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ANTEPROYECTO DE PRIVADO PRÁCTICO

INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA – TELECOMUNICACIONES

INFORMACION GENERAL

CARRERA:

Ingeniería en Electrónica

FECHA DE ENTREGA:

Martes, 23 de agosto de 2011

TITULO DE PROYECTO:

Control Numérico Computarizado Para Tallado De Texto Y Formas

DESCRIPCION: Es una maquina automatizada que puede tallar varias formas e incluso texto sobre superficies como madera u otro material maleable que de forma manual consumiría mucho tiempo y agotamiento físico por parte de un artesano. Con esta herramienta se quiere demostrar el uso de las técnicas de manufactura asistidas por computadora para la mejora de los procesos de la producción.

INFORMACION DEL ALUMNO

NOMBRE: José Paul Alvarado Robles

CARNÉ: 200807519

TELEFONO: 40704578, 77631274

CORREO: paulalvarado02@gmail.com

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INTRODUCCIÓN

El proyecto de una maquina CNC consiste en la elaboración de una maquina automatizada que se encarga de tallar en un material desgastable o erosionable, en este caso Poliestireno Expandido (Duroport), figuras o texto. La máquina tendría que recibir un mapa de datos que contendría las coordenadas de los trazos que se necesitarían para lograr el tallado de las figuras. El dispositivo tendría un conjunto de circuitos y microprocesadores que le ayudarían a posicionar el actuador sobre el material para que pueda moldearlo. El actuador se movería en tres ejes, de tal forma que lograría un movimiento tridimensional que controlaría profundidad, alto y ancho.

DEFINICION Y DELIMITACION DEL PROBLEMA

Esta herramienta tiene como propósito aplicar los procesos de manufactura automatizados. Lo que intenta resolver es que un proceso largo y tedioso que consume mucho tiempo y en el que no siempre se obtiene el mismo resultado, se estandarice y se obtenga el mismo resultado y se aproveche el tiempo en otros procesos como el ensamblaje o pintura. Funcionamiento Como explicamos anteriormente es una herramienta que sirve para tallar formas, pero este proyecto busca crear las formas bajo relieve, es decir que tallara en profundidad el material, los objetos no quedaran en bulto o sobresaliendo del material, quedaran marcados en el material desgastando la superficie del mismo. El sistema está diseñado de tal forma que permitirá el movimiento en tres dimensiones para posicionar un actuador (un taladro) el deberá moverse en 3 ejes y así empezar a desgastar el material, el actuador será posicionado a través de motores stepper que permiten el movimiento controlado. El sistema recibirá instrucciones de la computadora que serán procesados y adaptados por circuitos electrónicos y microcontroladores para luego ser traducidos en movimientos que ejecutara la maquina CNC.

Figura 1. Diagrama general estructura mecánica.

Taladro

Rieles para movimiento en X Fin de extensión y broca

Movimiento Z

Extensión de taladro Eje de movimiento Y

Aquí va el material

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Esta herramienta contempla el uso de 3 ejes de movimiento (x,y,z) de los cuales dos se moverán a lo largo y ancho del material a trabajar y un tercer eje controlara profundidad con que se realizara el tallado. A continuación una descripción pasó a paso cómo funciona el proyecto:

1. Primero debe iniciarse una aplicación en la PC la cual será la encargada de controlar el funcionamiento del equipo y por medio del cual se ingresaran los diseños a plasmar en el material que consistirá de un determinado número de figuras trigonométricas, este software permitirá definir la posición, tamaño y profundidad de la figura a tallar.

2. Luego de haber finalizado el diseño se debe transferir los datos a la maquina los cuales serán enviados por USB y para luego ser distribuidos en los actuadores correspondientes los cuales recibirán los datos y lo traducirán en movimiento.

3. Estos actuadores serán encargados de posicionar el actuador principal el cual se encargara de realizar el tallado del material, el cual será un taladro de precisión, pequeño de 110v el cual deberá ser activado por el circuito.

