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Brazo robótico para asistencia en tareas de
perforado automatizado
Robot Arm for assistance in automatic drilling
process
James Gustavo Molina Cruz, John Edinson Estupiñan Abril
Facultad de Ciencias e Ingeniería
Universidad de Boyacá
Semillero de investigación ARCON, Grupo de investigación GIMAC
Tunja, Colombia
[email protected], [email protected]
Resumen—En el documento se presenta el diseño,
construcción y puesta a punto de un brazo robótico que cuenta con
cuatro grados de libertad, cuya finalidad es enfocada en la
asistencia a lo largo de procesos de perforado específicos o
repetitivos dentro del taller mecánico “Huguito” localizado en
Socha (Boyacá, Colombia); donde todo proceso realizado dentro de
las instalaciones de dicho establecimiento es realizado de manera
tradicional, lo cual conlleva a errores de precisión, aumento en el
tiempo de manufactura de un producto y pérdida excesiva de
materiales o materia prima. Se procuró delimitar el avance del
proyecto en el semestre primero de 2014 al desarrollo de la
estructura móvil y eslabones de desplazamiento, dejando así
pendiente la manufactura del sistema de acople para la
herramienta de maquinado designada para las tareas de
perforado. Se propuso la construcción de una base fija, una base
giratoria y un eslabón de desplazamiento (excluyendo el segundo
eslabón y la muñeca o tercer eslabón debido a que su inclusión se
realizará al momento de acoplar la herramienta de maquinado),
los cuales son accionados por motores de pasos mediante la
transmisión de fuerza por correas.
Términos clave— brazo robótico; manufactura; control; puesta
a punto
Abstract— The document presents the design, building and
tuning of a robotic arm which count with four degree of freedom,
whose objective is focused in the assistance through a specific or
repetitive drilling process within the mechanic workshop
“Huguito” located in Socha (Boyacá, Colombia); where every
process done within the installations of the establishment is
performed by traditional ways, which carry to mistakes of
precision, increase in the manufacture time of products and
excessive loss of stuff or main material. Procure delimit the
project advance in the first semester of 2014 to the development
of movable structure and links of movement (excluding the
second link and the wrist or third link because of their inclusion
will done at the moment of couple the machined tool) which are
actuated by stepping motors through force transmission by belts.
Keywords—robot arm; manufacture; control; tuning
I. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de sistemas robóticos para el desarrollo de una
gran variedad de procesos de manufactura, los cuales abarcan
desde procesos para la elaboración de productos de primera
necesidad como tratamiento de alimentos, vestido y
entretenimiento hasta tecnología de avanzada para la
exploración del espacio, es uno de los aspectos que hoy día se
han convertido en un punto de vital importancia dentro de la
optimización de sistemas o métodos designados para la
conformación de productos o servicios . A su vez, la invención
de nuevos sistemas robóticos o mejoramiento de sistemas
clásicos, impulsada por el avance de los sistemas
computacionales, sensórica, electrónica y software, permite la
adopción de los mismos dentro de procesos tradicionalmente
realizados por el hombre, tales como procesos de agricultura,
minería, ganadería, transporte, limpieza o aseo del entorno,
construcción de viviendas e incluso asistencia en el
tratamiento de enfermedades y procedimientos médicos
especializados, generando así una revolución en relación a
como percibimos el mundo que habitamos y los distintos
fenómenos que tienen lugar en el entorno donde
subsistimos.[1]
El presente documento describe el proceso de construcción de
un brazo robótico con el fin de implementarlo dentro de un
proceso de perforado hasta ahora realizado de forma
tradicional dentro del taller mecánico “Huguito” localizado en
el municipio de Socha (Boyacá, Colombia), donde se realizan
variados procesos de tratamiento metalmecánico como
desarrollo de estructuras de soporte, doblado corte y modelado
de lámina, manufactura de carros destinados al transporte de
mineral, reparación y manufactura de estructuras metálicas
especificadas por diseño, ornamentación, entre otros procesos.
La adopción del sistema robótico de perforado dentro del
desarrollo de los procesos presentes dentro de las actividades
del taller mecánico, permitirá la elaboración de tareas de
perforado de forma automática o por medio de un control
manual, de tal manera que la herramienta manipulada por la
estructura móvil del brazo robótico sea posicionada en las
coordenadas y plano de referencia deseados y el proceso de
maquinado se realice de forma automática. Ya que, se pueden
definir procesos repetitivos para un sistema automatizado,
como es el caso del brazo robótico, se presentará un proceso
repetitivo de perforación mediante patrones alojados en el
sistema de control por parte del usuario, sin restar la opción de
perforado en puntos específicos, ya que las coordenadas serán
designadas por parte del operario del prototipo.
