión proporcionan la potencia necesaria para el movimiento en las direcciones X, Y y z. Sin embargo, los actuadores rotatorios son utilizados para proveer los movimientos de la muñeca; las fuentes de potencia de estos son hidráulicas, neumáticas ó eléctricas. . 48 Los robots con este tipo de configuración mecánica tienen las ventajas: Es realmente grande el área o espa~io de trabajo que se puede cubrir ya que el movimiento en la dirección "x" se puede incrementar fácilmente. El control de los sistemas usados es relativamente simple. Desventajas: En algunos modelos de ubicación de mecanismos de accionamiento y equipo eléctrico de control se observa que su mantenimiento es uno de los más dif!ciles. Las aplicaciones primarias de sistemas con coordenadas rectilineas son el manejo de materiales, manejo de partes, ensamble de pequenos.sistemas, etc. ~"'~ /61~ ~A~ BASE TRAVEL ~ FIG. l-C-1 CONPICURACJON RECTAHCULAR DE ROBOTS 49 Los tres grados de libertad de un robot con coordenadas cil1ndricas se muestra en la fig, I-C-2. Un cambio en la posición vertical puede lograrse al cambiar uno de los ejes, resultando un movimiento vertical en el eje de la "Z". Para variar la posición de la pinza con respecto al centro del poste (ó base) igualmente se requiere el movimiento a lo largo de uno de los ejes. El brazo con geometr1a esférica, como quiera que sea, requiere de la facultad de movimiento en las direcciones X, Y y z. En la fig. I-C-J, se muestra un brazo con configuración esf~rica. En teor1a la rotación del brazo es de 1S0°y de J60° la rotación de la cintura. FIG. I~C-2 CONFIGURACIOH CILINDRICA DE RODOTS 50 Las máquinas con geometr1a esférica utilizan cualquiera de los dos actuadores (hidráulico 6 eléctrico) como fuerza motriz sobre los seis ejes, el actuador neumático para abrir y cerrar la pinza. La configuraci6n brazo articulado-esférico se muestra en la fig. r-c-J. Este diseno aproxima la mayor parte de movimientos a los de un humano: con la cintura, hombro y la rotaci6n del codo. REACH (EXTEND 1 BASE ~ETRACT) ~-- e;;_~-?) ~ I·-.., ELEVATION C3 (PITCH) f'IG, I .. C-3 CONrJCURACIOH ESF'ERICA DE ROBOTS 51 3 FUENTES DE PODER. Las fuentes de poder primarias utilizadas para los sistemas de manufactura de los actuadores son· hidráulicas, neumáticas y fuerza electromotriz. De acuerdo a la fuente de poder utilizada, los robots se pueden clasificar en: hidráulicos, neumáticos y eléctricos. a. ACTUADORES HIDRAULICOS. La principal ventaja de los actuadores hidráulicos es la relaci6n de potencias. es decir' el robot puede tener una gran capacidad de carga y la fuente de alimentaci6n puede ser relativamente pequefia. FIC 1-c-c SERVO-VALYUU HIDRAUl.CA 52 I-C-5 SISTEMA DE ACTUADORES HIDRAULICOS FIG, 53 ~cl.,.t•' hr.o nh• •(;--J;L. --~.v . ,¡1 1 J~J~n11,1 ~ -=- ¡JI! ·- - • 11 ' 'I ,, ; I '~""'" r---- : 1 ji ' L_. J 1 ----1 i ) . : -- L~J~i F'IG. J-c-s I A E RES I AU\.I OS Desventajas: Aún cuando el sistema hidráulico es uno de los mejores, puede tener alguna falla con el tiempo. El combustible utilizado al ser inflamable puede representar un riesgo para algunas aplicaciones, como por ejemplo, soldadura. El costo del robot, energia y adicionalmente el mantenimiento del equipo (motor, bomba, tanque, y controles). Un alto nivel de ruido es asociado con sistemas hidráulicos. Así como el mantenimiento eléctrico y mecánico necesario periódicamente. b. ACTUADORES NEUMATICOS. Los componentes básicos de un sistema neumático son los mismos que para un sistema hidráulico. La diferencia primordial es la potencia, se transporta gas a baja presión en lugar de aceite. En la mayor parte de aplicaciones de la robótica, al utilizar este tipo de actuadores los robots operan con sólo dos posiciones: retraer y extender. Ventajas: Util en la manufactura de diversas áreas. La tecnología utilizada para este tipo de sistema no es muy cara• 54 Si existe alguna fuga en el sistema no producen contaminación en el área de trabajo. La principal desventaja es la insu~iciencia del accionamiento de un sistema neumático para un control realimen~ado que proporcione una operación adecuada y multiples interrupciones. c. ACTUADORES ELECTRICOS. Un sistema eléctrico comprende una fuente de potencia eléctrica y un motor eléctrico. En la mayor parte de aplicaciones los motores son servomotores. Los servomotores son principalmente de oc, pero también hay de AC siendo los mejores modelos japoneses. Ventajas: No requiere generar potencia hidráulica o neumática. No cantamina el espacio de trabajo donde se encuentra. Mantiene un bajo nivel de ruido durante su operación. 55 rte. t-C-6 SISTEMA DE ACTUADORES ELECTRICOS La principal desventaja de un sistema eléctrico es la limitada capacidad de carga comparandolo con un hidráulico. Como resultado, este tipo de robots son diseñados basicamente para el ensamblaje, soldadura, y pintura; aplicaciones donde la carga.es menor a 200 libras. La configuración mecánica usada tipicamente para este tipo de actuadores es la de "brazo articulado-esférico". 56 ' TECNICAS DE CONTROL, Dependiendo del tipo de control u~ado para la posición de la herramienta, los robots se pueden dividir dentro de dos categorias: sistema servo (lazo-cerrado) y sistema no-servo (lazo abierto), a, SISTEMA DE LAZO-CERRADO. El sistema servo o de lazo-cerrado es usado en cualquier aplicación donde se requiera este tipo de control, tal como soldadura, pintura y ensamblaje. Los controles más sofisticados incluyen una computadora, display, teclado, puertos de entrada/salida, en suma un sistema de servo control. Ventajas del servo control: Flexible programa de control, permite que los robots sean usados en una extensa variedad de tareas de manufactura y prolonga el tiempo útil de vida de la máquina. Los robots pueden ejecutar multiples programas para una variedad de tareas de manufactura. Los robots son capaces de realizar tareas más complejas de manufactura. 57 Las principales desventajas son: Este tipo de máquinas requiere de una gran inversión de capital para su investigación. Es necesario de un mantenimiento más especializado por el incremento de tecnologia. - 111\JJ. ílllln_ ~ - - - l]rlJr [JV TRASHJSION DECOUI f ICADOR TACOMETRO MOTOR POR E"ORAHt::S rrn. r-c-7 SISTEMA DE: LA7.0 CERRADO 58 b. SISTEMA DE LAZO-ABIERTO. Los robots clasificados como no-servo no tienen sensores de posici6n y raz6n de cambio sobre los ejes, por lo tanto el movimiento del robot es de un punto a otro. En la industria, un sistema de lazo-abierto es referido con un tipo de robot que: recoge y coloca. Las ventajas de los robots tipo servo son desventajas para los no-servo. A pesar de reproducir la flexibilidad, las aplicaciones de este tipo de robot abunda en la industria; el bajo costo inicial hace que este tipo de sistema sea atractivo para escogerlo en aplicaciones donde se requiera una máquina de carga y descarga. FIC. 1~c-e SISTEHA DE LAZO ABIERTO 59 5 FORMAS DE CONTROL, Tal vez el método menos ambiguo de clasificación de los robots es el que está basado en el tipo de forma de control. La forma de control define el método que se utiliza para dirigir o controlar los movimientos del brazo sobre una trayectoria deseada. Los tipos de forma de control de la menos a la más compleja son: "paso a paso", "desplazamiento continuo", "punto a punto" y "desplazamiento controlado". a. 11PASO A PASO". En la forma de control "paso a paso" el sistema es de lazo-abierto, lo cual significa que la posición y la velocidad de los ejes no se conoce. Para ejemplificar esta forma de control, el robot de la figura. I-C-9 debe ir del punto A al punto B como parte de un movimiento programado. Puesto que, el movimiento de los actuadores no representa un sistema realimentado, la posición actual de los ejes no es conocida hasta que el accionamiento del actuador es limitado, lo cual es determinado por el cese del movimiento mecánico en el actuador. Como resultado, la información es almacenada en memoria de forma secuenc~al (encendido/apagado) rigiendo a cualquiera de los actuadores. 60 FJG. l-C-9 SISTEKA PASO A PASO b, "PUNTO-A-PUNTO", La proqramaci6n fundamental de un dispositivo "punto a punto" es controlada por un "teclado de quía" Por lo regular los "teclados de qufa 11 tienen dos switches por cada grado de libertad en el robot. 61 Al programar estos controles pueden moverse cada uno de los ejes independientemente en· cualquier direcci6n. En suma, el "teclado de guía" proporciona una programaci6n por puntos con el poder de dirigir el registro en memoria de la posici6n progresiva de todas las articulaciones o ejes sobre el robot. Una tecla también provee en una emergencia una interrupci6n y la facultad de correr paso a paso un programa. FIC. I-C-10 SISTEMA PUNTO A PUNTO 62 En la fig. I-C-10 se ilustra un control punto-a-punto. Para ir de un punta "1" a un punto 11 4 11 se requiere de 11 411 puntos, primero fijar el punto 11 1 11 , después ir de 0 1 11 a 11 2", transferirse de 11 2 11 a 11 3 11 y finalmente bajar de 11 3 11 a "4" (coma en este caso). Los controles punto-a-punto puede almacenar en su memoria un programa muy grande (con muchos puntos) para una aplicación compleja y también almacenar varios programas pequeños para la misma aplicación, es decir, se puede ajustar el robot a distintas condiciones de trabajo. La ventaja de un sistema punto-a-punto es su relativo poder de control y su facultad de poder obtener programas complejos con un sistema moderado en costo, además de eso, de una calidad comprobada. Existe una gran preferencia por robots con sistemas de servo-control accionamientos punto-a-punto con cualquiera de eléctrico o hidráulico y cualquier brazo (el tipo más popular es articulado-esférico). c. "DESPLAZAMIENTO CONTROLADO". los dos geometria de El "desplazamiento controlado" es un sistema de control punto-a-punto añadiendo la capacidad de proveer control sobre.el manipulador, Y se puede programar de la misma manera que un sistema estandar punto-a-punto. 63 d. "DESPLAZAMIENTO CONTINUO". La diferencia principal entre el .control punto-a-punto y el "desplazamiento continuo" es el ntimero de puntos programados los cuales son salvados en la memoria del controlador, ver fig. I-c-11. un robot tipo punto-a-punto requiere justamente de cuatro puntos programados y almacenados en memoria para que efectue el movimiento correspondiente a lo registrado. sin embargo, el "desplazamiento continuo" necesita centenas de puntos para efectuar el mismo movimiento. FIC. l-C-11 SISTEMA DE DESPLAZAHlF.HTO COtrTINUO 64 6 INTELIGENCIA DE LOS CONTROLADORES. Por último, otra técnica de clasificación divide a las máquinas (robots) en tres grupos de acuerdo al nivel relativo de inteligencia del controlador¡ los tres grupos son alta tecnologia y baja tecnologia, En el desarrollo de la industria de los robots han existido gran número de máquinas mecanicamente simples que pueden desarrollar tareas relativamente fáciles. Este tipo de robots, es usado frecuentemente por los japoneses, no requiere de un complejo diseño mecánico o un controlador muy sofisticado, por tanto, este tipo de robots están agrupados dentro de la categoria "baja-tecnologia". Algunos otros robots, más versatiles que el simple recoge-y-coloca están agrupados dentro de la llamada tecnologia-media. Los sistemas más sofisticados se han extendido al mercado, cayendo dentro de lo que se conoce como 11alta-tecnologia". 65 O 1- !A Y D DISEÑO MECANICO El robot esta conformado por tres modules fundamentales y un manipulador tipo pinza (griper) el cual tiene la capacidad de realizar tres movimientos: Levantamiento de muñeca, giro de muñeca y apertura de la pinza; Los actuadores son eléctricos y la transmisión de potencia mecánica de los actuadores a sus efectos finales se da por medio de flechas, series de engranes y bandas sincronas en algunos pu~tos. Las dimensione~ de la base (modulo A) son 0.40 ( m x 0.46 ( m ] x O .19 ( m ] las dimensiones del primer cuerpo del brazo (modulo B) son 0.28 ( m] x 0.45 [ m] x 0.18 [ m ¡,asimismo se tiene el segundo cuerpo del brazo (modulo C) y sus dimensiones son 0.18 [ m x 0.10 [ m J x 0.11 ( m J. Para hacer la conexion del modulo A y el brazo se utilizó una estructura en la que se integra otro actuador y engranes figura I-D-2 para asi tener el movimiento de hombro. se diseño ademas un modelo de contrapeso para compensar el torque de la extensión del brazo. · El cuerpo de la estructura esta formado con acero estructural A-36 en su presentación comercial de angulo de 1/2 x 1/8, como 67 refuerzo a las placas de resina fenólica (autoextinguible) con trama de asbesto. Estos materiales han sido escogidos por sus caracteristicas de alta resistencia a las variantes de temperatura, dimensionalmente estables y ligereza comparativa. El manipulador se fabricó en aluminio con una aleación de manganeso que le da mayor resistencia mecánica. El proceso de manufactura fue por moldeo previo en plastilina y un posterior vaciado en arena preparada. FIC. I-D-1 DIACRAKA DEL HANIPUU.OOR 68 FIG. I•D-2 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL ROBOT 69 70 r1c. [-D-4 DUCRA"A DE TRANSHlSION 71 F'JC. I-D-5 DIAGRAMA DE f:l. MODULO C TRANSMISION D 72 FlC, I-D-6 DIACRAHA ESOUEHATICO DEL HANIPUU.OOR 7J FlC l-D-7 DU.CRAMA DE mAHS"ISJDH DEL MODULO A Como se puede apreciar en la figura anterior se tiene una relación de engranaje Ro, despues del usillo sinfín. 74 FIG. DIAGRAMA DE TRANSMlSION DEL KODULO B En este diagrama se puede apreciar la transmisión del motor # 2 a su efecto final, está se da primeramente por un usillo sinfin a un engrane del tipo l y despues a un sector de engrane del tipo 3, lo que aumenta el torque en la relación Re. 75 Los engranes han sido fabricados con acero cromo, níquel, manganeso tratado antes de la fabricación para evitar deformaciones. Se usaron diversas formas de engranes como son rectos y satélites para transmisión a 90° con diente de tipo envolvente, para evitar brincos y movimientos bruscos, obteniendose de esta manera una transmisión suave y precisa. A continuación se presentan los calcules utilizados para determinar el número de dientes y las dimensiones de los engranes. rIG. t-D-9 NOMENCLATURA DEL DIENTE DE ENGRANAJE 76 En las fórmulas que a continuación se dan, para facilidad de calculo se usaron las letras representativas de valores. ( ( S J • - Suplemento. B ].- Base. e].- Distancia entre centros. C' J.- Distancia entre centros para c J.- Claro. D ] .- Diámetro primitivo o de paso. E ].- Espesor del diente. (grueso). L J.- Longitud de cremallera. transmisión por banda, N ] .- Número de dientes del engrane. n ] .