Implementan de grúa puente en un taller mecánico

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE CAMPECHE
DIRECCIÓN DE MECATRÓNICA
MEMORIA DE ESTADÍA PROFESIONAL
GRUA PUENTE AUTOMATIZADO
REALIZADA EN LA EMPRESA:
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE CAMPECHE
QUE PRESENTA:
JANER SALOMON MENDEZ LOPEZ
PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MECATRÓNICA
ÁREA AUTOMATIZACIÓN
GENERACIÓN:
2015-2017
San Antonio Cárdenas, Carmen, Campeche
Septiembre
de
2017
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AGRADECIMIENTOS
Este trabajo está dedicado a todas aquellas personas que contribuyeron con
mi formación y me alentaron para seguir adelante a lo largo de este camino que
culmina en la realización de una meta en la vida.
A mi madre
Por darme la vida a la que dedico este trabajo y este título con todo mi amor, que me
alentó cada día de mis veintidós años hacer mejor cada dio, la que siempre estaba a
mis espaldas llamándome y gritándome para hacer mi tarea y dormir temprano. Le
doy gracias a mi madre porque con ella e pasado malos momentos como familia,
hemos llorado juntos muchas veces pero cientos más he reído junto a ella por
nuestra mala suerte o por el contrario.
A mi padre
Por todo el esfuerzo y las enseñanzas que me ha dado, los consejos y el apoyo
brindado. Que hizo de mí una persona honrada, sincera y trabajadora, y siempre
estuvo presente cuando más lo necesite que me dio lo mejor que pudo ofrecer y por
su comprensión.
A mis Abuelos
Les agradezco a mis abuelos por ser unas maravillosas personas conmigo , siempre
tratándome de los mejor en todo sentido, por siempre perdonarme por todas las
faltas que cometía y por darme grandes consejos de vida que muchas veces me
abrieron los ojos ya que no podía ver en qué parte de mi persona estaba fallando.
A mis tíos
Tengo que dar un profundo agradecimiento a mis tíos por ser excelentes
profesionistas y personas ya que ellos son los que varios ocasiones me ayudaban
con proyectos en la universidad y siempre estando al pendiente de mí
estudios.
y mis
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DATOS GENERALES DEL ALUMNO
NOMBRE:
JANER SALOMON MENDEZ LOPEZ
MATRÍCULA:
4215010301
DIRECCIÓN, TELÉFONO Y CORREO ELECTRÓNICO:
CALLE NAVEGANTEZ MZA. 03 LTE 69 COL. STA. ISABEL. CD. DEL CARMEN,
CAMP.
TEL.: (938) 135 26 52
CORREO ELECTRÓNICO: [email protected]
FECHA DE INICIO Y TERMINACIÓN DE ESTADÍA:
16 DE MAYO AL 03 DE AGOSTO
ASESOR ACADÉMICO:
M. I. MARTIN DE JESUS MUNGUIA
ASESOR EMPRESARIAL:
C. RODIMIRO NUÑEZ RODRIGUEZ
CARGO DEL ASESOR EMPRESARIAL:
PROPIETARIO DE TALLER MECANICO AUTOMOTRIZ
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RESUMEN / ABSTRACT
Automating a bridge crane by utilizing different types of sensors that are
common in the technology industry today, this idea arises from a common
problem that occurs in all mechanic workshops in general since they do not
count With some sort of safety mechanism alerting the operator of bridge
cranes that are used in these places, that there may be some near failure or
simply the crane motor being overheated.
A viable solution, simple and low cost; It is the use of a series of low cost
sensors that raise the safety index in these equipment since the operator is
subject to different risks consequent to the specific operations of the
equipment in question.
The advantage of these sensors, in addition to their low cost, is that they can
be placed externally, ie as peripherals of a computer and as a consequence of
this maintenance is low cost.
La Automatización de un puente grúa mediante la utilización de diferentes tipos
de sensores que son comunes en la industria de la tecnología hoy en día, esta
idea surge a partir de un problema común que ocurre en todos los talleres
Mecánicos en general, ya que no cuentan con algún tipo de mecanismo de
seguridad que alerte al operario de grúas puente que son utilizadas en estos
lugares, que puede haber alguna falla próxima o simplemente el motor de la
grúa sea sobrecalentado.
Una solución viable, sencilla y de bajo costo ; Es la utilización de una serie de
sensores de bajo costo que suban el índice de seguridad en estos equipos ya
que el operario se encuentra sujeto a diferentes riesgos consecuente a las
operaciones especificas del equipo en cuestión.
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La ventaja de estos sensores, además de su bajo costo, es que pueden ser
colocados externamente, es decir, como periféricos de una computadora y por
consecuencia de esto su mantenimiento es de bajo costo.
Palabras claves: grua automatizada, sensores, seguridad
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Partes de puente grúa ....................................................................................................... 14
Ilustración 2 Diferentes Gruas................................................................................................................ 15
Ilustración 3. Carro de grua .................................................................................................................... 15
Ilustración 4. Esquema de dimensiones principales .............................................................................. 17
Ilustración 5.Desplazamiento del puente grúa ...................................................................................... 19
Ilustración 6. Los dos tipos de trenzado................................................................................................. 22
Ilustración 7. Motor Reductor ................................................................................................................ 26
Ilustración 8. Motor reductor en funcionamiento ................................................................................. 27
Ilustración 9. Transmisión de datos entre sensores............................................................................... 30
Ilustración 10. Grua puente en CAD ....................................................................................................... 31
Ilustración 11. Placa Xport ..................................................................................................................... 31
Ilustración 12. Caja Negra del sistema ................................................................................................... 32
Ilustración 13. Dentro de la Arquitectura PG ......................................................................................... 32
Ilustración 14. Arduino Mega ................................................................................................................. 34
Ilustración 15. Pantalla LCD .................................................................................................................... 39
Ilustración 16. Transmisión General por tornillo ................................................................................... 44
Ilustración 17. Transmisión general por cadena .................................................................................... 45
Ilustración 18. Puente Grúa Industrial ................................................................................................... 45
Ilustración 19. Mecanismo de transmisión del eje Y ............................................................................. 46
Ilustración 20. Mecanismo de correa del eje X acoplado al eje Y .......................................................... 47
Ilustración 21.Transmisión piñón-cremallera ........................................................................................ 48
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LISTA DE TABLAS
Lista de tablas. 1 Características técnicas principales ............................................................................ 18
Lista de tablas. 2 Grupo DIN en función del tipo de servicio y tiempo de operación ............................ 19
Lista de tablas. 3 Grupo DIN en función del ciclo de trabajo y el número de arranques por hora........ 19
Lista de tablas. 4 Tiempo de operación y reposo, y ciclo de trabajo ..................................................... 20
Lista de tablas. 5 Datos del motor.......................................................................................................... 26
Lista de tablas. 6 Especificación de motor reductor .............................................................................. 27
Lista de tablas. 7 Interface ..................................................................................................................... 39
Lista de tablas. 8 Dimensiones de motor ............................................................................................... 61
Lista de tablas. 9 Lista de cargas ............................................................................................................ 62
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INTRODUCCIÓN
Un puente grúa es un aparato de elevación y transporte, una de las principales
aplicaciones del cual es el transporte de diferentes materiales dentro del taller.
Gracias a que circulan por vías elevadas, al contrario de lo que sucede con otras
clases de grúas (por ejemplo, las grúas pórtico o las giratorias) dejan libre toda la
superficie del pavimento del taller, de modo que el trabajo y el tránsito sobre el suelo
puede efectuarse sin estorbos. Debido a la movilidad del puente grúa y del carro que
corre sobre el mismo, el campo abonado por la grúa es un rectángulo cuya
superficie, en un caso ideal, coincide con la planta de la nave del taller.
En el transporte de materiales, materias primas, minerales y diversos productos se
han ido creando amplias formas, siendo uno de los más eficientes el transporte vía
puente grúa.
Los puentes-Grúa son máquinas para elevación y transporte de materiales, tanto en
interiores como exteriores, de uso muy común tanto en industrias, como talleres.
Básicamente se trata de una estructura elevada formada por una o varias vigas
metálicas, con un sistema de desplazamiento de 4 ruedas sobre rieles laterales,
movidos por uno o más motores eléctricos, con un sistema elevador mediante
polipasto y gancho.
El puente grúa ha sido por mucho tiempo una solución eficiente para el transporte de
cargas pesadas, gracias a su alta rentabilidad y bajo costo de mantenimiento. La
confiabilidad y versatilidad de estas máquinas de elevación permite que sean
adaptadas a cualquier aplicación y cualquier espacio, desde la industria del acero
hasta pequeños talleres.
En el presente informe se establecerán los parámetros y componentes necesarios
para llevar a cabo la implementación de un sistema automatizado, aplicándose a los
puentes grúa, se recapitularan números puntos importantes que deben ser aclarados
y vistos por el lector.
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Alguno de estos capítulos en relevancia son ; los datos importantes que por
obligación la empresa donde se montara por primera vez este sistema automatizado
debe de tener.
La empresa Gran Prix Servicios Mecanicos Automotriz
(GPSMA) se encuentra
ubicada en el municipio de Carmen, Campeche-Mexico, se dedica a dar servicios
Mecanico Automotriz de calidad.
El gran problema que existe con este tipo de grua es que no cuenta con un sistema
que sea veras y de precision, todo este sistema es controlado por una serie de
botoneras que el operador con sencilles puede manejar y por discernimiento los
objetos de gran volumen quedan en lugares incorrectos o simplemente nunca llegan
en talleres o lugares amplios.
Con ello se realizó una investigación para así discriminar los componentes que
cumplirán con los requisitos técnicos y satisficieran las necesidades del esta
automatización.
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CAPÍTULO I. DATOS GENERALES DE LA EMPRESA.
El Taller Mecánico Automotriz (Gran Prix) se encuentra ubicada en la colonia
Francisco I. Madero Calle las Américas #3 x 31y Emiliano Zapata, en el municipio de
Carmen, Campeche, su sector es terciario y su giro es de servicios de mantenimiento
automotriz y eléctrico, su Representante Legal es el Ing. Rodimiro Núñez Delgadillo.
Misión
Proporcionar un buen servicio, eficiente con calidad, que satisfaga las necesidades y
expectativas de nuestros clientes a un precio accesible con personal capacitado,
motivado, productivo, eficiente, leal, honesto, responsable, comprometido en resolver
sus problemas.
Visión
Ser una empresa líder y confiable en el servicio que usted necesite contamos con
tecnología
de
punta,
herramientas especializadas y sistema administrativo
computarizado, así como el mejor personal eficaz y eficiente.
Filosofía y valores

