articulo de revisión - Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

Construcción e implementación de un sistema de control para el
corte laser de plantillas para pie diabético
Jose Heriberto Alvarez Cuta¹
Ingeniería en control
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas “Facultad Tecnológica”
Abstract--- En este trabajo se muestra la
revisión del estado del arte de la
implementación de procesos de corte
con tecnología láser, los tipos de
tecnología que operan en las maquinas
automatizadas, sus parámetros de
operación, así como el tipo de
programación que establecen la
comunicación e interpretación de
comandos entre el PC y los drivers de
los actuadores, luego se define pie
diabético, y como las plantillas
diseñadas por el sistema de control,
contribuyen al cuidado y prevención
de cortaduras o llagas en los pies para
los pacientes con esta patología
Palabras claves-- Corte Láser, Control
Numérico Computarizado CAD/CAM,
Plantillas, Pie diabético, Presión
plantar
1. INTRODUCCIÓN
El corte de materiales para la fabricación
de prendas, calzado y demás materiales
indispensables en la industria, se ha
caracterizado por ser de tipo manual, en
principio la utilización de un molde y luego
un trazo sobre el material, era la forma de
fabricación de plantillas más adecuada,
inicialmente los cortes de material se
dieron mediante las cuchillas, tijeras y
demás herramientas de accionamiento
manual o mecánico, por lo tanto la
tecnología que se visualizaba para el
corte y la fabricación eran de cortadoras
que mediante un proceso secuencial y
automático, lograban dar forma a muchos
objetos dando paso a las plantillas para
calzado, que tenían como único objetivo
evitar cortaduras en el pie con las
costuras internas del calzado, en
contraste la aparición del láser y sus
ventajas para realizar cortes en varios
materiales, así como las demás funciones
que se pueden llegar a realizar, se
convierten en un camino viable para la
fabricación de plantillas, a partir de sus
características, como los avances
tecnológicos, por consiguiente aparecen
las maquinas CNC (control numérico
computarizado), que cumplen varias
funciones con esta herramienta, corte,
grabado de piezas y demás procesos de
control que están conformados por ejes
de trayectorias lineales, en los cuales se
tiene libre desplazamiento en el plano de
dos dimensiones X,Y. Dentro de la
investigación de las formas de contribuir a
la detección de la presión plantar, existen
varias tecnologías, las cuales tienen como
función principal obtener datos reales de
la presión plantar, para posteriormente
diseñar una plantilla acorde con las
necesidades pertinentes del paciente. [1]
[9]
2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE
PROTOTIPOS
CON SISTEMAS
CONTROLADOS,
PARA
EL
DEZPLAZAMIENTO LIBRE EN UN
PLANO MEDIANTE EJES LINEALES
En cuanto a aplicaciones implementadas
se toma como referencia un control de
posición en lazo cerrado a una máquina
de tres grados de libertad (X, Y, Z),
también llamadas mesas posicionadoras
este prototipo tiene como función ubicar
una herramienta para determinado trabajo
que se desea ejecutar, como perforación,
corte o grabado de piezas, el control de
posicionamiento de la herramienta se
hace
mediante
Control
Numérico
Computarizado, este sistema se realiza
mediante una tarjeta de adquisición, un
PC para la adquisición de datos y el
sistema cuenta con realimentación para
tener mejor respuesta y disminuir el error,
luego de enviar los comandos hacia el
sistema, se realiza un acondicionamiento
de la señal y luego pasa por el driver que
es quien opera sobre el motor paso a
paso, a su vez este cuenta con un
encoder que permite saber cuánto fue el
desplazamiento con respecto a su giro, y
así corregir la posición de la herramienta
dentro de la mesa [2].
movimientos lineales y la plataforma de
trabajo (5)
Fig. 2. Prototipo tomado de [2]
Componentes de un sistema de control en
una máquina CNC (control numérico
computarizado), donde es relevante una
tarjeta madre con sistema operativo Linux
[2].