- Número de dientes del piñón. o].- Diámetro exterior del engrane. [o].- Diámetro exterior del piñón. P ].- Paso diametral. R ].- Relación de engranaje. T ].- Espasor del diente sobre la linea primitiva. H ] .- Modulo. W ].- Profundidad total del diente. P'J.- Paso circular. C'J.- Distancia entre centros en transmisión por banda. ¡· z ] .- Número de filetes del sinfin. 77 Cuiculo, pise circular. > ud Dividase el túmero de dienles más 2 entre el diámetro exterior, Puso dismetral, Dividase el número de dientes entre el diá: metro primitivo, Paso diametral. Dividase 3,1416 entre el paso diumetral, Paso circular, Mullipliqueso el diáme- tro primilivo por 3,1116 y dividase el produclo entre el nú- mero de dientes, Paso circular, Dividase el número de dientes entre el paso diametrió, Diámelro primillvo, Multiplíquese el núme- ro de dientes por ul paso circular y el producto div(dase en- tro 3,1416, Diámetro primitivo, Súraese el número de dientes do anbos en: granos y la suma di: vidage entre dos ve- ces el paso diametral, Distancia entre centros, Divíduse 1, líntre el pa: so diametral, Suplemento (Addendum)|. Divídase el puso circu- lorinr entre 3,1416, Suplemento (addendum) Dividas 1, Entre el pa. so dinmeiral, Base, Pórmuia . p N+2 P=- 10) N P= — D T Ps — P 7 D P'= N N Des -— Pp NP" D= T c N + n == 2P 1 S= — P p: S5= «— Tr 1 B= — P FIG. 1-D-10 TABLA A DE CALCULO DE ENGRANES 78 . .,:, P.lrn olitt•11L·r. ¡ll"1d•"' :J.HlU cnlrc P11:,o dianll'lrul p = .::_ t 1·\ p11~11 1 \¡1r. !" 1 1 U1vicl;1~ l 11l1mcru e .,.. 2 dll'nlc:, 111á:-. l'lltrc so iu clrnl. p = --- l'I 1i1ml'lru cXlt•rior, o 01 id.1!-.l! l ero e i tes c t n el iá· uso ia etral. - t•lro ri itivo. ivídase .HlG tre 7r l so i clrul. !'uso lar. ' = -p ullipli uesc l i e. l ri ili o or r .lollG i ítluse l uso ir ular. ' = --- ducto 1.mlrc l - ero e t.lie l1.•s. ivídase l í1 cr6 e i tes c l n l uso Oi l?lro ri illvo. = - ü1mclrnl. I' ulliplí uesc l e- r e i ntes or el i'' aso l lor l iá etro rl lllvo. = -- r ducto i í ase · 7r l.re .l·llG. rncse l ero e i tes e mbos · n r nes lu w a i· lsl.ancla tre ntros. C= nbC c l !.! os e- P s l oso i etral. ivldusc l. l'nl.ru l a· pl ento dendum) =-a;o ia clrul, p i f uso l 11uw • • ln lur tre . 16. pl ento ( um) = - 7r i í e l. l'11tru l n· ase, ll -&O i clrol. p I , l• -10 TABLA E CALCU1.0 E EN RANES 8 SALIR DE ESTA TESIS NU 79 alo ru blenver sermula p Dividase 0.167 entre el al u, 157 ! puso diametral, Bro. ES 7 Divídase el paso circu- p lar entre 20, Cloro, == Divíduse 2,157 entre el] Profundidad tolul del _ 2,167 paso diametral, diente, = =p Multiplíquese el paso circular por el factor| Profundidad lotul del [y ¿6866 P 0.6866. diente, Divídase 1.5708 entroel | Espesor del diento en É 1,5708 paso diumelral, la 1ínca pelmitlva =p Divídaso el paso circu.[ Espesor del diente | p - Jar entro 2 en la línea primi. ¡L= — TA 2 Súmese 2 sl número de N+2 dientes y la suma di-| Diámotro extorlor, O = vídase entre el paso p diametral, Multiplíquese el núme- ro de dientes más 2 4 por el paso circular y Diámotro exlerior, = NP divídaso el producto T . entre 3,1416, Multiplíquese el diáme- * tro primilivo (de pa- . _ so) por el paso día. Número de dientes, | N = DP, -:netral, Multiplíquese cl diámo- lro primitivo o (de TD paso) por 3,1416 y] Número de dientes, | N = -——= - divídase el producto P entre el paso circular, Multiplíquese el númo- ro de dientes do la cro-| Para obtener, TON mallera por 3,1416 y Longltud do la cre- |L= —— divídaso el producto on. mallera, P tro el paso dlametral, FIG. —I-D-11 TABLA B DE CALCULO DE ENGNANES DEBE LA BIBLIOTECA C'11li·ulo Puru spesor de diento lar entro 2. l H u rl l· llv• ú ese 2 ni ero de dientes y In suma di· Di otro c torlor. Cdnsc tre l aso din etml. ulll lCquesc l e· ro de dientes ás 2 or el paso circular y li etro exterior. i l ase l r ducto e tre . 16, uillpHquesc l l e· • tr ri lllvo ( o n· úmero de dientes. so) por el paso dia· -: etral. ultlpHquesc el l e· t ri itivo ( e so) or . 16 úmero o i ntes. · i ida"' l r ducto e tro el pru;o clrculur. ulli lCquesc l o. r o lonlce o la ero· ara tener, allero or . lG on¡¡ltud la ere. l { a,;o l r ducto en· mallera. tro ul paso dia etral. TA LI SIS E l Ft, uln 1 U. 7 e= --p ! P' c -- 20 2.167 w"" r w = 0.68 6 ' ¡; = 1,6708 ---p I" I;=- 2 N + 2 o - - (N + 2) P' o = rr P. rr D - P' rr N L --p IC. I•D- 1 DLA 8 E ULO E CRANES 9 HO DEBE l.IOT l!A "· Cálculo Paro oblener, Fórmula Olvidase el poso clrcu. Módulo P' lur entre 3.1416. M -- 1T Multiplíquese el módu· Puso circular. P' M rr lo entre 3,1416. = Multiplíquese el núme. ro de dientes por el Diámetro prlmlllvo D = N M. módulo Súmese 2 81 número de dientes y multlpll. Diámetro exterior, o (N + 2) M. queso lo sun1ll por el = módulo fJC, I-D-12 TABLA e m: CALCULO DE EHCRANES FIG. l-D-13 TIPOS DE ENGRANES 80 De las fórmulas anteriores con un módulo del l.4 y conociendo los diferentes diámetros necesarios para una adecuada tranomisión dadas las dimensiones y po~icionamiento de las flechas se obtiene: Diámetro del engrane tipo 1 º' = 19.6 Diámetro del engrane tipo 2 02 47.6 Diámetro del engrane tipo 3 03 = 324.8 [ P'= H X 11 = 1.4 X 11 = 4.398 p 11 1 P'= 11 1 43 .98 0.71 E = P'/ 2 = 43.98 / 2 2.199 ( mm c = P'/ 20 = 4. 398 ¡ 20 = 0.2199 ( mm w = 2.157 / P = 2.1s1 1 0.11 = 3.198 [ mm NI = P X 01 - 2 N2 NJ D1 P X 02 - 2 P X 03 - 2 0.71 x 19.6 - 2 = 12 dientes 0.71 x 47.6 - 2 = 32 dientes 0.71 x 324.8 - 2 = 230 dientes NI I p = 12 I o. 71 = 16.8 mm J D2 = N2 I p 32 I 0.071 44.8 [ mm J DJ a N3 I p = 230 I o. 71 = 322 [ mm J Lt = 11 X Nt I p 11 X 12 I 0.71 = 52.779 [ mm J L2 = 11 X N2 I p 11 X 32 / 0.11 140.743 mm Ll 11 X N3 / p 11 X 230 ¡ 0.11 = 1011.6 mm 81 mm mm mm J CA N1 + N2 ) / ( 2 X P ) CA 12+J2)/(2X0.71 JO.S[mm] Co N2 + NJ ) / ( 2 x P ) Ce J2 + 2JO ) / ( 2 X o. 71 lSJ. 4 [ mm 1 Ce N1 + NJ ) / ( 2 X P ) Ce= 12 + 2JO ) / 2 x 0.71 171.42 ( mm ) RA 02 / 01 47.6 / 19.6 = 2.4J Ro OJ / 02 J24.8 / 47.6 6.82 Re OJ / 01 J24.8 / 19.6 16.57 Ro N2 / Z = J2 / J = 10. 67 rte. I-D-14 DIACRAKA DE UN TREN DE ENGRANES 82 Se utilizaron también en algunos puntos bandas síncronas (Syncronus Belt orives) , para evitar deslizamientos, lo cual provoca ria la pérdida de la sincronia en los movimientos del robot, se substituyó por transmisión directa de engranes debido al costo y la premura ya que por ser prototipo no se trabajará en altas temperaturas, se pueden substituir por sprockets y cadenas de rodillos o bien serie de engranes de tipo envolvente si fuese necesario. Para los cálculos que nos llevaron a la selección de las bandas se ocuparon las siguientes tablas: WIDE sPEED RANGE V-BEl.T Fl.AT BELT LDW---uu1>---H1G• 1 I' 1 • S 10 SO IOO roO O(SIC';N llORSC,.OWCR FIG. ¡ .. a-is TABLA D DE SELECCION DE DANDAS SINCRONAS 83 ; ' ; MARETAPS ; DUUESDO Parr 1 i ASS o rro Teva J EaTEruoA | 10 Cc iva l ¡ N ; D | o E t 1 ! mm 1 (1 tm no, gro. 701. pe ¡ 22 í st Bas | 1121 493 | r a Y d De, 126, 554, Lo IMA AO ste; lo 9 128 | E a7 | o y y 1 p 10, 190 ' 169 739 | ; 11, 154 | 182 800 4 2420188] 2. 61 82 ! 13) 82, ao! 924 L 14 198 | 224 | 85 | loo. 151 210] 238 1 1047 ! 16! 224 | 252 + 1108 | a 177 238 | 206. 1170) 1 18, 252 | 266 1 1232 ' 19 260 | 294 | 1293 1 20! 200 | 308 | 1958 | ¡ E 29% E 1515, rn. 221 308 5 IA mo 1448! | 23! 322! 350 1539 | , 24 | 335, 394, 1601, boo Bd 30478 1669] Fable 2- Clas ol Driver Drerer Cissda Clas la Chagrilla AL Esectole Meter, Single Phase an Squirrel Lega, MNEMA Detego A 3500 APA 40 HP up] 30 HP os heña 150 Mba (DO HP ep] 573 HP [PHP 00 41 1160 APA 15 HP pj 10 HP os rd 370 RPM A MEMA Desqgn BD, 3500 APA E AS 1750 Rem 3 HP up 3 HP or bus 1160 APA 5 HP up JHP 0 las 80 RPM A fTMA Deiiga E, 1750 APA 15 HP wo [19 HP or bis 1160 RF FW HP a 3 UP oe dr arar AR PMECMA Derga O an MEA Depa E a Moynd Rolas, EJ50 MF 30HP 15 HP 05 bota 1160 AFM nur 10 HP 0 Ha B70 APA TH HP 3 HP qe león Enreironosa a Merm, Torque] Mag Terque DC Electric ilotora | Snuri | Compound | Seres Eegines—tex, Como. [8 Ct. up | 65N [Cs os esa Hipileaulka etora A añ Line Shatir án a Momentery pán k bebe ber Clast dl ahouid rol estara 130% 01 aetea losd. tos Cissu ti ahouid mol eacred 230%, of raled desd; hor Claqs 111 gut hol cord 400%, ol raled is4d. FIG, 1-D 16 TABLA E DE SELECCION DE BANDAS SINCRONAS CON MODULO 1.4 Y ENGRANES DE TIPO 1 Y 2. 84 l .f .. ,•<:C"º•rlt" ~ 1 o [mmJ (mmJ (mm¡ 5• 0! 98t 2· r ¡, 1 · · ª' I , .. .. · •• 1 ';' 08 t:? 1 1 1 ~1 22 1 308 1 336 1 ,,.,e 1 , · z. ~....:__::::m~.?SOT ·- -- • • , 1 24 1 330 1 351 1 '"º' i L----2~. 350 L-.~- __ ~~ ;_ ____ . __ !_~~~ J T1W. J-0..n of Orhrtr .Cl1t<••lc-"'t. ..... 1.,.,,.w s,q .. 11 ... 1c..,.. H~:-..!."""- 110.011'11 116011'11 "º"f'til ~=:.en•. l,!iOllPM I~~=~ "'""'°" ... C. ll!iQIPM 116011PM 870Rl'W "''""'°'"•"º HlMADifl•"' ... _..1101 ... •O PllP JO P..,ltu IOO Pwp \M1"H )Hf' .. l•U l\H .. IO f'ooltH )HPllP JHf'•ltH SHPup '"""" '"""' '"""" 'º""•"" \Hl' olfll m~::: ~~~ :~==:~:: "º.""' ''111"' '"" .. ''" ª""""-' ~:.'..°"'!..."'" ... ,_ ... o.ca;:i.ic~"'""'~ ........ -11111.C-. ll tl, p Ctl Crl °''"'' ..,.. .... ic....... "" LifteSMfl1 Ali 1-.....&t'Jf'l••- .. ln1lohouldN1•••"4l"°"of ,.l 180 k ll-C-6 CIRCUITO PARA OETECCION DE POStCION EH EL CIRO DE HUHECA AL PTO DE ENT DE DATOS HCU La corriente a través del LEO emisor es controlada mediante la resistencia en serie con él. La intensidad de la luz infrarroja en el emisor, depende directamente de la corriente que circula por él. Por· ello, se elige una resistencia con el valor adecuado, para que el detector alcance a sensar la señal a la distancia a la que se encuentra del emisor. Con una resistencia de 330 O se logró el que el circuito funcionara perfectamente. 117 5 DISEAO DE CIRCUITO DE MANEJO DE MOTORES El diagrama de bloques del circuito empleado para el manejo de los motores de DC es el siguiente: 1 I -r-~-=-·~ ¡- .... L._ 1 MUL T/PLEXOR l.__ ----- ----- ------------- LINEAS DE CONTROL TARJETA DE OPTO- ACOPLAMIENTO y POTENCIA u-c-7 DUCRAHA A BLOQUES DEL CIRCUITO MANEJO DE HOTORES 118 6MOTORES o-~ º - ---{. ] --~ Asi, podemos dividir al circuito en dos partes: una digital y una analógica. La parte digital consta del microcontrolador, de un multiplexor y de la etapa de entrada del circuito de optoacoplamiento. El microcontrolador se encarga de manejar las lineas de control del multiplexor, el cual responde a su salida con un sólo bit encendido. El multiplexor maneja doce LEDs de optoacoplamiento (dos para cada motor). Por ello se emplean cuatro lineas de control, mismas que pueden formar dieciséis combinaciones difer.entes, aunque como ya dijimos, se utilizan sólo doce de ellas. Cada LEO de optoacoplamiento responde a un código originado en el microcontrolador. Para cada motor se tienen dos códigos diferentes. Uno de ellos activa al motor en un sentido, mientras que el otro código lo activa en sentido inverso. Después de los constituye la etapa LE Os de se encuentra entrada de un la optoreceptor. Este parte analógica. · Los LEDs emisores tienen que ser dosificados con una cierta cantidad de corriente, de tal manera que los optoreceptores puedan manejar la corriente deseada. De otra forma, la corriente en lds optoreceptores estaría limitada. Asi, se determinó que a través.de los LEDs circularia una corriente de 5 mA, para que el optoreceptor fuera capaz de manejar la corriente necesaria para 119 activar los transistores ( 6 mA ). Posteriomente encontramos la etapa de potencia, la que se basa en una configuración complementaria. cuando uno de los LEOs es activado, el optoreceptor permite el paso de la corriente hacia la base (ó de la base, según el caso) de los transistores de potencia, llevando a estos a un estado de saturación. Esto pemitirá a su vez el flujo de corriente por el motor, mismo que permanecerá en movimiento hasta que el LEO correspondiente sea apagado. Los transistores seleccionados son capases de manejar 10 amperes, por lo que, bajo condiciones normales de trabajo, son suficientes para manejar los requerimientos del motor. Además, los transistores cuentan con un diodo de "by pass" entre el emisor y el colector para su protección. A continuación se presentan los cálculos de corrientes, voltajes y resistencias para la etapa de potencia. se parte del hecho de que la corriente promedio de los motores es de 4.5 amps. si consideramos una fJ = BOO , podremos calcular la corriente de base como: Ie m 4.5 / 800 = 5.625 mA Para el manejo del transistor se empleó un divisor de voltaje. En éste, 11 se calcula con el voltaje VED resistencia R• = 10 len I1 = 1.5 / 10000 0.15 mA 120 y con una Por lo que: I2 • Ia + It = 5.625 + O.l.5 = 5.775 mA Entonces la resistencia R2 se pue~e calcular como: R2 = (Vcc - VED - VoP )/ I2 Y ya que VoP =o.a (valor obtenido en tablas), entonces: R2 - ¡12 - 1.5 - o.a¡¡ 0.005115 = l.Gso n El circuito para los transistores NPN y PNP es el mismo, funcionando en forma satisfactoria ya en el robot. n-c-e CIRCUITO DE MANEJO DE TRANSISTORES DE POTENCIA 121 D BLINDAJE DE LAS SEÑALES HACIA SUS RESPECTIVAS INTERFASES El amplio uso de circuitos eléctricos y electrónicos para comunicaciones, distribución eléctrica, automatización, computación y otros propósitos, hace necesario que diversos circuitos operen muy cerca unos de otros. circuitos se afectan adversamente entre si. Muchos de esos La interferencia electromagnética, o interferencia de radio frecuencia, es el mayor problema en el diseño de circuitos, y probablemente serli mlis severo en el futuro. El gran número de dispositivos electrónicos en uso común son parcialmente responsables de esta tendencia. Ademlis de que, el uso de circuitos intégrados reduce el tamaño del equipo electrónico, Como los sistemas son más pequeños y sofisticados, hay más circuitos en menos espacio, asi se incrementa la posibilidad de interferencia. Actualmente, los diseñadores de equipo deben preocuparse no sólo de que sus circuitos operen bajo condiciones ideales en el laboratorio. Además del trabajo obvio, deben asegurar que el equipo trabaje en el "mundo real", con otros equipos cerca. Esto significa que el equipo no debe ser afectado por fuentes externas de ruido y no deben ser en si mismo una fuente de ruido. La eliminación o prevención real de interferencia electromagnét~ca debe ser un objetivo principal del diseño. 