Honestidad

Orden y limpieza

Formalidad

Disciplina

Buen servicio

Trabajo en equipo

Responsabilidad

Lealtad

Estandarización

Organización
Objetivo de calidad

Disminuir los tiempos de entrega

Satisfacción del cliente

Desarrollo de personal

Mejora continua

Precios Accesibles
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CAPÍTULO II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Si bien se han explicado en general el contenido de la memoria, se ha puesto
especial hincapié en el diseño de los elementos que serán agregados para
automatizar esta grúa que forman parte del mecanismo de elevación de la carga
además de varios de los accionamientos principales, como los moto reductores de
elevación de la carga y traslación del puente.
Con el fin de realizar un diseño correcto se han utilizado distintas herramientas CAD
para dimensionar la grúa y sus elementos.
El resultado del proyecto es un puente grúa Automatizado, comparable en
prestaciones a las fabricadas por las principales empresas del sector y que cumple
las especificaciones que se habían planteado desde un principio además de la
normativa vigente.
Como se trata de una máquina hecha a medida, de la que solamente se fabricará
una unidad, el objetivo del proyecto será satisfacer las especificaciones concretas del
puente grúa, cumpliendo todos los requisitos mecánicos y en cuanto a seguridad, sin
olvidar la sencillez y funcionalidad de manera que no se encarezca el proyecto
inútilmente.
En el taller de mantenimiento automotriz, cada vez las demandas son las exigentes y
las dimensiones de la estructura son mayores, la cual va relacionada con el peso, por
lo que se requiere mover estos elementos durante el proceso de mantenimiento, y al
término de instalación de los motores diesel que son más voluptuosos y pesados.
El desperfecto en este tipo de máquinas radica en su manejo y manipulación por una
serie de botoneras que el operario usa.
El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la traslación de la viga principal o
puente a través de los carriles elevados. En la práctica totalidad de los casos, la
rodadura es por ruedas metálicas sobre carriles también metálicos.
El movimiento transversal se realiza mediante el desplazamiento de un polipasto o
carro sobre uno o dos carriles dispuestos sobre la viga principal.
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Por su forma de trabajo sería muy eficiente en la industria automotriz pero con un
enfoque a partes específicas de los automóviles.
En el negocio del mantenimiento automotriz surgen muchos problemas por la falta de
maquinaria especializada para levantar un gran peso y su posterior traslado a
múltiples zonas de trabajo. Existe un necesidad de contar con una máquina para el
levantamiento de motores, hoy en día los técnicos que otorgan mantenimiento a los
automóviles se ven en la necesidad de trasladar los motores con ayuda de garrochas
que no son muy eficientes y en otros casos los técnicos tienen que trasladar los
motores a las zonas de trabajo por sí mismos, simplemente usando la propia fuerza
de sus músculos; teniendo en cuenta que los motores de un automóvil estándar en el
mercado pesa alrededor de 140 Kilos y 250 Kilos.
Un Problema más que cae sobre los técnicos al usar algunas herramientas de taller
como algún tipo de garrocha ya mencionado con anterioridad; es que dependiendo
del terreno en donde este ubicado el lugar a traslado del motor puede ser muy difícil.
Entonces, ¿cuál sería el efecto o cambio significativo que tendría si en un taller
mecánico es colocado un Puente Grúa?
2.2 Pregunta Principal
¿Habría alguna mejora si esta máquina es Automatizada?
2.2.1 Preguntas específicas
¿En que beneficiaria la implementacion de gruas en taller mecanicos Automotrizes?
¿Tendria costos elevados la Automatizacion de esta maquina?
Dado el uso de esta maquina en diferentes negocios que no son la Automotriz ¿Es
viable integrar sensores de distancia y movimiento en la maquina?
2.3. Justificación.
En general podemos decir que la justificación de este proyecto es que, se debe
desarrollar la ingeniería básica para el manejo de materiales pesados, ya que es
necesario contar con equipos que permitan el transporte de diversos componente de
la forma más rápida y segura, es por ello que se analiza y diseña una grúa viejera
Automatizada.
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2.4. Objetivo de proyecto.
El objetivo del presente proyecto es el diseño de una grúa destinada al manipuleo
principalmente de motores automotrices en un taller mecánico. Tiene como
característica principal una altura útil de 6m y una longitud de 15m, su carga máxima
es de 1 tonelada.
Tomando como enfoque la Automatización del puente grúa atreves del agregados de
diferentes sensores de movimiento, proximidad y de temperatura para la seguridad
del operario y controlado por tarjeta Arduino.
Como se trata de una máquina hecha a medida, de la que solamente se fabricará
una unidad, el objetivo del proyecto será satisfacer las especificaciones del puente
grúa en cuanto a facilitar manipuleo de los materiales, cumpliendo todos los
requisitos mecánicos y en cuanto a seguridad, sin olvidar la sencillez y funcionalidad
de manera que no se encarezca el proyecto inútilmente
2.4.1 Objetivo general.

