UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA 20 AS z DE MÉXICO FACULTAD DEANGENIERÍA CENTRO DE CIENCIAS APLICADAS Y DESARROLLO TECNOLOGICO INVESTIGACION DEL SISTEMA DE CONTROL DE UNA MICROMAQUINA HERRAMIENTA Y PROPUESTAS DE OPTIMIZACION PARA El SISTEMA. T E S I S QUE PARA OBTENER El — TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA P R E S E N T A JOSE RESENDIZ SANCHEZ DIRECTOR: DR. ERNST KUSSUL MBPUICO, D. F DICIEMBRE DÉ 2008 m 3401 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 esta 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. Áutorizo a la Dirección Ceneeni de Mblolecas de 1 de blo le UNAN a difundir en tormeto elpcirinino 6 impreso el contenido de mi l NOMBRE... FECHA: 03402 / al FIRMA: SS . Agradecimientos Para mi M dre mi Familia y mi Dios. Corti TP El presente trabajo fue desarrollado en el Laboratorio de Micromecánica y Mecatrónica del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico de la UNAM, bajo la tutoría del Dr. Ernst M. Kussul, con la asesoría del M.I. Alberto Caballero Ruiz, y ha sido apoyado por los proyectos: CONACYT 33944-U, DGAPA PAPIIT IN-118799, PAPUT 112102, NSF- CONACYT 39395-A Ante todo agradezco a la Universidad Nacional Autónoma de México, por haberme brindado un espacio de desarrollo, Gracias. AI Doctor Emst Kussul por su confianza y dirección, muchas gracias. Á la Dra. Tetyana Bydyk por su empuje para no abandonar, gracias. A la Dra. Graciela Velasco, por su apoyo, confianza y cariño, gracias. AIM. Alberto Caballero y al M.I. Leopoldo Ruiz, gracias. AI Dr. Gabriel Ascanio por su buena vibra, gracias. A Hector gracias por tu apoyo, amistad y confianza. Por las revisiones del Ing. Paulo López Meyer, muchas gracias * machihu? y del M.I. Gengis Kanhg Toledo también gracias, me fueron de gran ayuda. A don Mario Gracias por sus lips y apoyo. A los compañeros del laboratorio: el buen George, Eugenio, Memo, Angelica, Daniela, Oscar, y todos los demás, gracias, un placer. A mis amigos, por supuesto gracias. A los sinodales, por aceptar serlo. Ing. Rodolfo Peters Lammel MI. Larry Hipólito Escobar Salguero Ing. Victor Manuel Sánchez Esquivel Ing. Sabino Ortega Monjaras Muchas gracias. ÍNDICE ÍNDICE i ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS v INTRODUCCIÓN 1 Capítulo 1 3 ANTECEDENTES 3 Aspectos generales de la micromecánica 3 Breve historia de la micromecánica 3 Aplicaciones de microequipo 4 La micromecánica en el CCADET 6 Descripción de una micromáquina de primera generación y 7 sistema de control utilizado Sistema de control de microcentro de maquinado 10 Sistemas de control para la automatización de máquinas 11 herramienta Tipos de control 12 Sistemas de control secuénciales 12 Sistemas de control programables 12 Control numérico 12 Control numérico directo 12 Control adaptable 14 Código G y código M 16 Actuadores 16 Actuadores neumáticos 17 Actuadores hidráulicos 18 Actuadores eléctricos 19 Motores de corriente continua (CD), servomotores 19 Motores de pasos 20 Reluctancia variable 21 Imán permanente (unipolar y bipolar) 22 Híbridos 24 Hidráulico 24 Motores de corriente Alterna (CA) 24 Motores asíncronos 25 Motores síncronos 25 Comparación entre los diferentes tipos de actuadores 25 Sensores 26 Sensores internos 26 Sensores de posición 27 Sensores de velocidad 27 Sensores de presencia 27 Sensores externos 28 Contacto y no contacto 28 Alternativas de sistemas de control 29 Microcontroladores 30 Interfaze Controladora de Periféricos ( PIC) 30 Arreglos de Compuertas Programables de Campo (FPGA) 31 Procesador Digital de Señales (DSP) 31 Análisis de trabajos de tesis previos del sistema de contro! 32 de la máquina-herramienta 37 Capítulo 2 OBJETIVO Y METODOLOGÍA 37 Metodología 37 Planteamiento del problema 38 Capítulo 3 41 EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE PRUEBAS 41 FISICAS Análisis del sistema de control existente 41 Pruebas de trabajo con los sistemas existentes ' 42 Creación de programas 43 Descripción Del programa de control actual 43 Microtomillo 44 Micromachuelo 50 Simulación y manufactura de un microtornillo mediante 56 máquina CNC de Boxford Comparación de procesos, ventajas y desventajas de la manufactura. Ventajas Desventajas Análisis de de tiempos de producción del microcentro de maquinado del LMM y las máquinas Boxford de LMM. Capítulo 4 PROPUESTA DE CONTROL DE MÚLTIPLES ACTUADORES Introducción Control paralelo Propuesta de mecanismos para la optimización del sistema de control en paralelo de motores bipolares Relojes independientes Método de control Modos de control Modo de control de motores a lazo abierto Modo de control de motores a lazo cerrado Método de corrección Propuesta de esquema de control en paralelo de motores de pasos bipolares, con análisis de mejora para el microcentro de maquinado Descripción de las etapas del sistema de control propuesto Esquema general de control Registros de recepción y distribución Rg”S (8 bits) Registros de desplazamiento distribuidores Rg“Ds(16 bits) Etapa de control a Lazo Abierto LA Etapa de control a Lazo Cerrado LC Registro del motor bimodal Contadores de retroalimentación Contadores de proceso Etapa de potencia y fuente de alimentación Etapa de potencia Etapa de emergencia y fin de proceso Propuesta con conexiones USB (Universal Serial Bus) s7 58 53 59 61 61 61 61 62 62 63 63 63 65 66 67 67 69 69 71 75 78 80 81 81 84 85 86 1 CONCLUSIONES Y TRABAJO A FUTURO REFERENCIAS GLOSARIO lv 89 91 93 ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS Figura Página Figura 1.1. Microtorno Japonés 6 Figura 1.2. Micromáquina para inspección de tuberías por el método de 6 corrientes de Eddy Figura 1.3 Vista frontal del microcentro de maquinado 8 desarrollado en el LMM del CCADET- UNAM. Figura 1.4.Vista posterior del microcentro de maquinado 9 desarrollado en el LMM del CCADET UNAM. Figura 1.5.Vista posterior eje (Y) del microcentro de maquinado 9 desarrollado en el LMM del CCADET UNAM. Figura 1.6. Sistema de control del microcentro de maquinado de bajo costo 10 Figura 1.7.Fresadora y torno CNC de Boxford 13 Figura 1.8. Diagrama de operación del control numérico directo 14 Figura 1.9. Actuador Neumático. 17 Figura.1.10. Pistón hidráulico 17 Figura,1.11. Motor DC 18 Figura. 1.12. Partes de un motor de pasos 19 Figura.1.13. Corte transversal de un motor de reluctancia variable 20 Figura.1.14. Partes principales de un motor de imán permanente 21 Figura 1.15. Control de motor bipolar 22 Figura.1.16. Motor de pasos bipolar de imán permanente construido en el LAM 22 Figura.1.17. Alternativas de sistemas de control 28 Figura 1.18. Diagrama de bloques conceptual de un sistema típico ADC : 30 Conversor Análogo Digital.-DSP: Digital Signals Processors. DAC : Conversor Digital Análogo Figura 1.19. Diagrama de bloques del control, de un motor bimodal 31 Figura 1.20. Diagrama de bloques del diseño electrónico en Max+Plus II 32 Figura 1.21. Diagrama de bloques del control del motor [9] 34 Figura 2.1. Esquema de microfábrica o fábrica sobre mesa [15]. 33 Figura 3.1. Plataforma grafica del programa de control de microcentro Borland 43 C++ Figura 3.2. Portaherramientas y cortadores de tugsteno 44 Figura 3.3. Forma de rosca métrica 45 Figura 3.4. Manufactura Figura 3.5. Diagrama de flujo para realizar microtornillo Figura 3.6. Ubicación de pieza a maquinar Figura 3.7. Manufactura de cilindro base para microtornillo Figura 3.8. Cilindros base para microtornillo Figura 3.9. Maquinado de cuerda del microtornillo Figura 3.10. Cuerda del microtornillo Figura 3.11. Pruebas de cuerda para microtornillo Figura 3.12. Machuelo semicónico de cuatro canales Figura 3.13. Diagrama de flujo del programa del micromachuelo Figura 3.14. Localización de materia prima Figura 3.15. Maquinado de cilindro base para micromachuelo Figura 3.16. Cilindro base para micromachuelo Figura 3.17. Proceso de manufactura de ranura para desahogo de material Figura 3.18. Ranura para desahogo de material Figura 3.19. Manufactura de Cono o Chaflán Figura 3.20. Cono o Chaflán para el micromachuelo Figura 3.21. Manufactura de cuerda Figura 3.22. Manufactura de cuerda del micromachuelo Figura 3.23. Manufactura de canales de desahogo Figura 3.24. Prototipo de micromachuelo Figura 3.25. Hoja de diseño para manufactura con Boxford Figura 4.1. Una sola instruccióri y múltiples datos SIMD Figura 4,2. Control de velocidad de diferentes actuadores Figura 4,3 Diagrama de bloques del control a lazo abierto de un motor a pasos Figura 4,4 Diagrama de bloques del control a lazo cerrado de un motor a pasos Figura 4.5 Sistema de control de Motor bimodal Figura 4.6. Esquema de control para N Motores Bimodales Figura 4.7. Registros recepción y distribución Rg'S Figura 4.8 Registros de desplazamiento distribuidores del motor bimodal Figura 4.9. Ejemplo de señales de entrada del modulo de control Figura 4.10. Circuito lógico para Lazo abierto Figura 4,11 Proceso de conteo y recarga de valores Figura 4.12. Señales del estado del motor Figura 4.13, Esquema de lazo Cerrado Figura 4.14 Circuito electrónico de sensado y control de LC Figura 4.15. Ancho de pulso de retroatimentación Figura 4.16. Retardador de pulsos Figura 4.17.Registro de corrimiento del motor bimodal Figura 4.18. Contadores de retroalimentación Figura 4.19. Contador de proceso Figura 4.20. Fuente de voltaje variable vi Figura. 4.21. Etapa de potencia con el circuito L298N Figura. 4.22. Etapa de emergencia y fin de proceso Figura. 4.23. Puerto USB Tablas Tabla 1.1. Aplicación de tecnología de sistemas micromecánicos en la medicina Tabla.1.2.Tabla comparativa de actuadores Tabla 3.1. Valores teóricos de manufactura del microtornillo Tabla 3.2, Especificaciones de diseño para tornillo hecho en la máquina Boxford Tabla 3.3. Tabla comparativa de procesos de manufactura Tabla 4.1 Funcionamiento de los bits de entrada Rg“Ds Tabla 4.2 Funcionamiento del 74LS169 Tabla 4.3 Señales de entrada de la etapa contadores Tabla 4.4 Funcionamiento del registro del motor Tabla 4.5. Características de operación de los motores bimodales Tabla 4.6. Características de operación del LM317HV Tabla 4.7. Valores de resistencias comerciales Tabla 4.8.Voltajes de la fuente variable 2 5 % 26 56 59 70 73 75 82 82 vii vil INTRODUCCIÓN Dentro del Laboratorio de Micromecánica y Mecatrónica (LMM) perteneciente al Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET), se desarrolla Tecnología para generar microequipo debido a las necesidades actuales tanto a nivel científico como industrial. El desarrollo de esta tecnología se basa en la necesidad de tener sistemas compactos de alta eficiencia, tamaño minimo y un gasto de energía óptimo. En el LMM, mediante maquinas-herramientas convencionales (tornos, fresadoras, taladros, etc.), se ha creado el prototipo de una micromáquina-herramienta, la cual tiene dimensiones diez veces menores que las convencionales, por lo que ésta sería de primera generación y se buscaría desarrollar futuras generaciones de micromáquinas mediante el uso de las mismas. El prototipo del LMM funciona con motores de pasos controlados por software desde una computadora personal, Dicho equipo realiza procesos de maquinado de piezas mecánicas y puede trabajar como torno, fresadora o taladro. Con el objetivo de evaluar el microequipo desarrollado y encontrar deficiencias del microequipo, para establecer mejoras en lo referente al sistema de control se sugiere desarrollar procesos de manufactura de piezas mecánicas y evaluar físicamente estos procesos. Este trabajo se divide en cuatro capitulos centrales, un apartado de conclusiones, y uno de referencias. En el primer capítulo se introduce a los fundamentos y antecedentes para el desarrollo de microequipo basándose en el prototipo de la primera generación existente, así como ciertos sistemas de control para la automatización de máquinas-herramienta; alternativas de sistema de control; análisis de trabajos de tesis previas del sistema de control de la máquina-herramienta. En el capítulo dos se describe el objetivo y la metodología a seguir durante este trabajo de tesis y el planteamiento del problema. En el capitulo tres se analiza el control existente, se describe la generación de los programas para el desarrollo de los prototipos (microtornillo y machuelo) y la manufactura de éstos, con el objetivo de encontrar deficiencias y proponer mejoras en éstos procesos En el capitulo cuatro se.analizan el control de forma paralela de motores a lazo abierto ya lazo cerrado; y se propone una solución para optimizar el sistema de control de motores de pasos con retroalimentación basado en lógica discreta (registros de corrimiento y contadores) así mismo se describen las etapas del sistema propuesto. En el último apartado se plasman las conclusiones y el trabajo a futuro. Capítulo 1 ANTECEDENTES Aspectos generales de la micromecánica A nivel mundial y a lo largo del tiempo, las máquinas-herramienta han venido cambiando, en especial las dimensiones de éstas, de aquí el desarrollo de la micromecánica que en los últimos 20 años se ha convertido en un importante campo de estudio debido, en gran medida, a la necesidad de generar sistemas compactos de alta eficiencia, bajo consumo de espacio y energía. Basándose en la micromecánica, se ha desarrollo el primer microcentro de maquinado en el LMM de México, el cual ha generado diversas expectativas, a tal grado que se debe probar fisicamente, y evaluar los sistemas de control, para asi caracterizar este prototipo de máquina herramienta mediante procesos de manufactura reales Breve historia de la micromecánica A través de la historia, y más en los últimos años, el hombre se ha dado a la tarea de compactar cada vez más diversos productos y procesos, por lo que existe la necesidad de desarrollar técnicas de diseño y producción de equipo para generar estas tecnologías de acuerdo a las nuevas necesidades. El desarrollo de estos nuevos equipos se inició a mediados de los años 80's. Desde entonces ha tenido un alto impacto en varias áreas tanto en el ámbito científico como industrial; tal es el caso de la medicina, agricultura, la industria química, aeroespacial, generación de energía, etc. En la actualidad existe la tendencia de miniaturizar cada vez más algunos sistemas en técnicas de producción y de maquinaria que funcionen de acuerdo a las nuevas necesidades de generar productos óptimos en lo referente a espacio, ahorro de energía y dinero. Esta tendencia de miniaturización empezó en los años 80's a partir de la infraestructura que implementó la microelectrónica, que engloba a un conjunto de tecnologías orientadas a la realización de circuitos y dispositivos electrónicos microminiaturizados, con lo cual se estableció la tecnología para producir dispositivos micromecánicos. En diferentes partes del mundo se desarrollan tecnologías basadas en la microelectrónica para la miniaturización de estos sistemas, como por ejemplo, en los Estados Unidos de Norteamérica se desarrollan los MicroElectroMechanical Systems (MEMS), en Europa los MicroSystem Tecnology (MST), y finalmente los MicroMachine Technology (MMT) que se desarrollan principalmente en Japón. Estas tecnologías están basadas en un grado aceptable en técnicas empleadas para la construcción de circuitos integrados de producción en serie o por lotes para crear microelectrónica [1], ya que uno de los objetivos de estas tecnologías es la repetibilidad de las piezas que se manufacturen. La tecnología empleada en microelectrónica, permite crear dispositivos de bajas dimensiones con componentes mecánicos simples, mas una de las desventajas es que estos dispositivos solo tienen dos dimensiones pues son creados con películas planas. Los materiales principalmente usados en esta tecnología son: Silicio, óxido de Silicio, películas de metales (principalmente Aluminio), y materiales piezoeléctricos (como los cristales de Cuarzo). Aplicaciones de microequipo Hoy en día el requerimiento de microequipo es cada vez mayor en diversas áreas del ámbito científico e industrial, donde se requieren ciertos dispositivos como por ejemplo: En el campo médico la demanda de microequipos aumenta con las aplicaciones en microscopia, diagnostico, intervenciones quirúrgicas poco agresivas e invasivas, etc. La reducción en el tamaño de los instrumentos permite inspeccionar las partes internas del cuerpo humano reduciendo los posibles daños a éste, así como también, eleva la precisión y la eficiencia en diagnósticos. Algunos dispositivos generados con estas tecnologías son: Aplicación _ [Productos e Microsensores de presión táctil Sensado e Microsensores de presión y flujo sanguíneo «e Sensores para análisis sanguíneos + Biosensores e Microcámaras de CCD Observación : __ + Dispositivos de diagnóstico por ultrasonido o ] : e Micromanipuladores de alta precisión | Tratamiento e Microactuadores e Tecnología de teleoperación _* Tecnología de control. e Equipo de microinyección e infusión e Microequipo de muestreo de sangre + Microbombas Transporte de medicamentos e Microválvulas : | *_ Sistemadde cápsula para el traslado de medicamentos Estímulos e Interfaces nerviosas eléctricos e retina artificial Sistematización . Tecnología de montaje de alta densidad __*__ tecnología de sistematización Tabla 1.1. Aplicaciones de la tecnología de sistemas micromecánicos en la medicina [14] Otro campo de aplicación importante es la manufactura de pequeños productos industriales. En estos casos la energía consumida con este tipo de máquinas disminuye de forma considerable. Actualmente se emplean varias tecnologías para manufacturar componentes mecánicos de dimensiones pequeñas del orden de decenas de micrómetros para la construcción de motores y actuadores de bajas dimensiones. En la figura 1.1 se muestra un microtorno japonés el cual es una de las pocas imágenes relacionadas con micromáquinas herramientas; sus dimensiones son menores a 3 cm? [15]. Figura t.1. Microtorno Japonés En la actualidad cxiste interés en el desarrollo de pequeños robots de mantenimiento para inspección y reparación en lugares estrechos e/o inaccesibles. La aplicación de este tipo de robots cubre un amplio rango de equipo: maquinaria para transporte, plantas de energía (inspección en turbinas sin necesidad de desensamble), inspección de tuberías, plantas