Fig. 2. Diagrama de bloques de la
Estructura física del sistema [2]
Fig. 1. Esquema del proyecto tomado de
[2]
A continuación se muestra el prototipo
desarrollado para el sistema de
posicionamiento con sus respectivos
soportes para los motores paso a paso (1,
2, 3) y el soporte para la herramienta (4),
así como los ejes para generar los
Por lo tanto el objetivo principal es obtener
procesos bastante rápidos y en tiempo
real, permitiendo precisión en los
movimientos y calidad en el corte, la
tarjeta debe establecer una comunicación
robusta en tiempo real con el sistema y
debe almacenar diseños, también generar
los comandos para los driver de los
motores y cuenta con una interfaz para la
correspondiente interacción (Humanomaquina).
3. MAQUINAS CNC
Las maquinas CNC (Control Numérico
Computarizado),
poseen
una
característica de control entre las
herramientas y la máquina, desde un
computador u ordenador y mediante el
control numérico, como se encuentran
basados en el código G estos
controladores, son bastante utilizados
para la generación de trayectorias; Luego
es indispensable la realización de diseños
mediante programas CAD o DXL, los
cuales se utilizan para la conversión final
en archivos en código G mediante el
software CAM [4] [8].
Fig. Diseño de piezas para el corte,
archivo tipo CAD [8]
Las máquinas CNC se caracterizan por su
precisión de movimiento, por lo tanto los
prototipos que se encuentran en el
mercado permiten estimar velocidades de
operación
de
356mm/min
hasta
60000mm/min,
depende
de
las
condiciones de trabajo, por ende se
deben
especificar
los
parámetros
específicos de la máquina, como
velocidades
máximas
y
mínimas,
aceleraciones del motor, características
mecánicas de la máquina, área de
trabajo, entre otras
Las ventajas de éstas, consta en la
generación de trayectorias de algún grado
de dificultad, en tiempo real, los datos de
la generación están conformados por
datos de velocidad, aceleración y las
coordenadas de posición. Este tipo de
máquinas deben tener control de la
intensidad del láser, se realiza mediante
el software CAM [8]
Una maquina CNC se divide en tres
partes:
Procesador: Es necesario trabajar con un
sistema operativo, encargado de realizar
todos los cálculos de las trayectorias
Tarjeta PCI de alta velocidad: mediante la
comunicación
establecida
con
el
procesador debe controlar los driver de
los actuadores, se encarga de comandos
Máquina Herramienta: esta determina la
aplicación a desempeñar, que para el
caso es la cortadora laser
Para la precisión en el movimiento dentro
de las trayectorias, es indispensable
establecer el motor que se desea utilizar,
dentro de estas aplicaciones para
mantener precisión considerable como de
un paso menor a un grado, se tienen los
MPP de reluctancia variable y los MPP de
imán permanente
Fig. Motor Paso a Paso tomado de [3]
Como se mencionaba anteriormente las
maquinas CNC deben contar con un
sistema operativo de características
específicas para permitir que el sistema
ejecute las tareas en Tiempo Real, por
tanto el Sistema Operativo (SO) de TR
posee los siguientes requisitos:
Determinismo:
operaciones en
Realización
de
instantes fijos y
predeterminados,
correspondientes
en
los
intervalos
Sensibilidad: cantidad de tiempo que el
SO consume en reconocer una nueva
interrupción
Control de usuario: Prioridad por procesos
en particular
Fiabilidad: El control de sucesos que se
están produciendo a igual velocidad
Tolerancia de fallos: corrección y
minimización de fallos antes de continuar
con la ejecución [3]
Para la óptima comunicación entre el
procesador y los drivers de los
actuadores, es necesario el uso de las
Tarjetas
PCI
(Interconexión
de