4. Para que el material sea totalmente tallado se realizar por pasos, es decir primero se tallara la forma en una capa poco profunda y se volverá a repetir el proceso hasta llegar a la profundidad deseada.

Ingreso de diseños

Para ingresar los diseños al sistema se utilizara un software similar a este, que su función principal es ser una interface humano-maquina, que permita al usuario ingresar los diseños que se quieran plasmar en el material de una manera relativamente sencilla, recordemos que otros sistemas CNC utilizan diseños elaborados en AutoCAD, lo que implica que los usuarios estén capacitados en ese software, que al mismo tiempo complica el diseño, ya que es un programa difícil de usar.

Figura 2. Interface principal de diseño.

Este software resuelve varios problemas con respecto a los alcances y límites del proyecto, ya que esta aplicación solo permite ingresar los diseños que se encuentran predefinidos en el programa, además es coherente con el funcionamiento del sistema, ya

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que define la profundidad con se tallaran las figuras, recordemos que este sistema modelara figuras bajo relieve.

Figura 3. Cuadros de dialogo para ingreso de parámetros de gráficas.

En la gráfica anterior se presentan algunos de los cuadros de dialogo que

podremos usar en el software donde definiremos parámetros importantes de las figuras a ejecutar por la máquina, estos datos como posición en X y Y, radio, profundidad Z, etc., cada parámetro de acuerdo a la figura que se va a realizar. El proyecto está conformado a grandes rasgos de esta forma:

Actuadores: serian básicamente cuatro, tres motores stepper para los movimientos dimensionales y un taladro ligero para realizar los tallados.

Estructura: La estructura será diseña principalmente en madera y algunas partes en metal, donde sea necesario reforzar, dicha estructura será pensada para la movilidad del actuador y que con sus mismas dimensiones permita definir las dimensiones máximas de los materiales a procesar.

Sensores & Sistemas de Control: para comprobar que los movimientos realizados

por la maquina sean los correctos y al mismo tiempo poder detectar fallas en los

actuadores, además se incluirán sensores de voltaje y corriente para verificar el

buen funcionamiento del barreno. Comunicación y HMI: será la Interface Humano-Maquina (HMI) una combinación

de un software con interface visual amigable con el usuario y el puerto USB para la comunicación de datos con una computadora, en la cual se hará el diseño de las formas que serán ingresadas al sistema CNC para su procesado, así como un control externo para los procesos, como parada de emergencia (Cancelación o

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Aborto), pausa de ejecución y reinicio así como mediciones, estadísticas y diagnósticos de falla.

Límites y Alcances

El sistema solo puede actuar sobre materiales moldeables y con baja dureza, en esta ocasión se eligió el Poliestireno Expandido (Duroport).

El tamaño de la pieza a moldear será limitado, lo suficiente mente grande para obtener buenos resultados y pero no tan grande que se alargue el tiempo del proceso de tallado,

Las formas a que estará limitado a 5 figuras definidas por el software que serían circulo, rectángulo, triangulo, hexágono, estrella y un botón que permitirá hacer un diseño libre llenando una matriz de tamaño limitado, que será aproximadamente un 1/4 de la resolución total para que no sea demasiado tedioso el ingreso de los datos.

Los diseños solo podrán ingresarse a través del software de interface, a través del cual se validaran para su posterior materialización.

Las figuras que el sistema puede realizar son “bajo relieve”, tal y como se aclara en la figura 4.

Los componentes con que se elaborara el sistema serán conseguidos localmente, esto reducirá costos y tiempos de elaboración en el proyecto.

Figura 4. Figura bajo relieve izquierda, figura en relieve derecha.

JUSTIFICACION

Este proyecto tiene como objetivo utilizar la automatización de procesos de

producción y manufactura, incluso los no repetitivos, donde un lote de producción no es

igual al anterior y inclusive cuando la producción puede variar de unidad en unidad,

permitiendo personalizar el producto para los clientes y tener un mejor tiempo de

respuesta cuando se realizan cambios significativos en la demanda.