122 1 RUTA TIPICA DEL RUIDO Dentro de la ruta tipica del ruido hay tres elementos necesarios para producir el problema del ruido (fig. II-D-1). Primero, debe haber una fuente de ruido. Segundo, un circuito receptor que es susceptible al ruido. Y tercero, debe haber un canal de acoplamiento para transmitir el ruido de la fuente al receptor. problema. El primer paso es el análisis del ruido es definir el Esto es, la determinación de la fuente de ruido, del receptor y como la fuente y el receptor están acoplados. En seguida hay tres maneras de romper la ruta del ruido: (1) el ruido puede ser suprimido en la fuente, (2) el receptor puede ser insensible al ruido, o (3) la transmisión a través del canal de acoplamiento puede ser minimizada. En algunos casos, las técnicas de supresión de ruido deben ser aplicadas a dos o tres partes de esa ruta. FUEHTE CANAL DE ,__ RECEPTOR DE RUIDO ACOPLAMIENTO FIC. 11-D-t RUTA TIPICA DO. RUIDO 123 2 USO DE LA TEORIA DE REDES. Para la respuesta exacta a la pre~unta del cómo un circuito eléctrico se comporta, las ecuaciones de Maxwell deben ser resueltas. Estas ecuaciones son funciones de tres variables (x, y, z) y del tiempo (t). Las soluciones para cualquier problema simple son complejas. Para evitar esta complejidad, se hace uso de una técnica de análisis aproximado llamado "análi.sis de circuitos eléctricos" que es usada en muchos procedimientos de diseño. El análisis de circuitos asume lo siguiente: l. Todos los campos eléctricos están confinados a los interiores de capacitares. 2. Todos los campos magnéticos sstán confinados a los interiores de inductores. 3. Las dimensiones de los circuitos son pequeñas comparadas con las longitudes de onda bajo consideración. Siempre que sea posible, los canales de acoplamiento son representados como un conjunto equivalente de componentes de red. Asi, un campo eléctrico variable en el tiempo que existe entre dos conductores puede ser representado por un capaci tor conectado a los dos (fig. II.d. 2). Un campo magnético variable en el tiempo que acopla dos conductores puede ser representado por una inductancia mutua entre los dos circuitos (fig. II. d. 3). 124 CAHPO ELECTRl:CO -···········r:J. ............. . REPRESEHTACtON Fl:Sl:CA 1 l:HPEDANCl:A A TU'.RRA FIC. u.0.2 2 ........... - ] H.12 FIG, u.o.3 125 JZ Yl Cl:RCUl:TO EQUIVALENTE Para que este enfoque sea válido, las dimensiones fisicas de los circuitos deben ser pequeñas comparadas con las longitudes de onda involucradas. Por ejemplo, la longitud de onda de una señal de 1 MHz es aproximadamente 300 m y para una señal 300 MHz es 1 km. Para muchos circuitos electrónicos las dimensiones son menores que estos valores. Aún cuando las suposiciones anteriores no son verdaderamente válidas la representación a través de este conjunto de elementos es út~l por las siguientes razones: l. La solución de las ecuaciones de Maxwell no es práctica para muchos problemas por las complicadas condiciones de frontera. 2. La representación de componentes, aunque no necesariamente da respuestas numéricas correctas, muestra claramente como el ruido depende de los parámetros del sistema. Por otro lado la solución de las ecuaciones de Maxwell, aún siendo posible, no muestra tales dependencias claramente. En general los valores numéricos del conjunto de componentes son extremadamente dificiles de calcular con cualquier precisión, axcepto para ciertas geometrias especiales. uno puede concluir, sin embargo, que esos componentes existen, y los resultado!! pueden ser muy útiles aún cuando los componentes son só.lo definidos en un sentido cualitativo. 126 3 METODOS DE ACOPLAMIENTO DE RUIDO a. RUIDO ACOPLADO CONDUCTIVAHENTE Una de las más obvias maneras (pero frecuentemente no considerada) de acoplamiento de ruido en un circuito es el conductor. Un alambre que corre a través de un medio con mucho ruido puede tomarlo y, entonces, conducirlo a otro circuito. Esto causa interferencia. La solución es prevenir que el conductor tome ruido o remover el ruido de este, por desacoplamiento antes de que interfiera con el circuito. El ejemplo más claro es el ruido generado por el suministro de enerqia. b. ACOPLAMIENTO A TRAVES DE IMPEDANCIA COMUN Este tipo de acoplamiento ocurre cuando corrientes de dos.diferentes circuitos fluyen a través de una impedancia com~n. La caida de voltaje a través de la impedancia vista por cada uno de los circuitos es afectada por el otro (fiq. II.d.4.). 127 VOLTAJE A lJ:ERRA • C%RCUITO T 1 CIRCUITO (--·-·············· 12 l:HPEDAMCIA COHUM ACOPLAHIEHTO DE: JllPEDAHCUS ric. n.o. e 4 CAMPOS ELECTRICOS Y HAGNETICOS 1' 1 1 VOLTAJE" A TIERRA La radiaci6n de campee eHictricos y magnéticos son otro medio de acoplamiento de ruido. Todos los elementos del circuito incluyendo conductores radian campos electromagnéticos. Adem4s de las radiaciones no intencionales de fuentes tales como estaciones radiodifusoras y emisoras de radar. cuando el receptor esta cerca 128 de la fuente (campo cercano), los campos eléctricos y magnéticos con considerados por separado. cuando el receptor está lejos de la fuente (campo lejano), la radiaci6n es considerada como una combinaci6n de radiaciones eléctricas, magnéticas o electromagn6ticas. 5 OTRAS FUENTES DE RUIDO a. ACCIOH GALVAHICA Si son usados metales diferentes en la ruta de una seftal en un circuito, un voltaje de ruido puede aparecer debido a la acci6n galvánica entre dos metales. La presencia de humedad o vapor de agua en conjunci6n con dos metales produce una pila química hdmeda. El voltaje desarrollado depende de los metales usados y esta relacionado por Además del voltaje sus posiciones en las series de ruido producido, el uso diferentes puede producir un problema de corrosi6n. b. ACCIOH ELECTROLITICA galvánicas. de metales Un segundo tipo de corrosi6n es debido a la acci6n electrolítica. causada por un flujo de corriente directa a través 129 de dos metales con un electrol1to entre ellos. Este tipo de corrosi6n no depende de los metales usados y ocurre aün si ambos son iguales. La tasa de corrosi6n depende de la magnitud de la corriente y la conductividad del electrol1to. c. EFECTO TRIBOELECTRICO Una carga puede ser producida en el material dieléctrico de un cable, si este no mantiene contacto con los conductores del cable, este efecto es llamado el efecto triboeléctrico. Es usualmente causado por torsi6n mecánica del cable. La carga actüa como una fuente de voltaje de ruido en el conductor. La eliminaci6n de torceduras agudas y movimientos del cable minimizan el efecto. d. MOVIMIENTO DEL CONDUCTOR Si un conductor es movido a través de un campo magnético un voltaje es inducido entre las puntas del conductor. Debido a los circuitos de potencia y otros circuitos con alto flujo de corriente, los campos magnéticos existen en muchos ambientes. si un conductor con bajo nivel de seflal es movido dentro de estos campo.s un voltaje de ruido es inducido en él. Este problema es comün en un medio yibracional. La solución es simple: prevenir 130 11 1 o /-{ o._ y p Ó -! Ji /1 C el movimiento del conductor mediante grapas u otro dispositivo sujetador. 6 BLINDAJE Y ATERRIZADO Las dos principales maneras de minimizar la toma de ruido son el blindaje y el aterrizado, ambas técnicas están intimamente relacionadas. El blindaje reduce considerablemente la cantidad de ruido· acoplado, cuando es usado con propiedad. Los blindajes pueden ser colocados en componentes, circuitos, ensambles completos o cables ~ lineas de transmisión. a. INTRODUCCION Un blindaje es una pared metálica dispuesta entre dos regiones de espacio, que se utiliza para atenuar la propagación de campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos; sirve tanto para no dejar salir el flujo de los campos de la zona que encierra, como para evitar que en una zona protegida entre campo alguno (fig. II-D-5). 132 Eepeolo eKterno elnca~ FIG. 11.D.S Blindaje e) Las caracteristicas de un campo están determinadas por su fuente, por el medio de propagación y por la distancia entre la fuente y el punto donde está situado el receptor. En un punto cercano al origen las propiedades del campo están determinadas principalmente por las caracteristicas de la fuente; lejos de ella, ·las propiedades están determinadas por el medio de propagación. Asi, el espacio puede· dividir en dos regiones, en función de la distancia entre el origen del campo y el punto de observación (fig. II-D-6). Cerca de la fuente está el llamado campo cercano. A una distancia mayor de la longitud de onda 133 dividida por 2n se situa (aproximadamente en sexto de una longitud de onda) el llamado campo lejano o radiación. Esta zona pertenece a las llamadas ondas planas (campo e:i,ectromagnético) • Asi, la transición entre los dos tipos de campo se sitúa en la región cercana a t\2rr, siendo t la longitud de onda. 01\0Jt plt.1nos '<;;.~i!!i~~~.,_~ ·E•ltd,hei:l¡o z,.Jnn t ~-----------·---··- FJG. JJ,D.6 134 El cociente entre la intensidad de campo eléctrico E y la intensidad de campo magnético 8 tiene unidades de impedancia y se llama impedancia de onda. En el campo lejano, E/8 es igual a la impedancia caracteristica del medio (E/8=Zo=377 o en el aire o en el vacio). En el campo cercano, esta impedancia está determinada por las caracteristicas de la fuente y la distancia de la fuente al punto desde donde se observan los efectos del campo. fuent!' tiene una alta intensidad y bajo Si la voltaje (E/8<3770) el campo cercano es predominantemente magnético. Por el contrario, si la fuente tiene alto voltaje y baja intensidad (E/8>3770), el campo cercano será principalmente eléctrico (fig. II-D-6). La impedancia caracteristica de cualquier conductor es igual a Zs=3.6Bxla-• (µr/nr) 112x(f) 112 • En la zona del campo cercano, si el campo eléctrico es más intenso que el magnético, el primero se atenl1a, conforme nos alejamos de la fuente, proporcionalmente a (l/d) 3 (d=distancia), mientras que el magnético se atenl1a proporcionalmente a (l/d) 2 • contrariamente en esta misma zona, si la intensidad magnética es mayor que la del campo eléctrico, el campo magnético se atenl1a a (l/d) 3 , mientras que el eléctrico lo hace proporcionalmente a (l/d) (fig. II-D-6). · A frecuencias menores de 1 MHz, la mayoria de los acoplamientos entre equipos electrónicos son debidos al campo 135 cercano, ya que a estas frecuencias se extiende a más de 45 metros (a 30 kHz llega a más de 1 km). En el campo cercano se debe considerar los campos eléctricos y magnéticos por separado. Ya en el empleo de cables para el robot se tomaron en consideración factores inherentes a las características de ellos mismos ya mencionados anteriormente, tales como frecuencia de la señal a pasar a través de él, impedancia, etc. pero además se tuvo que tomar en consideración la flexibilidad del mismo, su manejabilidad para hacerlo pasar por lugares predeterminados y su factibilidad para conseguirse en forma económica. Así, se optó por utilizar cable de tipo características ofrecen un buen rendimiento para propuestos. coaxial cuyas los objetivos La colocación de los cables para la transmisión de información de los sensores al sistema digital se hizo tomando en cuenta que no pasaran cerca de posibles fuentes de ruido tales como los motores que funcionan como actuadores y la fuente de alimentación para el sistema. Además no se pasaron estos cables por zonas en las que se puede trozar tales como los engranes y junturas de articulaciones, tratando por supuesto de colocarlos en lugares estratégicos para que en el momento de efectuar cualqui~r movimiento los cables no interfieran con dicha acción y sea lo suficientemente largo y flexible para seguir las partes que están en movimiento y estar transmitiendo información al mismo tiempo. 136 La sujeción de este cable se hizo con ayuda de las cavidades que tiene la estructura del sistema para no utilizar otros elementos como lo son clips metAlicos y de plástico que afectarian la construcción y colocación de los cables. 137 - GAPITULO Ill CAPITl.A...0 .- 111 M.C.U. A DESCRIPCIOH Y SELECCIOH DEL MICROCOMPUTADOR 1 SELECCIOH DEL MICROCOMPUTADOR Haciendo una revisi6n exhaustiva de los productos que ofrecen las diferentes compaftías lideres en la fabriaci6n de circuitos integrados se seleccion6 a 11Motorola Semiconductor Products Inc." como aquella cuyos productos reunen las caracter!sticas necesarias para el disefto del circuito a utilizar en el instrumento de control. Motorola ofrece varias familias de microprocesadores y microcomputadores, de las cuales se seleccion6 a la familia M6B05 HMOS de microcomputadores, cuyas caracter!sticas generales se describen a continuaci6n: -La arquitectura de la familia M6B05 HMOS ha sido optimizada para aplicaciones de control, más que para operaciones de prop6sito de procesamiento de informaci6n. -El juego de instrucciones se ha diseftado espec!ficamente para que la programaci6n sea eficiente. -Tomando en cuenta que una de las caracter!sticas más importantes para determinar la eficiencia de la arquitectura de una computadora es la facilidad para accesar informaci6n, 138 se seleccionó esta familia por contar con un mayor n6mero de modos de direccionamiento de memoria, entre los cuales destacan los siguientes: -Inmediato -Directo -Extendido -Tres variedades del modo Indexado -Los modos de direccionamiento indexado permiten el fácil manejo de tablas de conversión o datos localizados en cualquier espacio de la memoria, que es una herramienta importante en aplicaciones de control, -Los miembros de esta familia cúentan con dispositivos de entrada/salida de fácil manejo, alta eficiencia y gran versatilidad. -Una de las consideraciones primordiales para la selección de esta familia es el bajo costo, resultado de la alta eficiencia en los procesos de fabricación de Motorola. -El bajo consumo de potencia, caracteristica de esta familia, la hace ideal para el desarrollo de equipos portátiles que utilizan baterias (pilas) como fuente de energia. -Estos dispositivos son totalmente estáticos, ofreciendo como ventaja que se puedan operar a frecuencias menores que ·la · máxima especificada. Esta caracteristica se utiliza para aumentar la eficiencia en el consumo de potencia, ya que 139 dicho consumo aumenta a altas frecuencias. La consecuencia directa de esto, es el aumento de la vida dtil del instrumento. -Esta familia presenta un hardware comdn a todas las versiones. .. - .. - 11'*""'2 MCllDISU> .. ~ .. ~ .. ~ ...,..,,_,,, 1491~ X X X X X X X X llOLI ... IUOLIMe X X X X X X X X ""'"""- X X - - X - X - u ... Ro• 2048 3778 2048 3n8 - - - - i-1 U..,EPRoM - - - - 3ne 3778 3778 3778 '~-·) MM\llY'oo) 84 112 84 112 112 112 112 112 ... ...,.,.._ X • X X - - - - Z-Oero..lng X X X X X • X X .,....._,,. .. Tl-ww.1 ... X X X X X • X X --- - - X X X X X X -BYollSlep,.J X X X X X • X X ... _ ..._,,....,... X • X • X • • • llO One Odp !mOM - - - - • X • • -- l!PROU-rl -PD7 PBl ro9f"atn Porl ·po2 Porl D.iih Ceunhr • PDJ • Dr Hi ~ PCH "º ••• ... .. . .. rogr~m Al.U LW\11 POS ••• C•unltr ...... Pct r·co PD7 tl'CI D¡h Peri -•PC2 2049 M 8 '4 IC 8 ·~ c -1·c3 UurROM ..... ... """' 1·c• l'J2 IC o ~•e:> 5tlf•Ch.,,k PC& ROH -tPC1 FIG. 111-A-3 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL NC6805R2 142 Twn.r/ KTAI. UCTAL ~IU'1 ilf TIM(R Pr.t:Hl•r 8 Ct!M\ltr 7 Timu· Centrel Porl AccumuhllH' • rert D•t• Cl'U iITT • º" ... .. Cen'll'el ..... ... R19ilhr CIH\dilion PDO c • .i, PDI Rt9uhr ce PD2 Peri Shdc CfU P•rl D PDJ D reo Peinl1r SP ..... PD4 .... 