químicas, petroleras, nucleares, etc. [2]. En la figura 1.2 se muestra una micromáquina para inspección «le: tuberías por el método de corrientes de Eddy (15). Figura 1.2. Micromáquina para inspección de tuberias por el método de corrientes de Eddy. La Micromecánica en el CCADET De acuerdo a las experiencias del Dr. Kussul, en Ucrania se desarrolló tecnología alternativa basada en micromáquinas herramienta (MMT) y dispositivos de microensamblaje, de los cuales se comprobó que la precisión del equipo producido logró incrementar en forma proporcional con la disminución de dimensiones, por lo que se propone fabricar microequipo a través de una serie de generaciones de MMT las cuales vayan decreciendo gradualmente en sus dimensiones. Dentro del CCADET se han realizado múltiples investigaciones dentro de esta área desde el año de 1999, y en específico en el Laboratorio de Micromecánica y Mecatrónica (LMM), donde se desarrolló este primer microcentro de maquinado. Las micromáquinas herramienta y micromanipuladores de primera generación tienen medidas entre 120 y 300 mm y pueden ser producidas con equipo mecánico convencional (tornos, fresadoras, taladros etc.). Las micromáquinas herramienta y micromanipuladores de segunda generación pueden tener medidas entre 50 y 80 mm y deben ser producidas con el microequipo de la primera generación. De esta manera se define que las generaciones siguientes deben estar conformadas por equipo más pequeño que el equipo de la generación anterior y todos los microdispositivos deben ser controlados automáticamente por medio de una computadora. Por tal motivo, es posible crear una microfábrica (llamadas también fábricas sobre mesa), que contenga una gran cantidad de microsistemas [1]. La idea es generar prototipos lo más simples posible, y usar un mínimo de componentes industriales para la generación de éstos. Para desarrollar sistemas micromecánicos como las MMT, micromanipuladores, microrobots, etc. se necesitan estructuras mecánicas para las nuevas máquinas con las siguientes características: Tres dimensiones reales Formas complejas - Posibilidad de ensamble y movimiento Uso de diferentes materiales De acuerdo con estas premisas se desarrolló el microcentro de maquinado Fig.1.3, el cual de acuerdo a nuestro conocimiento es el primero en su tipo en México.Todo esto bajo la dirección del Dr. Ernst Kussul, jefe del LMM del CCADET. Descripción de una Micromáquina de primera generación y el sistema de control utilizado Este tema es tomado de la tesis de maestría “Caracterización de un microcentro de maquinado de bajo costo” del M.L Alberto Caballero Ruiz. [2]. En el año de 1999 se desarrolló un prototipo de microcentro de maquinado con capacidad para realizar maquinados de torneado, fresado y taladrado. El tipo de trabajo depende del tipo de herramienta empleada y de la configuración en la que trabaje el equipo. A continuación se habla del prototipo desarrollado en el LMM. El microcentro de maquinado tiene dimensiones aproximadas de 130x160x85 mm; dicho prototipo es presentado en las figuras 1.3, 1.4 y 1.5. Como se puede observar en las figuras, sobre el bastidor (1) están montadas tres guías (2), (4), (6), mismas que soportan tres carros (3), mediante un esquema secuencial. Cada guía es instalada sobre el carro previo para obtener con esto movimientos de translación en los ejes SAR Cuenta también con un sistema de sujeción de piezas (10) que está acoplado a una caja de reducción de engranes (9) y también es instalado sobre la base. Los actuadores empleados para proporcionar movimiento, tanto en los carros como en el sistema de sujeción son motores de pasos (8) auxiliados mediante cajas de engranes con una relación de 84.7:1. En el último carro se encuentra montado un sistema porta herramientas para realizar trabajos de tormeado, para el caso de fresado y taladrado se coloca un sistema de sujeción especial en lugar del portaherramientas (12). El diseño detallado de este prototipo es mostrado en la tesis “Diseño y construcción de un nucrocentro de bajo costo” [3]. 10 Figura 1.3. Vista frontal del microcentro de maquinado desarrollado en el LMM Del CCADET- UNAM. Figura 1.4. Vista posterior del microcentro de maquinado desarrollado en el LAM Del CCADET- UNAM. Figura 1.5.Vista posterior eje (Y) del microcentro de maquinado desarrollado en el LMM Del CCADET UNAM. 9 Sistema de control del microcentro de maquinado Este tema es tomado de la tesis de maestría "Caracterización de un microcentro de maquinado de bajo costo” del M.1. Alberto Caballero Ruiz. (2]. El sistema de control de este prototipo fue diseñado con el objetivo de tener la posibilidad de emplear una computadora personal para su control y eliminar en medida de lo posible el hardware de control externo. Este está compuesto por un amplificador de DC de 16 canales y cuatro acondicionadores de señal de los sensores de contacto eléctrico. El microcentro de maquinado cuenta con dos puertos (13) que contienen conexiones a los motores de pasos y sensores de contacto colocados en el inicio de la carrera de cada eje. El estado de cada uno de los motores es determinado por los datos que se envian por el puerto “A”. Para realizar cada paso en la computadora se tiene que realizar un cambio de cuatro bits. Para simplificar el sistema de control de los motores de pasos que trabajan en modo estático. La retroalimentación de la micrormáquina herramienta a la computadora es realizada por medio del puerto “B” con la ayuda de cuatro sensores de contacto eléctrico; tres de ellos se emplean para determinar la posición inicial de los carros y uno de ellos es empleado para detectar el momento de contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo, con el fin de determinar posiciones relativas de diferentes instrumentos empleados en los procesos de manufactura, También se emplean para realizar algunas mediciones durante el proceso, por ejemplo, medir el diámetro de la pieza de trabajo. El diagrama de control se muestra en la figura 1.6. Puerto Paralelo 1 de la PC Puerto Paralelo 2 de la PC [menso y | femaores | acer | [ieetoca | oso vea) | resora | A] EA YY r Y «$ 'O Pe oy yi du ny 'O Pp eo yy du rn y Y Sensores ] Motores Puerto de la micromáquina herramienta Y ep E S I O P E L O A P U O I Y Figura 1.6. Sistema de control del microcentro de maquinado de bajo costo. 10 El lenguaje de programación empleado para desarrollar el programa de control para esta micromáquina fue C++ bajo la plataforma Borland Builder. Sistemas de control para la automatización de máquinas herramienta Dentro de los sistemas de automatización de máquinas-herramienta tenemos tres áreas importantes, corno son: el control, los actuadores y los sensores. La evolución de la tecnología de las máquinas herramienta ha estado marcada por grandes avances en la capacidad de control, particularmente en los últimos 30 años. La configuración de muchas máquinas-herramienta no ha cambiado en muchos años; pero, la Megada del control numérico, control numérico por computadora y avances relacionados han traído importantes cambios y efectos en los métodos de manufactura y sus costos. Uno de los objetivos de la automatización es reproducir piezas las veces que sea necesario, disminuir la intervención del hombre en la operación de las máquinas herramienta, y en el caso del microcentro de maquinado es indispensable por las dimensiones de las piezas manufacturadas. Con las máquinas automáticas se logra obtener: Reproducción de piezas con mayor similitud Calidad aceptable en acabados y en dimensiones Poca injerencia humana Control de producción La automatización implica autocorrección. Esto significa que para lograr la automatización de una máquina-herramienta no solo es necesaria la coordinación de las partes de la máquina, sino que también deberá incluirse en la máquina los servomecanismos adecuados para corregir las deficiencias o variaciones detectadas en los procesos que realice. Las máquinas-herramienta automáticas logran su objetivo de operación por medio de actuadores (en el caso del microcentro de maquinado se usan motores de pasos, que son un tipo de actuadores) que controlan los movimientos de desplazamiento o las herramientas de corte de acuerdo a las necesidades de manufactura, Las operaciones de inspección, autocorrección y de control se llevan a cabo mediante sensores (los cuales pueden ser mecánicos, eléctricos, electrónicos, sonoros, magnéticos, térmicos o de láser), los propios actuadores y el sistema de comunicación que tenga el propio sisterna de control de las máquinas-herramienta. 11 Tipos de control Existen diversos tipos de sistemas de control tales como: Sistemas de control secuenciales Los sistemas de control secuenciales son una clase de dispositivos electromagnéticos y electrónicos que se usaban para controlar la operación de una máquina herramienta u otro equipo de una manera predeterminada por pasos; actualmente ya no se usan. Sistemas de Control programables Un controlador programable (CP) es un dispositivo de estado sólido usado para controlar el movimiento o el proceso de operación de una máquina por medio de un programa grabado. El CP controla las salidas en respuesta a estímulos en las entradas, de acuerdo a la lógica prescrita en el programa grabado. Las entradas están hechas con interruptores, botones, pulsos, señales analógicas, datos ASCII y datos binarios de codificadores de posición absoluta. Las salidas son niveles de voltaje o corriente que manejan dispositivos finales como solenoides, bobinas de motores, relevadores, luces y otros. Este tipo de sistemas de control han sido desplazados debido al tipo de programación en que están basados, ya que los nuevos sistemas no son tan complicados [13]. Control numérico El control numérico (CN) es la supervisión y regulación de determinadas tareas mecánicas de precisión, realizadas por una máquina herramienta, El control de estas tareas se realiza de forma automática para evitar, de este modo, que el control se lleve a cabo por un operario que, en ocasiones, podría verse sometido a ciertos riesgos en un proceso donde es imposible erradicar los errores humanos. El control numérico asistido por computadora (CNC) y el control numérico directo (CND) han dado a la industria manufacturera la capacidad de ejercitar un nuevo y mayor grado de libertad en el diseño y manufactura de productos. Esta nueva libertad es demostrada por la capacidad de producir automáticamente productos que requieren de procesamientos complejos con una gran calidad. 12. En la figura 1.7 se muestran máquinas de control numérico adquiridas por el LMM, como la fresadora /90VMC y el torno 160T7CL, de la marca Boxford, con las cuales se han maquinado algunas piezas mecánicas, para las micromáquinas desarrolladas en el LMM. Figura 1.7.Fresadora y torno CNC de Boxford Los avances en los diseños de los productos y de las máquinas-herramienta han sido paralelos, pues cada avance en las máquinas de CN no solo permite diseñar productos que antes no se podían producir, si no que además sugiere mejoras adicionales en las máquinas, lo cual permite una mayor complejidad en el diseño de productos. El control numérico es aplicable a una gran variedad de tareas industriales. Al evaluar las ventajas del CN a un trabajo en particular, el mayor peso debería caer sobre trabajos que incluyan: 1. Una larga serie de operaciones en las cuales un error en la secuencia destruiría el valor de las operaciones. 2. La gran mayoría de secuencias de operación que deben ser rápidas y frecuentemente utilizadas en una misma máquina-herramienta. 3. Una secuencia relativamente compleja de operaciones. 4. Una operación en la cual no sea práctico para un ser humano operar en el ambiente requerido. Existen ventajas en el campo del diseño debido a que se pueden hacer prototipos más precisos cuando se usan máquinas con CN, ya que se logran mejores tolerancias. Al tener éstas, aumenta la capacidad de hacer contornos precisos, evitando el uso de herramientas especiales, por lo que se disminuyen costos [13]. El CND es un sistema que conecta un grupo de máquinas de control numérico a una computadora conrún para el almacenaje parcial de programas, con la disponibilidad para la distribución de datos de mecanizado durante la demanda. Frecuentemente, memorias adicionales están disponibles para recolección, visualización o reprogramación de partes de 13 programas, instrucciones de operación o datos relacionados al proceso CN. En la figura 1.8 se muestra la imagen de operación del CND. Memoria del programa Computadora Central 2 Máquina de Máquina de Máquina de CN CN CN Figura 1.8. Diagrama de operación del control numérico directo En general, existen dos áreas de aplicación en las cuales el CND ha mostrado ventajas específicas. Primero, el concepto CND se justifica regularmente en aplicaciones que tienen grandes cantidades de información de control que debe ser administrada, guardada y distribuida ó muchos programas de CN o muy complejos. El CND facilita el manejo de gran cantidad de programas CN y ayuda a dejar de lado la posibilidad de usar el programa equivocado o que no sea la última versión de éste. Con CND, los programas largos pueden cargarse rápidamente, eliminando las pérdidas de tiempo al usar medios mecánicos de transferencia de datos. Existe así una mayor eficiencia de las máquinas herramienta. El concepto CND también se emplea como el corazón del sistema de control para los Hamados sistemas de producción flexible, en los cuales una serie de máquinas CN son unidas por medio de comunicación electrónica de datos y automatización mecánica. Estos sistemas se utilizan para mecanizar familias de partes y están equipados con una computadora central, la cual dirige el flujo de partes a través del sistema y Opera en un modo CND, bajando los programas CN a alguna de las máquinas herramienta del sistema cuando ésta lo necesite [13]. Control adaptable (CA) En general, el control adaptable, a veces denominado control adaptable automático (AAC), es un tipo de sistema el cual automática y continuamente revisa el progreso en línea de una actividad (un proceso u operación), por ejemplo midiendo una o más variables del proceso, comparando las cantidades con otras cantidades medidas, o calculadas, o estableciendo valores o límites, y modificando las actividades ajustando automáticamente una o más variables para mejorar y optimizar los resultados. , 14 A pesar de que existe controversia respecto a cuál es la definición exacta de CA, particularmente en las aplicaciones de maquinado, algunos expertos señalan que existen dos clasificaciones primarias: Control adaptable para optimización (Adaptive Control for Optimization, ACO) y control adaptable para limitación ( Adaptive Control for Constraint, ACO). Con ACO, los resultados de una operación son optimizados de acuerdo a su índice de funcionamiento, el cual es usualmente una función económica, ya sea costo minimo de maquinado, máxima producción o máxima calidad. Los sistemas que usan ACO requieren tres funciones (identificación, decisión y modificación) para así poder ir comparando el proceso con el valor del índice de funcionamiento. Con ACC, las condiciones de maquinado como velocidad del husillo y/o avance (usualmente solo avance) son maximizadas dentro de los límites prescritos de la máquina y la herramienta, como máxima potencia, torque, o fuerza. Este tipo de control es el más común en el trabajo de metales. Hoy en día, las aplicaciones más exitosas de CA siguen siendo en la industria aeronáutica y aeroespacial. La experiencia en sistemas Diseño Asistido por Computadora y Manufactura Asistida por Computadora (CAD / CAM) , la cual es común en este tipo de industria de alta tecnología, complementa de gran manera el trabajo para incorporar exitosamente un sistema CA, el desarrollo de técnicas de programación avanzadas y la estructuración de complejas bases de datos. En general, se ha demostrado que el control adaptable es más apropiado para las operaciones de mecanizado en piezas complejas de aleaciones difíciles de cortar y operaciones caracterizadas por significativas variaciones en los parámetros de mecanizado, como dureza o maquinabilidad, cambios en las dimensiones de corte durante el proceso de maquinado. Existe una serie de tipos diferentes de sistemas CA actualmente, variando desde compensadores simples de herramientas automáticas hasta sistemas altamente sofisticados manejados por computadora, los cuales monitorean y controlan una multitud de variables del maquinado. De manera creciente, los sistemas probados están siendo ofrecidos como equipamiento estándar u opcional en equipos CNC y otra maquinaria. Los sistemas más conocidos son los de control dimensional automático, la tecnología de sensores láser y optoelectrónicos y los sensores de desgaste de la herramienta [13]. En el caso del microcentro de maquinado del LMM, podemos ver que el tipo de control se adapta a las características de CND donde la programación automática o asistida por computadora es hecha independientemente del equipo de manufactura, donde se codifican directamente las tareas la cuales son definidas por el usuario en un programa-pieza. Se busca que tome las características del CA; también se busca que el sistema de control tenga retroalimentación en los procesos de manufactura y tienda al CA. De lo anterior se 15 pretende implementar los códigos G y M para los procesos de manufactura llevados a cabo en las micromáquinas. Código G y código M El código numérico estándar que utilizan las máquinas CNC es el código G y el código M que forman parte del estándar ANSI/EIA-RS-274-D. La estructura del programa-pieza contiene datos de cabecera, definiciones tecnológicas y geométricas, instrucciones de ejecución e instrucciones de fin de programa. El código G corresponde a un conjunto de instrucciones denominadas funciones preparatorias y que tienen que ver con el modo de posicionamiento de la herramienta y con las cuales se definen movimientos de posicionamiento, interpolación, paradas, correcciones, y otras operaciones más complejas. El código M corresponde a un conjunto de instrucciones también conocidas como funciones auxiliares que corresponden a acciones complementarias que deben tomar tanto la máquina herramienta como el control, tales