La inclusión del sistema de perforado automatizado por medio
del brazo robótico propiciará un aumento en la velocidad de
producción y por ende una disminución en el tiempo de
manufactura, si se trata de tareas de perforado repetitivas
enfocadas a la producción de productos del mismo tipo o que
cuentan con similares requerimientos de perforado. Al mismo
tiempo, ya que se trata de un sistema de gestión por sistemas
computacionales, en relación a las coordenadas y partiendo de
un plano de trabajo definido, se garantizarán perforaciones de
óptima precisión en las estructuras implementadas.
El desarrollo de procesos que conllevan a un producto
funcional y eficiente, no es nada sencillo, dado que existen
una gran variedad de factores que afectan el funcionamiento
del dispositivo en condiciones de trabajo normales o extremas;
siendo algunos de ellos las cargas manejadas por el sistema
robótico, las cuales definen la capacidad de torque necesaria
en los actuadores para su levantamiento, manipulación o
maquinado, la capacidad de los sistemas de transmisión frente
a esfuerzos determinados por el torque de los actuadores y la
carga manipulada, la resistencia que deben proporcionar los
actuadores ante lo esfuerzos generados durante el proceso de
perforado, con el fin de mantener la posición exacta de las
coordenadas específicas para el perforado y la integridad de la
estructura física del prototipo, como otro factor se tiene el
control realizado para el tratamiento de las trayectorias de
desplazamiento, efectuado a partir de la interacción de
secuencias computarizadas con los sistemas de control
electrónico para motores de pasos (actuadores), este factor
determina la precisión en la ubicación del brazo respecto a las
coordenadas brindadas por el operario, vital para el
cumplimiento del principal objetivo del prototipo, el cual es
brindar un grado alto de eficiencia en la precisión del
perforado de material dentro de los procesos que demandan
esta tarea dentro del taller mecánico “Huguito”.
Desde principio de los años 90 diversos grupos de
investigación han trabajado en el desarrollo de manipuladores
móviles capaces de operar de forma autónoma con un alto
nivel de coordinación en el control de todos sus grados de
libertad [2 , 3]. Muchos de estos grupos han orientado su
trabajo hacia el diseño de robots de servicio. Uno de los más
claros ejemplos de esta tendencia es el trabajo realizado por el
Laboratorio de Robótica de la Universidad de Stanford
liderado por el Prof. O. Khatib [4]. Su trabajo ha evolucionado
desde el proyecto SAMM en el que se desarrollaron los robots
asistentes semiautónomos Romeo y Julieta, manipuladores
móviles constituidos por un brazo industrial situado sobre una
base móvil; pasando por manipuladores móviles con dos
brazos convencionales, hasta el robot de servicio que
actualmente están desarrollando con dos brazos ligeros de
diseño y disposición antropomórfica [5 , 6].
La empresa alemana KUKA Robotics, fundada en 1898 en
Augsburgo, Alemania, por parte de Johann Josef Keller y
Jakob Knappich, en los últimos años ha sido una de las
pioneras en desarrollo de brazos robóticos para la realización
de trabajos de precisión y eficiencia dentro de procesos de
manufactura industrial [7].
Los brazos estructurados por KUKA presentan grandes
posibilidades de aplicación dentro de los diferentes campos de
acción científicos e industriales [8 , 9] pues dado el alto
desempeño que estos poseen, lo hacen una herramienta de
avanzada para trabajos exigentes y producciones de calidad
superior. Industrias como la automotriz implementan este tipo
de robots dentro de la construcción de las diferentes partes que
integran un vehículo o producto determinado a desarrollar.
Gracias a la versatilidad de estas herramientas en relación a la
adición de herramientas variadas mediantes puntas de acople y
estructuración programable de software de control [10 , 11 ,
12] o codificación de operaciones (asistido por C, Java, por
ejemplo) [13 , 14 , 15], surge la posibilidad de vincular estos
robots a diferentes tareas como tratamiento de materiales, la
carga y descarga de máquinas, la paletización, la soldadura
por puntos y la soldadura al arco.