Componentes Periféricos)
Fig. Tarjeta Bus PCI, tomada de [3]
Fundamentadas en el protocolo de
comunicación Bus PCI, cuenta con un
puerto paralelo y un puerto de patillas,
donde se conectan los drivers de los
sensores, actuadores y el láser, su
transmisión es síncrona, para cumplir con
las tareas o funciones en Tiempo Real.[3]
4. LÁSER, TIPOS Y SISTEMAS DE
CORTE
Es un elemento que a partir de la
radiación estimulada de energía eléctrica,
realiza incidencia en forma de átomos
sobre partículas que se encuentran en
excitación, desplazándolas hasta el punto
de operación. [11]
Dentro de las tecnologías asociadas a la
producción, corte y grabado de piezas,
los sistemas de tecnología láser muestran
versatilidad para la relación máquina y
herramienta, haciendo uso de sistemas
automatizados,
realizando el control
sobre este tipo de máquinas, y
permitiendo
que
dentro
de
las
características de los prototipos, se
ajusten las condiciones de operación,
regulando el grabado de la pieza o el corte
de la misma. [12]
Es clave la definición de los colores que
se encuentran presentes en el rayo láser,
el color rojo se considera como el factor
de distancia, esto se refiere a el alcance
que posee el rayo láser, mientras el color
violeta se interpreta como el nivel de
energía que tiene dicho elemento, dentro
de las aplicaciones se refieren tres tipos
de laser que se convierten en los más
utilizados en estas aplicaciones. [9]
Los tipos de Laser se caracterizan por el
medio activo, rango espectral de la
longitud del rayo, forma de excitación,
número de niveles de energía y
características de la radiación emitida
Laser Gaseoso son bastante utilizados y
se caracterizan por la facilidad de
manipulación, además el láser es
diseñado según su aplicación y deben
contar con renovación de gas si su
potencia supera los 50W, también es
relevante definir la dirección de flujo para
el correcto funcionamiento; El láser de
CO2, se caracteriza por su variada gama
de potencias hasta los 10KW, se bombea
energía que excita las moléculas de N2 y
la molécula de CO2 alcanza un nivel
superior, consiguiendo la transmisión del
fotón.[11]
El corte laser se define como la extracción
de material por medio de la vaporización
del mismo a lo largo de toda la zona de
operación. [11]
A continuación se muestra una tabla
donde se especifican las aplicaciones del
láser de CO2 con respecto a materiales
no metálicos
Fig. Corte Laser, tomada de [8]
El sistema de corte y grabado laser se
conforma por un haz o rayo láser, un lente
o acoplamiento de focalización, un circuito
amplificador de corriente y un flujo de gas
dependiendo del tipo de laser que se
desea utilizar; Para realizar el corte
mediante el rayo láser, este se sitúa de
forma perpendicular al plano de trabajo,
así realiza la incidencia del rayo sobre el
punto de corte o grabado, y hace posible
la regulación de la intensidad, además se
debe tener en cuenta el tipo de material a
cortar, por lo tanto es necesario conocer
el material y su espesor [6]
Las ventajas resultantes de estas
implementaciones es el no contacto de la
herramienta con el material en el
momento de operación, mayor velocidad
en el proceso, reducción de costos a
futuros
Fig. Prototipo de cortadora láser, planos
de corte y modelo constructivo, tomado
de [4]
Fig. Aplicaciones Láser CO2, tomada de
[11]
Algunas aplicaciones de corte láser
además permiten el corte sobre
materiales de mayor robustez, como
aluminios, aceros inoxidables, entre otros
tipos de metales [6]; por lo tanto estos
sistemas se caracterizan inicialmente por
contar con un instructivo o manual de
usuario para evitar mal funcionamiento y
daños a la maquinaria o al operario [7].