como fin de programa, rotación y parada del husillo, etc. En general, existe un bloque de información elemental común a todos los centros de maquinado que contiene funciones de movimiento básicas como: coordenadas de desplazamiento, funciones de avance, de velocidad, de selección de herramienta y de fin de bloque. Actuadores Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza mecánica a partir de fluidos, energía eléctrica o gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador de procesos que mediante una señal de salida activa un elemento final de control, como son motores o válvulas. Existen varios tipos de actuadores, según la energía que utilizan; los más comunes son: + Neumáticos Hidráulicos Eléctricos Los actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos son usados en la automatización de procesos. Por lo general, los actuadores hidráulicos (por ejemplo, motores hidráulicos) se emplean cuando se necesita potencia en los movimientos o mejor dicho una gran capacidad de carga, junto a una regulación precisa de velocidad. Los actuadores neumáticos utilizan aire comprimido como fuente de energía y son muy recomendados para el control de 16 movimientos rápidos, pero de precisión limitada. Los motores eléctricos son los más utilizados, por su sencillez y control preciso, así como otras propiedades que establece su funcionamiento, como consecuencia del empleo de la energía eléctrica [5]. Actuadores neumáticos Los mecanismos que convierten la energía de aire comprimido en trabajo mecánico se denominan actuadores neumáticos; estos son parecidos a los actuadores hidráulicos, sólo que en este caso el rango de compresión es mayor, y difieren en cuanto al uso y en lo referente a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad; existen dos tipos de actuadores neumáticos: e Cilindros neumáticos, en estos se consigue el desplazamiento de un émbolo encerrado en un cilindro como consecuencia de la diferencia de presión a ambos lados de éste (ver figura 1.9.).Existen dos tipos de cilindros neumáticos como son los de simple efecto o doble efecto. En los primeros el émbolo se desplaza en un sentido como resultados del empuje ejercido por el aire a presión, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto muelle. En los cilindros de doble efecto el aire a presión es el encargado de empujar al émbolo en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en las dos cámaras. Normalmente, con los cilindros neumáticos sólo se persigue un posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo. e Motores neumáticos, en los motores neumáticos se consigue el movimiento de rotación de un eje mediante aire a presión. Los dos tipos más utilizados son los motores de aletas rotativas y los motores de pistones axiales. Los motores de pistones axiales tienen un eje de giro ligado a un tambor que se ve obligado a girar ante las fuerzas que ejercen varios cilindros que se apoyan sobre un plano inclinado. Figura 1.9. Actuador Neumático. Por lo general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores neumáticos no consiguen una buena precisión de posicionamiento. Sin embargo, debido a su sencillez y 17 robustez hacen adecuado su uso en aquellos casos en los que sea suficiente un posicionamiento en dos situaciones diferentes [5]. Actuadores hidráulicos Este tipo de actuadores no se diferencia mucho de los neumáticos. En ellos, en vez de aire se utilizan aceites minerales a una presión comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar, llegándose en ocasiones a superar los 300 bar. Figura 1.10. Pistón hidráulico. La figura 1.10 nuestra un corte esquemático de un cilindro típico. Éste es denominado de doble efecto por que realiza ambas carreras por la acción del fluido. Las partes de trabajo esenciales son: 1) La camisa cilíndrica encerrada entre dos cabezales, 2) El pistón con sus guarniciones, y 3) El vástago con su buje y guarnición. Las características del fluido utilizado en los actuadores hidráulicos marcan ciertas diferencias con los neumáticos. En primer lugar, el grado de compresibilidad de los aceites usados es mucho menor al del aire, por lo que la presión obtenida en este caso es mayor. Por esto, es más fácil realizar en ellos un control continuo, pudiendo posicionar su eje en todo momento con una notable precisión. Este tipo de actuadores permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares, y presenta una gran estabilidad frente a las cargas estáticas. Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas. También es destacable su capacidad de carga y la relación potencia-peso, así como sus características de auto lubricación y robustez. Este tipo de actuador tiene ciertas desventajas relacionadas con el mantenimiento e instalación [5]. 18 Actuadores eléctricos Las caracteristicas de control, sencillez y precisión de los accionamientos eléctricos han hecho que sean los más usados en aplicaciones de robótica y máquinas herramienta en la actualidad. Dentro de los actuadores eléctricos podemos distinguir tres tipos: + Motores de corriente continua (DC), Servomotores e Motores de pasos + Motores de corriente Alterna (AC), servomotores Motores de corriente continúa, Servomotores Actualmente estos actuadores son los más usados debido a su facilidad de control. En este caso se utiliza en el motor un sensor de posición (optosensores) para poder realizar su control. Los motores de DC están constituidos por dos devanados internos, que se alimentan con corriente directa, como se muestra en la figura 1.11. El devanado de excitación está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, llamada excitación. Estos motores pueden estar controlados por corriente o voltaje y para mejorar el comportamiento de estos, el campo de excitación se genera mediante imanes permanentes, con lo que se evitan fluctuaciones del mismo; en este motor el rotor no posee masa suficiente para cl control de temperatura, por lo que aumentan los problemas de calentamiento por sobrecarga. Las velocidades de rotación que se consiguen con estos motores son del orden de 1000 a 45000 rpm con un comportamiento muy lineal y bajas constantes de tiempo. Figura 1.11. Motor DC frotor y estator). 19 El motor de corriente continua presenta el inconveniente del mantenimiento de escobillas, y por otra parte, no es posible mantener el par con el rotor parado más de unos segundos, debido a los calentamientos que se producen en el colector, aunque en los últimos años se han desarrollado motores sin escobillas (5). Motores de pasos Estos son dispositivos electromecánicos que convierten pulsos eléctricos en movimientos mecánicos, es decir, convierte una entrada eléctrica en una función mecánica. Dentro de un motor de pasos la velocidad es controlada por la frecuencia que se aplique mediante un dispositivo electrónico, donde tendremos limitantes de velocidad debido a las condiciones de éste. En los últimos años se han mejorado notablemente sus características técnicas, especialmente en lo relativo a su control, lo que ha permitido fabricar motores de pasos capaces de desarrollar pares suficientes cu pequeños pasos para su uso como accionamientos industriales de maquinas herramientas y dispositivos de instrumentación. En la figura 1.12 se muestra las partes de un motor de pasos. Figura 1.12. Partes de un motor de pasos. Los motores de pasos se pueden catalogar de la siguiente manera: + Reluctancia variable + Imán permanente(unipolares y bipolares) » Híbridos e Hidráulicos Motor de reluctancia variable El motor de reluctancia variable consta de varios engranes, y los embobinados del estator cuentan con un cable de alimentación común conectado en uno de los extremos de cada bobina. Generalmente se componen de tres fases con seis dientes en el estator (ver figura 1.13); el acoplamiento que se encuentra a 180% uno de otro y pertenecen a la misma fase, cada uno con una polaridad opuesta e motor es empleado en aplicaciones que no requieren de un gran par. ROTOR ESTATOR Figura.1.13. Corte transversal de un motor de reluctancia variable. Este tipo de motores presenta como características principales que el estator presenta un número de polos electromagnéticos, el rotor no es de imán permanente, se forma con un núcleo de hierro dulce de estructura cilíndrica y contiene un número de dientes tallados longitudinalmente a lo largo de su superficie lateral. Al circular una corriente a través del embobinado, se desarrolla un momento que hace que el rotor gire a la posición en la cual la reluctancia del circuito es mínima; si se hace pasar una corriente a través de otro embobinado, el punto de reluctancia mínima se genera en otra posición y se produce el giro del motor a esa nueva posición. Los motores de reluctancia variable permiten ángulos de paso pequeños sin tener que recurrir al aumento del número de bobinas. Es importante remarcar que auque el funcionamiento de un motor de reluctancia variable es muy simple, su manufactura práctica es bastante compleja [17]. Motores de imán permanente En este tipo de motores el rotor esta formado por un imán permanente de forma cilíndrica. Tiene la ventaja de alcanzar un par relativamente alto, y su costo es muy bajo, siendo este ideal en sistemas de varios motores en equipos de producción en serie; por el contrario, 21 tiene la desventaja de trabajar solo a bajas velocidades. Es el más sencillo de los motores de pasos, las partes que lo conforman se muestran en la figura 1.14, Figura. 1.14. Partes principales de un motor de imán parmanente Motores unipolares De los motores unipolares la característica principal es que tienen un “tap central” que por lo general se conecta a la alimentación positiva. Los motores unipolares se llaman así porque la corriente que circula por las diferentes fases siempre circula en el mismo sentido. Esta alimentación se realiza mediante algunos cables en donde puede variar el número, y donde se necesitan dos para cada embobinado; se podría decir que algunos de estos cables pueden estar conectados internamente a varios embobinados y tener un cable independiente para la alimentación. Gracias a la estructura de este tipo de motores, se permiten operaciones con altas velocidades, más estos cuentan con un par muy bajo. Motores bipolares Los motores bipolares son los que no tienen “tap central”. Para que éste motor funcione la corriente que circula por las bobinas cambia de sentido en función del voltaje que se le aplique, por lo que un mismo embobinado puede tener en uno de sus extremos distinta polaridad (bipolar). En este tipo de motor las bobinas del estator se conectan en serie formando solamente dos grupos, que se montan sobre dos estatores, como se muestra en la figura 1.15; de este motor salen cuatro hilos que se conectan al circuito de control que realiza la función de cuatro interruptores electrónicos dobles. Con la activación y desactivación adecuada de dichos interruptores dobles, podemos obtener las secuencias para que el motor pueda girar en un sentido o en otro. 22 CAPTOR dota paró a px50 i y - Eipotar t " dos psa 50 | YN y r I +YVo : 1 ¿ 2 O * Pisposdivo de conto! : Sr y cla palencia BOBINAS m0 ROTOR : ESTATOR Figura 1.16. Motor de pasos bipolar de imán permanente construido en el LMM. Este tipo de motores se usa en el microcentro de maquinado descrito anteriormente, y construido en el LMM, de acuerdo a las necesidades de cada aplicación. Podemos ver uno en la Figura 1.16. La velocidad en los motores de pasos bipolares que se usan en el LMM, es determinada por el sistema de control que se este utilizando; actualmente la velocidad de los actuadores es generada y enviada por el programa de control. Por ejemplo, si el sistema alimenta ocho bits de control que forman un valor M4f en decimal, también una señal de reloj externa al sistema con una frecuencia Fcowyr, entonces, la frecuencia del motor Fyyor en pasos por segundo se establece a continuación. Para obtener la frecuencia en revoluciones por segundo habrá que tomar en cuenta que los motores del LMM para estas aplicaciones requiere cuatro pasos por revolución. Fr CONT MOT M Esto es, si el valor inicial M de los registros del motor es 01100100, lo que equivale a 100 en decimal, y la frecuencia de los contadores Fcoyy es de 10 kHz, entonces, la frecuencia del motor será: _Fconr _ 10000 Puor q "Two > Fuor =100 pasos/segu ndo De esta forma se obtiene una señal de reloj de manera continua, precisa y estable hasta que se termine un proceso o se cancele mediante el programa de control del sistema, Una regla básica en este sistema de control es “un pulso, un paso de motor”. Motores hibridos Los motores híbridos contienen la tecnología de los dos motores mencionados con anterioridad, dado que combinan algunas características de los motores de reluctancia variable y los motores de imán permanente. En el rotor se utiliza un imán permanente polarizado cubierto de otro cilindro cerrado, cuenta con un alto par estático y dinámico, alcanzando altas velocidades, por lo que los motores hibridos son empleados en una gran variedad de aplicaciones industriales. Motores de pasos hidráulicos En los motores de pasos hidráulicos, el potencial de compactación de estos es mejor que en los electromagnéticos, debido a que las partes de estos motores son proporcionales al tamaño completo del motor. De manera adicional se conoce que los motores hidráulicos poseen un par aproximadamente de dos órdenes de magnitud mayor a un motor electromagnético [3]. Motores de corriente alterna Estos motores no habían sido utilizados en aplicación de robótica hasta hace algunos años debido a la dificultad de su control. Sin embargo, las mejoras que se han introducido en las máquinas síncronas hacen que se presenten como un claro competidor de los motores de corriente continua, principalmente por los siguientes tres factores: La construcción de los motores síncronos sin escobillas. + Eluso de convertidores que permiten variar la frecuencia ( y así la velocidad de giro) con facilidad y precisión + Elempleo de microelectrónica, que permite una gran capacidad de control. 24 Existen dos tipos fundamentales de motores de corriente alterna: e Motores asíncronos e Motores síncronos Motores asincronos de inducción Estos son probablemente los más sencillos y robustos de los motores eléctricos. El rotor está constituido por varias barras conductoras dispuestas paralelamente al eje del motor y por dos anillos conductores en los extremos. El estator consta de un conjunto de bobinas, de modo que cuando la corriente alterna trifásica las atraviesa, se forma un campo magnético rotatorio en las proximidades del estator. Esto induce corriente en el rotor, que crea su propio campo magnético. La interacción entre ambos campos produce un par en el rotor. La frecuencia de la corriente de alimentación determina la velocidad a la cual rota el campo magnético del estator, por lo que el rotor sigue a este campo, girando más despacio. Motores síncronos Motores síncronos, como su nombre lo indica, opera exactamente a la misma velocidad que el campo del estator, sin deslizamiento. El campo inducido se sitúa en el rotor, que tiene polaridad constante (imanes permanentes o bobinas), mientras que el campo inductor esta situado en el estator, y esta formado por tres devanados iguales intercalados 120? eléctricos y se alimenta con un sistema trifásico de voltaje. En los motores síncronos la velocidad de giro depende únicamente de la frecuencia del voltaje que alimenta al 'campo inducido. Comparación entre los diferentes tipos de actuadores En la tabla 1.2, se muestra una comparación entre los actuadores dependiendo el modo de funcionamiento. s e 47. : Características de los distintos tipos de actuadores en micromecánica P [ Neumáticos | Hidráulicos | Eléctricos ; ... [Aire a presión Aceite mineral . - | Energía (5-10 ban) (50-100 bar) ] Corriente eléctrica 25 Las Cilindros ¡[Corriente continua d Cilindros ! : - : . ¡Motor de paletas ¡Corriente alterna ' Opciones : or e Ps Motor de pistones ¡Motor paso a paso o L ¡jaxiales ¡[Servomotor in o oi o o o eo ca A , | 3 ¡Rápidos : ¿Alta relación potencia- :[Precisos z FO ¡[peso [Fiables i Ventajas e ¡Autolubricantes ¡[Fácil control y e o o Alta capacidad de carga [Sencilla instalación d Robusto ¡[Estabilidad frente a — “Silenciosos Bl cargas estáticas : | a maniaco z l Da de control instalación especial a Desventajas: Instalación especial Na e ción Potencia limitada d compresor, filtros) ¡[Frecuentes fugas de E ¡¡Caros . o A Tabla.1.2.Tabla comparativa de actuadores [5]. Sensores Para que una máquina herramienta realice tareas programadas con la adecuada precisión, velocidad, eficiencia, desempeño, etc., es preciso que tenga conocimiento tanto de su estado como del estado de su entorno. La información relacionada con su estado (fundamentalmente la posición de herramientas, materiales, etc.) se consigue con los denominados sensores internos, mientras que los que se refieren al entorno, se consiguen con los sensores externos. Sensores internos Entre los sensores internos encontramos tres tipos: 26 Sensores de posición Sensores de velocidad Sensores de presencia Sensores de posición Para el control de posición angular se emplean fundamentalmente los llamados optosensores y resolvers. Los codificadores ópticos de este tipo de sensores ópticos usan fuentes de luz así como fotorreceptores. Normalmente los sensores de posición se acoplan al eje del motor considerando que en la mayor parte de los casos entre el eje del motor y el del mecanismo de movimiento se sitúa un reductor de relación N, y cada movimiento del mecanismo se verá multiplicado por N al ser medido por el sensor. Este aumentará así su resolución multiplicada por N. Los optosensores pueden presentar problemas mecánicos debido a la gran precisión que se debe tener en su fabricación. La contaminación ambiental puede ser una fuente de interferencias en la transmisión óptica. Son dispositivos particularmente sensibles a golpes y vibraciones, estando su margen de temperatura de trabajo limitada por la presencia de componentes electrónicos. Otra tipo de sensores de posición la representan los resolvers y los sincroresolvers, también llamados sincros. Se trata de sensores analógicos con resolución teóricamente infinita. El