Otro concepto que se pone a prueba es la manufactura asistida por computadora

(CAM, por sus siglas en ingles) que tiene como objetivo que la interface humano-maquina

a través de una computadora hace más fácil el proceso de comunicación con la máquina

para trasladar ideas y diseños además, permite la flexibilidad de establecer la forma en

que se ingresa la información a la interfaz.

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OBJETIVOS General

Poner en práctica la automatización industrial y mejorar los procesos de producción repetitivos y no repetitivos.

Específicos Diseñar un sistema automatizado bajo el concepto CAM y generar una interfaz

amigable con el usuario. Resolver el problema de cómo comunicar adecuadamente la información

ingresada por el usuario y como interpretarla de manera adecuada de tal manera que la maquina pueda ejecutarla de manera óptima.

Resolver el problema de coordinación de varios actuadores funcionando al mismo tiempo.

Resolver problemas de diseño mecánico en la estructura para no sobreexigir los actuadores.

ANTECEDENTES Control Numérico Computarizado

El control numérico (CN) es un sistema de automatización de máquinas herramienta que son operadas mediante comandos programados en un medio de almacenamiento, en comparación con el mando manual mediante volantes o palancas.

Las primeras máquinas de control numérico se construyeron en los años 1940 y 1950, basadas en las máquinas existentes con motores modificados cuyos mandos se accionaban automáticamente siguiendo las instrucciones dadas en un sistema de tarjeta perforada. Estos servomecanismos iniciales se desarrollaron rápidamente con equipos analógicos y digitales. El abaratamiento y miniaturización de los microprocesadores ha generalizado la electrónica digital en las máquinas herramienta, lo que dio lugar a la denominación control numérico por computadora o control numérico por computador (CNC), para diferenciarlas de las máquinas que no tenían computadora. En la actualidad se usa el término control numérico

para referirse a este tipo de sistemas, con o sin computadora. Este sistema ha revolucionado la industria debido al abaratamiento de microprocesadores y a la simplificación de la programación de las máquinas de CN. Principio de funcionamiento Para mecanizar una pieza se usa un sistema de coordenadas que especificarán el movimiento de la herramienta de corte. El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando un programa informático ejecutado por un ordenador.

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En el caso de un torno, hace falta controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes de coordenadas: el eje de las X para los desplazamientos laterales del carro y el eje de las Z para los desplazamientos transversales de la torre. En el caso de las fresadoras se controlan los desplazamientos verticales, que corresponden al eje Z. Para ello se incorporan servomotores en los mecanismos de desplazamiento del carro y la torreta, en el caso de los tornos, y en la mesa en el caso de la fresadora; dependiendo de la capacidad de la máquina, esto puede no ser limitado únicamente a tres ejes. Aparte de aplicarse en las máquinas-herramienta para modelar metales, el CNC se usa en la fabricación de muchos otros productos de ebanistería, carpintería, etc.

DESARROLLO E IMPLEMENTACION

Para el desarrollo e implementación del proyecto se necesitan cubrir ciertos

requerimientos para que el examen privado cumpla con la finalidad de probar los

conocimientos del alumno, es por eso que se describirán cada una de las etapas

relacionadas con las áreas electrónicas a evaluar a continuación:

Estructura mecánica: en esta etapa se debe contemplar como la maquina

desarrollara sus movimientos es por eso que se debe establecer lo que es

posicionamiento de motores y actuadores, en este punto entra a funcionar la

electrónica analógica y de potencia, ya que debemos tener un circuito que permita

dotar de suficiente corriente a los motores y puedan mover el actuador, y al mismo

tiempo tener un circuito que permita activar el actuador principal (taladro) el cual

funcionara con 110v.