Lograrla Automatización del Puente Grúa mediante una tarjeta controladora.
2.4.2 Objetivo específico.

Recopilar toda la información necesaria y datos específicos técnicos sobre la
maquina en la cual se estará desarrollando el prototipo de tesis.

Implementar un sistema de sensores de movimiento, proximidad y
temperatura para que la grúa sea una maquina segura de manipular.

Lograr que la Automatización y mantenimiento del sistema sea de bajo costo.
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CAPÍTULO III. MARCO CONCEPTUAL.
En todo proceso industrial es necesario manipular y trasladar los materiales que
intervienen en el mismo, ya sea en forma de materia prima, de productos
semielaborados en las etapas de fabricación o de productos terminados. Para
realizar estos movimientos se utilizan las maquinas elevadoras en una diversa
variedad de modelos.
Una grúa es una maquina formada por un conjunto de mecanismos combinados
entre sí en forma armónica que recibe energía y la transforma en trabajo. Significa
que puede recibir energía eléctrica, en el caso de las grúas eléctricas, o energía
mecánica, por medio de la fuerza humana en el caso de grúas manuales y es capaz
de transformar la energía recibida en diferentes tipos de trabajos tales como subir,
bajar, o rotar o simplemente desplazar cargas diversas.
Las grúas pueden utilizarse en almacenes y en diversas líneas de producción como
puede ser industrias de acero, cementeras, azucareras, automotriz, minera, petrolera
etc. Así como e plantas termoeléctricas, muelles y todos aquellos lugares donde se
requiere manejar volúmenes de gran peso, haciendo el traslado con rapidez,
eficiencia y seguridad.
La grúa es la evolución del puntal de carga que, desde la antigüedad, se ha venido
utilizando para realizar diversas tareas. Aunque sus fundamentos fueron propuestos
por Blaise Pascal en pleno Barroco, fue patentada por Luz Nadina.
Existen Documentos antiguos donde se evidencia el uso de máquinas semejantes a
grúas por los Sumerios y Caldeos, transmitiendo estos conocimientos a los Egipcios.
En 1980 se desarrollan las primeras grúas operadas eléctricamente, lo hicieron con
tres motores, un motor independiente para el movimiento del carro, otro para el
puente y el ultimo para el sistema de levantamiento, logrando en un principio,
conseguir bajas velocidades y capacidades muy limitadas.
En1970 la CMMA (Crane Manufactures Association of America), introdujo la
especificación número 70 en la se mencionaban los estándares de diseño para
propósitos generales de la grua viajera de doble puente y de la grúa portal. Estas
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grúas son útiles en almacenes y líneas de producción con operaciones de
maquinado, ensamble, empaque, embarques y en general en cualquier industria
donde se requiere movimientos de materiales o equipos.
Grúa Puente: el transporte dentro del taller es el principal campo de aplicaciones del
puente grúa. Gracias a que circulan por vías elevadas, unidas casi siempre a la
construcción de los pies de la nave del taller, al contrario de lo que sucede con otras
clases de grúas (por ejemplo, las grúas pórtico o las giratorias) dejan libre toda la
superficie del pavimento del taller, de modo que el trabajo y el tránsito sobre el suelo
pueden efectuarse sin estorbos.
Ilustración 1 Partes de puente grúa
Grúa pórtico: es un aparato de elevación que se desplaza sobre el suelo y presenta
forma de pórtico de una luz moderada; se trata, por tanto, de una especie de puente
grúa provista de apoyos. Las grúas pórtico se encuentran sobre todo en los parques
y en los patios de fábricas. Dado que circulan sobre rieles situados en el suelo, los
gastos de primera instalación son menores que para los puente grúa que circulan
sobre un camino de rodadura elevado, lo que sobre todo se deja notar en el caso de
un camino de rodadura d gran longitud. Se los prefiere por tanto para todas las
aplicaciones en las que no entorpezcan la circulación por el suelo (fig. 2). Si la grúa
pórtico se encuentra adosado a las paredes de un edificio, se les da el nombre de
Grúa semipórtico (fig. 2)
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Ilustración 2 Diferentes Grúas
Descripción general de los componentes de la grúa
Los principales componentes de un puente grúa son:
Bastidor: consta de dos vigas transversales en dirección a la luz de la nave (vigas
principales) y de un par de vigas laterales (testeras), longitudinales en dirección a la
nave y que sirven de sujeción a las primeras y en donde van las ruedas.
Mecanismo de elevación: conjunto de motores y aparejos (sistema de poleas y
cables destinados a variar fuerzas y velocidades) que se aplican en el movimiento
vertical de la carga.
Ilustración 3. Carro de grúa
Mecanismo de translación del puente: conjunto de motores que incluye los
testeros como estructuras portantes que incorporan este mecanismo para el
movimiento longitudinal de la grúa. (1)
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Camino de rodadura: elemento estructural por el que se desplaza longitudinalmente
la grúa. (2) (1)
Botonera: dispositivo eléctrico o electrónico unido físicamente mediante una
manguera de cables eléctricos a la grúa, para el manejo de la misma desde el
exterior de la cabina.
Telemando: dispositivo electrónico inalámbrico (sin unión física a la grúa), para el
manejo de la grúa.
Cabina: habitáculo destinado, si existe, a la conducción de la grúa y que alberga los
dispositivos fijos de mando y al operador o gruísta.
Accesorios o útiles de prensión: elementos auxiliares cuya función es la de sujetar
la carga, tales como: pinzas, pulpos, electroimanes, ventosas, cucharas, etc.
Prestaciones de la grúa
Vida esperada para la grúa: tanto para clasificar correctamente el aparato de
elevación según la normativa vigente, como para justificar los cálculos a fatiga de
distintos elementos, es preciso una estimación de la vida de la grúa. Para ellos se
partirá de una duración de 20 años, contando una utilización anual de 125 días y 4
horas por día. Esta estimación tiene en cuenta que no todos los días laborables son
días de trabajo para la grúa ya que está no estará permanentemente manipulando
materia prima. Además, durante un día de trabajo la grúa no se emplea
permanentemente, por lo que se ha reducido la jornada de 8 a 4 horas. De todo ello
resulta una vida de 10.000 horas.
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Dimensiones principales del puente grúa: las dimensiones del puente grúa están
determinadas principalmente por las dimensiones de la nave donde se instalará, por
esta razón, la luz del puente grúa (separación entre vigas testeras o laterales del
puente grúa) será igual a la luz de la nave, es decir, la separación entre paredes o en
nuestro caso entre la pared y las columnas, debido a que el local está constituida por
dos naves de 15 metros de luz cada una. Por otro lado, el puente grúa será
empleado principalmente para la descarga de camiones y manipulación de la materia
prima, así como para un eventual manipuleo de productos semi-elaborados y
terminados. Por esta razón la altura de elevación del mismo se estima en 6 metros.
Ilustración 4. Esquema de dimensiones
principales
Capacidad de carga: la capacidad de carga estimada para la descarga de materia
prima de los camiones, que es la función principal y la máxima carga a la que se
somete el puente grúa, es de 5 toneladas.
Movimientos de la grúa: los tres movimientos que realiza un puente grúa son:
Traslación del puente: en dirección longitudinal a la nave. Se realiza mediante un