funcionamiento de los resolvers se basa en la utilización de una bobina dispuesta en el eje y excitada por dos bobinas fijas situadas alrededor el eje; generalmente se manejan frecuencias de excitación de 400Hz. Otros sensores lineales. que también se emplean con relativa frecuencia, son las denominadas reglas ópticas (equivalentes a los codificadores ópticos angulares) y las reglas magnéticas que funciona de forma similar al resolver [5]. Sensores de velocidad La captación de la velocidad se hace necesaria para mejorar el comportamiento dinámico de los actuadores de las micromáquinas y robots. La información de velocidad de movimiento de cada actuador se realimenta normalmente a un lazo de control analógico implementando en el propio accionador del elemento motor. No obstante, en las ocasiones que el sistema de control lo exija, la velocidad de giro de cada actuador es llevada hasta la unidad de control de la máquina-herramienta [5]. Sensores de presencia Este tipo de sensor es capaz de detectar la presencia de un objeto dentro de un radio de acción determinado. Esta detección puede hacerse con o sin contacto con el objeto. En el segundo caso se utilizan diferentes principios físicos para detectar la presencia, dando lugar a los diferentes tipos de sensores. En el caso de detección por contacto, se trata siempre de un interruptor, normalmente abierto o cerrado según interese, esto actuando mecánicamente a través de un vástago u otro dispositivo. Los detectores de presencia se utilizan en las 27 micromáquinas herramientas o en robótica principalmente como complemento de los detectores de posición, para indicar los límites de las articulaciones y permitir localizar la posición de referencia cero en el caso de que sean incrementales [5]. Sensores externos Los sensores de estado externo pueden clasificarse también como sensores de: + Contacto e No contacto y como su nombre lo indica la primera clase de sensores responde al contacto físico, tal como el tacto, deslizamiento y torsión. Los sensores de no contacto se basan en la respuesta de un detector a las variaciones en la radiación electromagnética o acústica. Los ejemplos más destacados de los sensores de no contacto, miden el alcance, la proximidad y las propiedades visuales de un objeto. Es de interés destacar que la detección de alcance y la visión suelen proporcionar la información de guiado aproximado para un manipulador, mientras que la proximidad y el tacto están asociados con fases terminales de agarre de algún objeto [5]. Los sensores de fuerza y torsión se utilizan como dispositivos de retroalimentación para controlar la manipulación de un objeto una vez que se haya sujetado. Los sensores de presencia también se usan como sensores externos, siendo muy sencillos de incorporar los mecanismos dado su carácter binario y su costo es reducido. Los detectores inductivos permiten detectar la presencia o contar el número de objetos metálicos sin necesidad de contacto. Presentan el inconveniente de distinto comportamiento según el tipo de metal de que se trate. El mismo tipo de aplicación tienen los detectores capacitivos; son más vohuminosos, aunque en este caso los objetos a detectar no precisan ser metálicos, lo que si, es que presentan problemas de trabajo en condiciones húmedas y con puestas a tierra defectuosa. Los sensores basados en el efecto hall detectan la presencia de objetos ferromagnéticos por la deformación que estos provocan sobre un campo magnético. Los sensores ópticos, sin embargo, pueden detectar la reflexión del rayo de luz procedente del emisor sobre el objeto. Los sensores/conmutadores Reed de proximidad (frecuentemente referidos como sensores magnéticos) son muy tolerantes a desajustes y se adaptan bien a entornos contaminados por polvo y liquido. Constan de dos partes, el conmutador y el actuador magnético. El conmutador reed cambia de estado cuando el actuador magnético se acerca a él, sin necesidad de que exista contacto físico entre ambos [5]. De lo anterior tenemos que los sensores de estado interno operan con la detección de variables, tales como la posición de ciertos actuadores que se usan para control de 28 maquinaria. Por el contrario, los sensores de estado externo operan con la detección de diferentes variables que son: e Elalcance e Laproximidad e Elcontacto La detección externa, se utiliza para la manipulación e identificación de objetos así como para el guiado de un robot. Alternativas de sistemas de control Dentro de los sistemas de control independientes se encuentran varios tipos de dispositivos: Microcontroladores Interfaze Controladora de periféricos ( PIC) Arreglos de compuertas programables de campo (FPGA) Procesador Digital de señales (DSP) En la figura 1.17 se muestran algunas alternativas de dispositivos programables, para el control de máquinas herramienta que requiere el LMM. ALTERNATIVAS DE huburftazo controladora CONTROL Figura 1.17, Alternativas de sistemas de control 29 Microcontroladores Un microcontrolador es un dispositivo de programación integrado en un solo chip; es un sistema cerrado que contiene todos los elementos de una computadora en su interior, pues consta de un CPU, memorias (rom, eeprom, flash y ram), reloj, puertos YO, temporizadores, puertos de comunicación, etc. Hoy en día su costo es relativamente bajo ya que realizan tareas específicas, las cuales son aplicables al campo domestico (microondas, equipos de audio y vídeo, refrigeradores), automotriz (ingeniería de control, diagnóstico, seguridad, etc.), instrumentación, robótica, monitoreo, etc. Dentro de sus características esenciales de los microcontroladores está la facilidad de expansión externa (memoria, 1/O, etc.), la respuesta rápida a interrupciones, velocidad de proceso (tiempo real) y un fácil soporte para el desarrollo de prototipos. Microcontroladores PIC Los microcontroladores con procesador tipo RISC (juego de instrucciones reducido), tienen las siguientes características: un bajo costo por su simplicidad de diseño, chips pequeños, pocos pines, bajo consumo. A diferencia de los microprocesadores, los microcontroladores constituyen sistemas cerrados, carentes de posibilidades de crecimiento que no han sido concebidos para implementar programas modificables, generar archivos ni manejar grandes cantidades de información. Obviamente, sus ventajas radican en sencillez, robustez, bajo costo y su capacidad para utilizarlos como controladores eficientes en aplicaciones específicas, acordes con sus capacidades. Para compensar sus limitaciones, los principales fabricantes suelen ofrecer diversidad de modelos, con precios que varian según las caracteristicas que permitan utilizarlos con una mayor variedad de propósitos [6]. Un aspecto que influye notablemente en el costo de los microcontroladores PIC es la posibilidad de reprogramarlos. Los Hamados OTP (One Time Programmable) suelen ser los más económicos debido a que no ofrecen la posibilidad de la reprogramación. Por otra parte, los que si presentan tal característica pueden inchuir una memoria de programas tipo EPROM o tipo Flash. En los primeros puede observarse una ventana de cuarzo que permite el paso de una luz ultravioleta para el borrado de la memoria, mientras que los segundos el borrado se logra eléctricamente, con los mismos medios empleados para la programación. Aquellos que tienen una memoria de programa tipo EPROM son más robustos que los que cuentan con memoria Flash, lo que determina un costo más elevado [7]. 30 Arreglos de compuertas programables de campo (FPGA) Una FPGA es un circuito integrado el cual se puede programar las veces que se desee, Se puede programar para que se comporte como un simple inversor o como algo tan complejo como un microprocesador. Todo se realiza utilizando una herramienta de diseño asistido por computadora, realizando un diagrama esquemático o con lenguaje de programación, además del software que automáticamente genera un fichero de configuración para que la FPGA realice esa función, posteriormente se descarga el archivo al chip obteniendo el circuito digital. Los FPGA”s por ser dispositivos programables, requieren de un software de apoyo en el cual se pueda describir el circuito que se quiere implantar, simular y finalmente programar el circuito físico. Hay distintas metodologías para la introducción del diseño de circuitos como la captura de diagramas esquemáticos, los lenguajes de descripción hardware, y la descripción de máquinas de estados finitos. Los FPGA's han llegado a ser populares por los prototipos y diseños de complejos sistemas de hardware. La estructura de un FPGA puede ser descrito como un “arreglo de bloques” conectados unos con otros, por medio de interconexiones programables. El fabricante Xilinx introdujo por vez primera la palabra FPGA, en su chip XC2064, en 1985. Este dispositivo contenía aproximadamente 1000 compuertas lógicas. Desde entonces, la densidad de compuertas de los FPGA's se ha incrementado 25 veces. La aplicación de estos dispositivos ha sido abundante en muchos campos de la ciencia y pareciera que realmente no hay límite. Algunas de las aplicaciones de estos dispositivos son por ejemplo en la implantación de redes neuronales y en sistemas complejos de control. Un aspecto importante de los FPGA's es que están involucrados en la llamada tecnología evolutiva, dado que estos dispositivos se pueden reconfigurar de forma dinámica. Una de las aplicaciones interesantes de FPGA's son la realización de prototipos de diseños que serán llevados a cabo en arreglos de compuertas, y también la emulación de grandes sistemas de hardware enteros. La primera de estas aplicaciones podría ser posible usando sólo un FPGA grande (que corresponde a un pequeño arreglo de compuertas en términos de capacidad), y el último traería consigo muchos FPGA”s conectados por alguna clase de interconexión para la emulación de hardware [4]. Procesador Digital de señales (DSP) Un Procesador Digital de Señales (DSP, Digital Signal Processor) es un microprocesador, rápido y bastante poderoso, ya que procesa señales en tiempo real; esta característica hace a los DSP ideales para aplicaciones que no toleran ningún retardo. El rápido desarrollo de la tecnología de circuitos integrados, empezando con la integración a gran escala (LSI, Large Scale Integration), y ahora la integración a muy gran escala 31 (VLSL, Very Large Scale Integration) de circuitos electrónicos ha estimulado el desarrollo de computadoras digitales más potentes, pequeñas, rápidas y baratas y de hardware digital de propósito general. La figura 1.18 muestra un diagrama de bloques para el uso de un procesador digital de señales, con todo lo que le rodea. INTERFAZ DE USUARIO Display y] PROCESADOR Actuadores DIGITAL DE >| Actuadores Entradas Digitales SEÑALES Salidas Digitales Entradas Ar >» > > > ADC (DSP) DAC Figura 1.18. Diagrama de bloques conceptual de un sistema típico ADC : Convertidor Analógico Digital.-DSP: Digital Signals Processors. DAC : Convertidor Digital Analógico. Los DSP's modernos son apropiados para su implementación bajo el criterio VLSL Las grandes inversiones necesarias para diseñar un nuevo circuito integrado sólo pueden ser justificadas cuando el número de circuitos a fabricar es grande, o cuando los niveles necesarios de desempeño son tan altos que no pueden ser alcanzados con la tecnologia existente. A menudo, ambos argumentos son válidos, particularmente en comunicaciones y aplicaciones dirigidas a los consumidores. Avances en la tecnología de fabricación de circuitos integrados también abren nuevas áreas de desarrollo basadas en DSP, tales como sensores inteligentes, visión de robots y automatización, mientras entrega las bases para continuar los avances en áreas tradicionales del procesamiento digital de señales, como son: música, voz, radar, sonar, video, audio y comunicaciones 7. Análisis de trabajos de tesis previos del sistema de control de una micromáquina-herramienta A partir del desarrollo de la primera micromáquina-herramienta en el LMM, se han generado diversas opciones de control debido al crecimiento, reconfiguración y nuevas demandas de la propia micromáquina-herramienta, tal es el caso de los temas de tesis “Empleo de FPGA's para el sistema de control de motores de pasos bimodales en micromecanica” [4] y “Tecnología de prototipos rápidos por tejido de alambre magneto para tarjetas electrónicas aplicada al control de microequipo ” [9]. 32 En ambos casos, el control no es de todos los motores de la micromáquina-herramienta, se basaron en el control de uno y dos motores de pasos, puesto que todos los movimientos de ésta son dados por los mismos. Caso 1. Empleo de FPGA 's para el sistema de control de motores de pasos bimodales en micromecánica En este trabajo se desarrollaron y probaron controles de motores de pasos en lazo cerrado y lazo abierto (motor bimodal). Al principio de ese proyecto se desarrollaron algunos motores, más la intención era el control de éstos para aplicación en microequipo; se buscó la mejor manera de controlar los movimientos de dos motores de pasos, y que dependiesen menos del uso de la computadora. En la figura 1.19 se muestra el diagrama de bloques del control del motor bimodal del LMM, MOTOR BIMODAL AE CONTROL A LAZO ABIERTO CONTROLA LAZO ABIERTO MOTOR APASOS MOTOR DE CD 5000 r.p.m. 27000 r.pm. Figura 1.19. Diagrama de bloques del control, de un motor bimodal. De acuerdo a caracteristicas de los motores de pasos ya mencionadas, se diseñó un motor de pasos capaz de alcanzar grandes velocidades, por arriba de las 10,000 rpm, asi como su control para uno o varios motores de las mismas cualidades. En la parte de control y bajo los criterios de comparación de diferentes sistemas de control, como los mencionados anteriormente (PIC's, FPGA'S, DSP's) optaron por el uso de la lógica programable de los FPGA's, pues cubre las necesidades de control planteadas, como el evitar el uso de la computadora para el control de uno o varios motores de pasos. Para el control a lazo abierto, se desarrolló el motor bimodal el cual funciona en modo de pasos, donde el control de velocidad sigue siendo por frecuencia, y para lazo cerrado el control de velocidad es por la variación de voltaje. En el control a lazo cerrado necesariamente hay que retroalimentar el motor de pasos, y para esto diseñaron una etapa de sensado compuesta por emisores de luz infrarroja y 33 fototransistores; además de un disco adaptado al mecanismo del motor, que interrumpe la luz emitida por los sensores (optosensores) que retroalimentan un par de señales e indican la posición del rotor. De lo anterior, se obtuvo un motor bimodal, puesto que puede controlarse de dos formas,en lazo cerrado y en lazo abierto. Se concluyó que el sistema de control a lazo abierto es ideal para la operación de los motores a bajas aceleraciones y cargas estáticas, puesto que no existe retroalimentación y la posición es desconocida. En cambio, el modo de control a lazo cerrado es porque este método está libre de inestabilidades y es capaz de acelerar muy rápido, con lo que se obtienen velocidades altas y se puede trabajar con cargas variables, características ideales para el trabajo de la micromáquina-herramienta creada. El circuito de control para los motores bimodales se generó con el software Electronic Workbench, por medio de contadores, flip-flop's, multiplexores, inversores, compuertas AND's y OR's, para posteriormente trasladarlo con el software de Altera, que utiliza el circuito FPGA, mediante el software (MAX+PLUS II). La figura 1.20 muestra el diagrama de bloques del diseño hecho en Max+Plus HL. Espa de Generación A Divisnr die frucuencia Cumiaior BCD Cristala Fip-Fiey'13K 1476 Display 7447 ¿o . m Muibiple xa ja de Frezuencias Serurnciodor | AND'sy OR'K HA] aras m va y Salida Sen e Pr proa Hinitipbeaajo 74157 Encendido y syugado e 74157 Lane Cerrado Ly] Y ww Lan Ae Figura 1.20. Diagrama de bloques del diseño electrónico en Max+Plus 11. Como se muestra en el diagrama de bloques, lo que se requiere es controlar un motor de pasos por medio de un FPGA. El FPGA debe ir conectado a la PC ya que de ella va a recibir los pulsos eléctricos para controlar el motor de pasos; el FPGA irá conectado a su vez a la etapa de Potencia (I) y al motor de pasos (IX) a controlar. 34 Caso 2. “Tecnología de prototipos rápidos por tejido de alambre magneto para tarjetas electrónicas aplicada al control de microequipo” [9] En este trabajo, para el control no se utilizó ningún tipo de controlador, ni memorias; el sistema de control se conformó a partir de registros y contadores, los cuales reciben la señal de control de una computadora. En este caso también se trabajó en el control de un motor, y el programa de control fue hecho en lenguaje ensamblador; aqui el programa de control suministra la información operativa de todo el sistema, como la relacionada con el número de pasos, la velocidad, el sentido de giro y el estado del motor, todo esto a través del puerto paralelo. Por lo que vemos en la figura 1.21 y de acuerdo al desarrollo de este proyecto, la parte más importante del sistema radica en el módulo de control del motor, ya que éste es el encargado de transformar el programa de control en una secuencia de pulsos para controlar el motor de pasos. De acuerdo a la figura 1.20, el control del motor recibe 6 señales de entrada del puerto paralelo provenientes del programa de control (ENTR, CLK RD, CLK RM. ENC MOT, VALID y CONT) y también una señal externa (CLK CONT). Estas variables contienen la información relacionada con la velocidad, el sentido de giro, y el estado del motor, así como las señales de reloj para los diferentes circuitos.A su vez el circuito provee cuatro señales de salida que alimentan alternadamente a las fases del motor, el cual es un motor de dos fases. De acuerdo a lo anterior, para “n” motores se necesitarían “n”circuitos de control en cascada y una sola interfase a la computadora. 