1 "' POS Linu ,.,., ••• Pert Dit.h P"9ro1m PD6/iift Ceunltr PD7 • , .. • Dr lh PCH l/D PD4 •'floll ••• Pre9r.-n ALU Lin•• PB5 .- Co"'11•r ,., 'º" PCL reo PB7 PCI Dah Pert PC2 Pert 20 ... )1. ,4 k 1 .... e PCJ e UJ•r'ROH RAM ••• ..... PC< 110 192 tc 8 PC5 LintJ S11'-Ct1td1 PC& ROM PC7 FIG. IU ... A-t DUCRAKA DE 81.DOUES DE NC6BOSU2 143 Porl A ruo- PSI._ Porl PDZ o PB.J._ 1/0 ••• Llnu PD' ••• P07 Tklier/ • 1 P1·ucaler 8 Colllllrr Tlmtr Control Ptrl D•h A .... """' ••9 • Porl D•h o .... """' ... Accumultlor ... .. "Regbltr" Condlllon Codt Aegbhr ce Shcll Polnh,. SP rogram Counhr "' h PCH ro9r1rn counter 1 .... PCl 3776 »( 8 Use,. ROM 1'2x e Stlr·ch.ck ROM CPU C1nlrol CPU ALU l 12JC 8 RAl1 PDO/ANO PDl/.ttJU P02/AN2 PC>3/Nf3 PD-4/Vn PD:51Vu PD6/líl1'~ ~ -PD7 PCO PCI -tf'C2 Port PCl C PCi 1/0 PCS LVits re• '---'--r-' PC7 FIG. 111-A-5 DIACRAKA DE BLOQUES DEL MC6805R3 144 Trntr/ MTIJ. Cll(RliA FIG. III-A-12 OPCIONES PARA CEllERAR EL RELOJ 155 El registro de Opci6n Mascarable (MOR) se programa para la operaci6n del MCU por medio de un cristal o de una resistencia. Este registro, a su vez, utiliza 6 de susrs bits para seleccionar la opci6n del uso del temporizador, la fuente del reloj del temporizador/preescalador y la opci6n del uso del preescalador. TINER / BOOT Esta terminal tiene dos usos: l) Como entrada externa de una seftal para controlar el circuito temporizador interno. 2) Detecta un nivel alto de voltaje utilizado para la programaci6n de la EPROM del MPU. -Timer: Es un contador de 8 bits cjue puede ser controlado por programa y decrementado a cero mediante el uso de la entrada fc1• del mismo. cuando el contador llega a cero, el bit 7 del registro de control del temporizador (TCR), se enciende y permite una interrupci6n. El contador puede ser leido por el procesador en cualquier momento sin que la cuenta se vea afectada. El preescalador que contiene el TIMER es un divisor de 7 bits utilizado para aprovechar la m4xima respuesta en frecuencia del mismo. -Bootstrap ROM: contiene (de f4brica) un programa que permite al MCU a través de un ciclo de FETCH, recibir informaci6n de 156 cualquier dispositivo externo. A través de dicho proqrama se tiene: -La temporizaci6n de los pulsos para proqramaci6n. -La temporizaci6n para la entrada Vpp. -La verificaci6n de la programaci6n realizada. ''n:r,.111"r....,1rru~•""-'J ,,."·c-1.,....,.,,, ... ,.flt., tm.rC•tr•IR11h1trDil1: Ut•tn.trhtur,.1•h.-iullld111 Tf1·Tbtrhlrrtup1Huk T~·Tflltr~IS•lir•I Tll•hntr(•lrrfttl~hl.1lkll rsc·rruui.rci..,. rS?fSl)'SO·f'ruultrSt1,11 Nui'o,tleftllttl1lr,.Dltr: Q.l(·Clod10n01l""T~pt TOf'T•JWn.r·N11ktrov••r"'ubl10,.li&11 CIS•hMrC~•s- .. f'JJ'l/O-Prtn1ltr0to11M FIG. Ul•A-13 DIACR,UL\ DE BLOQUES FUllCIOMAL DEL TDtPORIZAOOR DEL MC687Q:SRJ 157 RES ET El MCU puede inicializarse de dos maneras: 1) Al encender el sistema. 2) Aplicando un nivel bajo de voltaje a esta terminal. Al encender el sistema, un retraso en el tiempo es necesario para permitir que la entrada de RESET regrese a un nivel de voltaje alto. Este tiempo permite al generador de la sef\al de reloj interno que se estabilice. Basta conectar un capacitor de 1 µ F a esta terminal para que se genere este retraso. VPP Esta terminal se alime.nta con el voltaje de programaci6n para la EPROM interna del MPU. En otras condiciones debe conectarse a Vcc. LINEAS DE ENTRA!>A/SALIDA (PAO-PA7, PBO-PB7, PCO-PC7, PDO-PD7), Estas 32 11neas forman 4 puertos de 8 bits cada uno; (A-B-C-D) • Dichos puertos pueden ser programados como entradas o salidas a través de la programaci6n de sus respectivos Registrós de Direcci6n de Datos (DDR). La programaci6n se correspondiente al puerto realiza escribiendo en en cuesti6n un 1 16gico 158 el DDR para BU confiquraci6n como salida y un o 16gico para configurarlos como entrada, en el bit adecuado. Durante una reinicializaci6n, si los puertos estlin programados como entradas, todos los registros DDR se cargan con ceros lógicos; los registros de salida no se ven afectados, éstos deben ser reinicializados por programación. Por su parte, el puerto D tiene cuatro entradas anal6gicas; 2 terminales para fijar el voltaje de referencia que se ha de utilizar con el convertidor A/D (Vru1,VnL); una terminal INT2 para interrupci6n y desde 1 hasta B entradas digitales. Todas la lineas del puerto D se ~ueden leer directamente y ser usadas como entradas binarias. Si se utiliza una entrada analógica, entonces las terminales de voltaje de referencia (Vru1 Y VAL) deberá.n ser utilizados en modo analógico, con ésto se puede determinar la resoluci6n del convertidor A/D. d, MEMORIA Este microcomputador puede direccionar 4096 bytes de memoria y registros de E/S con su respectivo contador de programa. El mapa de memoria tiene implementados 4092 bytes como sigue: - 3776 bytes de EPROM para el usuario. - 191 bytes de Bootstrap ROM. - 112 bytes de RAM para el usuario. 159 - Un registro de control de programa (PCR). - 7 bytes de E/S. - 2 registros para el temporizador. - 1 registro miscelAneo. - 2 registros para el convertidor A/D. La siguiente figura muestra la implementaci6n antes descrita: ,.,, z,,.. AccuVllh ...... , ~lrucUon . """' .. 128 25: ... .... 1119' ... 4081 4081 •O• 1/0Perll 1000 o PM"l AD•h Timtr 1 P..-10 D1h RAM (l:zu Bvtu) 2 P..-tco.ta 101r IODO J PClf'lDD1h ...,, z .. ,. • Por\ A DoR• u .. rePROM \ ------ --(~:u_ ~V~~·~ - - • - • •• • • Porl O DDR' aorr ' p.,-1cooR• ''ºº \ 7 No\Uud Uur 1 11mtt' D1h. Rtgbht H•in (PROM • TWntr' Conlr•l A•tbht' (J640 Uvto) 'º HircRtglJht ----- -- -.. ------- ........ ---- srn " Pn91"'1m Con\r11 MOR "'\ Rtcif•hrt sn' 12 "''º••• 8Hblr~ NotUu4 ROM IJ (1728\jh•) A/O Cot1lr•1 Rt9bltr srn 14 srrs 15 AID Rt9'lltr lnhrrup' 1 Y•clors: EPROM .. RAM (8 Dvhd \ (lt:Z B\l\U) mr Shck (ll Bvtu Mnt~) 127 t FIG, lll·A·U MAPA DE MEMORIA DD. MC6870SR3 160 1 1 001 1 002 1 oo:s 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 OOG 1 001 ºº' ... ODA ... ooc 000 oor OOf 1 º'º 1 07f e, UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO (CPU) Está implementada de manera independiente a las lineas de E/S o a la configuración de la memoria. Asi pues, se puede manejar como un procesador central independiente, comunicado con unidades de E/S y memoria a través de canales (bus) internos de control, direcciones y datos. f. REGISTROS El CPU tiene 5 registros utilizables por el programador: Atcumlll•h•r K lnd11e R•11h1tr 10 o 1 PCll 1 PCl 1 Pr191" un C1~nt•r o SP 1 Sh~k P1ln1tr " C1ndlll11n c~d• Rt9hhr C•rrv/Dorr1'o# ler• fftg•tln hhrruptr-tuk lhtrC&rrv FJG, 111-A-JS llEG15TllOS UTILIZABLES DEL HC6B705R3 161 A - ACUMULADOR: Es un registro de 8 bits de propósito general utilizado para guardar los resultados de cálculo aritméticos, o bien para el manejo de datos. X - REGISTRO INDICE: Es un registro de 8 bits utilizado con el modo de direccionamiento INDEXADO. A su vez, se puede utilizar como memoria temporal. PC - CONTADOR DE PROGRAMA: Es un registro de 12 bits que contiene la dirección de la siguiente instrucci6n a ejecutar. SP - APUJITADOR DE LA PILA: Es un registro de 12 bits que contiene la dirección de la siguiente localidad libre en el "stack". ce - REGISTRO DE CODIGO DE CONDICIOH: Es un registro de 5 bits, de los cuales 4 se utilizan para indicar el resultado de una instrucci6n recién ejecutada. Esj:os bits· pueden ser evaluados por programación y as1, tomar acciones determinadas segQn el resultado de dicha evaluación. 162 Los bits del registro de código de condición se explican a continuación: (H) - HALF CARRY (ACARREO INTERMEDIO): Enciende cuando, como resultado de una operaci6n, existe un acarreo entre los bits 3 y 4. (I) - INTERRUPCION: cuando este bit interrupci6n externa estA encendido, el temporizador y la (INT) están deshabilitados; si una interrupci6n ocurre cuando el bit (I) estA encendido, ésta serA rastreada y procesada tan pronto este bit se apague. (N) - NEGATIVO: cuando se enciende indica que el resultado de la ültima operación aritmética, lógica ó de manejo de datos realizada, fué negativo. (Z) - CERO: cuando se enciende indica que el resultado de la ültima operación ar.itmética, lógica o de manejo de datos fué cero. (C) - CARRY/BORROW: cuando se enciende indica que ocurri6 un acarreo 6 corrimiento fuera de la Unidad Aritmética Lógica (ALU) durante la 163 ültima operaci6n aritmética. Este bit también se ve afectado cuando existen operaciones de corrimiento. 9. CONVERTIDOR ANALOGICO/DIGITAL El MCU tiene implementado, en la misma pastilla, un convertidor A/D de a bits que utiliza la técnica de aproximaciones sucesivas. Cuatro lineas de entrada del puerto D son utilizables también como entradas de seftales anal6gicas al convertidor A/D a través de un multiplexor. A su vez, internamente se pueden seleccionar cuatro seftales anal6gicas para fines de calibraci6n (Vrut, Vruv2, Vruv• y VRL) FIG. lll-A-16 DIACRAMA DE BLOQUES DEL CONVERTIOOR AID 164 AIO RuYll Rr9hh1 La selección del multiplexor se controla a través de los bits o, 1 y 2 del Registro de Control del A/D (ACR) como se muestra a continuación: REGISTRO DE CONTROL A / D ENTRADA SELECCIONADA ACR2 ACRl ACRO o o o ANO o o 1 ANl o 1 o AN2 o 1 1 AN3 1 o o VRll* 1 o 1 VRL* i 1 o VRll/4* 1 1 1 VRll/2* FJG, llI-A-17 REGISTROS DE COHTROL DEL CONVERTIDOR A/D 165 El convertidor opera continuamente utilizando JO ciclos de máquina para hacer una conversi6n completa de la entrada anal6gica muestreada. cuando la conversi6n se termina, la muestra digitalizada o el valor digital, se coloca en el registro de resultados del A/D (ARR). La bandera de conversi6n completa se enciende, la entrada seleccionada se muestrea nuevamente y se inicia una nueva conversi6n. Dos voltajes de referencia (Vrut VRL) se aplican al convertidor a través de las terminales del puerto D. Una entrada de voltaje igual a Vrut convierte a $FF (escala total) y una entrada de voltaje igual a VRL convierte a $00. Con Vrut = +5 V se tiene la máxima resoluci6n del MPU, es decir 256 bits. Si se selecciona Vruv•, se tendr6n 64 bits de resoluci6n y si se seleccion Vmv2, se tendr6n 128 bits de resoluci6n. El principio que utiliza este tipo de convertidor A/D, consiste en hacer en primera instancia una aproximaci6n colocando el bit 1116s significativo en estado 16gico "l" y el resto en "O"; se compara este valor con el valor real que se quiere representar y dependiendo si se tiene que el valor real es mayor a dicha aproximaci6n, el convertidor colocará el siguiente bit m~s significativo en "l" 16gico, conservando el valor del primer bit afectado; y as! sucesivamente, hasta que llega el momento en que el valor de la aproximaci6n es mayor que el valor real a 166 representar, y en este momento se empezar4n a modificar los bits menos significativos ya sea como 11 l's" 6 "O's" 16gicos hasta que la aproximaci6n llega a ser de tal modo que el paso de "l" a "O" 6 viceversa del bit menos significativo enmarca el paso de valor real mayor al valor aproximado 6 al revés. Este tipo de convertidores poseen l~ ventaja de ser sencillos, y r4pidos, ya que llegan a ocupar hasta JO ciclos de reloj para hacer su conversi6n. su resoluci6n depende de la polarizaci6n y la cantidad disponible de bits. h. MODOS DE DIRECCIONAHIEHTO como ya se mencion6, el HCU cuenta con 10 modos de direccionamiento que se explican brevemente a continuaci6n: INMEDIATO: En este modo el operando est6 contenido en el byte que sigue al que contiene al c6digo de operaci6n (OpCode) • .se utiliza para •accesos" constantes que no generan cambios durante la ejecuci6n del programa. DIRECTO: La direcci6n efectiva, definida como aquella en la que •se almacena el argumento de una instrucci6n, est4 contenida en un solo byte, mismo que sigue al OpCode. Este modo permite al usuario 167 accesar directamente los 256 bytes de la parte baja de la memoria con una sola instrucci6n de 2 bytes. EXTENDIDO: La direcci6n efectiva est6 contenida en los 2 bytes siguientes al OpCode. Las instrucciones usadas con este modo, son aptas para localizar argumentos en cualquier parte de la memoria utilizando una sola instrucci6n de 3 bytes. RELATIVO: Solamente es utilizado con instrucciones de ramif icaci6n. El contenido del byte siguiente al OpCode, se suma al PC (Contador del Programa) s1, y s6lo s1, la condici6n de ramificaci6n es verdadera; si no, el control procede a ejecutar la siguiente instrucci6n. INDEXADO SIN OFFSET: La direcci6n efectiva del argumento estli contenida en el registro indice. As1, este modo de direccionamiento puede accesar las primeras 256 localidades de la memoria. Se utiliza para mover el apuntador en una tabla ·º retener una direcci6n de frecuente referencia en localidades de RAM o dispositivos E/S. 168 INDEXADO CON OFFSET DE 8 BITS: La direcci6n efectiva es la suma del contenido de los s bits no signados del registro indice y el byte no signado siguiente al OpCode. Es dtil para localizar el k-ésimo elemento de la tabla "n" en las primeras 256 localidades direccionables de la memoria. INDEXADO CON OFFSET DE 16 BITS: La direcci6n efectiva es la suma del contenido de los 8 bits no signados del registro indice y los 2 bytes no signados siguientes al OpCode. A diferencia del' anterior, permite el mismo acceso a tablas pero en cualquier localidad de la memoria. "BIT SET/CLEAR": El bit a enceder o limpiar, es parte del opcode y el byte que le sigue especifica la direcci6n directa del byte en el que se encuentra dicho bit. As!, se puede seleccionar, para leer o escribir, cualquier bit localizado en las primeras 256 localidades de la memoria, utilizando una sola instrucci6n de 2 bytes. PRUEBA DE BIT Y RAHIFICACION: Es una combinaci6n de los modos Relativo y Directo. El bit a probar y la condici6n de encender o limpiar, están contenidos en 169 el OpCode; la direcci6n del byte a probar se encuentra en el byte siguiente a éste. El resultado de la prueba del bit en cuesti6n se transfiere al bit de acarreo del regist~o de c6digo de condici6n. INHERENTE: Toda la informaci6n necesaria para ejecutar una instrucci6n, est! contenida en el OpCode. Todas las instrucciones que maneja asta modo son de 1 byte. 170 B SELECCION Y CARACTERISTICAS DEL TECLADO Se denomina teclado al género de periféricos de entrada constituidos por un conjunto de botones pulsadores, de tal modo que cada botón corresponde a un caracter determinado, función, instrucción o idea. El componente básico de un teclado es el pulsador individual. Generalmente, cada tecla controla a un simple interruptor que permanece abierto mientras el pulsador está en descanso y se cierra cuando el pulsador es oprimido. 