Sistema de coordinación: este sistema es el encardo de activar los actuadores y

coordinarlos para que ejecuten las instrucción de manera ordenada y coherente de

tal forma que se obtengan los resultados deseados en el procesamiento del

material, ya que se usaran motores paso a paso, se debe de utilizar una secuencia

de bits para poderlos usar, por lo cual se usara electrónica digital a través de

compuertas lógicas y microcontroladores para cada uno de los actuadores los

cuales de comunicaran a través de un bus de datos y un bus de control.

Sensores y control: este sistema se encarga de verificar el funcionamiento correcto

de los actuadores y es el encargado de verificar que los componentes estén en la

posición correcta y realicen la acción correspondiente, implica el uso de

electrónica analógica para el sensores ópticos de distancia así como sensores

discretos para detectar finales de carrera o funcionamiento de algún dispositivo.

Sistema de Comunicación: el sistema de comunicación será basado en USB, para

la comunicación ágil y certera con la computadora, ya que ahí se establecerá una

interface donde se desarrollara un sistema para el ingreso de las instrucciones y

diseños que serán ejecutados por la máquina.

Interface de Usuario: Es una parte importante del sistema que se encargara de

interpretar las ideas e instrucciones del usuario para traducirlas a comandos

numéricos que el sistema digital de control numérico pueda ejecutar. Esta parte

también se encarga de facilitar el ingreso de información del usuario.

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Lista de Hardware Taladro pequeño Motores Stepper Pic 16F877A Pic 18F2455 Transistores de potencia Tip 31 y Tip 32 Triac MOC3011 Triac TIP250 Programador PicKit2 Partes de alumnio, plástico y madera para la estructura. Componentes electrónicos varios (capacitores, resistencias, LEDs, compuertas,

conectores, etc.) Lista de Software

Pic C Compiler (CCS PCWHD) Pickit2 Programer Interface V2.61 Visual Studio 2008 (C#)

Diagrama de bloques general

COORDINACION

&

CONTROL

SENSORES

INTERFACE DE

USUARIO

COMUNICACIÓN DE

DATOS

ACTUADORES

DATOS PROCESADOS

DATOS NUMERICOS O

DE POSICION

DATOS NUMERICOS

CON IDENTIFICADOR

DE ACTUADOR

RETROALIMENTACION

MEDICION DE

POSICION

Descripción: El sistema en general pues empezara desde la interface de usuario, donde los datos

serán procesados para luego ser trasladados al circuito a través de comunicación vía USB, estos

datos consisten en si de un valor de posición y el identificador del actuador que se va activar.

Cuando ya se obtiene este dato pasa por un circuito de coordinación y control que activa el

actuador correspondiente y lo mueve a la posición indicada, a la vez se mide su posición para

verificar si se ejecutó la instrucción correctamente.

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Diagrama de bloques de cada etapa

Bloque de Interface

FUNCION DE

TRANSFERENCIA

DE DATOS

PUERTO USB

DE LA PC

GUI PRINCIPAL

INGRESO DE

DISEÑO

FUNCION DE

CONVERSION DE

MAPA DE PIXELES

A MATRIZ DE

POSICIONES

MAPA DE PIXELES

POSICIONES X,Y,Z

DATO POSICION Y ACTUADOR

Descripción: el bloque de interface describe la capa de software que mediara entre lo que el

operador de la maquina quiere plasmar y lo que la maquina puede entender por instrucciones,

existirá una interfaz gráfica como la descrita anteriormente que servirá para ingresar datos y

visualizar los datos para luego procesarlos y convertirlos de un mapa de pixeles a una matriz de

posiciones de que contendrá las posiciones en X-Y-Z, luego de obtener estos datos se procede a

simplificarlos y convertirlos en un flujo de datos de posición-actuador que luego serán ejecutados

para convertirse en movimiento.