35 36 T a r j e t a de p ro te cc ió n Enurada de dsioz (ENTR) Reloj (CLK RD) Rele (CT KK RIN Encendido del motor (ENC MOT) Reloj (CLK CONT) Validación de arrangoc (VALID) Validación del motor (CONT) ] y Contadores (CONT) UB, U9, UlO y 3 Y Registro del motor (MOT) U?, UL Señales de corro! del motor (MOT | a 4) Etapa 1 Rocibir los datos de la computadora Etapa 2 Etapa 3 Recibir el estado del rector y permitir su ejecución Etapa 4 Generar la secuencia de control del motor Figura 1.21 Diagrama de bloques del control del motor [9]. Capítulo 2 OBJETIVO Y METODOLOGÍA Investigar el sistema de control empleado actualmente en el microequipo, proponer mecanismos de optimización para dicho sistema. Metodología Como parte del trabajo, se desarrollarán los siguientes puntos: + Investigar los antecedentes de micromáquinas herramienta tanto a nivel local como mundial y los componentes que las conforman como son: los actuadores, los sensores y sistemas de control. + Investigar y aprender (de forma teórica y práctica) el funcionamiento de la micromáquina herramienta del LMM, tanto en la parte de control como mecánica, para poder generar los algoritmos para la manufactura de piezas (microtornillo y micromachuelo). 37 « Diseñar pruebas para evaluar las características de trabajo de la micromáquina herramienta en un proceso real de trabajo, para conocer el comportamiento del sistema de control, los tiempos de manufactura de los prototipos y calidad de los productos manufacturados. + Desarrollar los algoritmos de control para generar prototipos de piezas mecánicas que permitan realizar las tareas de evaluación. + Evaluar los procesos, diseño y manufactura de los prototipos mencionados, la respuesta del sisterna de control en tiempo real, la calidad de las pruebas, tiempos de producción y consumo de energía. Lo anterior con el fin de determinar ventajas y desventajas de los procesos. + Proponer un sistema de control basado en los controles analizados en la parte de investigación bibliografica, incrementando en el control el número de actuadores, el tipo de control (lazo abierto y lazo cerrado) y el uso de lógica discreta como una opción más a los sistemas de control que se están desarrollando. + Describir las etapas del sistema de control propuesto, desde la entrada de datos de la computadora personal, la distribución de éstos en los registros de memoria que se propone implementar, los tipos de control (lazo abierto y lazo cerrado), el modo de selección, la etapa de potencia, la ctapa de sensado y retroalimentación, las etapas de conteo de procesos y finalización de éstos. + Finalmente, proponer como trabajo a futuro la implementación del sistema de control propuesto como alternativa a otros sistemas de control que se están desarrollando y evaluando a la par en el LMM. Planteamiento del Problema Actualmente, el sistema de control del microcentro de maquinado se lleva a cabo, como ya se mencionó, mediante una computadora personal y dos puertos paralelos, por lo que está limitado a solo poder controlar cuatro motores de pasos (que son los cuatro motores que generan el movimiento del microcentro de maquinado). En la parte de control, los motores no tienen sensores de posicionamiento que les permita ubicarse durante el proceso de manufactura (solo cuentan con sensores de posición de inicio) y funcionan a lazo abierto, por lo tanto no existe retroalimentación, lo cual es una desventaja y se busca corregir este proceso. Dentro del sistema existe una etapa de retroalimentación que está ubicada entre las herramientas y el material que se lleva a cabo mediante contacto eléctrico, y solo con materiales metálicos. 38 El sistema de control de este prototipo fue diseñado con el objetivo de tener la posibilidad de emplear una computadora pa para su control y eliminar en medida de lo posible el hardware de control externo. Éste está compuesto por un amplificador de DC de 16 canales y cuatro acondicionadores de señal para los sensores de contacto eléctrico. En la parte de Software se tiene la problemática del control en tiempo real, puesto que se usa como sistema operativo Windows 2000, el cual no es un sistema operativo para funcionar en tiempo real; aquí se usan tiempos de retrasos de 10 ms, los cuales mediante las utilerfas (MMP) se logra disminuir hasta 1ms para evitar la inestabilidad del sistema operativo. Los motores funcionan correctamente siempre y cuando la computadora con la que se estén controlando no se use para otra actividad, pues éstos funcionan a partir de la frecuencia del reloj de la PC, por lo que si se interrumpe el programa de control (así sea con un simple movimiento del ratón) los procesos se alteran, y hasta después de unos segundos se recupera el proceso. En esta tesis se evaluará la parte de control del microcentro de maquinado, a partir de proceso de manufactura, Se busca generar prototipos de herramientas (microtomillos y micromachuelos) para determinar su funcionabilidad, así como usar éstos para futuras generaciones de micromáquinas herramienta que se desarrollen en el LMM. Para estos prototipos de herramientas se desarrollarán los programas de control, tomando en cuenta las características de movimientos de la micromáquina herramienta y las características geométricas que deben tener las herramientas que se producirán. Se busca disminuir la dependencia de la PC de la micromáquina herramienta e implementar un sistema de control autónomo, ya sea mediante FPGA's, PIC's , DSP's o en el caso de esta propuesta mediante lógica discreta. Y usar nuestra computadora como administradora de procesos entre este control y la micromáquina herramienta, o en su mejor caso administradora de varias micromáquinas herramienta, puesto que se desea con una sola computadora, tener 16 ó más grados de libertad, siendo cada motor un grado de libertad dentro de una micromáquina o en un caso general una microfábrica compuesta por varias micromáquinas herramienta, como se muestra en la figura 2.1. 39 Figura 2.1. Esquema de una microfábrica o fábrica sobre mesa [15]. Dentro del nuevo sistema de control propuesto se busca tener una mayor información de posicionamiento y velocidad de los actuadores, tomando en cuenta los modelos de control del proyecto de tesis [3] ya mencionada, para así tener un mayor control en los procesos de manufactura. 40 Capítulo 3 EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE PRUEBAS FÍSICAS En este capítulo se llevarán a cabo pruebas fisicas del microcentro de maquinado, así como el desarrollo de algoritmos de control para evaluar el sistema de control empleado actualmente. Análisis del sistema de control existente. El sistema de control fue desarrollado mediante el software Borland C++ Builder, con el cual se hicieron los algoritmos de control de los motores; tomando en cuenta las necesidades de desplazamiento del microcentro se implementaron los procedimientos para generar dichos movimientos los cuales envían las señales de control a través de los puertos paralelos a los motores del microcentro. Dichas señales están dadas de acuerdo a la velocidad que queremos que se muevan los motores dado que un pulso de éstas, es un paso de motor. La parte física se conforma por un amplificador de DC de 16 canales y cuatro acondicionadores de señal para los sensores de contacto. De acuerdo a la descripción previa del sistema de control, el programa de control es enviado a través de los puertos paralelos, debido a que solo se tenía esta opción para conectar la micromáquina herramienta a la PC. Las direcciones de estos puertos son administradas por el sistema de control dentro de las cuales cada dirección soporta las 41 órdenes de control de dos actuadores. Los movimientos de translación en los ejes (4) y (Z) están contenidos en el puerto paralelo Puerto 1; por lo que respecta al Puerto 2, le esta asignado el movimiento de translación del eje (Y) así como el movimiento de rotación del husillo (Q) y las señales de retroalimentación de los sensores eléctricos. Los retardos en las señales de salida son disminuidos mediante utilerías creadas en el programa raíz ( programa en disco anexado) con las cuales se logra disminuir el retardo a 1.0 ms. El sistema operativo Windows 2000 no es un sistema operativo para trabajar en tiempo real y maneja sus propios tiempos de programa basado en prioridades que el mismo sistema determina. Si no se utiliza esta utilería el tiempo de retardo sería de 10 ms, lo cual para el control de los actuadores no es bueno, pues su velocidad depende de la frecuencia que tenga la señal de control que le sea enviada. De aquí que sin las utilerías de disminución del retardo los actuadores estarian sujetos a las interrupciones del sistema operativo y afectarían los procesos de manufactura. Otra de las utilerías importantes en el programa de control es el driver MapMemPlus (MMP) el cual es un driver universal para el manejo del puerto paralelo (16). Cabe mencionar, que aún cuando la programación del algoritmo de los procesos de manufactura es sencilla; solo se envían, a los puertos que contienen información de velocidad y tiempo, las señales con diferente frecuencia dependiendo de la velocidad que se desee. Dicho programa absorbe casi la totalidad de recursos de una computadora personal estándar. Las pruebas de manufactura se definieron para que cumplieran una doble función; primero el evaluar el sistema de control del microcentro de maquinado en procesos de manufactura reales y segundo el de poder darle un uso a los productos de éste. Se determinó que los prototipos fueran microtorillos de dimensiones menores a un milímetro para darles uso dentro de los desarrollos del LMM o en la industria de la instrumentación y a su vez producir prototipos de micromachuelos. Enseguida se describen los procesos de manufactura propuestos para la evaluación de la micromáquina herramienta, tomando en cuenta la forma física de los elementos a crear para realizar los algoritmos y formas de trabajo de ésta, con el fin de que las pruebas físicas sirvan como parámetro para la evaluación del sistema de control, la funcionabilidad de la micromáquina herramienta, y la calidad de los elementos creados, para así plantear las mejoras pertinentes. Pruebas de trabajo con los sistemas existentes. Para la evaluación física del sistema de control se propuso desarrollar programas para producir prototipos de microtornillos y micromachuelos. 42 La primera etapa fue desarrollar los programas seguido por la manufactura de los prototipos. Creación de programas. La programación de los algoritmos se realizó por medio del software Borland C++ Builder, tomando en cuenta que ya existían procedimientos de movimientos lineales de los tres ejes, asi como uno de rotación: Se implementaron procedimientos para tener movimientos simultáneos de dos ejes, y así poder generar dichos prototipos de acuerdo a su geometría. En los siguientes incisos se describen parte de los procesos junto con la producción de los prototipos. Descripción del programa de control actual. Como se menciona anteriormente el programa consta con procedimientos de movimientos en los tres ejes, y en específico, este programa contiene por cada eje cuatro procedimientos que mueven al carro en cuestión 100 o 1000 pasos adelante o hacia atrás, los cuales se encuentran en el extremo izquierdo de la pantalla por medio de botones de ejecución; bajo los botones de movimiento se encuentran los procedimientos de movimiento del eje rotacional el cual cuenta con movimientos horarios o antihorarios y de 100 o 1000 pasos por ejecución, Cuenta también con un botón principal START el cual regresa a la posición de origen a los tres carros que mueven los ejes; este procedimiento se usa siempre que inicia cualquier programa para tener la referencia de inicio de trabajo. Existen más procedimientos de los cuales algunos están hechos para manufacturar alguna pieza mecánica y otros más para realizar mediciones que sirven para caracterizar el microcentro de maquinado en cuestión, y por supuesto los programas realizados para hacer los prototipos del microtomillo y el micromachuelo. La plataforma gráfica se muestra en la figura 3.1. Botones de movimiento an los ejes y dal husillo Botón movimianto al Botón microtornillo Bolón Micromachuelo Figura 3.1. Plataforma gráfica del programa de control de microcentro Borland Ct 43 Microtornillo. Para la creación del microtornillo se consideró que debía de cumplir las siguientes caracteristicas de diseño: e Diámetro: éste se fijó en $= 0.8 mm el cual es un diámetro no comercial. » Longitud: se propuso ésta como /=2.2 mm, ya que se requiere esta dimensión para algunas aplicaciones en el LMM. e Paso: de acuerdo a tablas de cuerdas para tornillo milimétricas comerciales [17] se obtuvo un paso de 0.2 para el diámetro propuesto de acuerdo a una relación decreciente de los pasos especificados en dichas tablas. e Material: se utilizaron barras de latón de ¿= 3.2mm o 1/8 de pulgada. Para conseguir las características anteriores se diseñó y construyó un portaherramientas que funcionara tanto para el microtornillo como para el micromachuelo se muestra en la figura 3,2, Figura 3.2. Portaherramientas y cortadores de tungsteno. El portaherramientas está diseñado para portar un cortador de desbaste (ver figura 3.3), en posición horizontal, que tiene un ángulo de corte de 60% y uno en posición vertical; estos son cortadores estándar de tungsteno y el ángulo es debido a que con éste se manufacturan las cuerdas de tornillos tipo “V”,de acuerdo a la figura 3.2. 44 Figura 3.3. Forma de rosca métrica. Teniendo lo anterior se debe de tomar también en cuenta las siguientes caracteristicas de funcionamiento del microcentro: e Desplazamiento lineal teórico de 1.35 ¿un (promedio). por paso de motor en cualquiera de sus ejes [3]. e Desplazamiento angular dependiendo de la configuración del microcentro, el husillo es el elemento que tiene este movimiento, el cual es de 10% por paso de motor. e Backlash de 345.27 Lon, el cual también es un valor promedio de acuerdo a pruebas descritas en la tesis [2]. Figura 3.4. Manufactura. La manufactura del prototipo de microtornillo (ver figura 3.4) empezó con la programación de su algoritmo. En la figura 3.5 se muestra el diagrama de flujo de dicho proceso. 45 Y Paso 2——————_———— bp] Posición de inicio | y A maquinar otro microtornillo? Figura 3.5. Diagrama de flujo para manufacturar un microtornillo. 46 Enseguida se describe brevemente los pasos que se tomaron en la manufactura del microtornillo de acuerdo al diagrama de flujo anterior. Paso 1 Primero se coloca el portaherramientas en la posición de trabajo y se mandan al origen los tres ejes de translación. Esta es una condición para hacer cualquier proceso de manufactura, debido a que no cuenta con retroalimentación de posición el microcentro. Paso 2 Se localiza la pieza de trabajo con la herramienta de corte mediante contacto eléctrico en forma axial, haciendo un barrido manualmente y posicionándola visualmente en un punto óptimo de trabajo (entre 10% y 1% del diámetro debajo de su centro), con el fin de alinearla con el eje rotacional y obtener las coordenadas de inicio de manufactura del microtornillo, Éstas coordenadas se deberán grabar en el programa para que éste tenga la posición de inicio de manufactura del microtornillo, e inicie el proceso. Ver figura 3.6 Portaherramienta con movimientos en ls ejes X.Y y Z. z y / Chuck Motor AA y Transmisión MN] Giro Y x 3.2 mn Punto de eléctrico Material Figura 3.6. Ubicación de pieza a maquinar. Paso 3 En esta etapa cabe mencionar que el paso dos sólo se realiza una vez por prototipo a manufacturar siempre y cuando no se cambien las dimensiones de piezas o existan desajustes mecánicos del microcentro. De acuerdo al programa primero se maquina un cilindro de q = 1.2 mm, paralelo al eje “Y” con longitud h = 4.2 mm; todo esto en 16 ciclos de 40 pasos cada uno, y 7 ciclos de 12 pasos para llegar al $ = 0.8 mm y una altura de 3.2 mm, con velocidades constantes. Ver figura 3.7. y 3.8. 47 Cilindro maquinado a 0.8 mm Figura 3.7. Manufactura de Cilindro base para microtornillo Figura 3.8. Cilindros base para microtornillo Paso 4 Como siguiente paso se traslada la herramienta al inicio del material e inicia el proceso de cuerda para el microtomillo, de acuerdo a las características de diseño (ver figura 3.9), y a las condiciones de operación del microcentro de maquinado. Para el microtornillo propuesto se dedujo el paso de la cuerda en 0.2 mm de acuerdo a las tablas de consulta de brocas recomendadas para machuelear [17]. A partir del valor del paso se obtuvo la relación de velocidad del eje “Y” y de la velocidad de rotación para la manufactura de la cuerda de acuerdo a los datos de la tabla 3.1. Variable Unidades Resultado frecuencia paso del tornillo/número de paso | f1=0.2/36=0.0055 rev por vuelta del rotor: revoluciones Relación de la velocidad Adimensional G=ffr=0.0055/001875=2.96 lineal y rotacional Tabla 3.1. Valores teóricos de manufactura del microtormillo. 48 Figura 3.9. Maquinado de cuerda del microtornillo. De acuerdo a la relación obtenida, se tomó como la relación de velocidad del rotor 3:1 respecto a la velocidad lineal. Con lo anterior se consiguió la cuerda deseada con un proceso de 7 ciclos y una penetración de 4 pasos por ciclo como se muestra en las figuras 3.10 y 3.11. Figura 3.11. Pruebas de cuerda para microtornillo. Ya terminado el proceso la herramienta se regresa al origen de coordenadas. El tiempo de este proceso fue de aproximadamente 25 minutos. 