grupo moto-reductor, que arrastra las ruedas motoras por medio de arboles de
transmisión. Se adopta para el puente grúa una velocidad de traslación vtg = 40
[m/min].
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Traslación del carro: traslado del carro a lo largo del puente. Se adopta para la
traslación del carro un velocidad vtc = 15 [m/min].
Elevación – descenso: la carga es subida o bajada por efecto del motor que sujeta
el gancho con ayuda de un cable principal. Se adopta una velocidad de elevación de
la carga ve = 8 [m/min].
La siguiente tabla resume las características técnicas principales del puente
grúa:
Lista de tablas. 1 Características técnicas principales
De acuerdo con la clasificación de las normas DIN 15020 deben ser tenidos en
cuenta dos criterios fundamentales:
El ciclo de trabajo y el tiempo de operación:
Tipo de trabajo:
Trabajo liviano: el aparejo eleva cargas máximas excepcionalmente, y regularmente
eleva cargas considerablemente más livianas.
Trabajo mediano: el aparejo eleva cargas livianas, medianas y máximas por periodos
iguales.
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Trabajo pesado: aparejo solicitado a cargas medianas y máximas, frecuentemente y
en igual forma.
Trabajo muy pesado: el aparejo eleva cargas principalmente cercanas a la máxima.
Lista de tablas. 2 Grupo DIN en función del tipo de servicio y tiempo de operación
Lista de tablas. 3 Grupo DIN en función del ciclo de
trabajo y el número de arranques por hora
Para determinar el ciclo de trabajo se supone que se engancha la carga en el punto
A (ubicado en una esquina de la nave), se eleva la carga una altura de 4 metros, y se
desplaza hasta el punto B, que se encuentra desplazado del punto A, a una distancia
15 metros en lo ancho y 20 metros en lo largo.
Ilustración 5.Desplazamiento del puente grúa
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Considerando que el proceso de traslación del carro se realiza simultáneamente con
el proceso de traslación de la grúa, estimando un tiempo de preparación y amarre de
la de la carga t10 = 300 [seg] y un tiempo de desamarre de la carga t5 = 30 [seg], y
que el tiempo necesario para realizar la elevación y traslación de la carga viene dado
por:
Lista de tablas. 4 Tiempo de operación y reposo, y ciclo de
trabajo
para el caso de nuestro puente grúa el tiempo de operación promedio es de 4 horas,
como se vio en el apartado 3.3, el tipo de trabajo se considera mediano puesto que
eleva habitualmente cargas medianas y eventualmente cargas livianas y máximas,
un ciclo de trabajo del 40 % el grupo DIN del puente grúa será: 2m, según tabla 2 y
3.
ELEMENTOS DE SUSPENCIÓN
Los elementos de suspensión de las grúas tienen como misión fundamental enclavar
la carga a elevar con el aparato de elevación. Están constituidos, principalmente por
el gancho, el cual está provisto con un pestillo de seguridad para impedir del cable
que soporta la carga y está suspendido en su parte superior por un eje, denominado
traviesa, y su correspondiente tuerca, entre los cuales se encuentra alojado un
rodamiento axial que permite al gancho realizar un giro de 360º sobre su eje.
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El mecanismo de suspensión se encuentra suspendido por el cable de elevación a
través de dos poleas, que se encuentran montadas sobre rodamientos radiales para
permitir que la misma gire suavemente sobre su eje. Las poleas se encuentran
unidas a la traviesa a través de su eje por dos placas, las cuales le dan rigidez al
conjunto.
Selección del gancho
De entre los diferentes tipos de ganchos (gancho simple, doble, de hojas o de
seguridad), se utiliza el gancho simple, que es el adecuado para grúas de capacidad
de carga media o baja. Se realiza en acero mediante una operación de forja o
estampado.
Los ganchos sencillos para grúas se encuentran normalizados bajo las normas DIN
15401 y su elección se realiza en función del grupo de carga (seleccionado en el
apartado 4), la clase de resistencia que depende del material empleado para fabricar
el gancho y de la capacidad de carga máxima requerida para elevar la carga según
tabla #.
Los ganchos están solicitados a tracción en su parte recta y simultáneamente a
tracción y flexión en la parte curva. En el análisis de las solicitaciones del gancho
supondremos que se cumplen todas las condiciones requeridas para que la fórmula
de vigas rectas sea aplicable, salvo naturalmente, que la pieza tiene una curvatura
inicial.
Las tensiones normales en una sección recta tal como la AB se denominan tensiones
circunferenciales. Sus valores, para cualquier punto de la sección, están dados por la
fórmula de Winkler-Bach.
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Sistema de trenzado
El sistema de trenzado determina en gran parte las características y el
comportamiento del cable. Si el sentido de torcido se hace siguiendo la dirección de
las agujas del reloj, se obtendrá torsión derecha y torsión izquierda si es en sentido
contrario. Según el sentido de torsión de los alambres en los cordones y el de los
cordones en los cables se tendrá:
Z/s Cruzado derecha: Los cordones se arrollan a derechas y los alambres de cada
cordón a izquierdas.
Z/z Lang derecha: Los cordones se arrollan a derechas y los alambres de cada
cordón a derechas.
S/z Cruzado izquierda: Los cordones se arrollan a izquierdas y los alambres de
cada cordón a derechas.
S/s Lang izquierda: Los cordones se arrollan a izquierdas y los alambres de cada
cordón a izquierdas.
Ilustración 6. Los dos tipos de trenzado
El trenzado cruzado es el más utilizado por su menor tendencia a destorcerse y por
tener una mayor resistencia estructural. Sin embargo, en muchos casos es preferible
utilizar el torcido Lang por su mayor flexibilidad y mayor superficie de apoyo, tener la
superficie exterior más lisa y un mejor llenado del área de la sección transversal.
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Composición del cable
La composición de un cable se designa por el número de sus cordones, la
composición de éstos y el tipo de alma. La notación está constituida por tres cifras (nº
de cordones del cable, nº de alambres de los cordones, nº de almas del cable), las
dos primeras separadas por el signo “x” y las dos últimas por el signo “+”.
Selección del cable
Se ha escogido el cable metálico como elemento de transmisión, en lugar de la
cadena, por tener algunas ventajas considerables. Su peso propio es mas reducido,
permiten velocidades más elevadas, ya que pasan sin ruidos ni choques por las
poleas, y la seguridad se aumenta porque los cables no se rompen súbitamente
como las cadenas, sino que, por el contrario, antes de la ruptura de un cable, se van
rompiendo hilos aisladamente.
Basándose en los ensayos y la experiencia práctica, las DIN 655 y 656 normalizaron
la composición de los cables más adecuados a los aparatos de elevación. Es
importante que los alambres de los cordones encuentren un buen apoyo sobre los
alambres de las capas precedentes. Por esta razón, los cables Seal-Lay de paso
constante en todas las capas son más ventajosos que los cables normales de ángulo
de torsión constante. La DIN 655 que normaliza los cables normales establece tres
composiciones: (6 x 19), (6 x 37), (8 x 37). El cable de 6 cordones de 37 alambres
está considerado como normal. La composición 6 x19 se emplea en todos los casos
que presentan un fuerte desgaste, riesgos de averías mecánicas o de gargantas de
poleas poco adecuadas. Para los cables de gran diámetro es aconsejable elegir la
composición de 8 cordones.
En la DIN 4130 se encuentran las reglas para el dimensionamiento, basadas en