Bloque de Comunicación, Coordinación y Control

INTERFAZ DE POTENCIA

CON MOC3011

MICROCONTROLADOR

CON USB

PIC 18F2455

PUERTO USB

SISTEMA DE COORDINACION

PIC16F877A

DATO POSICION Y ACTUADOR

DATO POSICION Y ACTUADOR

ACTIVACION

-

DESACTIVACION

CIRCUITO DE POTENCIA

CON TRIAC

CONTROL 110 Vac

SEÑAL ANALOGA

MOTOR

STEPPER

CIRCUITO DE

POTENCIA

TIP 31, 32

MOTOR

STEPPER

MOTOR

STEPPER

TALADRO110Vac Regulados

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Descripción: después que se reciben los datos del bloque de interface y son transferidos por el

puerto USB, se reciben los datos de posición y actuador en un flujo secuencial, que serán

ejecutados de forma individual, el microcontrolador PIC18F2455, será el encargado de enviar este

dato de posición al PIC16F877A que será el controlador de los motores Stepper, este a su vez

estará conectado a una etapa de potencia que se encargara de dotar de suficiente corriente al

stepper para que pueda funcionar. También tenemos un circuito que activara el barreno, esta

activación deberá ejecutarse antes de ejecutarse la primera iteración en el movimiento del eje Z.

Bloque Sensores

ADC DE PIC 16F690FOTODIODO

SENSOR RECEPTOR

PIC18F2455DATOS DE POSICION

VARIACION DE

VOLTAJE

LED INFRAROJO

SENSOR EMISORHAZ INFRAROJO

Descripción: este diagrama describe la interacción de los sensores con la máquina, el

sensor será óptico, habrá un emisor de luz infrarroja que será recibido por un fotodiodo

que medirá la intensidad del haz de luz infrarroja, de esta forma será convertido de señal

análoga a digital, será procesado este dato en el PIC16F690 para coincidir con los datos

de posición, para luego comparar con lo que se ejecutó en el PIC18F, si no cumple se

intentara llegar nuevamente a la posición.

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Diagrama de flujo de software

USUARIO

HMI

VALIDACION

PROCESAMIENTO

BUFFER

TRANSFERENCIA

MICROCONTROLADOR

USB

F1: ALMACEN DE DATOS

NUMERICOS

MAPA DE

POSICIONESCOMANDOS

DATOS

TOKENS VALIDOS

INTRUCCIONES NUMERICAS

INSTRUCCIONES NUMERICAS

DATOS NUMERICOS

DATOS NUMERICOS

ERROR

INFO DE

EJECUCIÓN

DATOS

Descripción: este proceso inicia con el usuario que interactúa con la interface HMI, esta a su vez

sirve como intermediaria entre los diseños que son ingresados a la máquina y los datos que son

ingresados y los datos que puede entender la máquina, después que los datos son intermediados

por HMI entran a una etapa de validación donde se verifica que no hayan incoherencias,

principalmente en cuestiones de profundidad de las capaz, es decir que la capa siguiente sea más

profunda que la anterior. Ya validados los modelos ocurre lo que se explicaba en el bloque de

interface, se lee el modelo en mapa de pixeles, se convierte en matriz de posiciones y luego se

convierte en un flujo de posición-actuador, que luego es transferido al circuito de la maquina vía

USB.

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DIAGRAMAS DE CIRCUITO DE ACTIVACION DEL BARRENO

Circuito 1. Triac para activar taladro de 110v

Descripción: este circuito servirá para activar digitalmente el barreno, se utilizara un optotriac y un

triac en configuración de carga inductiva, pensando en el motor del taladro, además podríamos

describir este circuito como un relé de estado sólido, echo a base de semiconductores, cumpliendo

con las reglas del privado que prohíbe relés electromecánicos. Como se ve en la figura en la pata

dos va la señal de activación digital, esta invertida ya que es el cátodo del LED de activación

interno del optotriac.

CRONOGRAMA

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD

Tras el establecimiento de todos los componentes tanto hardware, software y

arquitectura electrónica, necesarios para la elaboración del proyecto pues debemos de

analizar detenidamente si es posible realizar el proyecto con los recursos disponibles

dependiendo de nuestra condición geográfica e incluso si no los tuviéramos localmente

que tanto afectaría pedirlos en el extranjero.