49 Micromachuelo El micromachuelo se manufacturó en latón, debido a las características de trabajo del microcentro, ya que no se conoce la respuesta de trabajo en acero con el cual debería de hacerse. Basándose en el tiempo de manufactura del microtornillo, el micromachuelo tomaría un tiempo mucho mayor que el del prototipo anterior, aún al realizarlo en latón, y por ahora solo se quiere evaluar características generales de control. Para manufacturar este prototipo el diseño se basó en ciertas características de diseño del microtornillo y de machuelos comerciales: » Diámetro: éste se fijó en = 0.8 mm el cual es un diámetro no comercial. e Longitud: se propuso ésta corno /=6.0 mm, ya que se requiere ésta dimensión para algunas aplicaciones en el LMM. + Ranura de desahogo. Ésta tendrá una longitud de Imm y un diámetro de 0.62mm » Paso: de acuerdo a tablas de cuerdas para tomillo milimétricas comerciales [17] se obtuvo un paso de 0.2 para el diámetro propuesto de acuerdo a una relación decreciente de los pasos especificados en dichas tablas. Chaflán: diámetro interno $= 0.62 y externo ¿= 0.8 Canales de desahogo : estos serán tres a lo largo de la cuerda del micromachuelo Material: se utilizaron barras de latón de ¿= 3.2mm o 1/8 de pulgada. Para la creación del micromachuelo se utilizaron los procedimientos del tornillo y se agregaron otros tales como: la hechura de ranuras y de canales, el chaflán y un cambio de herramienta. El propósito de esta herramienta es el de crear las cuerdas para los microtornillos siempre y cuando se manufacturen en acero tratado. El proceso de manufactura del micromachuelo se describe en el diagrama de flujo de la figura 3.13 basándonos en formas estándar de machuelos. En la figura 3.12 se muestran algunas características que se tomaron para la creación del prototipo del micromachuelo. ER | Longitud roscada | Ñ 1q9 | Chafián Figura 3.12. Machuelo semicónico de cuatro canales 50 Paso 1 Paso 2 Paso 3 Paso 4 Paso 5 Paso 6 Paso 7 Figura 3.13. Diagrama de flujo del programa del micromachuelo. Posición de inicio y Detectar material de trabajo Maquinar primer diámetro de micromachuelo ET Maquinar segundo diámetro del micromachuelo A Y Magquinar ranura del micromachuelo x= aquinar cono del micromachuelo AE Maquinar cuerda del micromachuelo Mnguinar canales de desahogo del micromachuelo 51 De acuerdo a los parámetros mostrados en el diagrama de flujo, ver figura 3.13. Para el diseño y la manufactura del micromachuelo se llevaron a cabo los siguientes pasos. Paso 1 En la primera etapa, al igual que en el microtornillo, se localiza la materia prima, con un rango de 10% y 1% del diámetro abajo de su centro, para poder obtener un trabajo de desbaste óptimo como se muestra en la figura 3,14, Pesición de cortados anira 3% y 10% del dbámatoo niuejo del Figura 3.14. Localización de la materia prima. Pasos 2 y 3 En la segunda y tercer etapa se obtiene un cilindro uniforme, con = 1.2 mm y de longitud L = 6.0 mm. Como tercer paso se rectifica este cilindro a un = 0.8 mm, que es el diámetro del tornillo. En la figura 3.15 se muestra la manufactura del cilindro y en la figura 3.16 el cilindro hecho. Figura 3.15. Maquinado de cilindro base para micromachuelo. 52 Figura 3.16. Cilindro base para micromachuelo. Paso 4 En esta etapa se manufactura una ranura de 1.2 mm de largo a partir del origen del maquinado (ver figura 3.17) para el desahogo de material en el proceso de manufactura, ver figura 3.18. Ranura L=1.2 mm Figura 3.18. Ranura para desahogo de material. 53 Paso 5 Aquí se manufactura el chaflán (cono) al inicio de material (ver figura 3.19); tomando en cuenta que el diámetro interno debe de serde =0.62 mm para un diámetro externo de = 0.8 mm, como se muestra en la figura 3.20. Ranura L=1.2 mm Figura 3. 19. Manufactura de Cono o Chaflán. Figura 3. 20. Cono o chaflán para el micromachuelo. Paso 6 En esta etapa se agrega el proceso de cuerda, que es de las mismas condiciones del tornillo (ver figura 3.21 y 3.22). 54 Figura 3.22. Manufactura de cuerda del micromackhuelo. Paso 7 En esta última etapa, se manufacturan tres canales o ranuras de desahogo de material a lo largo como se muestra en la figura 3,23, para así tener el prototipo de machuelo; el tiempo de manufactura es de 90 minutos. Ésta etapa y el prototipo final se muestra en la figura 3.24. Figura a 3.23. Man jaca del canal de e desahogo. 55 0.8 mm Figura 3.24. Prototipo de micromachuelo. Los programas de los procesos anteriores se anexan en disco flexible. Simulación y manufactura de un microtornillo mediante la máquina CNC de Boxford. Para tener punto de comparación en cuanto a la eficiencia del control, los tiempos de programación y manufactura del microcentro de maquinado, se procedió a diseñar y fabricar un tornillo en la máquina tipo torno de Boxford; las especificaciones de diseño del tornillo están en la tabla 3.2. Material usado Latón de (W=5.0 mm Diámetro del tornillo 0=1.0 mm Longitud del tornillo L=5.0 mm Paso del tornillo P= 0,2 mm Tabla 3.2. Especificaciones de diseño para tornillo hecho en la máquina Boxford. Los pasos desarrollados son los siguientes: 1. Abrir el programa de Boxford CadCam, elegir máquina a utilizar para poder diseñar de acuerdo a las características de ésta y abrir una hoja de trabajo nueva. 2. Definir en la hoja de trabajo las caracteristicas del material utilizado, 3. Dibujar las dimensiones geométricas del prototipo de tomillo como se ve en la figura 3.25. : 4. Guardar y procesar los datos de diseño del tornillo. 56 5. Seleccionar el material utilizado en la manufactura. 6. Realizar la simulación A A Figura 3.25. Hoja de diseño para manufactura con Boxford. 7. Definida la simulación, se procede a dar de alta y calibrar las herramientas recomendadas en la simulación. 8. Como etapa final se manda a manufacturar el prototipo y se evalúa el proceso. El proceso de diseño y manufactura anterior se llevó con un tiempo estimado de 30 minutos y con un tiempo de manufactura de 74 segundos. Comparación de procesos, ventajas y desventajas de la manufactura. De los procesos anteriores y del sistema en general, la ventaja más importante es el bajo precio de fabricación del microcentro de maquinado en comparación con las máquinas especializadas que cuestan miles de dólares, ya que el costo de éste no rebasa los 100 dólares en materiales. Existen otras ventajas así como desventajas de estos procesos, las cuales se cnumeran a continuación: 57 Ventajas. Ventajas del microcentro de maquinado: P u n = a m La principal ventaja es la economía. La programación del diseño a manufacturar es sencillo, El ahorro de espacio y material. El proceso de conexión es muy simple: puertos paralelos, etapa de protección, etapa de potencia, y actuadores. El programa de control tiene una plataforma gráfica muy amigable (figura 3.1). En determinado momento se podrían conectar varios microcentros de maquinado en paralelo. Las características fisicas del microcentro de maquinado permiten manufacturar piezas de dimensiones mas pequeñas que las máquinas CNC comerciales, Ventajas del proceso con la máquina CNC Boxford: 1. La programación no es tan compleja, pues todas sus plataformas son gráficas; si no es necesario, no existe el inconveniente de alterar los programas en código G y M, 2. Los tiempos de diseño y simulación son muy cortos, depende de lo complejo de las piezas a manufacturar. 3. Nos permite calcular los tiempos de producción. 4. Tienen muy buena calidad los terminados. Desventajas. Desventajas del microcentro de maquinado: 1. 2. Los tiempos de manufactura son muy largos. El programa de control absorbe todos los recursos de la computadora, el sistema operativo Windows; como se mencionó, no es un sistema para funcionar en tiempo real. Con los sistemas de control actuales solo podemos conectar un microcentro de maquinado, y se busca conectar un conjunto de estos microcentros en paralelo. El microcentro se desajusta en procesos de producción muy largos, lo que trae consigo una variación en dimensiones de las piezas manufacturadas. La calidad de las piezas producidas debido a los desajustes no es muy homogénea, más se puede mejorar. Desventajas de la máquina CNC Boxford: 1. 58 El costo de la máquina es muy alto y las dimensiones diez veces Imayores que las del microcentro del LMM. 2. Tiene limitaciones en las dimensiones de las piezas producidas; el LMM necesita manufacturar piezas más pequeñas al rango de las que produce ésta máquina. 3. El tener una línea de producción de estas máquinas saldría extremadamente caro y el control de cada una de estas máquinas requiere de una computadora, lo que no es conveniente. Análisis de de tiempos de producción del microcentro de maquinado del LMM y las máquinas Boxford de LMM. De acuerdo a los procesos de manufactura detallados anteriormente, se puede establecer la comparación de tiempos de producción, donde son muy evidentes las diferencias en éstos tanto a nivel diseño e implementación, como la manufactura de los prototipos. En la tabla 3.3. Se pueden ver algunas diferencias. Microcentro del LMM Máquina Boxford Costo del equipo $100 USD material $30,000 USD Computadoras administradoras | Una por equipo Una por equipo actualmente Computadoras administradoras | Una para “n” equipos No hay opción de escalar a futuro Tiempo de programación del | Dos semanas Treinta minutos prototipo a producir Tiempo de manufactura de | 25 minutos 1 minuto y 14 segundos microtornillo Tiempo de manufactura de | 90 minutos No se evaluó micromachuelo Tabla 3.3 Tabla comparativa de procesos de manufactura. En los tiempos de manufactura se debe considerar, en lo referente al microcentro, que el tiempo de producción se puede considerar mucho mayor que en la máquina Boxford, ya que es necesario hacer varias pruebas antes de llegar a un prototipo de pieza aceptable, lo que no €s necesario en el proceso de manufactura de la máquina Boxford. 59 60 Capítulo 4 PROPUESTA DE CONTROL DE MÚLTIPLES ACTUADORES Introducción De acuerdo a los antecedentes escritos en el capítulo uno, y partiendo de la premisa del control de varios mecanismos con una sola computadora, se tiene entonces la idea del control paralelo que se busca implementar para controlar varias máquinas (microcentro de maquinado, micromanipulador, cortadores, etc.) y asi tener la llamada fábrica sobre mesa (ver figura 2.1), donde se propone controlar los actuadores de las máquinas en forma paralela o simultánea en diferentes actividades que requieran su activación. Control paralelo El caso que concierne a este trabajo de tesis trata de un sistema de control en paralelo de “n” actuadores (motores de pasos bipolares en LA y LC), mediante registros de corrimiento y una sola computadora. La idea de control paralelo se toma de la arquitectura de control en computación llamada “Una sola Instrucción y Múltiples Datos” (Single Instruction Multiple Data, SIMD), la cual se usa habitualmente para el procesamiento en paralelo con procesadores múltiples (centenares o miles) que realizan las mismas operaciones al mismo tiempo con un solo reloj, ver figura 4.1. Los resultados de estos procesos en paralelo se reunifican para determinar un cierto resultado y en nuestro caso se traduce en el control paralelo de múltiples actuadores. 61 Unidad de control global UE XG UO o Ja ] 2p pa y AN Figura 4.1. Una sola instrucción y múltiples datos SIMD. El control SIMD tiene las siguientes características: + Una sola unidad de control proporciona instrucciones a todos los elementos de procesamiento (EP). Por esto, todas las unidades de proceso ejecutan la misma instrucción. Se pueden seleccionar algunas de ellas para ser apagadas mediante una máscara si no se necesita que ejecuten la instrucción. De lo anterior y aplicado al sistema de control que se propone, tenemos ciertas dificultades para coordinar los movimientos, mas el principio de control con SIMD es idóneo por las ventajas de control en paralelo y su sencillez. Propuesta de mecanismos para la optimización del sistema de control en paralelo de motores bipolares De acuerdo a la simplicidad del control en paralelo SIMD, se propone este control de “n” actuadores para una microfábrica sobre mesa con las siguientes cuatro características: 1.- Relojes independientes: En muestro caso el sistema cuenta con dos relojes, uno para activar los “n”registros de desplazamiento distribuidores y otro para activar los “n” registros de la etapa de control de LA. La arquitectura de control SIMD presenta el inconveniente de administrar solo procesos que son iguales; en el caso de este sistema se tienen dificultades para coordinar los movimientos de los actuadores debido a que estos suelen tener diferentes usos y velocidades (frecuencias). Con cada pulso de reloj se carga la información en los registros de desplazamiento para el control de los actuadores, por lo que no existe este 62 inconveniente debido a las diferentes señales de control que se manejan, que es el objetivo de tener relojes independientes, como se puede ver en la figura 4.2. Vx (motort) Vp (motorp) Figura 4.2. Control de velocidad de diferentes actuadores. En la figura anterior se puede observar que para cada determinado tiempo tenemos un punto diferente en cada señal, el cual esta dado por los registros de desplazamiento; con esto podemos coordinar el movimiento de cada uno de los actuadores que se utilicen en nuestros procesos. 2.-Método de control: El método que se utiliza actualmente tiene un grado de precisión bastante aceptable como pudimos corroborarlo en la manufactura de prototipos; se plantea que en el control en LC no se maneje tanta precisión y se utilice para movimientos en partes no críticas y para movimientos precisos se utilice el método de control de LA, obteniendo así mejores eficiencias en cuanto a tiempos de producción. 3.-Modos de control: Los modos de control que se utilizan son de LA y LC, en este apartado se menciona este tipo de control aplicado directamente a los actuadores y son los siguientes: Modo de control de motores a lazo abierto El sistema de control a lazo abierto es el más sencillo de los que se mencionan aquí, y es ideal para sistemas que trabajan a bajas aceleraciones y cargas estáticas. En el sistema de control a lazo abierto no existe la retroalimentación por lo que para saber posiciones y estado del motor en los programas de control se lleva un registro del número de pulsos enviado a cada motor, y a su vez gráficamente el programa nos da la posición de éste en un movimiento dado, y basándose en un análisis de frecuencias máximas de operación; ver figura 4.3. 63 64 El control a lazo abierto es usado en aplicaciones de control de velocidad y posición, el cual es ny estable en rangos de velocidad ya establecidos; sin embargo, cuando se requiere mucha precisión, éste no es tan estable al funcionar a velocidades altas o cargas inerciales muy grandes debido a que el motor pierde pasos al seguir la información de los trenes de pulsos [4] y esto se traduce en ciertas imprecisiones de posición, por lo que se hace una evaluación preeliminar de los procesos que se habiliten. Figura 4.3 Diagrama de bloques del control a lazo abierto de un motor a pasos. Modo de control de motores a lazo cerrado Para que un motor que funciona a lazo abierto incremente su rango de uso en cuanto a velocidad y tiempos de respuesta, le hace falta un sistema de retroalimentación desde la salida hacia la entrada del sistema para obtener un mejor control, por lo que la señal de control debe ser realimentada y comparada con la entrada de referencia y se debe enviar una señal actuante proporcional a la diferencia de la entrada y la salida a través del sistema para corregir errores dentro de algún proceso. De aquí que un sistema con una o más trayectorias de retroalimentación se le denomine, sistema de lazo cerrado. Para un motor de pasos, el control a lazo cerrado es un método muy efectivo, libre de inestabilidades y capaz de acelerar rápidamente. Los nuevos motores maquinados en el LMM, funcionan en lazo cerrado. Cuentan con un sensor que monitorea directamente el movimiento del rotor, detectando su posición y velocidad de giro y envían esta información al sistema de control. La mayoría de las aplicaciones de motores de pasos en sistemas de control de lazo cerrado se basan en las condiciones anteriores. Normalmente para el control de LC de una máquina-herramienta se emplea un microprocesador; en el caso que se ha estudiado se emplea una computadora personal que cuenta con retroalimentación la cual se efectúa en el área de posicionamiento por los sensores ópticos; ver figura 44. : - Figura 4.4 Diagrama de bloques del control a lazo cerrado de un motor a pasos A los motores de pasos del LMM se les realizaron mejoras en la operación empleando retroalimentación en el posicionamiento, para poder ser activado el campo magnético en el embobinado. En un sistema más avanzado, en lugar de un sensor óptico adicional la posición del rotor es sensada por la observación de las ondas de corriente en los embobinados del motor [4]. En lo referente a la precisión de pasos del motor, el codificador óptico acoplado al rotor detecta la posición de éste, emitiendo la información al sistema de control lógico; en ese momento el controlador de pulsos lógico determina las fases apropiadas a ser excitadas. Cuando un motor de pasos es controlado a lazo cerrado y requiere variar la velocidad, se tiene que tomar en cuenta la carga con la que va a trabajar, dado que ésta será la que determine su velocidad, pues a mayor carga menor velocidad. 4.