ensayos y experiencia prácticas. La tracción máxima en el cable de elevación se
obtiene considerando:
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S: tracción máxima en el cable de elevación, [Kg]
P: carga máxima nominal del aparato, P = 5000 [Kg]
Q: peso propio del conjunto de suspensión de la carga, Q = 100 [Kg]
Motor
Los motores de las máquinas de elevación necesitan de un gran par de arranque ya
que deben poder ponerse en marcha para la elevación en carga, estando está
suspendida en el aire y teniendo que acelerarla en muy poco tiempo, llevando todas
las masas de cero hasta la velocidad de régimen. Su sentido de marcha debe ser
reversible y deben ser capaces de ejercer un par de frenado.
Para elegir el motor hemos de basarnos en la potencia de régimen, es decir, la
potencia que da el motor para levantar o desplazar la plena carga a velocidad normal
de régimen, después del periodo de aceleración.
NR: potencia de régimen, [CV] (1 CV = 0.75 KW)
T: carga sobre el tambor debido a la tensión del cable, T = 2600 [Kg]
v: velocidad del cable de elevación, v = 16 [m/min] = 0.27 [m/seg]
η: rendimiento mecánico, η = ηp . ηr . ηt = 0.87
ηp: rendimiento del aparejo, para 4 ramales: ηp = 0.97
ηr: rendimiento del reductor, ηr = 0.94
ηt: rendimiento del tambor, ηt = 0.96
Pero el conocimiento de la potencia de régimen no es suficiente para elegir un motor.
Muy frecuentemente la potencia que se puede pedir a un motor no solo está limitada
por su par, sino también por el calentamiento del motor, que debido al aislamiento,
no debe sobrepasar cierto límite. Además, el calentamiento depende del tipo de
servicio, marcha continua o intermitente. La temperatura de un motor de marcha
continua aumenta progresivamente hasta una temperatura máxima en que la
generación y la evacuación de calor se equilibran. En marcha intermitente, como es
lo corriente en las máquinas de elevación, el motor se enfría durante los tiempos de
parada. Después de un cierto número de ciclos, el motor alcanza una temperatura
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estacionaria que es menos elevada que la de un motor en marcha continua que
suministre el mismo par. Ello significa que, admitiendo el mismo calentamiento, un
motor puede suministrar una potencia superior en servicio intermitente a la de
servicio continuo.
De otra parte es posible que la carga efectiva del motor sea mayor que la potencia de
régimen. Este caso se presenta para los mecanismos que aceleran masas
importantes, por ejemplo, las rotaciones y traslaciones a gran velocidad de una grúa.
Además del par normal, tal motor debe suministrar un par de aceleración muy
elevado. Las perdidas magnéticas y eléctricas y por consiguiente su calentamiento,
son más importantes que las supuestas si solo se juzga por la potencia de régimen.
En los cabrestantes, la influencia del trabajo de aceleración es corrientemente
despreciable, aun en el caso de grandes velocidades de elevación.
Factor de marcha:
Entonces:
La potencia nominal de un motor es tanto menor cuanto más elevado es su factor de
marcha. En una primera aproximación, las potencias varían con la relación de las
raíces cuadradas de los factores de marcha:
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Lista de tablas. 5 Datos del motor
Freno
Los frenos de los mecanismos de elevación deben ser capaces de mantener la carga
suspendida al final del movimiento de elevación o descenso, cuando el motor se
desconecta o en ausencia de tensión.
Para nuestro caso se ha escogido un motor con freno a disco incorporado, que
consiste generalmente en un disco provisto de una guarnición de freno que se puede
desplazar axialmente sobre el árbol que se quiere frenar.
La figura #, muestra un motor-freno de rotor cónico deslizante. El árbol “b” del motor
con el rotor “a” y el cono de freno “d” se puede desplazar axialmente en los soportes
“e”. En la parada, un resorte “f” empuja el árbol sobre la derecha y aplica el cono de
freno contra el cárter “d”. Mientras se alimenta el motor, el rotor cónico es atraído por
el bobinado del estator de forma apropiada hasta el soporte “i”. El mismo
desplazamiento
afloja
el
freno.
Un
amortiguador
amortigua
todos
los
desplazamientos, sobre todo el apriete del freno. El gran inter-eje de los soportes
garantiza un guiado suficiente e impide que el cono de freno se acuñe.
Ilustración 7. Motor Reductor
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Reductor
Para la selección del reductor se tienen en cuenta los siguientes datos:
Momento necesario para accionar el tambor: Mt = 4550 [Nm]
Relación de transmisión: i = 1/66
Factor de servicio: φ = 1
Potencia de accionamiento: N = 5.74 [KW]
Ilustración 8. Motor reductor en
funcionamiento
Lista de tablas. 6 Especificación de motor reductor
CAPÍTULO IV. METODOLOGIA.
En el ámbito de la automatización podemos encontrar diferentes instrumentos de
control, para automatizar uno o varios sistemas electromecánicos a la vez. Desde un
PLC (Programable Logic Controller) para controlar grandes cantidades de entradas y
salidas de forma robusta, cómo podría ser una empresa de fabricación en cadena,
controlando de manera automática todas y cada una de las máquinas que se utilicen
en dicha empresa. También otro de los instrumentos de control más utilizados son
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las FPGA (Field Programmable Gate Array), estas tarjetas de control son algo más
económicas que los PLC. Su uso es algo más limitado referente a la cantidad de
actuadores que se pueden automatizar, pero a su favor tiene la rapidez y la
manipulación de programas con un alto grado de complejidad. Fueron diseñadas a
partir de los CPLD (Complex Programmable Logic Device), la arquitectura de los
CPLD es más rígida y consiste en una o más sumas de productos programables.
Mientras que, la arquitectura de las FPGA tienen una gran flexibilidad.
La necesidad y uso de un computador personal en casi cualquier ámbito crece cada
día. Aún más el uso de pequeños computadores personales especializados los
cuales se pueden denominar sistemas embebidos. En este artículo se debe entender
un sistema embebido como cualquier dispositivo electrónico similar a un computador
personal con la característica de que este fue diseñado para un uso particular y no
para un uso general, corriendo el riesgo de entrar en controversias con esta
definición ya que muchos autores denominarían a un procesador como un sistema
embebido pero para el caso de este articulo entiéndase de la manera explicada
anteriormente. Es así entonces como cada día encontramos más sistemas
embebidos en nuestro alrededor, celulares, reproductores de música con video etc.
Ese crecimiento en el uso de este tipo de dispositivos no solo en el uso personal sino
también a nivel de industria es una de las principales motivaciones que impulsaron la
elaboración de este trabajo. El documento se inicia con una breve descripción del
diseño elaborado del puente grúa. En seguida se introduce la plataforma embebida
con la cual se trabajara. Después se plantea una arquitectura solución. Siguiente a
esto se propone una automatización para implementar y finalmente se generan los
algoritmos necesarios para poner en marcha la automatización propuesta.
Parece evidente que una máquina por ella misma carece de inteligencia. Pero
también no es menos cierto que con la ayuda de sensores programados por el
hombre, será capaz de auto diagnosticarse e incluso de impedir maniobras que sean
peligrosas para las personas y para ellas mismas, así por ejemplo:
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
El limitador de carga protegerá contra las sobrecargas.