1 PULSADORES NECANICOS CONVENCIONALES .Acluodot I -- MutllP sororff' dr conlaclo1 ' rrc. 111-e-1 PULSAOOR HECAHICO CONVENCIONAL 171 Los interruptores mecánicos son utilizados básicamente por su economia, como el mostrado en la figura III-B-1. El movimiento mecánico actúa directamente sobre los contactos, permitiendo sin grandes complicaciones, configuraciones de contactos múltiples. 2 PULSADORES HECANICOS DE LAMINA FLEXIBLE Este tipo de interruptor, formado por una serie de láminas sobrepuestas, se basa en la deflexión de un diafragma flexible y conductor en su cara inferior, que permite establecer contacto a través de aberturas practicadas a un separador dieléctrico. / /- Cubiuta txlflnQ _/ dt 1ilicona C:::=• =====i: ~ / ~ Oiaha9ma tn ~ ptliculo d• poliuttr .,;-'======""'· ' Ooradg, ~ ;z __ s_•~•-ª-'ª-º-º'-º-h_••_'<_1r_;,_. PiSla df' circuito im rrso dDtodo Circuito impruo rilrbd• Yidrio f"JG, IIJ·D-2 PULSADOR HEC. DE LAHJNA FLEXIBLE 172 Una cubierta de silicón permite proteger los contactos contra contaminantes del medio. Algunas versiones más económicas emplean láminas flexibles de silicón conductor, que sustituyen la cubierta protectora y el diafragma con cara inferior conductora. En algunos casos se emplea una base serigrafiada de tinta conductora como sustrato. 3 PULSADORES MECANICOS DE BOVEDA Estos pulsadores, emplean unos discos metálicos embutidos en forma de casquete esférico, que cuando son oprimidos pasan a una condición invertida, estableciendo el contacto requerido. Emiten un chasquido audible, que indica su operación correcta. conductor contacto• rrc. III-B-3 PULSADOR HEC. DE BOVEDA 173 4 PULSADORES REED Están formados por contactos inmersos en una atmósfera inerte, sellados por una cápsula de vidrio hermética. ln,trruplot tud FJC. ltt-e-c PULSADOR REED El movimiento de la tecla desplaza un pequeño imán permanente que provoca el cierre de los contactos; dada la acción indirecta sobre estos últimos no se transmiten sobrecargas mecánicas que provoquen fatiga y desgastes prematuros. Por lo anterior y por Ja hermeticidad del encapsulado que impide la contaminación de los contactos, este tipo de pulsadores ofrecen una vida útil unas cinco veces superior· al clásico pulsador mecánico. 174 5 PULSADORES CAPACITIVOS Este tipo de pulsadores aprovecha un cambio en la capacitancia de un condensador, para entregar una salida. Emplean dos superficies vecinas sobre un mismo circuito impreso, estando una de ellas excitada por la señal alterna de un oscilador, si se aproxima paralelamente una placa conductora sobre ambas superficies, se provoca un acoplamiento entre ellas, con lo que aparece una fracción de la señal alterna en la salida. La señal de salida del pulsador debe ser convenientemente amplificada y convertida a niveles lógicos. º~~º f'v amplificador/detector 01c 1 1 ador c • capacitancia entre placas FIC. III~e~s PULSADOR CAPACITIVO 175 Existen mCiltiples variantes como los que utilizan contactos sensitivos, sin ningCin elemento m6vil. Otros diseftos emplean bovedillas metálicas c6ncavas como elementos de acoplamiento. Los pulsadores capacitivos ofrecen la elevada fiabilidad de los interruptores sin contactos m6viles. Dados los bajos niveles de la seftal entregados por estos pulsadores, se presenta una acusada sensibilidad a interferencias y serios condicionamientos en: la estructura metálica del soporte; el trazado de pistas en el circuito impreso y la electr6nica de amplificaci6n, detecci6n y conversi6n. Por todo ello solo aparecen disponibles formando parte de teclados completos producidos por fabricantes especializados. 6 PULSADORES DE NUCLEOS llAGNETICOS El elemento conmutador en este tipo de dispositivos, es un nCicleo toroidal de ferrita, empleado como transformador. El nücleo es atravesado normalmente por dos hilos: uno energizado a alta frecuencia que se emplea como primario; el segundo ·como secundario. El acoplamiento es muy bajo en la posici6n normal del pulsador, donde el nücleo está saturado por el campo del imán permanente. La depresi6n de la tecla desplaza el imán, eliminando la saturaci6n del nCicleo y generando una salida. Esta Ciltima es amplificada, rectificada y transferida a niveles 176 16gicos. FIG. nr-B-6 PULSADOR DE NUCLEO HACJfETICO su fiabilidad es comparable a la de los pulsadores capacitivos, presentando igual que ellos una elevada criticidad en el trazado de las pistas del circuito impreso, por lo que generalmente se ofrece como parte integrante de un conjunto completo. 7 PULSADORES DE EFECTO HALL Estos pulsadores estAn formados por una pastilla semiconductora recorrida por una corriente continua y un campo magnético perpendicular a ella, que provoca una deformaci6n de las 177 lineas equipotenciales sobre la superficie del semiconductor, apareciendo una tensi6n de salida proporcional al producto de la corriente de polarizaci6n por la intensidad del campo magnético aplicado. La conmutaci6n se obtiene al aproximar un im6n permanente al sensor, que desarrolla una tensi6n de salida que es amplificada y convertida en digital. lmOn Salido• K 81 Sondo 9 • Compo .f:,•: 0 <;,f~ji 1 • lnltntidcc! Polari1ocián So1ido FJG. ltI-B-7 PULSADOR OE Ef"ECTO HALL Generalmente el conjunto formado por: el sensor, amplificador, disparo Schmitt, monoestable opcional y. paso de salida, forma una circuito integrado monol1tico, asociado a cada pulsador. 178 r- - - - - - - - - - - - - - - - i r------- ' 1 1 1 1 1 -.__,-,-,--~ª 1 02 1 ov '-- - - ___________ J tJG. III-D-7 CIRCUITO INTECRADO DE UN PIJLSADOR DE EFECTO HALL Dada la ausencia de contactos, la baja impedancia de todas las seftales de interconexi6n y la insensibilidad a polvo, suciedad y co11taminantes, este tipo de pulsadores ofrece la mayor fiabilidad (esencialmente duraci6n J.nfintia), solo limitada por el desgaste del elemento m6vil y resorte de retorno. Este dltimo en algunos casos, es sustituido por un sistema magnético de retorno, que proporciona simultAneamente una realimentaci6n al tacto. 179 8 TECLAS El elemento unitario componente de un teclado es el formado por el subconjunto: pulsador m4s tecla, que a menudo es denominado simplemente tecla. Q'"'ª ="'-~'.'\:J""'!. "-&"-'~] =~s=.=- Plaocha "Pº'" --- Pulsador · "2'/7-Z.Z ~Ú-~~::zzz.zz?-ZZ - Ci,1ui10 itnpr tJo ........_,,,,,,inolrs puludor FIC. ltl-B-9 COlfJUlfTO TECLA - PULSADOR La tecla o capuch6n, alln cuando no cumple ninguna funci6n el6ctrica, es absolutamente indispensable, con el fin efe identificar claramente cada pulsador, asl como para ofrecer una adecuada superficie de actuaci6n para las caracterlsticas fisiol6gicas de manos y dedos del operador. 180 Con el fin de obtener una correcta identif icaci6n de cada uno de los distintos pulsadores que componen un teclado, es preciso rotular con los grafismos apropiados cada una de las teclas. Para ligar a una tecla su correspondiente grafismo se utilizan distintas técnicas, siendo las más usuales: serigrafia, pantografiado, doble inyecci6n y empleo de teclas transparentes rotulables. 9 CODIFICACION Como seflales de salida de un teclado, pueden utilizarse las conexiones correspondientes a todos y cada uno de los distintos conjuntos tecla-pulsador que lo constituyen. Esto puede ser válido para teclados simples formados por un reducido nlimero de teclas; pero la dificultad va en aumento si el ntlmero total de teclas supera ciertos umbrales. Evidentemente se han buscado soluciones mucho más efectivas que han sido centradas en la codif icaci6n de los datos de salida • Esta codif icaci6n consiste en numerar de forma binaria cada uno de los distintos c6digos emitidos por el teclado, de tal modo que el nllmero total de bits precisos para expresar cualquier c6digo no supera los umbrales de maniobrabilidad. La codificaci6n mlis usual para teclados numéricos reducidos es la hexadecimal ( o subconjunto BCD si nos limitamos a digitos decimales ); en el caso de los teclados alfanuméricos se amplia la 181 codificaci6n, siendo el c6digo ASCII de 6 .6 7 bits segtin sea reducido o completo, o bien el EBCDIC de e bits. Una técnica que está expandiéndose. fuertemente consiste en la utilizaci6n de microprocesadores como elementos de l6gica activa en la codificaci6n de teclados. Esta técnica permite, con un m1nimo de componentes, realizar funciones que hasta el presente raramente eran llevadas a cabo directamente por el teclado periférico, Entre estas funciones cabe mencionar: exploraci6n secuencial; protecci6n contra pulsaciones simultáneas; transcodificaci6n; modos mtiltiples; selecciones de modo complejo¡ salidas en paralelo o serie; memoria FIFo en caso de pulsaci6n más rápida que el posible acceso por parte de la CPU; autorepetici6n en teclas seleccionadas ( se denomina autorepetici6n al hecho de que si se mantiene oprimida una tecla pasado un tiempo prudencial, entre o.s a l seg, se repiten las validaciones del c6digo asociado a un ritmo aproximado de 10 Hz) ; repetici6n por tecla REPITE independientemente de ciertas teclas o funciones; autorizaci6n o inhibici6n total o parcial del teclado; gsneraci6n de seftal audible para realimentaci6n actistica; paridad; detecci6n de errores de operaci6n etc. 182 10 FUNCIONAMIENTO DE TECLADO ELEGIDO Para la selecci6n del tipo de pulsador a emplear en el teclado, decidimos apegarnos a tres premisas: 1) Bajo costo 2) Existencia en el mercado 3) Durabilidad Ademl!.s se consider6 el hecho de que el microcontrolador podr1a llevar a cabo las tareas de detecci6n y de decodificaci6n de la tecla oprimida. Nos enfrentamos al hecho de que s6lo los pulsadores de tipo mecl!.nico se pod1an encontrar a bajo costo en el mercado, por lo que descartamos los deml!.s. As1, se hicieron pruebas con pulsadores mecl!.nicos convencionales y con pulsadores mecl!.nicos de boveda. Desgraciadamente, los pulsadores de b6veda encontrados no eran de mucha calidad, por lo que su desgaste fué prematuro. Debido a ello, se opt6 emplear los pulsadores mecAnicos convencionales para implementar el teclado. El teclado consta de s6lo cuatro teclas: 1) Rutina HOME 2) Rutina JOB 3) PAUSA 4) RESET 183 El que el microcontrolador pudiera encargarse de detectar y de decodificar simplific6 mucho el circuito final. El diseno del teclado se aborda en el capitulo II. C SISTEMAS DE VISUALIZACION Y PREVENCION Un visualizador es un dispositivo que le indica al usuario el comportamiento del estado interno de un proceso por medio de un LED o LCD 1 DIPLAY DE LED Las siglas LEO tienen el significado en el idioma inglés "Light, Emisor Diode" que en espan.ol es "Diodo Emisor de Luz". Existen los siguientes tipos de arreglos LEO: - Siete segmentos - Dieciseis segmentos - Matricial de 5 x 7 - Matricial de 7 X 9 El primer tipo es usado para desplegar s6lo nfuneros, mientras que los dem6s despliegan alfanUmericos. a, PRINCIPIO DE OPERACION DEL LED El LEO esta fabricado en materiales semiconductores. En general, todos los materiales pueden clasificarse com"o conductores, semiconductores o aisladores, dependiendo de 0la habilidad eléctrica. que presentan para conducir la Como lo implica su nombre un 185 corriente material semiconductor tiene menor conductividad (mayor resistencia a la circulaci6n de corriente) que un conductor, pero mejor conductividad (menor resistencia a la circulaci6n de corriente) que un aislador. Los materiales más frecuentemente empleados en dispositivos semiconductores son el germanio y el silicio. El germanio es más adecuado para dispositivos de alta potencia porque, entre otras cosas, puede utilizarse a temperaturas más elevadas. La conductividad de un material semiconductor puede incrementarse y controlarse agregando pequeftas cantidades de elementos denominados "dopantes" o "estimulantes". Por ejemplo puede usarse el boro para dopar el silicio. El empleo de diferentes clases de dopantes produce un material tipo n, que tiene un exceso de electrones, o un material tipo p, que tiene una escasez de electrones en su estructura cristalina. El lugar dentro de la estructura cristalina donde falta un electr6n se denomina "hueco". cuando se forma una juntura con materiales tipo n y tipo p, tiene lugar una interacci6n en la cual algunos de los electrones en exceso provenientes del material tipo n cruzan la juntura por difusi6n y se combinan con los huecos del material tipo p. Esta interacci6n origina una pequefta regi6n de carga espacial (llamada regi6n de transici6n) en la inmediata vecindad de la juntura. El material tipo p en esta regi6n adquiere una leve carga negativa 186 como resultado del incremento de electrones; reciprocamente, el material tipo n adquiere una leve carga positiva como resultado de la pérdida de electrones que tenia e~ exceso, ~UNTURA P-N llAT!lllAL TIPO P . llAfl!lllAL TIPO N FJG. IJl·C-1 IMTERACCION DE HUECOS Y ELECTRONES 187 El efecto global es similar a lo que ocurriria si se conecta una bateria imaginaria a través de la juntura, con la polaridad que se muestra en la figura III-c-1. En la ausencia de circuitos y tensiones externos, la diferencia de tensión o gradiente de potencial a través de la región de carga espacial se opone a que contintíe la difusión a través de la juntura p-n, preservando la diferencia de caracteristicas entre los dos tipos de materiales. ~~~~-~1-i ~·t~ IUJZICillllWW .