- Método de corrección: los métodos de corrección en el caso de la propuesta se compone de dos y el objetivo de estos es de registrar las posiciones reales de trabajo de los actuadores; en el caso de LA la corrección es inmediata, puesto que se van contado paso por paso y en LC la corrección es hecha un paso adelante de tal forma que se están retroalimentando las posiciones de los actuadores al sistema de control central y se modifica esta información un pulso de reloj después. En esta propuesta se plantea utilizar como hardware de control registros y contadores, € implementar éste en forma paralela como se menciona antes debido a que se busca implementar hardware económico, ya que en el mercado existen arquitecturas de control tales como la arquitectura MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) que a diferencia de 65 la SIMD ocupa una unidad central de control por cada proceso, por lo que aplicar ésta arquitectura al control de nuestros mecanismos resulta excesivamente caro. Propuesta de esquema de control en paralelo para motores de pasos bipolares, con análisis de mejora para el microcentro de maquinado Para este sistema propuesto se busca integrar los sistemas de control mencionados anteriormente, basados en registros de corrimiento, debido a sus “características”, y utilizando los motores bimodales desarrollados en el LMM. En el primer proyecto mencionado se utilizan estos motores, en el cual sólo se controló uno de estos, con opción a incrementar el número de motores a controlar, en el proyecto que utiliza FPGA's [4] se controla solo un motor bimodal. Ahora se busca controlar múltiples motores utilizando solo registros de corrimiento y contadores, como una opción al uso de dispositivos programables. El esquema propuesto se muestra en la figura 4.6, donde se puede apreciar la configuración de los registros de corrimiento, generadores de pulsos, puertos y contadores. En seguida se explican ciertos detalles del esquema. De forma general, éste sistema de control está compuesto por cuatro módulos, los cuales se ilustran en la figura 4.5. y se describen enseguida: Computadora (PC), donde radica el programa de control Protección, Protege a la PC y al módulo de control de señales parásitas o cortos circuitos que puedan dañar el sistema. + Control de múltiples motores bimodales. Transforma el programa enviado por la PC en señales de control. e Etapa de potencia. Provee a las señales de control la corriente y voltaje necesarios para el buen funcionamiento, PC 1 Canárol del motor hbimodaj 2» »> 2.) Etapa de Motor Proteook LA y LO potenola Bimodal Í Retroalimentasion Modulo 1 Modo 2 Modulo 3 Modulo 4 Figura 4.5 Sistema de control de Motor bimodal. Descripción de las etapas del sistema de control propuesto De acuerdo a los módulos anteriores el sistema de control se compone por subsistemas para el control de motores bimodales, los cuales son los siguientes: A. 1 Programa de control. Éste se encarga de enviar las señales digitales de control (8 bits) a todos los actuadores, recibir las señales de retroalimentación de los motores, así como evaluar éstas junto con los procesos e implementar las mejoras pertinentes en el programa y mantener un control actualizado de todos los procesos que se estén llevando a cabo en tiempo real, a través del puerto paralelo. Relojes administradores. En este caso el sistema contará con dos generadores de pulsos, los cuales tendrán las funciones de habilitar los registros de corrimiento, contabilizar los procesos, espera de datos, así como el envío de éstos. Registros de desplazamiento distribuidores (Rg'RD). El número de éstos en el sistema de control es igual al de los actuadores que se tengan más dos registros; uno de recepción y distribución (Rg'S), y otro de conteo de procesos ( Rg.C). Los Rg“RD, como su nombre lo dice, se encargan de recibir las señales de control y de distribuir éstas a las etapas de control de LA y LC. Modos de Control LA y LC. Dependiendo del modo de control que se decida usar en cada actuador se usa el tipo de control deseado: LA para procesos precisos y con carga y LC para procesos rápidos y sin carga. Etapa de potencia. Esta etapa se encarga de proporcionar la energía para que funcionen los actuadores, por lo que funciona con un voltaje fijo para LA y con voltaje variable para LC. Contiene un controlador de motores de pasos que solo requiere una señal de control y este genera las demás señales que alimentan las fases. Motores Bipolares. Los creados en el LMM tienen la peculiaridad de funcionar en modo de pasos (LA) y en modo dinámico (LC) dependiendo el tipo de control que se elija; por esta razón a estos motores se les conoce como bimodales. Registros de retroalimentación (Rg DR). Se encargaran de registrar las posiciones de los actuadores por cada pulso de reloj y de enviarla al sistema de control para su actualización. Etapa de conteo y fin de proceso. La principal función de este módulo es la de llevar el conteo del proceso, finalizar éste y si es necesario, finalizar los procesos a causa de incidentes que afecten la manufactura. Esquema general de control De acuerdo al esquema general de control mostrado en la Figura 4.6, el control del motor bimodal recibe 16 señales de entrada suministradas por el programa de control y dos señales externas. Éstas contendrán información relacionada con la velocidad, el sentido del giro, el estado del motor, así como las señales del reloj para los diferentes bloques de control. 67 ra Rg.S ¡ : ¡ LS $ ¡ p o l g a — T E A E E ii. : : 1 - Mo TIA ! ¡ ¡ P a ¡ d p Li dioy — 4 , o e | , ! Y i . - ¡ ¿ l E : a 1 FuUJINS ¡pe E al: 3 Figura 4.6 Esquema de control para “n” motores bimodales. 68 En el caso de que los motores funcionen a LC, el circuito de control provee 4 señales de salida que sirven para controlar la fuente de voltaje variable (modo dinámico). Registro de recepción y distribución Rg'S ( 8 bits) La etapa principal de este sistema de control la ocupa el bloque de los registros de recepción y distribución (figura 4.7), la cual consta de dos circuitos integrados 74LS194 (4-Bit Bidirectional Universal Shift Register, Ul y U2) trabajando en modo de desplazamiento a la izquierda y recibiendo en paralelo los datos de control. En esta etapa de inicio, este bloque recibe 8 bits de control mediante el puerto paralelo A de la PC. Recibida esta señal se guardan con cada pulso de la señal de reloj CLK, y con 8 pulsos CLK RD se desplaza la señal al siguiente registro de control de cada motor hasta completar el número de registros que se utilicen en el proceso o el número de actuadores que se estén controlando. Cabe señalar que por este registro pasan todas las señales de control de los motores. Puerto A Bits de datos (8 bits) A 1_ CLK Guardar PTS "IE ponen PTAS ¡ r y Ñ Y voy ! Í CLK Ro para rasos » PA A ml Rg.1 o PA Ñ 1 1 Figura 4.7. Registros de recepción y distribución Rg.S Registros de desplazamiento distribuidores RgDs de 16 bits En la figura 4.8 se muestra la etapa de control de los motores. Como se menciona antes, estos registros contienen los datos de velocidad, sentido de giro, apagado, etc. Los primeros 8 bits contienen la información de velocidad para el modo de LA y los 4 siguientes contienen la información de control de LC con lo cual funciona la fuente que alimenta al motor. Los últimos 4 bits se usan para el sentido de giro, encendido y apagado de la fuente y para determinar el modo de funcionamiento. En total se tienen 16 bits de control en el registro Rg"Ds, como se muestra en la tabla 4.1. 69 Bit Función 1-8 Velocidad de giro del motor en LA 9-12 Control del voltaje para LC 13,14 Sentido de giro del motor 15 Modo de control 16 Encendido y Apagado de la fuente (motor) Tabla 4.1 Función de los bits de entrada Rg'Ds Se necesita un esquema o una etapa de registros de desplazamiento distribuidores para controlar cada actuador y dispositivos de retroalimentación que exista en el sisterna, el cual consta de cuatro registros de desplazamiento 74LS194, los que reciben las señales de control de los Rg'S de arranque hasta que todos los registros del sistema estén completos, y luego entonces podrá iniciarse cualquier proceso. I CLKRD of ] I 4 ¡743194 TALS104 ALS 194 Rg. 8 F Us M US p us m2 ! ! 4 x* A Monta oocodo | LA Figura 4.8 Registros de desplazamiento distribuidores del motor bimodal El proceso de corrimiento se realiza en forma secuencial de bits con cada 4 pulsos de reloj CLX-RD , cuando todos los registros se Henan de la información de control se inicia nuevamente este proceso y dependiendo de la configuración de funcionamiento de los motores, se llevará a cabo el proceso de envio de información a los siguientes bloques, como se ve en la figura anterior, si se elige controlar el motor a lazo abierto, tendremos ocho bits ( U6 y US) con información de control del motor, como velocidad y tiempo de trabajo, el penúltimo registro (U3) establece el sentido de giro, en la figura 4.9 se muestra un ejemplo de las señales de entrada del modulo de control de los motores. Para lazo cerrado se utilizará la información del registro (U4) y dos bits de sentido de giro que están en el último registro y los cuales son comunes a los dos tipos de control. 70 mal Abit) ca bed. eo 0% a o ; al a ca pop dde (o) ¡0/0 0.0:0/0,0.0:0:0 00:00:00 000/0000 00.0. 0 0, O > —— . ! -1 + — Lp e. DN Lota op1fo;o;of1foj1 o;o:o[1lo|1 opijo.ojfoJ 1 010,0 0” Ly o! ¿ o : pl ¡ ¿00 0/0/0000 0:0,0'0-0:0.0-0:0'0:0/0/0/0/0/0:0.0 o — pd oo e Ti - e ie Li dy >0000000000000000000000000'0 0 ENC a T MOT 0.000.0:00/000000000000000000/000|1 (5). E: ] | ve an lraado DR pls, IN eb la A A . z ol] CONT a nio aaa o Aa Ey 900000 000r000000000000000000000 0]: . : A E E ai NN — 7 E A EN AT Pa Pulso 11213145) 607 829 10111213 114 115.16, a, b, c, d, e, f: estructuras base de la palabra de control Figura 4.9. Ejemplo de las señales de entrada del módulo de control ETAPA DE CONTROL A LAZO ABIERTO (LA) Cuando el motor funciona a LA se utiliza el circuito lógico de la figura 4.10, el cual contiene dos circuitos integrados 74LS194 funcionando en modo paralelo que reciben de los registros de control la información para este modo. Esta información es enviada en 8 bits a estos registros de memoria (RM); éstos reciben la información y la almacenan para ser tratada por las siguientes etapas del control. Los registros RM se activan cuando los registros Rg"D1 al Rg.DN han completado la adquisición de bits y el proceso continúa con la etapa de los contadores para enviar la frecuencia correspondiente a la velocidad 71 requerida. En esta etapa se envia la información de la velocidad que se desea, ya que en la siguiente etapa es donde se genera la frecuencia para hacer funcionar a los motores. La etapa de los contadores se compone de dos circuitos integrados 74LS169 (Module 16 Binary Synchronous Bi-directional Counter) ver tabla 4.2 y un circuito integrado 74LS00 (Cuadruple NAND), como se ilustra en la figura 4.10. En cuanto a los contadores, éstos están conectados en cascada a fin de formar un solo contador de 8 bits, donde U7 tiene los 4 bits menos significativos (LSB) y U8 los 4 bits más significativos (MSB). | Rg. D1 US y U5 | CLK RM acen dodo do Lo EZ IT SAS SAA | ! ! TY Y Y Y ny 7413194 7415194 ; us u7 ! 4 L QLK conT! 7 ) 4 ¡vo y y] ¡IT ] I 74LS169 a | 7413169 l l vto Po us | I << » YT, 1 | ENC MOT ] +) 1 a ct 1 l CpPNT ys 1 I ! Figura 4.10. Circuito lógico para Lazo abierto La compuerta 74LS00 (Ul1) permite procesar las señales de entrada y salida de los contadores, así como las señales de estado del motor, las cuales son dadas por la información de los registros de control del motor. El principal objetivo de los contadores es proporcionar la señal de reloj CLK MOT al registro del motor, lo cual da la velocidad de giro del motor en múmero de pasos por segundo, Los contadores realizan los siguientes procesos: e Esperar la llegada de los datos enviados por el programa de control +. Cargar los valores proporcionados por los registros de memoria +. Habilitar el conteo y recargar los valores Para poder explicar estos procesos, se deben analizar y ver el funcionamiento de los contadores: 72 e Los circuitos funcionan con el flanco ascendente de su señal de reloj CLK CONT. +. La entrada que determina el sentido del conteo está conectada a tierra, por lo tanto, éste será descendente. e La salida RCO siempre se encuentra en el nivel lógico alto, salvo cuando el contador alcanza el valor terminal 0. LOAD ENP ENT Acción 0 XxX Xx Cargar valores de la entrada 1 0 0 Contar l 1 XxX Sin cambio 1 Xx 1 Sin cambio X: cualquier valor Tabla 4.2 Funcionamiento del 74LS169 El proceso de los contadores se divide en tres: Primer proceso. Estado de espera. La señal del reloj CLK CONT es proporcionada por un circuito independiente (generador de pulsos 2), de manera que éste se encuentra funcionando desde que dicho circuito es alimentado. Por lo tanto, los contadores deben permanecer en estado de espera mientras se envía la información a los registros de desplazamiento y ésta se almacena en los registros de memoria. Existen dos acciones que los contadores pueden realizar durante este periodo; en el modo sin cambio los contadores no ejecutan ninguna acción en el periodo de envio de información, y en el modo de carga continua los contadores cargan constantemente la información en la entrada sin ejecutar ninguna acción posterior. Segundo proceso. Carga inicial de valores. Los contadores U9 y UlO deben cargar los valores enviados por el programa de control una vez que los registros de memoria han guardado dichos valores. Tercer proceso. Habilitar el conteo y recargar los valores 73 Después de cargar los contadores se habilita el proceso de conteo. Cuando U1l0 ha alcanzado el valor terminal 0, los contadores deben recargar los valores de entrada sin necesidad de llamar nuevamente al programa de control, a fin de obtener una señal de reloj continua y estable. Cabe aclarar que el valor almacenado equivale al valor de partida (frecuencia) de los contadores y está vinculado con la velocidad de giro del motor. Este proceso se describe en la figura 4.11. Es importante subrayar que en cuanto el contador ULO alcanza el 0, los contadores cargan nuevamente los valores iniciales y el ciclo reinicia [9]. Inicio Cargar los valores iniciales [4 A Decrementar U9 en una unidad <> Si Decrementar UlO en una unidad y cargar U9 a 15 binario No < 00 > Si Figura 4.11 Proceso de conteo y recarga de valores Cambio de estado de RCO nn La señal del reloj del registro del motor CLK MOT depende de la salida RCO del contador UL0 y de la señal ENC MOT que valida el encendido del motor. 74 Figura 4.12 Señales del estado del motor De los tres procesos que cumplen los contadores se puede deducir la secuencia que deberán seguir las señales relacionadas con el estado del motor (ENC MOT, VALID y CONT) y que serán enviadas por el programa de control. Así se obtiene la tabla 4.3 que contiene el comportamiento de todas las señales de entrada durante los tres procesos ver figura 4.12. Proceso Encendido del motor | Validación de arranque | Validación del motor ENC MOT VALID CONT 1. Espera 0. 1 0 2. Carga 0 1 0 3. Conteo 1 0 1 Tabla 4.3 Señales de entrada de los contadores Para obtener esta tabla, también se toma en cuenta que durante los primeros procesos lo más importante es inhibir el conteo a fin de no enviar señales erróneas al registro del motor, además de conservar la continuidad de las señales [9]. ETAPA DE CONTROL A LAZO CERRADO Esta etapa no es un solo bloque, sino que está compuesta por varias partes como son: los registros de información, la fuente de voltaje variable, la etapa de potencia, y la parte de retroalimentación. El control a LC empieza directamente en el Rg"Ds donde se tiene la información del modo de control; La variación de la velocidad se hace por medio de la combinación de resistencias que controlan el voltaje de ésta. Lo anterior sirve para determinar la velocidad por medio del 75 control de la fuente de voltaje variable, la cual de acuerdo a la palabra de estos 4 bits, se tienen 16 opciones de velocidad. En la gráfica 4.13 se muestra de forma general el proceso de control a lazo cerrado, y enseguida se describe brevemente cada parte de este esquema. Registro de información Mot Figura 4.13, Esquema de lazo Cerrado. Del RgD's se obtienen 4 bits, los cuales nos dan el voltaje y así la velocidad de funcionamiento del motor en curso, a diferencia de LA donde la velocidad se controla directamente por la frecuencia que le enviamos a los registros de control. Para LC, la información que le enviamos a la fuente de voltaje variable es la velocidad a la cual funciona el motor, que para este caso de LA se fija en 12v. Una de las etapas más importantes de este modo de control se concentra en la parte de sensado y de retroalimentación, que esta incluida en el desarrollo de los motores bimodales, y que es posible integrar a esta propuesta de control, pues el objetivo de este diseño es poder tener la información exacta de posición y de velocidad del motor. La retroalimentación en este motor está basada en los optosensores ubicados en el rotor. En la figura 4.14 se muestra el circuito de sensado y transformación de las señales analógicas que reciben los encoders y que serán retroalimentadas al sistema en forma digital. 76 ENCODER 1M324 + Figura 4.14 Circuito electrónico de sensado y control de LC Este sistema esta compuesto por un LED que emite luz infrarroja en una sola dirección, y un opto sensor que emite una señal que indica la posición del encoder acoplado al rotor. La señal de los fototransistores se envía a un amplificador operacional (LM324), el cual amplifica las señales que el optosensor emite en forma analógica; el amplificador está configurado como comparador, donde, con el voltaje de referencia se puede emitir una señal de pulsos como información digital del voltaje. En este caso las señales de retroalimentación no van a la etapa de potencia directamente sino que se envían a un sistema de control de pulsos basado en inversores secuenciales (ver figura 4,14 del retardador de pulsos), los cuales detectan los tiempos de subida y bajada, que su vez se transforman en pulsos (reloj para sincronizar la alimentación de las bobinas) y dependiendo del retardo (delay) será el ancho del pulso requerido para el control de LC y en especial para el encadenamiento de las señales que energizan a las bobinas, ver figura 4.15, Pr re Ho] A Señal Optot y 4— Py A A Señal Opto2 E so Figura 4.15. Ancho de pulso de retroalimentación 77 La figura 4.16, muestra el circuito de los inversores secuenciales, y la etapa de retroalimentación al registro de control del motor, y al contador de procesos. ar En 0 E Figura 4.16 Retardador de pulsos para los registros de control de los motores Existe un inconveniente técnico, ya que el sistema a lazo cerrado no es independiente en el arranque, necesita de un impulso para poder activar su movimiento; en este caso se propone utilizar un enlace al sistema de LA para poder iniciar el movimiento del rotor y continuar con el sistema de control a LC. La etapa del registro de control del motor es alimentada por los pulsos que provienen del MUX, que sirve de puente entre los controles LA y LC, los cuales envían una serie de pulsos con determinada frecuencia, dando en los dos modos de control un pulso por cada paso de motor. En seguida se describe brevemente este registro de corrimiento del motor bimodal. Registro del motor Bimodal Esta etapa de control del motor corresponde al registro del motor y está compuesta por un registro 74LS194, Aquí se interpreta la secuencia de control del motor en ambos modos de control LA y LC; el sentido de giro del motor viene de los registros de información. Etapa de Potencia Figura 4.17. Registro de corrimiento del motor bimodal Como se aprecia en la figura 4.17, a este registro le llegan 2 bits de sentido (horario o antihorario) y 1 bit del multiplexor, el cual permite la entrada de la señal de control establecida en el programa. La señal de habilitación para la etapa de potencia está dada directamente por el registro de información, mientras que la secuencia de control está dada por los pulsos que entran al registro del motor y que se envían a las 2 fases del motor. El funcionamiento del registro del motor se basa en el desplazamiento de los bits presentes en las entradas paralelas. Ahora, 2 entradas se encuentran en estado "1” y dos en estado "0"; de esta forma, para suscitar el corrimiento de los bits se deberán cargar primero los valores de las entradas paralelas y posteriormente iniciar el desplazamiento de los mismos ya sea hacia la derecha o hacia la izquierda, pudiendo cambiar de un sentido a otro sin necesidad de recargar los valores de entrada nuevamente. La tabla 4.4 muestra la secuencia de control del motor en el modo de operación de dos fases. Entradas Salidas Reloj ENTR Paralelas Qa Qb Qc Qo CLK S1 so A B 0 D |MOT | MOT | MOT ¡| MOT MOT 1 2 3 4 Cargar valores de entrada Pifitrj1pojof1[1j0o]0 Desplazar la derecha o j o j o l o | j o > o o] o ] — E sd E A E E > a o o o e = i n j o j o | — = l o l o j = j a o j o | = | = | o o | = j - = | o j o 79 la 0 XxX XxX XxX XxX Tabla 4.4 Funcionamiento del registro del motor Del diagrama anterior podemos ver que si se alimentan dos fases, por ejemplo A y B, para iniciar se puede apreciar el desfasamiento de 90? que hay entre MOT 1 y MOT 2, MOT 2 y MOT 3, y así sucesivamente. Las señales MOT 1 y MOT 3 alimentan a la primera fase, y MOT 2 y MOT 4 a la segunda. De ahí que éstas se encuentran defasadas 180"[9]. Contadores de retroalimentación Estos contadores se encargan de contabilizar los pasos del motor en LC por consecuencia conocer la posición del motor, y alimentan al registro de retroalimentación en cuanto al número de ciclos de trabajo concluido; en el modo de LC la señal que alimenta al contador va también a este ciclo de control, ver figura 4.13. Señal de referencia Registro de recepción y distribución Señal Optosensores Señal del y+ y + reloj de Inicio 7ALS169 74L3169 7419169 7415169 Ra. Ratrot 74 4 Ye a L | Le | Figura 4.18. Contadores de retroalimentación A estos contadores se les determina su ciclo de conteo desde el registro de información, el cual es el punto de comparación para iniciar el proceso de conteo de cualquier ciclo de trabajo, y se tiene un reloj independiente para iniciar. Se propone un contador de 16 bits para poder tener un gran rango de conteo en los procesos. 