La célula de pesaje nos indicará las veces que se ha sobrecargado la
máquina.

Nos indicará el peso que levantamos. Nos indicará el espectro de carga con el
que le hacemos trabajar y junto a un contador horario nos dirá si le estamos
haciendo trabajar dentro de los parámetros para los que la hemos diseñado.

Con las células anti choqué se protegerá contra los choques con otras
máquinas, protegiéndonos también del peligro que nos pueden originar.

Los finales de carrera protegerán contra choques con partes de la nave, de la
estructura de la máquina o de sí misma.

Los sensores de inclinación y sensores anti balanceó, no permitirán que
realicemos maniobras que puedan ser peligrosas para las personas y el
entorno.

Los sensores anti cruzamiento, evitarán desgastes de ruedas y carriles,
choques y hasta posibles salidas del carril guía.

Los sensores de temperatura y sobre intensidad, protegerán la máquina
contra calentamientos que acorten su vida o incluso puedan llegar a
quemarlos.

Los sensores de vibraciones nos prevendrán sobre algún funcionamiento
incorrecto debido a algún material o componente mecánico deteriorado.

Los sensores de fallo de algunos accionamientos pueden poner en marcha la
actuación de otros accionamientos redundantes, frenos, motores, variadores.

Los sensores de posición pueden indicarnos el lugar exacto en que se
encuentra cada mecanismo.