Los robots industriales KUKA se aplican por ejemplo en la
producciónempresascomo: GM, Chrysler, Ford, Porsche, BM
W, Audi, MerecedesBenz, Volkswagen, Ferrari, HarleyDavids
on o BOEING, Siemens, STIHL, IKEA, Swarovski, WalMart,
Nestlé, Budweiser, BSN medical así como Coca-Cola y otras
empresas [16 , 17].
Además, los robots KUKA también se utilizan en la industria
alimentaria. Ayudan tanto a las personas como a las
maquinarias de forma fiable cuando hay que gestionar tareas
como por ejemplo cargar y descargar máquinas de embalaje,
cortar carne, paletizar y apilar y en el control de calidad. Se
sigue que, los robots se pueden aplicar junto a las máquinas de
fundición, dentro y encima de las mismas. Son resistentes al
calor y la suciedad. Raspar, fresar, taladrar, serrar, paletizar o
clasificar son tareas que están respaldadas por robots. [18]
Algunas compañías industriales de Colombia, han incorporado
robots eficientes dentro de sus sistemas de producción. Dentro
de las cuales destaca la industria Automotriz, en donde el uso
de autómatas afecta de forma significativa la competitividad
entre empresas. Dentro de la implementación de sistemas
robóticos se pueden resaltar los autómatas incluidos dentro del
proceso de ensamble y construcción de automóviles dentro de
la compañía Automotríz Mazda presente en Colombia, o los
brazos instalados en la planta de la compañía Corona, en
Mosquera, Cundinamarca. A pesar de ello, las empresas a
menor escala, pequeñas y medianas empresas, aun son ajenas
a la adopción de sistemas robóticos para la automatización de
sus procesos, dado que estas adopciones presentan altos costos
de infraestructura, como lo especifica el Ingeniero Luis
Rodríguez, Director del centro de estudios en bio-ingeniería,
de la Escuela Colombiana de Ingenieros Julio Garavito, con
sede en la capital del país, Bogotá. A pesar de ello, en
Colombia actualmente se fabrican varios sistemas robóticos
dentro de proyectos realizados en instituciones universitarias,
como las invenciones hechas en Robocol, grupo de
investigación de la Universidad de los Andes o el Instituto de
Astrobiología de Colombia, y procesos industriales como el
ensamble de automóviles o sistemas que los integran en la
empresa automotriz Mazda y Chevrolet con el primer vehículo
fabricado en Colombia, Chevrolet Sail Co [19].
Es por ello, que el brazo robótico antropomórfico se ha
convertido en una de las herramientas más versátiles y
eficientes dentro del desarrollo de procesos industriales donde
la calidad es un factor imprescindible dentro de la producción
de productos o servicios ofrecidos por parte de las empresas
existentes alrededor del mundo [20 , 21 , 22]. Su sistema de
control autónomo y reprogramable lo hace un producto
robótico excepcional dentro del tratamiento de cualquier
proceso presente en cualquier ámbito científico-industrial de
avanzada [23].
En la actualidad, el desarrollo de la tecnología de este tipo se
centra en el diseño mecánico de manipuladores seguros y
robustos, reduciendo el peso e inercia del manipulador para
brindar una mejora a su factor seguridad, muy importante
dentro de procesos donde se encuentra la integridad de un
individuo dependiendo de estos, al tiempo que se mantienen
los niveles de funcionamiento necesarios para la obtención de
un servicio u objeto de calidad óptima. Dentro de otros
estudios también se han planteado la morfología de brazo
como solución para las complejas tareas de manipulación que
se requieren a un robot de servicio, ejemplo de ello se presenta
en los manipuladores móviles de la Universidad de Waseda,
Wendy y Wamoeba [24], el proyecto HERMES de la
Universidad Bundeswehr en Münich [25], el robot ARMAR
de la Universidad de Karlsruhe [26], o el proyecto MOVAID
de aplicaciones biomédicas desarrollado en la Scuola
Superiore Santa Ana [16]. En aplicaciones relacionadas con el
cuidado de personas, se evidencia la inclusión de estas
máquinas en el proyecto de manipulador móvil de la
Universidad de Parma desarrollado dentro del programa
Robocare [27]. Además, también se debe hacer referencia a
los proyectos sobre robots humanoides, principalmente los
proyectos japoneses como los de la Universidad de Waseda,
Honda o Sony. Por otra parte, robots industriales como los
generados por KUKA electronics presentan diseños
innovadores para su incursión dentro de procesos complejos
de manipulación industrial, que permiten la construcción de
estructuras de alta calidad en menor tiempo gracias a sus
sistemas de control autónomo reprogramable y síncrono con
varios dispositivos robóticos, que permiten la manipulación de
estructuras delicadas o pesadas según el requerimiento del
proceso. [18]
El desarrollo del prototipo a realizar se efectúa en dos etapas metodológicas descritas más adelante en dos procesos de desarrollo. Y las secciones de resultados y de discusión, registran los resultados de la realización de parte del primer proceso, dado que la construcción del prototipo se ciñe a la realización de un cronograma de actividades previsto para su cumplimiento al final del primer semestre de 2014. Se evidencian imágenes de la construcción de la estructura física como parte del primer proceso, estas imágenes están en relación directa con la estructura base de soporte fijo y la estructura base giratoria del brazo robótico.