80 Contador de proceso, Este contador lleva el conteo del proceso en su totalidad, se encarga de contabilizar el tiempo de cada instrucción y el tiempo de ejecución de cada proceso. En este caso se propone un contador de 16 bits, con los cuales se contabilizan todos los procesos en un ciclo de trabajo; estos contadores son alimentados directamente con la información del registro de recepción y distribución, el cual envía los datos de tiempos de inicio y final de los procesos de manufactura, ver figura 4.19. | Reglstro Contador | CLK Y Y | 7ALS169 | F 7ALS169 | rl 7aLstes | r 74LS169 | Salida Circuito Terminador Figura 4.19 Contador de procesos El generador o reloj de pulsos inicia los procesos y el contador tiene la función más importante en lo referente a finalizar ciclos de trabajo, ya que está conectado directamente al circuito terminador, al cual envía la información de fin de proceso al programa de control. Etapa de potencia La etapa de potencia propuesta está compuesta por una fuente de voltaje variable controlada digitalmente desde el registro de información mediante 5 bits, de los cuales con 4 obtenemos 16 niveles de voltajes para el control de velocidad y 1 bit para apagar o encender esta fuente cuando se inicia el proceso. Se optó por el regulador de voltaje LM317HV comercial, el cual tiene ciertas características que se adaptan al control de los motores bimodales probados en el proyecto de control de motores con FPGAS en LC [4]; la tabla 4.5 muestra las características obtenidas en el proyecto, 8l Características de funcionamiento Voltaje Operación 2a23V Velocidad del motor 10,000 a 28,000 RPMS Corriente máxima 1L5SA Tabla 4.5. Características de operación de los motores bimodales Del proyecto mencionado se consiguió tener velocidades de hasta 17500 rpm con un voltaje de 18.4 volts, esto sin entrar a la zona de sobrecalentamiento [4]. Para evitar una sobrecarga a los circuitos de control se propone poner una etapa de protección con buffers entre el registro de información y la fuente de voltaje, así como entre el registro de control del motor bimodal y la etapa de potencia, en este caso a la entrada del circuito L298N. En cuanto al consumo de corriente, se espera un consumo menor a 1.5 A, para lo cual está diseñado el regulador de voltaje; en la siguiente tabla se muestran las características de operación de éste. Parámetro R dor LM317HV Voltaje referencia 1.25 V 1.30 V Corriente: 0,3 A 1SA Tabla 4.6. Características de operación del LM317HV. La figura 4.20, muestra el diseño propuesto para la etapa de la fuente de voltaje variable LM317HV Vin Voltaje de Vin Vout salida tl Vcc RI Etapa de *L potencia de Vac Tra cada motor Aa] ra 3k L Registro de Información Mot1 Figura 4.20 Fuente de voltaje variable 82 De acuerdo al diagrama de la fuente de voltaje, la combinación de las resistencias suministra los voltajes requeridos para la operación del motor bimodal y se muestran en la tabla 4.7. os Resistencia Valor R2 4.7 [1] R21 6.7 [kQ)] R22 15. [kQ] R23 33 [kQ] R24 S6 [k62] RI 240 [12] Tabla 4.7. Valores de resistencias comerciales Se propone tener un voltaje variable de 12 volts mínimo y 26 volts máximo, por lo que los datos de las resistencias anteriores nos dan estos rangos de control de voltaje. En la tabla 4.8 se muestran los voltajes que es posible obtener de acuerdo a lo requerido; el voltaje mínimo es el umbral entre el control de LA y LC para que cuando se pase de un control a otro se utilice la misma fuente, ya que en el caso de LA el voltaje de operación se fija en 12 volts, el cual es uno de los voltajes obtenidos, de acuerdo a la configuración de las resistencias del regulador de voltaje. Se toma como referencia el voltaje máximo para los valores de las resistencias R1= 240 Q y R2=6.3 (2; éste último se calculó para tener un voltaje máximo de salida de 34 volts, mediante a la siguiente expresión: VSalida=1.25( 1 + R2/R1) De acuerdo a los valores de voltaje de la tabla 4.9 se tiene la capacidad para variar la velocidad del motor controlado a LC y usar el voltaje mínimo para el funcionamiento de los motores a LA, donde se necesita un voltaje de 12 V, 83 8 $ j o j o j o j o j a j = o l o l o l o j o j o l o | o | o j o | » B 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 = i m t o j o l — | i — | o j o j - = [ - = J o j o j = | = | o ! l o j ¡ e r i o | j — = j o l n i o j - j o j e j o | - j o j - = [ o j - f o j a Tabla 4.9 Voltajes de la fuente variable Etapa de Potencia. Esta etapa es necesaria para suministrar el voltaje y corriente a la señal emitida por el Registro de desplazamiento distribuidor del motor, ya que las señales recibidas del control de LA son manejadas con niveles TTL de voltaje, lo que no es suficiente para alimentar las bobinas de cada motor. En el caso de LC se alimenta la señal de encadenamiento que viene del registro de control del motor con voltaje y corriente de la fuente de alimentación; para este caso se utilizó el circuito integrado L298N, el cual tiene rangos de operación para el control de los motores en LA y LC. Esta etapa se probó con el circuito integrado de control de motores de pasos independiente L297 para el proyecto de tesis [10], donde el control a LA se llevó con éxito. En el caso de esta propuesta, el papel del circuito de control está tomado por los Registros de desplazamiento distribuidores y la fuente de alimentación variable es la misma para ambos proyectos como se muestra en la figura 4.21. 84 DVB 2 A Rs Ra 7050 ti Figura. 4.21 Etapa de potencia con el circuito L298N Etapa de emergencia y fin de proceso En esta etapa se colocan sensores de contacto eléctricos para determinar cuando existan colisiones y a su vez enviar una señal de terminación de ciclo por contacto no previsto. Pueno TRIGGER vea] Ex O 0 Figura 4.22. Etapa de emergencia y fin de proceso El circuito está compuesto por las señales que recibe el circuito en configuración OR de montaje, el cual esta conectado a un sistema de sensado de contacto eléctrico, así corno a la etapa de conteo del proceso total, por lo que de existir colisiones ó fin de proceso, ésta se activa y manda la señal de fin de proceso al Trigger, el cual manda la señal de cancelación o fin de ciclo al contador interno que a su vez envía esta señal al puerto C para finalizar el proceso en el programa de control de la Computadora que utilizamos, ver figura 4.22. Es importante tomar en cuenta que cuando los motores bimodales funcionan a LC tienen cierta desventaja: como son motores sin escobillas no podemos detener o iniciar el movimiento sin una parte de desaceleración o inicio de movimiento. En el caso de querer 85 detener el movimiento se sugiere cambiar de modo de operación, en este caso a LA para disminuir la velocidad paulatinamente y no dejar sin control este proceso, ya que se puede dañar el motor. Propuesta con conexiones USB (Universal Serial Bus) Otra de las alternativas para el control de varios motores, es usar puertos USB, que debido a sus características es muy rápido y permite conectar múltiples dispositivos. El puerto USB tradicional puede transmitir a velocidades de 1.5Mb/s a 12Mb/s; un puerto paralelo entre 600kb/s a 1.5Mb/s, y en los últimos desarrollos se logran velocidades con USB de hasta 480Mb/s, por lo que los retardos serian mínimos. Se muestra esquema del puerto en la figura 4.23. Esta interfaz de cuatro hilos, plug and play, distribuye 5V para alimentación. Emplea una topología de estrellas apiladas que permite el funcionamiento de hasta 127 dispositivos a la vez; permite conectar muchos dispositivos a un solo bus lógico sin que los que se encuentran más abajo en la conexión sufran retardo alguno. A diferencia de otras arquitecturas, USB no es un bus de almacenamiento y envio, por lo que no se produce retardo alguno en la transferencia de paquetes de datos hacia capas inferiores. Figura 4.23 Puerto USB. Como detalle importante, cada puerto utiliza una única solicitud de interrupción (IRQ) independientemente de los periféricos que se tengan conectados (1 6 127) por lo que no hay riesgo de conflictos entre la cantidad de dispositivos, que de otra forma no podrían ser conectados por falta de recursos, como ocurre en el sistema de control actual, que no podemos conectar más dispositivos al sistema. De. lo anterior, el desarrollar un sistema de control de varios motores es una muy buena opción por la cantidad de dispositivos que es posible conectar, los retardos que son casi nulos, y la independencia de control. 86 Solo que existe una gran desventaja: las interfaces de conexión en el dispositivo con las características USB, así como el software del dispositivo, por lo que el implementar o sugerir esta forma de control trae como consecuencia gastos elevados y uno de los objetivos primordiales de los proyectos generados en el LMM es producir prototipos lo más económico posible, así como su independencia elementos externos, materiales, software, etc, 87 88 CONCLUSIONES Y TRABAJO A FUTURO Conclusiones El análisis del sistema general en base al desarrollo de prototipos físicos, es de gran ayuda, en el sentido que se probaron las capacidades físicas del microcentro de maquinado y el sistema de control que utiliza. En primer lugar, se puede decir que el microcentro de maquinado, mas allá de ser un proyecto piloto en el desarrollo de micromáquinas en México, es un prototipo viable en la producción de elementos que requiere: la industria, los equipos de instrumentación, así como el uso de éstos, en prototipos futuros de microcentros de maquinado el cual es uno de los fines principales en cuanto a la reducción paulatina de dimensiones de dichas máquinas- herramienta. Se realizó la manufactura de los prototipos de microtornillo y micromachuelo: el microtornillo se utilizará en futuras máquinas-herramientas en tanto dentro de la manufactura del micromachuelo solo se logró hacer el prototipo en latón y de éste no se lograron las características deseadas, ya que tiene defectos físicos. Estos procesos cuentan con ciertas desventajas que repercuten en su producción, puesto que el micromachuelo deberá de manufacturarse en acero, lo que nos lleva a tiempos muy grandes, y una de las grandes desventajas de tener tiempos de producción muy largos, son los desajustes mecánicos que sufren los mecanismos de traslación del microcentro de maquinado Respecto al sistema de control utilizado, el análisis parte desde el desarrollo de los programas de manufactura, los cuales a pesar de que son sencillos, absorben la totalidad de recursos de una computadora al ser activados. Debido al sistema operativo Windows98, el 89 cual no es un sistema para funcionar en tiempo real, por lo que trae muchos retrasos al controlar el microcentro. Antes que nada una de las prioridades del la creación y control de Máquinas herramienta en el LMM, es la producción de bajo costo en todos sus elementos, por lo que el sistema de control propuesto se basa en estas características (registros de desplazamiento y contadores), y es una alternativa viable para dicho caso, aun cuando se estén generando sistemas de control con otros dispositivos programables para múltiples motores bimodales. La aportación de este trabajo consiste en los siguientes puntos: + Comparación de diversas tecnologías de actuadores, así como de sistemas de control de máquinas-herramienta Estudio del sistema de control del microcentro de maquinado Desarrollo de programas de manufactura, asi como la aplicación para el desarrollo de microtornillos y el prototipo de un micromachuelo e Propuesta del sistema de control paralelo de motores bimodales basado en proyectos anteriores e Propuesta de Etapa de potencia y fuente de alimentación aplicadas en los nuevos sistemas de control de motores bimodales Trabajo a futuro. En primer lugar se realizará un manual de operación y programación del microcentro de maquinado del LMM, para poder producir elementos que se necesiten en el mismo laboratorio, y así ocuparlos en la siguiente generación de micromáquinas en México. Uno de los objetivos que se persigue es tener varias alternativas de control para las máquinas herramientas y la propuesta que se da, es viable para este proyecto y así tener alternativas de control, ya sea implementándola físicamente o programando un CPDL (Complex Program Logic Device) Dispositivo lógico programable complejo, con las características de diseño propuestas. Buscar y probar las conexiones USB para el control del microcentro de maquinado, para ver la funcionabilidad de estos puertos, debido a la opción de conectar varios dispositivos a un solo puerto. En el caso del sistema de control propuesto, se lograría controlar todo una microfábrica con solo una computadora. 90 REFERENCIAS (DKussul E., Ruiz L., Caballero A., Kasatkina L, Baydyk T., CNC machine tools for low cost micro devices manufacturing; First International Conference on Mechatronics and Robotics; Saint Petesburg, Russia; May 29 — June 2, 2000; Proceedings Volume 1; pp98- 103 : (2). Caballero Ruiz Alberto .Caracterización de un microcentro de maquinado de bajo costo. Tesis de Maestría. 2000. (3). Leopoldo Ruiz Huerta. Diseño y construcción de un microcentro de bajo costo. Tesis de Maestría, 2000 (4). Muñoz Leines Carlos Alberto, Santos Carrasco Cesar Augusto Empleo de FPGA 's para el sistema de control de motores de pasos bimodales de micromecánica, Tesis de Licenciatura, 2003 (5).González Victor. Fundamentos de Robótica. 2002-03 http //cfievalladolid2.net/tecno/ctri_rob/robotica. (6). http://www.ing.uc.edu.ve/Scdrey/dd (7). http://www.elo.utfsm.cl/S£telo385 (8) Kussul. E., Control paralelo de máquinas herramientas, XV Congreso SOMI, Sociedad Mexicana de Instnumentación, México, 2001. (9) López Walle B Cristina. Tecnología de prototipos rápidos por tejido de alambre magneto para tarjetas electrónicas aplicada al control de microequipo Tesis de Licenciatura. 2003 (10) Silva López H.H. “Automatización de una micromáquina herramienta de primera generación”, Tesis de Licenciatura. 2004 (1 1)Kent Reisdorph, Aprendiendo Borland C++ Builder 3 en 21 Días, Person Educación 1999. (12)Ronald J. Tocci; Sistemas Digitales, Principios y Aplicaciones, Monroe Community College, 1985, pp. 235, 237, 258, 264. (13) Olivares Pastén Luis, Procesos de manufactura (ICM 2582) . Apuntes 2004 http://www2.ing.puc.clicmcursos/procesos/apuntes/cap4/46/461/ (14) Micromachine Magazine, 1996 (15) Micromachine Magazine, 1997 (16) eivd- Ecole d'ingenieurs du Canton de Vaud; IAF Institut de automatisation Industrielle CH-1401. Yverdon-Les-Bains (Switzerland). http// :www.eivd.ch (17) Tablas de medidas para cuerdas de tornillo Leon Weil AC AND AAC ACO ACC ASCIH CCD CCADET CA CP CN CNC CND CAD CAM CPU DSP EPROM EP FPGA LA LC LSB LMM MEMS MST MSB MMT OR PIC PC RPM SIMD TIL GLOSARIO Corriente Alterna Compuerta Lógica Multiplicadora Control Adaptable Automático Adaptive Control for Optimization Adaptive Control for Constraint American Standard Code for Information Interchange Charged Coupled devise Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico Control Adaptable Control Programable Control Numérico Control Numérico asistido por Computadora Control Numérico Directo Diseño Asistido por Computadora Manufactura Asistida por Computadora Unidad Central de Proceso Corriente Directa Procesador Digital de Señales Memoria Programable Exclusiva para Lecturas Borrable Elementos de Procesamiento Arreglos de Compuertas Programables de Campo Lazo Abierto Lazo Cerrado Bits Menos Significativos Laboratorio de Micromecánica y Mecatrónica MicroElectroMechanical Systems MapMemPlus MicroSystem Tecnology Bits Mas Significativos MicroMachine Technology Compuerta Lógica Sumadora Interfase Controladora de Periféricos Computadora Personal Revoluciones Por Minuto Una sola Instrucción y Múltiples Datos Lógica Transistor-Transistor USB Universal Serial Bus jm Micrómetros mm Milímetros