------,--<:'-,·-=;~ ~-ll-T-=~1-i ~·I~ IUWtJlllDif(CTA FJG, ttJ-C-2 ClRctn.ACIDM DE U CORRIENTE DE ELECTRONES Df U JUNTURA P-H 188 Cuando se conecta una baterla externa a través de la juntura p-n, la intensidad de la corriente que fluye depende de la polaridad de la tensión aplicada y su efecto sobre la reqión de carga espacial. La primera figura III-C-2 muestra una bateria conectada para producir polarización inversa. Esta conexión incrementa en forma efectiva el ancho de la región de carga espacial, aumentando el gradiente de potencial hasta que se aproxima al potencial de la baterla externa; la corriente es entonces sumamente reducida. En la condición de polarización directa, segunda figura III-C-2, la región efectiva de carga· espacial se vuelve m6s angosta, reducido; y el gradiente de potencial decrece a un valor muy entonces los electrones contin11an circulando mientras queda aplicada la tensión en sentido directo. El sentido de circulación de la corriente, definido como convencional (de positivo a negativo), es satisfactorio para el anAlisis de circuitos. Sin embargo, en el estudio de los semiconductores es lltil pensar que la circulación de corriente es una circulación de electrones, o una circulación de "huecos". La corriente de electrones circula de negativo a positivo; la corriente de "huecos" circula de positivo a negativo. ·como puede verse el funcionamiento del LEO tiene sus bases en la recombinación de portadores de carga que toma lugar en la 189 union p-n. Del lado n como concentraci6n de electrones y del lado p de "huecos". Los electrones se encuentran situados en la banda de enerq1a, mientras los "huecos" astan en la banda de valencia. Por lo tanto decimos que los electrones se encuentran un nivel mayor de enerq1a que los "huecos", obteniéndose la transformaci6n de enerq1a a la luz y el calor, cuando se realiza la recombinaci6n de estos. Ahora, si consideramos el material del semiconductor tr a nsparente, tendremos la emisi6n de la luz por la recombinaci6n mencionada. Una aplicaci6n esto es el "Diodo Emisor de Luz"; una muestra del elemento se observa en la figura III-C-3. A NODO CAM ME'lllLICA CA'IODO CAMDE ORO EMISION DE LUZ + + 0 + TIPO "P" TIPO "N" FIG. 111-C-3 DIODO EMISOR DE LUZ 190 b. DISPLAY DE SIETE SEGMENTOS Una aplicaci6n de los LEDs la encontramos en los displays de siete segmentos. Estos son arreglos de LEDs acomodados de tal forma en que el encendido de ciertos LEDs desplegar! un namero ar4bigo o algQn s1mbolo especial. Algunas caracter1sticas de los displays de siete segmentos son las siguientes: a) Diferencia de voltaje 8.4 Volts b) Flujo de corriente 20 miliamperes c) Consumo de potencia 400 miliwatts d) ventajas es visible en la obscuridad e) Desventajas consumo alto de potencia 2 DISPLAY DE LCD Las siglas LCD tienen el significado de " Pantalla de cristal Liquido "· Existen dos tipos basicos de LCD que son: - De siete segmentos - De dieciseis segmentos el primero sirve para visualizar nameros y el segundo para alfanQmericos. 191 a, PRINCIPIO DE OPERACION DEL LCD Las pantallas de cristal liquido LCD tiene la gran ventaja de poseer una demanda mAs baja de potencia que las de LEDs. El consumo es t1picamente del orden de los microwatts comparado con el mismo valor de miliwatts de los LEDs, Requiere sin embargo una fuente de iluminaci6n interna o externa. Estan limitadas a un rango de temperatura de alrededor de o ºe a 60 ºe y su tiempo ds vida es un aspecto que preocupa, debido a que los LCDs pueden degradarse qu1micamente. Los tipos de LCDs que han recibido mayor interés hoy en dia son las unidades de efecto de campo y las de dispersi6n dinAmica. Un cristal liquido es normalmente un material 6rganico, que fluye como un liquido, pero cuya estructura molecular tiene algunas propiedades normalmente asociadas con los s6lidos. Para las unidades de dispersi6n luminosa, el mayor interés esta en el cristal liquido nemático, Las moléculas individuales semejan barras. La superficie conductora de 6xido de indio, que es un material de este tipo, es transparente y bajo ciertas condiciones, la luz incidente pasará y la estructura del cristal liquido aparecer& clara. Si se aplica un voltaje para unidades comerciales el nivel esta usualmente entre 1 y 6 volts a través de lás superficies conductoras, se perturba el arreglo molecular, con el resultado de que las regiones se establecerán en indices 192 diferentes de refracción. La luz incidente, es por tanto, reflejada en dirección diferente fenómeno conocido como dispersión dinámica ) con el resultado de que la luz dispersa se parece a un vidrio opaco. La apariencia de opacidad ocurre solamente en donde las superficies conductoras se oponen la una con la otra y las áreas restantes aparecen translúcidas. Un dlgito en una pantalla de LCD puede tener el aspacto segmentado que se muestra en la figura III-C-4. El área obscura es en realidad una superficie conductora clara, conectada a las terminales de abajo para control externo. Dos marcas similares se colocan en lados ?puestos de la pellcula gruesa sellada del material de cristal liquido. Si necesitaramos el nCímero 11 3 11 , energizariamos las terminales B, 7, 3, 6 y 5 entonces solamente estas regiones aparecerian opacas mientras que las otras áreas permanecerían claras. El LCD de efecto de campo, tiene la misma presentación de segmento y la misma capa delgada de cristal liquido encapsulado, pero su modo de operación es muy diferente. En forma similar al LCD de dispersión dinámica, el de efecto de campo puede operarse en el modo reflectivo o transmisivo con una fuente interna. Difiere del nemático simple en que además hay un polarizador de luz. Solamente la componente vertical que entra puede atravezar.el polarizador de luz vertical. 193 • FIC. II J-C-4 PANTALLA LCD DE DJCITO DE 7 SEGKEHTOS Los LCDs, se usan cuando la fuente de energia es un factor primordial pues absorben considerablemente menor potencia que los displays de LEO. El costo es tipicamente más alto. Una consideración adicional en estos dispositivos es el tiempo de encendido y apagado. Los LCDs son caracteristicamente más lentos que los LEO. Los LCDs tienen tiempos de respuestas tipicos en el rango de 100 a 300 ms, mientras para los LEDs esta cifra está por debajo de los 100 ns. 194 3 SISTEMA DE VISUALIZACION DEL ROBOT Debido a los requerimientos esenciales de nuestro sistema (econom1a y funcionalidad), se decidió utilizar un desplegado implementado con LEOs. Consideramos que realmente no era necesario el desplegar nOS,ABRE,GIROM 203 e, SUBRUTINA SINSW rutina de HOME para Esta subrutina se emplea en la supervisar el movimiento de las articulaciones del codo y de levantamiento de mufteca. La subrutina se encarga de preparar algunos datos para la lectura de la tabla ssw, en la que se encuentran como datos los c6digos de los limites del &rea de acci6n de eetas articulaciones, as1 como su posici6n de HOME correspondiente. Después de que los datos est&n listos, se llama a la subrutina MOTSEN para que coordine el movimiento de motores con el sensado de posici6n hasta que la articulaci6n haya alcanzado la posici6n deseada. * REGISTROS EMPLEADOS POSFIN: guarda la posici6n final a la que debe llegar la articulaci6n en movimiento TAN: se emplea como memoria de apuntador en la tabla SSW COMO: guarda valor m&ximo de TAN en la tabla SSW TABLA ssw: guarda datos de extremos de las &reas de acci6n .de las articulaciones de codo y de levantamiento de mufteca 204 3 SUBRUTINAS DE EJECUCION Las subrutinas de ejecuci6n se encargan de los movimientos mecánicos del robot, estando entre ellas, las que tienen a cargo las sel\ales de sensado, as! como aquellas que se encargan de manejar la energla de suministro de los motores. a. SUBRUTINAS SWITCH Y SWLB Estas subrutinas se emplean en la rutina de HOME para supervisar el movimiento de las articulaciones de cintura y de · levantamiento de brazo correspondientemente. Las rutinas mueven estas articulaciones hasta que llegan a una posici6n en la que activan unos switches de seguridad. Estos switches estan dispuestos en los extremos de sus !reas de acci6n. En el momento en que cualquiera de esos cuatro switches es activado, una rutina de inter~upci6n llamada ITIM cambia el c6digo de movimiento del motor en funci6n,para que se mueva en sentido contrario. cuando un segundo switch es activado, la subrutinas terminan, d!ndo paso a otra aubrutina. La tinica diferencia entre estas dos rutinas son los tiempos 205 de retraso que utilizan para mover a su correspondiente articulaci6n. * REGISTROS EMPLEADOS COD: guarda el c6digo de movimiento SW: se emplea como bandera y es activada por la subrutina de interrupci6n de switches. * SUBRUTINAS EMPLEADAS: RETR b. SUBRUTINA HOTSEN Esta subrutina se encarga de dar movimiento a los motores, as1 como de hacer lecturas a través de los sensores dispuestos en cada articulaci6n. A la subrutina ss le dan como datos el nQmero de motor y la posici6n final a la que debe llegar la articulaci6n movida por ese motor. La subrutina lee mediante un sensor la posici6n actual de esa articiulaci6n. El movimiento lo efectua por medio de un pulso de una duraci6n determinada a la entrada del control de potencia del motor. Después de cada pulso se verifica la posici6n. Este proceso se repite hasta que la articulaci6n alcanza la posici6n deseada. 206 La elecci6n del sentido de giro del motor la lleva a cabo mediante un par de tablas llamadas MPOS y MNEG, El acceso a una u otra tabla depende del signo de la diferencia entre la posici6n final y la posici6n actual de la articulaci6n movida. El dato de nQmero de motor se utiliza como apuntador indice en estas dos tablas para tener acceso al c6digo necesario. * REGISTROS EMPLEADOS POSFIN: Posici6n final a la que debe llegar la articulaci6n movida TABLA HPOS: Contiene los c6digos de movimiento positivo de los motores TABLA MNEG: contiene los c6digps de movimiento negativo de los motores * SUBRUTINAS EMPLEADAS RETR,BAJO,CONADR 207 c, SUBRUTINA TOOTH Esta subrutina maneja el movimiento de la cintura. Se encarga de decidir primeramente el sentido de giro de ésta y después de activar el motor. El control de posición de esta articulación se lleva a cabo mediante el conteo de los dientes del engrane que le imprime movimiento, Si la articulación se mueve en su sentido negativo, el nümero de dientes será ~ecrementado, mientras que si se mueve en su dirección positiva, el conteo de dientes aumentará. La variación del nümero de dientes, as! como el movimiento de la articulación, cesarán hasta que se llegue a la posición deseáda, es decir, al nümero de dientes deseado. * REGISTROS EMPLEADOS • COD: guarda el código de movimiento CONT: guarda el nümero de dientes contados POSFIN: guarda la posición final a la que debe llegar la articulación en movimiento • SUBRUTINAS EMPLEADAS: RETR 208 d. SUBRUTINA DEDOS Esta subrutina se encarga de manejar el movimiento de la tenaza. Primeramente, lee el c6digo de movimiento. Despu6s, en su caso hace cerrar la tenaza hasta que unos switches dispuestos en los dedos son activados. Esto se d4 cuando alg(ln objeto ha sido prensado por los dedos de la tenaza. En ese momento separa el motor que cierra la tenaza. La seflal de estos switches es introducida a la parte baja del puerto A. Pero si el código es positivo, la subrutina se encarga de abrir la tenaza. El tieapo de movimiento de ésta depende del c6digo puesto en POSFIN, no existiendo alg(ln dispositivo externo para parar el movimiento. * REGISTROS EMPLEADOS OPEN: se utiliza como contador POSFIN: en esta subrutina se emplea como dato del tiempo de movimiento de abertura de la tenaza COD: guarda el código de movimiento Ílr SUBRUTINAS EMPLEADAS: RETR 209 e. SUBRUTINA GIROK Esta subrutina se encarga de suministrar movimiento y saneado al giro de mufteca. Pri•eramente verifica si el sensor 6ptico dispuesto en la mufteca est6 activado. Si no es as1, gira la •ufteca basta que el sensor es activado. En ese aomento invierte el giro basta que el sensor es nuevamente activado, parando entonces el moviaiento. * REGISTROS EMPLEADOS coo: quarda el c6digo de movimiento * SUBRUTINAS EMPLEADAS: DBOUNC t. SUBRUTINAS DE RETRASO Estas subrutinas generan retrasos de tiempo. Todas se basan en el a6todo· de ir decrementando una variable o dos hasta cero. Las subrutinas de retraso de tiempo empleadas son: DBOUNC: genera un retraso de 2.s ailisequndos BAJO: genera un retraso de 25 milisequndos RETR: genera un retraso de so milisequndos 210 g. SUBRUTINA CONADR Esta subrutina es la encargada de obtener las lecturas anal6gicas de los sensores, as1 como de su conversi6n a valores digitales. 4 RUTINAS DE IllTERRUPCION Las rutinas de interrupci6n son las que tiene que realizar alguna tarea especifica cuando alguno de los pines de interrupci6n ( patas 3 y 18 ) llega a tener cero volts. a. RUTINA DE TECLADO KEYSCN Después de las rutinas de autoprueba, el microprocesador entra en un estado de espera a interrupci6n. La interrupci6n serA provocada cuando una de las teclas séa presionada. En ese aoaento la rutina de interrupci6n llamada KEYSCN lee lo que el puerto A tiene en su parte alta. Después de una rutina de espera llamada de DBOUNC la rutina espera hasta que la tecla es soltada. S1 el c6digo le1do no corresponde al de la tecla de PAUSA o PARO se d!i por 211 terminada la interrupci6n y se regresa a la siguiente instrucci6n después de la de espera. En ese momento, con el c6digo le!do, se· decide cual es la siguiente rutina a realizar. Pero, si el c6digo corresponde al de PAUSA, entonces el microcontralador entra en otro estado de espera, del que no saldr4 sino hasta que se presione otra tecla. Los c6digos para cada una de las teclas son: Tecla Rutina de posici6n de HOME Rutina de trabajo JOB PAUSA PARO * REGISTROS EMPLEADOS C6cU90 70 HEX BO HEX DO HEX EO HEX RF quarda el c6digo le!do en la rutina de interrupci6n de teclado. * SUBRUTINAS DBOUNC esta rutina provoca un retardo de 2.s milisegundos 212 b, RUTINA DE INTERRUPCION DE SWITCHES ITIH Esta rutina es la encargada de sensar si alguno de los switches de limite de Area de acci6n es activado. S6lo los movimientos de cintura y de levantamiento de brazo cuentan con estos switches. Cuando alg6n switch es activado, la subrutina pAra inmediatamente el motor en funci6n. Después lee el c6digo de movimiento y lo modifica, modificAndo as! también el sentido de movimiento de la articulaci6n. En ese momento acciona el motor correspondiente, esperando a que el switch deje de ser pisado. cuando ésto sucede, la subrutina de interrupci6n termina. * REGISTROS EMPLEADOS COD: guarda el c6dlgo de movimiento SW: se emplea como bandera * SUBRUTINAS EMPLEADAS: RETR 213 5 DIAGRAMAS DE FLUJO A continuaci6n se presentan los diagramas de flujo de los programas elaborados. DISPLII!'.A CODIGO II ERROR • UER DIAGR!nAS DE FLUJO CORRESPOHOIEHIES FIG. 111-0-1 214 DIAGRAMA GENERAL DE RUTINAS RUTINA DE PRUEBA A TIHER 1om,12emLos FIC, Ul-D-2 215 6CJCLOS 3CICLOS 5CICLOS 2CICLOS JOJCICLOS RUTINA DE PRUEBA A RAM FJG. lI I-D-3 216 RUTINA DE PRUEBA A CONVERTIDOR A/D FJG. 111-D-4 217 RUTINA DE DESPLEGADO DE ERROR SUBRUTINA SINSU LD: POS!IK Df !AILA ssw CQlt EL IPllll!AIOR rrn. 111 .. 0-s 218 RUTINA JOB SD.ICCIOllOI 111111115 -----'D![J[CUCIOJJ 1------, SUBJi11lllil DEDOS SUBRlllllil llO!Slll SUBR\111111 !OO!H 219 SUBR\111111 GJROll RUTINA HOME $[1.[((11111 llUTllllS ~-------1tE &JIOJCIOll 1---.