II. METODOLOGIA
El desarrollo del prototipo se realiza en dos fases delimitadas
por el proceso de desarrollo o construcción de la estructura
física, dentro de la cual se desarrolla una base fija sobre la
cual se ensamblarán las partes móviles o dinámicas del brazo,
esta base se fijará mediante pernos de acople a una mesa de
trabajo o una base de piso según se determine el entorno
dentro del cual el prototipo ejercerá sus tareas de maquinado
y desplazamiento.
Después del desarrollo de la base fija, se procederá a
desarrollar una segunda base denominada como base giratoria,
la cual va acoplada sobre la base fija, esta base permite un giro
de 360° por defecto sobre la misma, la posibilidad de giro
variará en relación al espacio disponible en el entorno de
trabajo del brazo robótico. Sobre esta base se acoplan los
eslabones brazo, antebrazo y muñeca de maquinado del
prototipo.
Posteriormente, se desarrollan los eslabones móviles, brazo,
antebrazo y muñeca, de los cuales se construye un eslabón
como primera etapa de desarrollo para el primer semestre de
2014. Este eslabón es el brazo, acoplado directamente a la
base giratoria.
Para el diseño de la estructura física, se implementó el
software INVENTOR, por el cual se constituyeron las partes
del prototipo.
Imagen 1, Imagen 2, Imagen 3, Imagen 4, Imagen 8. Diseño
físico.
A través del mismo software se procedió a extraer los planos
básicos de acotamiento del diseño del prototipo.
Imagen 5. Planos y acotaciones básicas del diseño estructural
del prototipo.
Para la primera fase de desarrollo se presenta el proceso de
construcción de la parte física estructural del prototipo, dentro
de la cual se desarrolla la base fija.
Esta base se desarrolla mediante la implementación de lámina
COLROLL de ¼ de pulgada de espesor, la cual brinda como
ventajas dureza y resistencia óptima, además de que su masa
proporciona un efecto de contrapeso a la masa de los
eslabones, actuando como agente de estabilización y firmeza
del prototipo. Su desarrollo se realiza mediante la
implementación de las dimensiones o medidas de
30cmX28cm base y de alto 22cm. Dos de sus lados presentan
una variación debido a consideraciones de diseño sujetas a las
dimensiones especificadas. Inicialmente se realiza la
adquisición de 1 hoja de lámina de 1 m cuadrado, dado que la
lámina presenta un grosor considerable, no fue posible realizar
la estructura planteada en el diseño mediante la
implementación de una dobladora de lámina, así que se realiza
la implementación del método de Oxicorte, el cual se basa en
la implementación del acetileno y oxígeno para realizar la
operación de corte en estructuras de un grosor considerable, en
este método se calienta el material inicialmente hasta
alrededor de 900°C con la llama producida por la combustión
del oxígeno, posteriormente, una corriente de oxígeno corta el
metal. A través de este método, se cortaron las placas de la
base y a continuación en dos de sus lados con el fin de
elaborar un sistema de refrigeración destinado a la disipación
del calor generado por los motores de pasos y sus
controladores se abrieron una serie de ranuras, para este paso
se implementó un taladro de árbol, como primer paso para este
procedimiento se señaló el lugar designado para su apertura, y
utilizando un puntero se hizo una guía con el fin de que a los
largo del proceso de apertura de las ranuras, el taladro tenga
una precisión considerable, posteriormente y teniendo los
componentes cortados, se procedió a ejecutar el proceso de
soldadura, para el cual se implementó soldadura de punto. Ya
que existen varias referencias de soldadura, se utiliza un tipo
de soldadura gruesa (7018) ya que el otro tipo de soldadura
para lámina es (6013) pero este deja un lazo más delgado el
cual no brinda todas las garantías de una lazo de soldadura
resistente, por lo cual se prefiere el lazo más robusto pues
brinda mayor resistencia. La base está dotada de una balinera
en la parte inferior con el fin de que cuando se acople la base
giratoria, el soporte que lleva esta tenga una acople perfecto y
no se presenten inconvenientes relacionados con la pérdida de
su guía de rotación.