La grúa en función de los sensores que le pongamos, será capaz de
autodiagnóstico más o menos sus problemas y su situación.
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Ilustración 9. Transmisión de datos entre sensores
Ahora bien la máquina es capaz de conocer sus problemas de auto diagnosticarse
incluso de indicarnos posibles soluciones incluso de poner en marcha redundancias
para evitar peligros o seguir funcionando, pero como decía alguno su reparación hoy
por hoy al final de una u otra manera la programará y realizará el hombre.
Esta es pues la siguiente cuestión, como se comunica con nosotros, con el operario,
con su servicio de asistencia técnica, o incluso con otras grúas y como nos
comunicamos el hombre con ella.
El modelo del puente grúa consiste en dos carros laterales; cada uno impulsado por
un motor AC, proporcionando movimiento en el eje Y. Un carro secundario impulsado
con un motor DC, proporcionando movimiento en X. Finalmente un motor DC
contenido dentro del carro secundario. El cual proporcionara al sistema el
movimiento en Z. La ubicación de los sensores utilizados y el tipo de estos se
encuentran resumidos en las siguientes ilustraciones.
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Ilustración 10. Grúa puente en CAD
PLATAFORMA UTILIZADA
La Xport1 es una tarjeta de desarrollo comercial que permite convertir al Game Boy
Advance (GBA) en un sistema de desarrollo embebido. El GBA tiene un procesador
ARM de 32 bits2, con un reloj de 16.78Mhz, tiene 96Kb de memoria de video, 32Kb
de memoria rápida interna RAM y 256 Kb de memoria RAM externa. Posee un
“display” con resolución máxima de 240x160. La Xport utilizada posee una FPGA de
50000 compuertas lógicas (1728 celdas lógicas), 1 CPLD, 4MB de memoria
ARQUITECTURA
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Teniendo claro la plataforma a utilizar, el funcionamiento de un sistema operativo
con multiprogramación y teniendo construido el puente grúa con su implementación
sensorial el siguiente paso es plantear una arquitectura base para el sistema
realizando una partición Hardware y Software. La siguiente ilustración muestra la
caja negra de nuestro sistema en donde existe una interface con el usuario final, la
cual será principalmente la pantalla y botones del GBA. Las señales de entrada son
los 3 distanciómetros análogos y las tres señales de los encoders. Las señales de
salida son las señales de control a los dos motores DC(X,Z) y a los dos motores
AC(Y).
Ilustración 12. Caja Negra del sistema
Dentro de la caja negra podemos diferenciar tres bloques claros. Un bloque de
conversión análoga digital para sensores de respuesta análoga, un bloque de
adecuación de señal para los motores y finalmente un bloque de control.
Ilustración 13. Dentro de la Arquitectura PG
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Dentro del bloque de control encontramos 3 bloques de hardware específicos, el
GBA, la FPGA y la memoria Flash [5]. El GBA se comunicara con la arquitectura
diseñada por medio de su conector de lectura de ROM´s (juegos). Las señales del
conector son 32 en las cuales se encuentra un bus de datos de 2 bytes, un bus de
direcciones de 24 bits, señal de lectura, escritura y una señal de interrupción (el bus
de datos se encuentra multiplexado con los dos primeros bytes del bus de
direcciones) [3]. La memoria Flash se utilizara para almacenar tanto el programa que
será ejecutado como el archivo para sintetizar en la FPGA, el cual será luego
utilizado por el CPLD (no se muestra en la arquitectura por claridad) para configurarla
cada vez que se inicie la aplicación la FPGA.
Finalmente tenemos la FPGA, la cual nos permitirá conectar, el GBA y la memoria
FLASH con el mundo exterior mediante 64 pines configurables los cuales se
encuentran distribuidos en dos conectores cada uno de 34 pines (ver ilustración3).
Dentro del bloque de la FPGA se encuentra sintetizado un decodificador de bus, el
cual tiene como función separar el bus datos del bus de direcciones. Un bus de
direcciones el cual tendrá como entrada el bus de direcciones y de salida señales de
CS, las cuales permitirán seleccionar uno de los periféricos diseñados, los periféricos
son dos registros, un registro de 2 Bytes de salida el cual esta divido como se
muestra en la ilustración 7, la primera parte se encarga de todo lo referente al control
del conversor análogo/digital y los demás bits se encargan de las señales de control
de los motores. El registro de entrada es de 11 bits el primer byte es para la lectura
digital directamente del conversor y los tres bits restantes son entradas directas de
los encoders. Finalmente existe una señal de interrupción que proviene directamente
del conversor A/D al pin de interrupción del GBA.
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Placa Arduino Mega 2560
En la siguiente imagen, se pueden observar las diferentes partes a rasgos
generales del Arduino Mega 2560.
Ilustración 14. Arduino Mega
En el esquema se pueden detectar todas las partes importantes de la placa, una de
las partes vitales es la correcta alimentación al Arduino. Se alimenta con una fuente
externa de entre 7 y 12V, por si se necesita coger tensión extra para un circuito del
proyecto, o bien, alimentarlo vía puerto USB con una alimentación de 5v, el único
inconveniente, es que la tensión proporcionada a la placa es más bien baja, y por lo
tanto tendremos que utilizar las salidas de tensión con moderación. Los pines
analógicos sirven para el uso de sensores analógicos, cómo por ejemplo sensores de
temperatura, sensores de presión, o algo más simple cómo un potenciómetro. El uso
de los pines analógicos, son solo de entrada, por lo tanto, no abran actuadores
conectados a estos pines.
Comunicación de tarjeta Xport y Arduino
La comunicación serial, es para establecer enlaces entre otros dispositivos, es decir,
para poder conectar la placa Arduino con un ordenador se necesita un enlace por
comunicación serial. El puerto de serie 1 está conectado a los pines 0 (RX) y 1 (TX),
el puerto de serie 1 a los pines 19 (RX) y 18 (TX) el puerto de serie 2 a los pines 17
(RX) y 16 (TX), y el puerto serie 3 a los pines 15 (RX) y 14 (TX). Un puerto serie
envía la información mediante una secuencia de bits. Para ello se necesitan al
menos dos conectores para realizar la comunicación de datos, RX (recepción) y TX
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(transmisión). Uno de los instrumentos más comunes hoy en día para aplicaciones
con Arduino, es el Bluetooth. También se puede usar el puerto serial para encender o
apagar un dispositivo desde una página Web a través de Internet.
Uno de los instrumentos de control más utilizados actualmente para prototipos o
pequeños proyectos, son las placas Arduino. Hay mucha variedad de placas, y cada
una de ellas hace funciones para determinadas ocasiones. Se pueden encontrar
desde de las placas más completas y competentes, como es la Arduino Mega 2560,
hasta una placa más pequeña y reducida en tamaño, esta sería la Arduino Nano, una
placa orientada a pequeños proyectos o donde por el espacio no es posible incluir
placas más grandes. No por su tamaño deja de ser más mediocre, con un
procesador ATMega168, consigue trabajar a 16MHz con un total de 14 pines
digitales y 8 analógicos, se puede conseguir un gran rendimiento de esta placa.
La placa Arduino Mega 2560 es la que se utilizará en este proyecto, se ha elegido
esta por el número de entradas/salidas digitales que tiene, sobre todo por la cantidad