----~ SUBllUTllll mos FIG. llJ-D-7 220 SUBllUTllll GI~ IMICJO COltfllllll IUDIO A RUTINA DE TECLADO rte. Ju-o-e 221 Lll IU!E ILTI 11 IUIKIO 1 ISPIJIAA tlESfJI SOLTlllA HCOJIJFJCI SUBlllJlllll Jt • lnllilSO t !A SUBFU!IHA M ![!RASO rs l!BRJ PARA SUl!CH, V !!AJOJ PARA SULB SUBRUTINAS SUITCH Y SllLB FIG. UI-D-9 222 CAllBIA Cot!GO I! 1111Vmooo SUBRUTINA MOTSEN l!S FlG. 111-D-10 223 • POSAC ' POSICION ACTUAL PE AR!ICULACIOH POSFIN' POSICION rJHAL ALAQUED!BELLEGAR LA!RllCULACIOH SUBRUTINA DEDOS ACllUA llOIOR P!M CERRAR IDllZA 11 FIG. Jtl .. D-11 224 ACT!UA llOIOR P!M ABRIR IDllZA CODIGO IE llOIJl!lll!!O Hml!IVO SUBRUTINA TOOTH COllGO DE llOIJl!lll!!O NllllUO COHl,fülSIROQUEGU!!OA EL HUnERO DE DIEHIES COH!ADOS POSFIH' REGISIRO OVE GUARDA LAPOSICIOHFIHALA LAOUEDEBELLEGAR LA AP.llCULACIOH FJG. lll-D-12 225 lllClilOJf!A COlll NO SUBRUTINA GIRON 115 rrc. III-D-13 226 ICTIUA llOIOR 111 SllfllDO rosmuo SUBRUTINA COHADR WUL!AIO J[ COllJ!RSlll!I llf AIRI ADCR,REGISIRODECO!IROL DEL commDOR A/D ADRR ' mimo DE RESUWlO DEL CONUERSIO~ A/D SUBRUTINA RETR 227 CAPITULO IV CAPITULO .- IV CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO A FILOSOFIA DEL DESARROLLO DEL PROTOTIPO En México, por su peculiar avance tecnológico, donde la electrónica moderna aplicada en los antiguos procesos se integra a la producción de hoy, palpa la necesidad de un cambio hacia los procesos automatizados. Un aspecto importante en la automatización es la robótica, por ser un campo que abre grandes espectativas a la calidad, velocidad y precisió~ en el maquinado de piezas. La industria que cuenta entre sus miembros activos de trabajo con un robot obtiene productos de mayor calidad, por la exactitud que tiene al elaborar una pieza y la versatilidad que presenta al cambio en el diseno; por sus caracter1sticas de respuesta r6pida, repetitividad, mayor tiempo de trabajo, capacidad de realimentación y optimización de tl.empo de proceso, es un r6pido y preciso obrero. De las tres configuraciones de robot presentadas, la de ayor versatilidad de movimientos es la del brazo articulado-esférico. considerando este aspecto como fundamental para nuestro diseno se tomó en cuenta un prototipo con seis grados de libertad pues es el 228 que aproxima la mayor parte de los movimientos realizados por un humano ( hombro, cintura, codo y manipulador ) para un adecuado manejo de piezas. Actualmente se cuenta en el mercado con una gran variedad de dispositivos electr6nicos para el control de sistemas entre los que se encuentran los microcontroladores componentes en los que se tiene una serie de elementos en un solo integrado ( CPU, memoria ROM, . memoria EPROM, memoria RAM, reloj, converidor anal6gico/digital, PLL y puertos de entrada y salida de datos), lo que reduce el riesgo de la incompatibilidad de sefiales, fallas en las conexiones, sensibilidad al ruido, as1 como el manejo de una gran circuiteria eléctrica y errores en el manejo de datos, conceptos frecuentes en los sistemas de 16gica discreta. El uso de· un microcontrolador facilita el control de un sistema y los problemas de mantenimiento especializado e inversi6n para la investigaci6n se ven suavizados por la simpleza de manejo' de estos sistemas comparados con la 16gica discreta. El problema de el costo inicial de los sistemas de lazo cerrado también se ve beneficiado con los microcontroladores pues un disefio de controlador con estos es muchas veces m6s econ6mico que el de.un sistema donde se utiliza una computadora. 229 i !¡ J i F'JG, IY-A-t PROCESO DE PRODUCCJON AUTOMATIZADO CON UH ROBOT 230 En seguida se presentan dos tablas en las cuales se comparan diversos factores de los sistemas eléctrico, hidráulico y neumático, y de esta forma tener más elementos para una evaluaci6n objetiva del sistema que nos convenia utilizar. \.¡( '•!'I'. '· ~ ! 11 dld " 1\ Ml'f!\.,J 11 \'1~n , ..... , [~l"'t Jt f.~IJ~t1 ~·1 1 •1n, A1:il i f i ~.\dl'lr~~ di" Pnten~ia. Vntnr~~ d~ ro o CA, C1ias dt en~ranes, 'rli"J1.\.~i~n~~. Disinadores F.l~driddad 'rriha d•. in t11P (i,cfnH uandes. 81i11~ ( Ru i ~o ~n '" 1 f n~a !: 1 nt1 Pi~ i J1fnh '1!1"ilhl~. R11i1to de RJ: ~1 .. il~rnl~ 1.1nti\.,I~ ron ~1 •nth ip ., ¡:¡ 't ~\~n. ~·1~rr. Jnc '.l~lnres ,, •rvin1c1i'in·f•hen cl!!f ·nndnc Cll'lt l'l~t 5jchu. f5¡,, e' el cist~1111 m.u ºt•rrn. ~, d~b,. ten11:r cuidadn r.nn !ns chooues eHdricos. H i c1rAl1 ·1 i co 8111~"'· Oto~dtnt de Fluidíl, Re1ul.1d~re~ (Pres i dr.. te1¡1era!un. fluiit), llfltros, IntercHbiadores de calor. Servo·vllvu!1 1L Votnrei;, Actuadore1.,Acu1uladores. Base aCeite de al la es! i1ad con aditivt1s. S~luci 1Jnt( he~ uu!. llouidns ~fnUti"•·(, A lt n: Los fi 1 t rn e HO!l ie rrn Hn'.in ecoPr.hl durante t.I sariteniti ento. 1 ns orocedieient11!i ~t 1ir.1t1i•n cnn i1oorll'lttS. he CHvn- "iivuhc [IU•den d•~trcP. rtcihenle. hc~1enlt re!ad~n oe5n/ fli•ru t.a fuude tfauidos inflnahlec v ritsro de in~en1in, ChnrrM d~ tluidn 11uedl!.n irrihr la riel. envenenar la unut o intlaHr los 11jo1. Cnior .. ~11r. Fr.fril!1~r~' 1• ,,, .. ,_ Cnntrt11ad11rts de ;m:~idn. FiltMs ~·c1d11rB. VHvulH Actuadores. Si 1 ~nciadores. \ire. N1trh'nt1. Produrtfl( ~~ ~n1bu(ti~n. lnt•r1edin: rl\n l'lf'nfl5 ornhln1! ou~ ti areil•. 1.u t1Hl!r•r!'c 1nt•1"1 runl &'lhc d• ll·n~" IA!i vHvuJu. •11hri • r1rr'lcih•. """"" or11hlt11&. ~el&liu litnen. 11•M bt:u Pr~ci .,ne, flPldttr~n i n!•n·•rli" r~lti:i~n ow11 ful!.ru. lu o.ullr.ulHvnUtilu dP '•< ruoturu ouedtn 5f'f oeli~rnqc. 1.u erolosinnes srin pncih!es cuando "' encuentra arei!• oresente tF.I nitrl\1~n11 nn u erolnsiv11I. FJG, IV-A-2 TABLA A DE SERYO-SJSTEHAS 231 'FaC":t-r.r Eléctrico Hicl:r-á.u1iCo Nen.1n1A.t·irc-., 1 ~~ll#T!l •J•l 'I '1•d(l,!"lf'. l'I• ~,; ,1r. t ~•11• • 1 tu rt ~:: • I r & ntt1 ~· n11•nr1 ~n nn" 1Mhr~ ~i(iDHi'°i!I 1• :',tl11r í'"l•rui~n enea Raia Pnttnda d• d~J ountn 111~r~n. unteni1irntn. Pot•nri• d• H Volts a l60 Volls rntnda Susceptibilid1d a La lrir.ción ou~dt uusar la varia~i~!I de oeoucftllS a inter1edin5 rsua trfl'lft5 d• Hn!eni1iento dtestad'l. rubio<: h uotnli,.\n t#n'~' difn!nria! oued• •111~n u!· fun~i!'Jnni,.nh inorlantr. Elc•ltnl~ re1ociAn df' ral11r •J·~~~C;·~11 J1 -'':"·t~t·~· '•01•1 di r trenr;' 1 l'l 11•d1 "1Ut P .. ~ I • f!Jnr1rir.u•rnl" i'!'D•·• 11· '· h r"ri.·io\n 1• nlnr 11nr,1•r.•n'• "r '-~ ll!! or'lbl •11 d•(dt ou• ! ,,e nn int•rruhbd'lr'!< d~ l'\ 1 ~r ~id••1c e• "~n•ii,11" h rUfJlos al1Asfera. f11u f!lln1•di1 rnn he v61vuJu cerra1al tunos dd 1011 Al!! con las vllvulu ee11trale1 abiertas fROll. SO·SOOOO PSI L! frirci~n ou~d, r_.u~u Cl'au~ntJs a int~rudi-is Hrnru dP unt~ni1ifn~n dP HIJ~11. hr~lenlP e incrntnfind11~• Alh 01lrnria d• f!iu r·~·1 ~rl oun~n tuHll'l f2fi11,qh "~n t~c v!lvuhs 1"entnl11~ 1hi•thl 11~< d•l IOOtl. HOOPSI h frirrii'in fl'J"d1' ~111car "iri~t HrM•t d• u~'•':i1d,nt11 ~e Ul1!~ ": !i ~~~ '1 ( ~ '(' '"~ ~icte11 ~~o,nde 1P lo~ d' 1uvor ruo!let!.t tllH t"l'lnet:ilM d, redu•rii'ir de trt!ld~~ cuu~. v~ Jncidtt!. FIG. IY-A-:J TABLA B DE SERVO-SJSTEHAS 232 Como se vió en las tablas anteriores el sistema eléctrico es uno de los mejores.La desventaja de una menor relación peso/fuerza comparada con la del sistema hidr6ulico se ve compensada por su alta ef icencia y seguridad de operación, adem6s de ser m6s flexible al manejo de piezas en los procesos de maquinado y este es uno de los objetivos del desarrollo de este prototipo. Existen en el mercado una amplia variedad de configuraciones de robots. Tomando en cuenta como caracter1sticas fundamentales para . nuestro disefto la versatilidad, la capacidad de realimentación y el control total de los movimientos, se desarrollo un prototipo de robot con configuración brazo mec&nico esférico, de seis grados de libertad. Por otro lado, dado el desarrollo de los componentes electrónicos actuales, se implementó un sistema electrónico-mec6nico, con objeto de aprovechar las ventajas de un microcontrolador como el MCU 68705R3. - Bajo costo - Alta precisión - Facildad de manejo de la información - Control sencillo - Buena velocidad - Posibilidad de expansión - Integración en un sólo componente de elemetos tales como .un convertidor A\D, multiplexor, etc. Facilitan el manejo de la información de sensado. 233 otro factor importante en este disefio es el de los elementos encargados de transformar la lógica establecida en los dispositivos electrónicos, a los movimi~ntos a efectuar requeridos por un usuario, siendo estos los actuadores. Actuaror Sensor Aclualor Driver Sensor Interface Dri"er Sensor lnlecface Compwlato.,_ __ ~ Sensor fnlerface Workpt.:ice Sensor FlC. IV·.4.-4 ESQUEMA DE LOS COllPOHEJfTES DEL SISTEMA DE ROBOT 234 Debido a su costo relativamente bajo y a sus caracter1isticas dimensionales y funcionales, se escogi6 el tipo de motor de corriente directa, Se tendr1a un sistema transmisi6n y de control más confiable utilizando motores de pasos, pero el costo de estos elevarla el costo total del prototipo, por lo que se determin6 el uso de un motor de e.e. para cada movimiento. Los elementos que efectCian la interpretaci6n de parámetros de posici6n con objeto de tomar acciones de control, son los transductores de posici6n del tipo reostático, microswitches y dispositivos electro-6pticos. En el sensado ds hombro, codo y levantamiento de.mufteca, se utilizar6n transductores reostáticos ya que su interpretaci6n de la posici6n de estas partes es lo suficientemente precisa y continua para ser leida por el sistema digital, además de ser baratos y adecuarse a las caracter1sticas de forma y dimensiones de estas partes. Los microswitches utilizados en este disefto cumplieron dos objetivos, por un lado se utilizaron como sensores del movimiento cuerpo-base y detectando la forma del diente, se pudieron contar pulsos que con un manejo de software se identifica la posici6n plenamente, Además con estos se pudo determinar un sistema ·de establecimiento de limites de trayectoria, siendo esto importante para las rutinas de autoprueba y control del robot. 235 Con la ayuda de elementos opto-electrónicos se controló la posición del giro del manipulador,pues de las opciones disponibles para acoplar el transductor a la geometr1a y dimensiones de este elemento, fue el mejor adaptado a nuestros requerimientos. Ya establecido el panorama de los componentes biisicos, es lógico deducir que se trata de un sistema de lazo cerrado, ademas de ser un sistema de control punto a punto donde se utiliza un programa de desplazamiento ideal donde se acciona cada actuador de forma lógica y secuencial, realimentando en forma continua para as1 obtener: - Alta capacidad de control - Facilidad para cambiar el programa de movimientos - confiabilidad en el posicionamiento - Bajo costo de mantenimiento un aspecto importante a tratar del disello de este prototipo la versatilidad de la fuente de alimentación pues por su bajo consumo 'de potencia y valores nominales de 5 [Volts] para el sistema digital y de 12 [Volts] para los actuadores, se puede manejear un disello de fuente con transformador de s [Volts] a l [Ampere] para la electrónica digital y un transformador de 12 (Volts] a 6 (Amperes] para los motores, o bien utilizar bater1as 236 lo que aftadiria portabilidad a sus caracteristicas. Como se mencion6 la estructura está fabricada con materiales resistentes, ligeros, disponibles y econ6micos; Los motores son de baja potencia y el tipo de sistema de control confiable y versátil crean un prototipo ideal para el manejo de piezas. ce los diversos tipos de manipuladores comerciales el que más se adecQa al manejo de piezas para su maquinado es el manipulador tipo griper o pinza, y las dimensiones de este se determinaron con base en el concepto de maquinado de piezas de diámetro no mayor de 3 ¡.ulgadas. 1 DIAGRAMA GENERAL En la aiguiente figura, se presenta el diagrama de bloques general del robot, además en la figura IV-A-6 el diagrama electr6nico general, y posteriormente el listado de los· componentes utilizados en el circuito electr6nico. 237 r-1 1101.ADO 1 1 1 .... MIO'U.11111•10 1 1 POfHOfA 1 , _____ __J 1 M.C.U. l!MIOHI 1 .. ----¡ LMtlU ll•tOltll •• POllOfOlll DllPLllADO 01 MUllA.rH INTERACCION OPTIMA CON EL 818TEllA llECAlllCO FIC. IV-A-S DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CONTROLADOR DEL ROBOT 238 FIC, IV-A-6 ELECTRONICO CttfERAL OUCRAKA 23!1 DEL ROBOT 2 LISTADO DE COMPONENTES 1 MCU 68705R3S 2 MUX4067 3 TC4050 BP 1 MM7414 CD4042 MC 14078 1 TL074 2 TC 4049 BP 12 4N35 6 TIP 145 6 TIP 140 1 CRISTAL DE CUARZO 4 MHz 9 Ll:DS LEO INFRARROJO OPTOSENSOR 12 MICRO SWITCHES 3 POTENCIOMETROS330 ohms 4 TRIMPOTS 8 RESISTENCIAS 330 ohms 37 RESISTENCIAS 1 K ohms 2 RESISTENCIAS 1.2 K ohms 12 RESISTENCIAS 1.5 K ohms 18 RESISTENCIAS 10 K ohms 4 RESISTENCIAS 120 K ohme 4 RESISTENCIAS 1.2 M ohms 8 RESISTENCIAS M ohms 4 CAPACITORES 1. µF 1 CAPACITOR 1 pF CAPACITOR 27 pF 240 B EVALUACION Y PRUEBAS Este sistema fue propuesto para que fuera capaz de ubicar, sujetar y transportar de manera precisa piezas mecánicas en un ámbito industrial, por lo que debe tener ciertos parámetros que aseguren el logro del objetivo propuesto. Estos parámetros deben adecuarse a las características de la tarea para la cual va a ser utilizado. para lo cual su evaluación se divide en dos tipos de pruebas: - Pruebas internas - Pruebas externas El primer tipo de pruebas se refieren a la evaluci6n que realiza el mismo sistema con objeto de captar, ubicar e identificar cada uno de los componentes de este sistema. Con esto se logra que en el momento de que alguno de dichos componentes falle, sea detectado por la parte inteligente del sistema y el usuario pueda ser informado de ella. Estas pruebas se realizan por medio de algoritmos previamente establecidos en la memoria de la parte inteligente del sistema con los parámetros requeridos para efectuar esta tarea. 