Imagen 6, Imagen 7, Imagen 11. Estructura y plano de
desarrollo base fija.
Para el desarrollo de la base móvil se procede a asegurar una
estructura cúbica similar a una caja, teniendo en cuenta las
especificaciones diseño, a la base fija principal del brazo, en
esta parte se utiliza un chasis para ruedas de muebles de tal
manera que se tenga una primera parte fija a la base principal
y por medio de un eje móvil rotatorio la segunda parte mueve
la estructura giratoria de la base. El eje que va anclado a este
chasis fue soldado y rectificado en un torno ya que los centros
tanto del eje como los del chasis deben quedar alineados de lo
contrario al momento de mover el chasis el eje queda con bote
debido a la falta de alineación en el eje de giro, lo cual
propicia que en el momento de acoplar el motor con el eje la
correa que transmite la fuerza desde uno hacia el otro se salga
de la guía o sufra una sobretensión a lo largo de cada giro que
presenta el eje. Para la construcción de esta segundo eslabón
se implementó como material de manufactura lámina
COLROLL calibre 18, el cual equivale a 1,20mm de espesor.
Ya que este tipo de lámina es más delgada no se presenta la
necesidad de utilizar oxicorte, por lo tanto la operación de
corte se realizó mediante la implementación de una cizalla
manual. El primer paso para la construcción de la base
giratoria fue realizar un esquema de las medidas de la misma
sobre la hoja de lámina COLROLL, y con la cizalla se procede
a realizar el proceso de corte una a una, en muchas ocasiones
cortar con este tipo de herramienta no es la mejor opción, dado
que usando la cizalla para el proceso corte se obtienen bordes
ásperos, torcidos e imperfectos. Por ello, a las partes que no se
obtienen con una calidad óptima después del proceso de corte,
se les somete a un proceso de rebordeo, mediante la
implementación de una pulidora, por lo cual es vital tener un
margen de tolerancia en las dimensiones de corte mediante
cizalla, pues la pulidora retira material al interactuar con la
pieza, redimensionando la misma. Después de ello, utilizando
soldadura de punto se unen todas las partes de esta segunda
estructura, aunque, como la lámina es más delgada se
implementa soldadura 6013, pues la 7018 presenta un hilo
demasiado grueso en relación a la resistencia que debía
presentar la unión y el contraste áspero que tiene con el
diseño.
Imagen 9, Imagen 10. Dimensionamiento básico de la
estructura de base giratoria.
También en este segundo eslabón se encuentra una estructura
tubular designada como soporte y eje de rotación. Este es el
que transmite la fuerza al primer eslabón del brazo, además va
asegurado al mismo, por lo cual, en la base móvil tiene que
presentar un acople rígido, al cual se le suman unas guías por
donde va a pasar el tubo, las cuales son balineras acopladas a
una base, la misma esta soldada a la caja y las balineras giran
a medida que el tubo de soporte gira, reduciendo la fuerza
ejercida sobre la parte en la que se encuentra anclada la
estructura tubular. Allí, se localiza un motor dotado de doble
eje, de tal forma que en el tubo soporte se acoplan dos piñones
mediante los cuales se va a transmitir la fuerza para que el
primer eslabón presente un desplazamiento específico.
Con el fin de ejercer control sobre tres motores paso a paso,
designados para proporcionar movimiento a la estructura, se
produce la adquisición de controladores electrónicos, los
cuales son manipulados mediante un ciclo de trabajo
determinado en el software de interfaz de la placa de
desarrollo ARDUINO, en este caso se implementa la placa
ARDUINO MEGA para la interacción con la IDE (Integrated
Development Environment - Entorno de desarrollo integrado).