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Dentro de los factores a analizar tenemos los que son determinantes para la

finalización del proyecto final, estos factores son los siguientes:

Disponibilidad de componentes: todos los componentes se obtienen localmente,

principalmente de impresoras usadas, los dos microcontroladores se consiguen

localmente así como el resto de semiconductores y componentes. La estructura en

primera instancia será echa de madera, aunque como segunda opción están

placas de metal, en último caso todo se obtiene localmente. Se tiene como plan de

contingencia en los motores de mayor potencia pedidos en el extranjero que

posiblemente serán solicitados desde la primera semana de trabajo.

Dificultad técnica: pues hay antecedentes de trabajos en la universidad de trabajos

de robótica y automatización hechos con motores stepper, por ejemplo, el brazo

robótico del laboratorio, que si resulto funcional, es por eso que la dificultad técnica

radica en la coordinación de los componentes y en manejar de manera adecuada

la estructura para que no sobrecargue a los motores.

Riesgo: el riesgo del proyecto se encuentra principalmente en resolver la primera

etapa de la estructura mecánica, ya que si esta no es adecuada en pesos y

rendimiento mecánico puede provocar retrasos y rediseños de estructuras,

echando a perder el tiempo de calendarización, es por eso que se debe de tener

mucho cuidado en esa etapa, ay que el desarrollo del software representa menos

riesgo siempre y cuando se tenga un mínimo de 3 semanas de trabaja, tomando

en cuenta que todo está planificado para 7 semanas.

No. Etapa o Fase Riesgo

1 Estructura Muy Alto 2 Sistema de coordinación Alto 3 Sensores y control Alto 4 Comunicación de datos Medio 5 Interface de Usuario y procesamiento de datos Medio

Económica - Precio de componentes: en este caso pues los costos se pueden

reducir un poco ya que todos los componentes se consiguen localmente, los

microcontroladores se consiguen a precios razonables así como los stepper se

consiguen a precios bajos, a continuación una estimación de costos general del

proyecto

Componente Precio

Microcontroladores Q 250.00

Estructura Q 200.00

Resto de componentes Q 150.00

Total: Q 600.00

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BIBLIOGRAFIA

http://es.wikipedia.org/wiki/Control_num%C3%A9rico

http://es.wikipedia.org/wiki/Fabricaci%C3%B3n_asistida_por_computadora http://www.instructables.com/id/Easy-to-Build-Desk-Top-3-Axis-CNC-Milling-Machine/

http://www.forosdeelectronica.com/f19/fresadora-cnc-muy-simple-barata-20897/

GLOSARIO

CAM: Computer-aided Manufacturing o Manufactura asistida por computadora,

son el conjunto de tecnologías que permiten la fabricación de productos de forma

automatizada y que al mismo tiempo permite la rápida reprogramación y

modificación de las maquinas a través de una interfaz para computador diseñada

para el manejo de un operador.

CNC: Control numérico computarizado, son máquinas de producción a las que se

les puede ingresar instrucciones por medio de instrucciones especiales que se

convierten en un flujo de datos numéricos que una computadora o

microcontrolador traduce en acciones.

Stepper: también conocido como el motor paso a paso es un dispositivo

electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en

desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar

una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso

a paso se comporta de la misma manera que una conversión digital-analógica y

puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos.

HMI: Human-Machine Interface, interface humano-maquina o también conocido

como interfaz de usuario, es el medio con que el usuario puede comunicarse con

una máquina, un equipo o una computadora, y comprende todos los puntos de

contacto entre el usuario y el equipo, normalmente suelen ser fáciles de entender y

fáciles de accionar.

Duroport: Polietileno expandido es un material plástico espumado, derivado del

Poliestireno y utilizado en el sector del envase y la construcción.

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ANEXOS

Circuito 1. Diagrama de los diferentes conectores USB.

Circuito 2. Diagrama de conexión y configuración del PIC USB.