5. SISTEMAS
CAD/CAM
SIMULADORES CNC
Y
Dentro de la composición del sistema,
también es relevante la determinación de
cómo será el comportamiento del sistema
al momento de operación, para esto se
utiliza herramientas computacionales, que
permiten determinar el router o posibles
trayectorias por donde se efectuara el
corte o grabado de la pieza. [10]
Iniciando desde la determinación de los
puntos de inicio o puntos “0” para la
herramienta, para la máquina y para la
pieza, los cuales determinan la zona de
operación dentro del plano de trabajo,
definiendo los puntos de inicio y los límites
de seguridad dentro de él, esto con el
objetivo de evitar los códigos errados que
determinan puntos fuera del rango de
operación, también el home que
determina el punto de inicio de la
herramienta con respecto a la distancia a
la que inicia la herramienta (láser) de la
pieza. [10]








Programación de control numérico
Programas de robots industriales
Diseño de matrices y moldes para
fundición
Diseño de matrices complejas
Diseño de herramientas
Control de calidad e inspección
Planificación y programación del
proceso
Distribución en planta
No obstante, con estos sistemas se tiene
la posibilidad de simular el corte o
grabado de la pieza, por tanto hace que el
operario
conozca
el
previo
comportamiento de la herramienta y sus
trayectorias establecidas para realizar el
trabajo, contribuyendo a la verificación de
las operaciones y permitiendo ajustes
antes del momento de ejecución sobre el
material.
6. FINALIDAD Y APLICACIONES DE
MAQUINAS CNC
Comúnmente se desarrollan sistemas que
satisfacen el diseño y la realización de
piezas para áreas de trabajo o
investigación, que deben cumplir con
medidas de alta precisión y prototipos o
productos de calidad, de allí su auge
dentro de la producción masiva de
productos en la industria, incursionando
en la producción de micro productos. [13,
14]
Fig. Puntos de origen en la zona de
trabajo, tomado de [10]
La funcionabilidad de estos sistemas
CAD/CAM también permiten la incursión
de operaciones en algunas aplicaciones
muy similares dentro del campo industrial
y de automatización, dentro de ellas:
Fig. Ejemplo de versatilidad de la
herramienta [13]
Por lo tanto el corte laser cuenta con
variedad de aplicaciones, aunque la
finalidad asociada con la producción de
prototipos o de accesorios que
contribuyen a la prevención de problemas
de salud y mejoramiento de la calidad de
vida de personas con enfermedades
degenerativas,
no
contempla
un
porcentaje
considerable,
si
es
considerada
una
herramienta
indispensable para la innovación en el
área de bioingeniería.
PIE DIABÉTICO
REFERENCIAS
[1]. Posada, J., & Fuentes, N. (2010).
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máquina para cortar cajas de cartón
con PLC, 84.
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Grados De Libertad, 11.
[3]. Arpi, J., Cabrera, D. (2013).
Implementación de un sistema de
control para una máquina CNC láser,
146.
Se relaciona con síndromes en los que la
presencia de neuropatía la cual consta en
una complicación micro vascular, esta
hace que la persona pierda sensibilidad
en sus pies y presente heridas sin saberlo
en planta de sus pies, también se
presentan infecciones que causan
ulceraciones en los pies, debido al
adormecimiento de los miembros, estos
síntomas son presentes en personas que
recientemente son diagnosticados como
diabéticos
[4]. García
Alvarado,
Fabricación digital
constructivos: análisis
procesos. Revista
Ingeniería-Universidad
(59), 145–157.
Cuando la enfermedad avanza las
personas pueden presentar deformidades
en sus pies y presión plantar anormal, la
cual hace que las heridas sigan
empeorando
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operación
y
seguridad,
para
efectividad y calidad en el corte Laser,
56.
Las heridas o ulceras en los pies para
estas personas puede ser evitada,
aplicando una estrategia de cuidado, por
lo tanto es necesario el uso de un calzado
apropiado para que la presión plantar no
se vea afectada
R.
(2011).
de modelos
de equipos y
Facultad De
De Antioquia,
[5]. Gabriel, I., & Bertel, P. (2007). Diseño
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112.
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