Se realizan pruebas de manejo de los controladores en función
de la manipulación de los motores de pasos para ciclos de
trabajo de testeo. La definición de ciclo de trabajo se realiza
mediante la implementación de la librería Accel Stepper de la
IDE de ARDUINO. Esta librería brinda ciertas ventajas sobre
la librería Stepper, incluida de manera estándar en el software
de ARDUINO, ya que Accel Stepper permite el control
independiente de 2, 3 y 4 motores paso a paso contra el
control de un solo motor mediante la primera. Además, Accel
Stepper no presentar riesgos significativos de bloqueo en la
transmisión del ciclo de trabajo o un retraso por intervalo de
tiempo en la misma.
Imagen 12, Imagen 13. Placa de desarrollo Arduino MEGA e
IDE de Arduino
III. RESULTADOS
En el primer proceso de la metodología descrita, el desarrollo del procedimiento de manufactura permitió obtener los eslabones metálicos especificados dentro de la misma, una base fija elaborada en lámina COLROLL de ¼ de pulgada de espesor bajo las condiciones de dimensionamiento sujetas al diseño asistido por software (30cmX28cm base y de alto 22cm), en la cual se incluyen los soportes para el giro de la base móvil y balineras para la disminución del rozamiento durante el mismo proceso.
Imagen 16, Imagen 17, Imagen 18, Imagen 14, Imagen 15. Construcción de la base fija.
Se obtiene de igual forma la estructura física de la base giratoria, a su vez sujeta a las dimensiones especificadas en el diseño (22cmX20cm de base y de alto 22cm), su elaboración fue a partir de lámina COLROLL calibre 18, dentro de la misma se incluye el eje tubular acoplado a balineras de desplazamiento, designado para el acople del primer eslabón móvil del brazo robótico.
Imagen 20, Imagen 21, Imagen 22. Construcción de la base giratoria.
Se evidencia el acople y trabajo de pintura de la base fija y base giratoria.
Imagen 25, Imagen 26, Imagen 27, Imagen 28, Imagen 29, Imagen 30, Imagen 31. Acople y acabados de pintura de la base fija y base giratoria.
Con base en los requerimientos de tensión y corriente de los motores de pasos (4.5 V de alimentación y alrededor de 2 A a 3A por fase o bobinado), se presentó la adquisición de 4 controladores, dos de cada tipo, los cuales se encuentran referenciados de la siguiente forma:
Controlador A4988 con variador de corriente (Se adquieren dos, para el control de dos motores de pasos con requerimientos de 2 A de corriente por fase):
Este controlador permite el control de motores paso a paso mediante su interacción con una IDE, la cual determina el ciclo de trabajo entregado al controlador mediante la interacción con la placa de desarrollo ARDUINO, esta debe suministrarle como mínimo una señal de dirección y una señal PWM de paso, las cuales son ejecutadas por las salidas a las bobinas especificas presentes en el controlador.
Imagen 23. Estructura física controlador A4988
Imagen 24. Configuración mínima de funcionamiento del controlador
El controlador es un dispositivo microstepping, es decir posee funciones de división de paso a micropaso (MS1, MS2, MS3), para motores paso a paso unipolares o bipolares. La placa tiene dos reguladores de voltaje (5 V y 3,3 V), lo que elimina la necesidad de una lógica separada y suministros de motores. El conductor cuenta con límite de corriente ajustable, picos de corriente y exceso de temperatura. Opera 8-35 V y puede entregar hasta aproximadamente 1 A por fase sin un disipador de calor o flujo de aire forzado (que está clasificado para 2 A por bobina con suficiente refrigeración adicional). Su alimentación optima es de 5 V.
La mayoría de los motores paso a paso suelen tener una
especificación de tamaño de paso (por ejemplo, 1,8 º o 200
pasos por revolución), que se aplica a pasos completos. Un
conductor microstepping como el A4988 permite resoluciones
más altas, permitiendo ubicaciones pasos intermedios, que son
alcanzados por la activación de las bobinas con los actuales
niveles intermedios. Por ejemplo, la conducción de un motor
en el modo de un cuarto de paso, dará al motor de 200 pasos
por revolución, 800 micropasos por revolución mediante el
uso de cuatro niveles de corriente diferentes.
La resolución (tamaño de paso) entradas de selección (MS1,
MS2, MS3) permite la selección de las cinco resoluciones de
paso.
Imagen 32. Resoluciones de paso para el micropaso.