241 Por lo que toca al segundo tipo de pruebas, se refieren al la evaluaci6n del comportamiento del sistema bajo esquemas y parlimetros externos previamente estable.cidos tales como: - Movimiento - Condiciones ambientales .Ruido .Humedad .Temperatura - Repetitividad - Manejabilidad - Capacidad Estos par&metros darlin la pauta para poder establecer y especificar las características que rigen a este sistema y as! poder garantizar el correcto funcionamiento de éste. 242 As1, las pruebas efectuadas y los resultados obtenidos se muestran a continuación: - Movimiento .cintura .Hombro .Codo .Lev. mufleca .Giro mulleca .Pinza -Repetitividad .Cadera .Hombro .codo .Lev. mulleca .Giro mulleca .Pinza 243 ESPERADO 180° 130° 180° 180° 360° 14cm 100% 100% 100\ 100% 100% 100% OBTENIDO 228° 140° 110° 165° 360° 13.5Cm 90% 89% 88% 90% 83' 91' - Condiciones ambientales .Temperatura - Capacidad 10 a 4oºc 5 Kg OK 7 Kg Por los resultados obtenidos, se puede observar que de una forma muy aproximada a lo que inicialmente se estimó, el comportamiento del sistema es bueno. Las desviaciones que se obtuvieron de los resultados esperados se deben a factores que conciernen a la fabricación y construcción de las partes que componen al sistema, sobre todo en la parte mecánica, en donde la fricción juega un papel muy importante que influye en gran medida a obtener las desviaciones mencionadas. Lo anterior no quiere decir que el sistema no trabaje adecuadamente, sino que puede ser optimizado mediante el empleo de partes correctamente maquinadas y quizá cambiando los tipos de actuadores en cuanto a su configuración se refiere. Como concepto, se tiene que el sistema desempel\a en forma correcta las labores para lo cual fué disel\ado. 244 C SISTEMAS DE AUTOPRUEBA Los sistemas de autoprueba se implementaron para que cualquier problema existente en el microcontrolador fuera detectado por él mismo antes de cualquier intento de mover al robot. Las rutinas de autoprueba son hechas en tres zonas del microcontrolador: 1) Zona de memoria RAM 2) TIMER 3) Convertidor A/D si algCin problema es detectado en cualquiera de estas tres zonas, el programa nos mandará directamente a una rutina de desplegado de error y no permitirá que ninguna otra función sea realizada. La rutina de desplegado tiene como misión encender LEDs en forma intermitente en el panel de control, parpadeando el o los LEDs correspondientes a la zona con error. Si ningCin error es detectado, se encenderá el LED de teclado, indicando esto que el microcontrolador espera a que se le diga caundo debe comenzar la rutina siguiente. La siguiente rutina que debe ser ejecutada es la de HOME. Esta· rutina se encarga de mover cada una de las articulaciones, con el fin de que el operario se dé cuenta la condición mecánica 245 de cada una de ellas. En asta rutina el microcontrolador no tiene capacidad de reconocer fallas, por lo que el operario deberá vigilar el funcionamiento del robot durante su ejecución. En caso de alq(in problema mecánico, el operador deberá accionar inmediatamente el botón de reset, apagar al robot y corregir la falla inmediatamente. En caso de que la rutina de HOME termine sin contratiempos, en el tablero se encenderá el LEO de teclado, indicando esto que el micropocesador espera órdenes. 246 D DISE~O Y CONSTRUCCION DE CIRCUITOS IMPRESOS Una vez hecho el disei\o electr6nico de cada una de la interfases y la tarjeta principal, se manejo esta inforrnaci6n en un paquete de disei\o electr6nico por computadora llamado Tango y de esta manera crear sus respectivos diagramas de conexiones. (figura IV-D-1, IV-D-2, IV-D-3 y IV-D-4 ). Con estos diagramas se fabricaron los negativos ( figuras IV-D-5, IV-D-6 y IV-D-7 ) utilizados en el proceso de fotograbado con el cual se obtuvieron los circuitos impresos. FIC. IY-D-1 DUGJUHA DE CIRCUITO IMPRESO DE U TARJETA DE INTERFASE DE POTENCIA 247 rrc. n-0-2 DIAGRAMA DE CIRCUITO IMPRESO DE u. TARJETA DE POTENCIA 248 .. . . . . FIC. IY-D-3 DUCRAKA DEL LADO DE LOS COMPONENTES DE LA TARJETA PRINCIPAL 249 f"IG. JV-D-4 ·~ ....... . ........ 1 ........ DIACRAHA DEL UDO DE SOLDADO DE SOLDADO DE LA TARJETA PRINCIPAL 250 PROCESO DE FOTOGRABADO Este proceso es uno de los más demandados en la f abricaci6n de circuitos impresos y consiste básicamente en la sensibilizaci6n de la superficie de cobre limpia de la placa. Esta bien puede ser de material fen6lico o fibra de vidrio. Primeramente se sensibiliza la placa con una substancia qu1mica, que en su presentaci6n comercial tiene el nombre de "fotoresist 11 • Posteriormente se coloca el negativo sobre la placa sensibilizada para someterse a una luz infra-roja durante 10 minutos, tiempo durante el cual se graba el dissno del negativo. Una vez pasado este tiempo se revela la placa en la· substancia reveladora del "fotoresist" y posteriormente se sumerge en cloruro férrico al 30t hasta que se observe solo el diseno original. 251 ELABORACION DE PROGRAMAS DE TRABAJO Para la elaboración de un programa de trabajo debe contarse previamente con la secuencia de movimientos que el robot debe ejecutar. Esta secuencia de movimientos llevará al robot de una posición inicial a una posición final a través de modificar el estado presente de cada una de las articulaciones del brazo en forma pertinente. El programador debe intuir exáctamente como debe moverse cada articulación para lograr llevar al robot hasta la posición deseada. Debe además recordar que los movimientos de la muñeca no son independientes unos de otros. Por ello debe tomar en cuenta que debe mover estas articulaciones en la siguiente secuencia: levantamiento de muñeca, giro de muñeca y apertura o cerrado de tenaza. Después de que se tiene la secuencia de movimientos, el programador debe referirse a la tabla siguiente para poder obtener los códigos necesarios relativos a cada movimiento. Deben considerarse cuidadosamente los limites de área de acción para no rebasarlos y evitar problemas mecánicos y eléctricos. 252 [ ARTICULACION j I DE MOTOR j MOVIMIENTO @OiiiGOfLA.A. • !POSJCION MEDIA GIRO DE MUÑECA 00 IZQUIERDA 08 HEX 'TEÑAZA DERECHA 10 HEX 1 CIERRE 18 HEX APERTURA 20 HEX LEVANTAMIENTO DE MUÑECA 02 81'.JAR 29 HEX 25 HEX ec HEX SUBIR 30 HEX 05 HEX CODO 03 IZQUIERDA 38 HEX 43 HEX 64 HEX DERECHA 40 HEX 83 HEX HOMBRO 04 Bl'.JAR 48 HEX 73 HEX 81 HEX ¡..-- . -- SUBIR 50 HEX 05 HEX CINTURA 05 IZQUIERDA 58 HEX 00 HEX 48HEX DERECHA 60 HEX 66 HEX • LIMITE DE AREA DE ACCJON IV. ·TAHLA DE FUNCIONES Y COUIGOS Los códigos del programa tienen que ser introducidos en el mapa de memoria del micropocesador, empezando en la localidad $E40, Para las articulaciones de levantamiento de muñeca, codo, hombro y cintura, son necesarios tres datos de esta tabla.. La secuencia en que deben ser acomodados estos datos es la siguiente: 1) Número de motor 2) Código de movimiento 3) Posición final de la articulación 253 Con el número de motor le indicamos al micropocesador que articulación queremos mover; con el código de movimiento le indicamos que movimiento especif~co debe realizar esa articulación; con la posición final le indicamos a dónde queremos que llegue la articulación detro de su área de acción. El valor de la posición final en función del ángulo de la articulación con respecto a una articulación anterior, puede ser obtenido de la siguiente manera: - Se obtiene un dato previo con el ángulo deseado de la articulación empleando la siguiente fórmula: dato previo 0.5637 • ángulo + B El ángulo, indicado en grados, puede ser positivo o negativo, dependiendo del sentido de movimiento elegido (ver diagramas de limite de área). Bes una constante que depende del movimiento a ejecutar. En la siguiente tabla se muestra el valor de B para cada movimiento. ARTICULACION BIQRADOSl HOMBRO 130 CODO 101 LEV. MUflECA 109 TABLA OC YALOTIL'S DE D PARA CADA ARTICUt.ACION 254 .----· CODO ~ObHEX ~ 5 ., llHE)( .............. 73HEX HOMBRO 116¡..f"JI / ;(:: ... [-_·: :i!:l t1EX LEY. HUÑECA LIHJTES DE A.REA. DE ACCION PARA ARTICULACIONES DE lfOHBRO, CODO, Y LEVANTAHIEHTO DE HUÑECA Este dato previo obtenido debe ser convertido a hexadecimal para poder ser incluido en el programa corno posición final. Para la articulación de apertura o cerrado de tenaza, el dato de posición final debe ser sus ti tu ido por un tiempo de apertura expresado en hexadecimal. Este tiempo de apertura se calcula con la siguiente fórmula: DATO DE APERTURA = TIEMPO DE APERTURA / 34 rnseg 255 Este dato tiene que ser convertido a hexadecimal para poder ser incluido en el programa. El movimiento de cerrado es interrumpido por sensores colocados en la tenaza. Para el movimiento de giro de muñeca se tiene control solamente en dos posiciones del giro, por lo que también para este movimiento, el dato de posición final debe ser un tiempo de movimiento, el que se calcula de la misma manera en que se calculó el de apertura de tenaza. Para el movimiento de cintura, el dato de posición final corresponde al número de dientes (convertido a hexadecimal) que el sensor tiene que contar para que el brazo alcance la posición deseada. El número de dientes se calcula con la siguiente fórmula: No. de dientes 0.6388 (ángulo) + 73 El ángulo debe ser indicado en grados, pudiendo ser positivo o negativo, dependiendo de la posición a la que se quiera llegar. Debe tenerse cuidado de no pasar los limites de acción de área del engrane de la cintura, de lo contrario se tendrán problemas con el sensado de los dientes. A continuación se presenta un diagrama del limite de área p¡ira el niov imiento de cintura. 256 DIENTE 73 ANClULO• O /---:---........ / ' " / ' ' I \ / ' \ ! : \ 'i .... .--------·----.) DIENTE O DIENTE 148 ANGULO• ·114' LIMITES DE ARCA DE ACCJOH PAAA HOVlHlEHTO DE CJHTURA Asi, a manera de ejemplo presentamos a continuación una tabla con los datos necesarios para crear una secuencia de trabajo: 257 L_ SECUENCIA iCINTURA lizOUIERDA !DIENTE 30 HOMBRO ARRIBA 90° !TENAZA 1CERRAR DON'TCARE CINTURA DERECHA DIENTE 130 HOMBRO ABAJO LIMITE INFERIOR LEV. MUÑECA !ABAJO 35° TENAZA ABRIR TIEMP0=1.5 SEG. HOMBRO ARRIBA 90° FIN i CODIGOS J -¡- 05 1 58 1 1 1E 1 02 ------j 1 30 1 6C ¡ 01 1 1 18 1 00 1 1 05 60 81 04 ¡ 48 75 02 ¡ 28 1 30 1 01 1 20 1 2A 04 1 50 81 1 FF 258 HOJAS TECNICAS DE CIRCUITOS ELECTRONICOS UTILIZADOS i ® MOTOROLA 1 ¡- HSUFFIXSERIESC'10S~:~-~-------¡ 1 fh• l• :.,,,.,., , " • , ..... t"'f '· 1., P ~ ,.. '• , ''"'"'"'en ¡ j :~ ...... ',' .·. . .. :.: .. ·7~~ '::::.~:·: .. '.~·::;,:·;: 1 ; : 1 •. \11°,,• ... .¡...... ! • ":.·1Da~1ec-1 :J••·""""1 "Pd •n tn" .... 'l" \15f, ' •V,.. u• Voull • '.l(l(l 1 . u .. .,,,..,, • .,,,,"''""''"'•': .. '·"<:! 10 ~" ~ºº"'"'"''" '°º'' ~o•tllQf '"º' B SEHIES GATES . '"" ••····~!>so•Vooi u•.,, .. 1~~'º·" "~•·~·'•''u'""' ----·-··--·-- --·--·- ·····-----· 259 MC14082B CMOS B·SERIES GATES ·•- ,,, ..... , r,,.., ,. •·•<'••·. ••·n., ·~cr º,'"'C ,_ •• :•,.,.,,. . •~ .... .-. r,. :•~,. .. • ............. J •• , .... . •f•••4'•i>P,..,.,,. ,.,...,..,.., ...... ., .. ,v-r·,•·•••*'" 260 MC14082B CMOS B·SERIES GATES B SElllES GA TE SWITCfHNG TIMES IWITCHJ~OCHAAJ\CTEAISflCSº Cl•'t011• '"'"1'•'-' -----------· --··-r---- Cho•I......... ¡ h,..bol ::~~; :~~ '..~~: ": 1 A :; ·~;.:-. ·- ·- -- 1 r-::: IJLM ••~4f'ft1r1 '"¡ • ·~~, ""'l ......... ~~----~ 11Ml • •t 1'>"'"' l.¡• Jl"I :~~~::~~~::~: ~~ :;~:: : '·c..· .......... ri ......... -r~ YCUfJ.Jlll ·~cuc.••'lnft•• ... i!if~'.}!~l!.::::.~!: ;::: 1 1 •11u• •pu~ '016n•l'J, el• l'"' ,,,..,.,,e;,,, Y<.140'.18 Yi:l10lll8' ::!: :::~ . :g~: ::·::~: ~~ : :r::·· -~=r.!!!__--~ ~ti 1 - H¡I'/ )(¡Q '•I - "'1 100 ... - ~11 80 ---~--<----->---! ~g ... ""' :: ""' " " "' '"' '" -~ '"° " " " " ... JOO " .. 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'• ·O-· . ..,~ 'A• ..... -¡.~,. ... ,~· ,, .. n ...... r•1••••"'"" ... ••• _ ..... ," .. 1)1' ............ ,. ..................... . ......... ~. ,, .... . 261 ®MOTOROLA MC14049UB MC14050B MC14049UB MC1405DB r ---·----·---·------·-----~ ~========~ H[X BUFFERS Th11 MCl4049U0 ht• 1l•Yf"ler tn.ilh11 end MC140fiOB non mvtrllllíl hr• t1ulf111 Me io•151•11~lt•tl w111• MOS r chan,..111 ani.J N chtnl'tel tonhanrtmen1 n1odt de~·1ces m 1 ••ngle monolnh•c 1t1uclu11t Thun com11l11ment1•y MOS dov1ce1 l111d p1lmary uto where lu,., pthYll• d•u1p.111011 endlo• h•gh no1111 1mmum1y •l d01hod '"'''' rll!v•tlll prov•de lo¡¡•c levttt convorJiofl 1.111ng only Olll IUIJfllY yoJ1,1110 Voo The 11111\Jl s111nal h1gh ll!\ll!l IV1HI C•n t1~CfPll lhH Voo 1urfl11 \lolt11un fil• ln;11c lrvct! conH11~1un• Two TTltOtl l11111h C•1" be drivru whr11 lh" r!l'Y1cr.1 o•I' u•u•d o• CMOS •.• 1 rt IHt ("mlyf'1lr1s IVuu 5 o \/. \/01. e:: o 4 v. lot:;:. 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LLO DOPIT CUNA NJ dy YE, LED MAP ot CUMAENT fro Pigpues 7, Turn-On Bwetching Times Figure €, Tum-ON1 Eurtteiing Times 4N35, 4N36, 4N37 ·l:::!=il::f=J:=t;:$~-~~t-·~MS·-~ IBl--+-4-4--1,..-i:--1--+--1~1--1 1 M<--<-+-.~4-l-4--l-l 1·:§ª-!si3__~~~H-f3 »:~.~.~.~.~i.~.~.~i.~.~~ ~ ! · .. VaCO.UOOlll(~Tl~VQ.tlQM;lllSo i re l. onecior & r nt "*-Ut Collect:or·Emm.Voftap 1 1 ~:11111 " e IA-AMU"1 tfldl'IUT~t't• Rew• l. o.rt 4m9nt V9'Mt Menf T~raf\11'9 .... I' ..,~ ''--'-'-'-'..U.U'--'-'~4"!~._..._.....""" ll U UlJI J 11~ • -~~ •• fDa.v C\.MINT-.AJ ...,. ,, Tum-On lwttdllnt Tl • lli ,¡ ~~,-t..,,.......~ .. "'-"1~+,-'-'+,W'!.,~B ...... ~""'IJ ~.UDICP\ITC\M'lrl'TlnlAI i ure l. ftlH d an lrn• =~IJMI =s:::a:i _ver .. '°" l•t-·-ri-tttlltt~-:±Htittf:;"1-Tttttttf 1 !1nRllll 275 J5 4N35, 4N36, 4N37 : .f7J··:· EB§~~~·~-:~: n ..... ¡·ttr+--t--+-+-t~t---+--+--+t.:-l'i s. ! ..... » lf,-1---1--1--+-4~1---l--+---+-,,..-I f I & 1 1 ICI " M it . ~ Wg.COWC'TDU.wrnu Wllf':" Mii.ti• Ature l. 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FIOUAt 7 - UflCLAMPfOtNOUCTIVt LOAD JIQUJlf. - INDUCTl\ll Lnan ..¡-ut.,...uMC11h111nt,.1ndunMlcM• l '2A NOtl2 lc-1<1''-1HIC>IC,.,1,..,.,..pe111"1on "OUAf 1 - MAONtrUDf º' COMMON EM1n11t IMAll·llQHALIHOft1.CIACUlf roAWAllD CURAENT TIUt.NIFEA ft,l.tlO 280 '• VOl1AOt ANOCUllAtNTWAVffOAMI .. OUllf 10- "Hf·Alll TUIJ'IAAfUAf l'OWlA OfAl.tlNQ IO IJQ l4Ullllllllt .. PIUIUflf1•t1 '" CONCLUSIONES El sistema propuesto, alcanza los objetivos dados para que en un ambiente industrial se pueda obtener un instrumento preciso que colaborará a obtener un mejor proceso en la labor que se le encomiende. Cabe mencionar que el nivel de optimización de este prototipo requiere ser incrementado en lo que se refiere a las partes mecánicas empleadas ya que eKiste un nivel considerable de pérdidas por fricción. Por lo que toca al manejo del software y los dispositivos electrónicos que se encargan de sensar, enviar, manejar y decidir las opciones que se tienen, estos se utilizaron de la manera más eficiente, estando su correlación bien establecida, de tal modo que permite que el sistema completo sea versátil según los requerimientos de movimiento que se tengan mediante el intercambio de un sill)ple programa almacenado en un dispositivo electrónico. Aún con las pérdidas que se tienen por el lado mecánico del sistema, la parte electrónica logra compensar este fenómeno para alcanzar las posiciones deseadas. Por último, el sistema demuestra que el nivel de tecnología requerido para tener la gama de movimientos, la capacidad par'a manejar cualquier objeto, y el tan deseado punto de ocupar .un relativo pequeño espacio, se puede tener con los conocimientos y tecnología nacionales. 281 BIBLIOGRAFIA l.- Korem Yoram, ROBOTICS FOR ENGINEERs .• Ed. Me Graw Hill, E.U.A., 1985. 2. 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