MS1 y MS3 tienen 100 kΩ de resistencia para el pull-down
interno y MS2 tiene una resistencia interna pull-down de
50kΩ, así que se deben dejar estas tres clavijas de selección
microstep desconectadas en modo de paso completo. Para que
los modos microstep funcionen correctamente, el límite de
corriente debe ser lo suficientemente baja, de lo contrario, los
actuales niveles intermedios no se mantienen correctamente, y
el motor se saltará micropasos.
ENTRADAS DE CONTROL
Cada impulso a la entrada de paso corresponde a un microstep
del motor paso a paso en la dirección seleccionada por el
pasador DIR. Se debe tener en cuenta que los pasadores de
STEP y DIR no se definen a cualquier voltaje determinado
internamente, por lo que no deben salir de cualquiera de estos
pines flotantes en su aplicación. Si lo que desea es la rotación
en una sola dirección, puede designar DIR directamente a
VCC o GND. El chip tiene tres entradas diferentes para el
control de sus múltiples estados de energía: RST, SLP,
y ES. [29]
Anexo 1. Hoja de datos controlador A4988
Imagen 33. Diagrama de implementación del controlador
para el control del motor de pasos con la placa de desarrollo
Arduino UNO.
Imagen 34. Diagrama esquemático de conexión controlador
A4988
Imagen 35. Especificaciones generales del controlador
A4988.
En relación al programa desarrollado para el control de los
motores mediante este controlador se tiene:
Prueba de control secuencia de movimiento automática
implementando la librería Accel Stepper.
#define VELOCIDAD 1700
int steps = 6;
int direccion = 2;
int reset = 9;
int pasos = 3000;
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
// initialize the digital pin as an output.
pinMode(steps, OUTPUT);
pinMode(direccion, OUTPUT);
pinMode(reset, OUTPUT);
}
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
digitalWrite(reset, LOW); //Mientras reset este en LOW el
motor permanecerá apagado y no sufrirá. El chip apagará
todos los puertos y no leerá comandos.
delay(100);
digitalWrite(reset, HIGH); //Cuando reset se encuentre en
HIGH el motor arrancará y leerá los comandos enviados.
digitalWrite(direccion, HIGH);
for (int i = 0; i<pasos; i++) //Equivale al numero de
vueltas (200 es 360º grados) o micropasos
{
digitalWrite(steps, HIGH); // This LOW to HIGH change is
what creates the
digitalWrite(steps, LOW); // al A4988 de avanzar una vez
por cada pulso de energia.
delayMicroseconds(VELOCIDAD); // Regula la
velocidad, cuanto más bajo más velocidad.
}
}
Otra secuencia designada para el control del motor se realizó
mediante la implementación de un potenciómetro como
determinante de la dirección de giro y paso de control. Esta
definición se realiza mediante la variación de tensión a la
entrada del controlador en función del valor resistivo del
potenciómetro.
#define VELOCIDAD 1700
int steps = 13;
int direccion = 8;
int reset = 10;
int pasos = 200;
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
// initialize the digital pin as an output.
pinMode(steps, OUTPUT);
pinMode(direccion, OUTPUT);
pinMode(reset, OUTPUT);
digitalWrite(reset, LOW); //Mientras reset este en LOW el
motor permanecerá apagado y no sufrirá. El chip apagará
todos los puertos y no leerá comandos.
delay(100);
digitalWrite(reset, HIGH);
Serial.begin(9600);
}
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
int velocidad = analogRead(A0);
if(velocidad < 500){
digitalWrite(direccion,HIGH);
velocidad = map(velocidad,0,500,1500,10000);
digitalWrite(steps, HIGH); // This LOW to HIGH change is
what creates the // al A4988 de avanzar una vez por cada pulso
de energia.
delayMicroseconds(velocidad); // Regula la velocidad, cuanto
mas bajo mas velocidad.
digitalWrite(steps, LOW);
}
else if(velocidad>600){
digitalWrite(direccion,LOW);
velocidad = map(velocidad,600,1023,10000,1500);
digitalWrite(steps, HIGH); // This LOW to HIGH change is
what creates the // al A4988 de avanzar una vez por cada pulso
de energia.
delayMicroseconds(velocidad); // Regula la velocidad, cuanto
mas bajo mas velocidad.
digitalWrite(steps, LOW);
}
else{
digitalWrite(reset, LOW); // This LOW to HIGH change is
what creates the // al A4988 de avanzar una vez por cada pulso
de energia.
delay(100);
digitalWrite(reset,HIGH);
}
}
Imagen 39, Imagen 40, Imagen 41. Pruebas control de motor
paso a paso mediante controlador A4988
Controlador MC33926 (se adquieren dos uno para el control
de cada bobina interna a un motor de pasos con requerimiento
de corriente de 3 A):
El MC33926 es un puente-H que tiene un rango de operación
de 5 a 28V y puede entregar casi 3A en corriente continua (5A
pico) a un motor de corriente continua. El MC33926 trabaja
de 3V a 5V como niveles lógicos, compatible con frecuencias
de hasta 20 kHz en PWM, y cuenta con retroalimentación de
corriente, protección de baja tensión, protección de sobrecarga
de corriente y protección contra exceso de temperatura.
Imagen 36. Distribución y arquitectura física del controlador
MC33926
Los estados predeterminados de muchos de los pines de
entrada de lógica MC33926 requieren que se hagan muchas
conexiones externas a utilizar este controlador de motor. Para
reducir el número de conexiones externas necesarias, la placa
tiene cinco puentes anulando por defecto las conexiones
restantes. Todos los puentes anulando por defecto-están
ligados a VDD, excepto el puente D1, que está vinculado a
GND. Todas las pastillas de puente VDD son círculos, la
plataforma de puente de tierra es cuadrada como diseño en la
PCB.
Imagen 37. Distribución de pines, estado y descripción
controlador MC33926
En una aplicación típica, cinco de E / S líneas se utilizan para
conectar el conductor del motor a un microcontrolador: las dos
líneas de entrada, IN1 e IN2, para el control de la dirección,
una de las líneas deshabilitar, D1 o D2 , para control de
velocidad PWM, el indicador de estado, SF , para el
seguimiento de errores de controladores de motor, y la salida
de corriente sentido, FB, para monitorear el consumo de
corriente del motor (conectado a una entrada del convertidor
analógico-digital). Las líneas de control se pueden reducir a
dos pines, si las señales PWM se aplican directamente a los
dos pines de entrada con los dos pasadores desactivar-
mantenidos-inactivos. Una interfaz de dos pines también se
puede lograr mediante una de las líneas para desactivar el
control de velocidad PWM y la entrada INV para el control de
dirección con IN1 e IN2 lugar en diferentes valores (es decir,
un conjunto de alta y la otra baja deformación). En cada uno
de estos casos, las otras líneas no utilizadas deben ajustarse
para permitir un funcionamiento adecuado. Por ejemplo,
si D2 se utiliza para la entrada de PWM (como es
normalmente el caso), D1 debe mantenerse baja para evitar
que se deshabilita el controlador del motor. La placa de
circuito ofrece convenientes puntos de los puentes para
reemplazar los valores predeterminados del controlador de
motor sin tener que conectar cables adicionales para el
módulo.
Las conexiones de los sentidos y del indicador de estado
actuales son opcionales, aunque el seguimiento del indicador
de estado puede permitir la detección de las condiciones de
falla enclavadas. El indicador de estado es una salida de
drenaje abierto, por lo que varias unidades pueden tener sus
contactos del indicador de estado conectados entre sí para
aplicaciones en las I / O pines son escasos y que determinan
qué controlador del motor está experimentando una condición
de falla no es necesario.
Tenga en cuenta que el estado por defecto de la clavija de
permitir, EN, es bajo, que mantiene el chip en un modo de
espera de baja corriente. Usted tendrá que mantener este pin
alta (ya sea con una conexión externa o vía el puente anulando
default-lado de la varilla) para permitir que el chip funcione.
[28]
Anexo 2. Hoja de datos controlador MC33926
Imagen 38. Diagrama esquemático controlador MC33926
Este controlador no se ha implementado en pruebas debido a
que no se tienen las existencias necesarias para el control de
las dos bobinas presentes internamente en el motor paso a
paso.
IV. CONCLUSIONES
Se realizó la construcción de las bases o eslabones fijo y
giratorio del brazo robótico. De igual forma se procede al
ensamble de los mismos, parte vital de la construcción de la
estructura física base del prototipo.
De igual forma, se realizan las pruebas del control de los
motores de pasos o actuadores que permitirán el movimiento
de la estructura física del prototipo, las cuales arrojan un
óptimo acople de los controladores con los actuadores, lo que
propicia la inclusión de los mismos para futuras pruebas de
desplazamiento de la estructura. La complejidad de la
estructura de control en función del posicionamiento de la
estructura en coordenadas específicas es el siguiente paso
dentro del tratamiento de los actuadores y sistemas de control.
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