de pines PWM que tiene. Los motores NEMA-17 utilizan un pin PWM para poder
hacer su control, mientras que el motor 28byj-48 con su placa controladora utilizan 3
pines PWM, por lo que se necesitan 8 para los 4 motores paso-a-paso (dos motores
NEMA-17 y dos motores 28byj-48). Esta placa trabaja a 16Mhz y con un voltaje de
5V. Sus capacidades son superiores al ATmega320 del Arduino UNO, aunque no tan
superiores como las soluciones basadas en ARM. Este microcontrolador de 8 bits
trabaja conjuntamente con una SRAM de 8KB, 4KB de EEPROM y 256KB de flash
(8KB para el bootloader). El número de pines es de 54 pines digitales (15 de ellos
PWM) y 16 pines analógicos.
La comunicación serial, es para establecer enlaces entre otros dispositivos, es decir,
para poder conectar la placa Arduino con un ordenador se necesita un enlace por
comunicación serial. El puerto de serie 1 está conectado a los pines 0 (RX) y 1 (TX),
el puerto de serie 1 a los pines 19 (RX) y 18 (TX) el puerto de serie 2 a los pines 17
(RX) y 16 (TX), y el puerto serie 3 a los pines 15 (RX) y 14 (TX). Un puerto serie
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envía la información mediante una secuencia de bits. Para ello se necesitan al
menos dos conectores para realizar la comunicación de datos, RX (recepción) y TX
(transmisión). Uno de los instrumentos más comunes hoy en día para aplicaciones
con Arduino, es el Bluetooth. También se puede usar el puerto serial para encender o
apagar un dispositivo desde una página Web a través de Internet.
Programación
La explicación de la programación del prototipo se hará seccionada, y así dejar claro
cada código de programación. El código completo sin cortes se podrá encontrar en
los anexos. Hay tres partes a explicar: Entrada de variables, setup() y loop().
Entrada Variable
/* [Trabajo final]
“Puente grúa automatizado”
EPSEM UPC
Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
Dani Andrade García
*/
Librerías
#include <Keypad.h>
#include <Stepper.h>
#include <LiquidCrystal.h>
La entrada de librerías son vitales en muchos proyectos, ya que sin ellas no se
podrían usar muchos de los instrumentos, tanto sensores cómo actuadores.
Las librerías son archivos comprimidos y pre-programados dónde se alojan las
funciones y variables necesarias para controlar el componente o instrumento
indicado. Para introducir una librería dentro de un código se hace en la entrada de
variables, la mayoría de librerías están incluidas en el programa Arduino, pero otras
se tienen que descargar desde la página oficial, cómo es el caso del <Keypad.h>.
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Pantalla LCD
LiquidCrystal lcd(22, 24, 26, 28, 30, 32);
La pantalla LCD necesita conectarse con 6 pines digitales al Arduino, el pin 4, o RS,
el pin 6, o E, y los pines del 7-10, es decir, DB4-DB7. Para que la placa de control
reconozca estas E/S cómo parte de la pantalla LCD, se necesita de una función de
introducción de variables y en ella se introducen los pines en orden.
La función es la siguiente: LiquidCrystal lcd(RS, E, DB4, DB5, DB6, DB7); de esta
forma conseguiremos interpretar los pines cómo E/S de la pantalla digital.
Teclado matricial (Keypad)
byte rowPins[ROWS] = {31,33,35,37};
byte colsPins[COLS] = {39,41,43};
Para establecer los pines cómo entradas del Arduino para el teclado matricial, se
necesita la función byte, con ella declararemos una variable para las filas (rowPins) y
otra para las columnas (colsPins). Seguidamente introduciremos una variable
constante que serán el número de filas (ROWS) y el número de columnas (COLS), y
por último van los pines de las filas y columnas respectivamente.
const byte ROWS = 4; // Cuatro filas
const byte COLS = 3; // Tres columnas
Se necesita crear dos variables constantes, determinando cada una de ellas el
número de filas y columnas respectivamente. Para ello, se usará la función const
byte seguidamente se escribe el nombre de cada variable, en este caso será
(ROWS) para las filas, hay un total de 4 filas, por lo que introduciremos un símbolo
de “=” con un 4 para establecer dicha variable y (COLS) para columnas con un total
de 3 columnas.
char tecla;
char tecla2;
char tecla3;
char pos1;
char pos2;
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Para este programa se necesitarán una serie de variables que se utilizarán en el
loop(), con la función “char” declaramos una variable como un carácter, capaz de
almacenar tanto números, letras o símbolos.
/* { '1' '2' '3' } Estas son las nueve posiciones numéricas
{ '4' '5' '6' } posibles, la posición 0 es el estado
{ '0' '7' '8' } inicial.
Estas posiciones no coinciden con el teclado totalmente, ya que corresponden a los
movimientos que hará el puente grúa.
*/
// Matriz que dibuja el teclado
char numberKeys[ROWS][COLS] ={
{'1','2','3'},
{'4','5','6'},
{'7','8','9'},
{'*','0','#'}
};
Pantalla LCD HD44780
Para que un usuario se comunique con la placa y así poder interactuar de una
manera cómoda y sencilla, se hará uso de una pantalla LCD complementándose con
el Arduino. Se trata de una pantalla diseñada para ser controlada por microcontroladores, suele usarse en muchos proyectos y prototipos con placas de control
Arduino, ya que su fácil implementación y su sencilla programación hacen de este
instrumento de visualización, el perfecto para poder cumplir nuestros objetivos.
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Ilustración 15. Pantalla LCD
Esta pantalla LCD consta de 4 filas y tiene 20 dígitos por cada fila, admite la mayoría
de letras, números y signos. Usa el código ASCII para poder interpretar la
programación y así transformar un dígito ASCII en una letra, número o signo.
En la siguiente ilustración (ilustración # ) podemos ver la descripción de cada pin, los
números de pin están ordenados de derecha a izquierda, representado en la
Ilustración #. Podemos observar también su símbolo y el tipo de conexión externa
que tiene, junto a una breve descripción.
Para poder interactuar con la placa controladora, es elemental que esta pregunte al
usuario las condiciones o variables necesarias para hacer funcionar el prototipo. Para
ello se ha programado una serie de preguntas que se visualizarán en la pantalla
LCD, y así de una forma clara y sencilla el usuario podrá comunicarse con la
controladora.
Lista de tablas. 7 Interface
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Programación de posiciones
El puente grúa tendrá un total de 9 posiciones, desde la posición inicial 0 hasta la
posición 8. Para determinar las posiciones no se usarán encoders ni ningún otro
sensor de posición. Se programarán las posiciones a partir de las instrucciones
switch, es un método para seleccionar varias opciones discretas; cada opción irá
precedida con su respectiva instrucción ‘case’.
El primer ‘switch’ será el indicado para la primera tecla pulsada, es decir, para la
primera posición. Esta será la primera instrucción principal: switch(pos1), dentro del
paréntesis encontramos la variable ‘pos1’, esta es la encargada de guardar el valor
obtenido al presionar la primera tecla. Cuando la instrucción ‘switch’ reciba el valor
de la primera tecla, pasará a la fase de selección del ‘case’ indicado. Cada ‘case’
tiene asignado un valor en decimal, por lo que sí coincide con el valor del ‘switch’ ese
será el seleccionado y por lo tanto se realizarán las instrucciones asignadas a ese
‘case’.
Hay dos tipos de ‘switch’ el principal que asignará la primera posición y el secundario
que será el de la segunda posición. A el principal le pertenecen un total de 12 ‘case’,
estos son: posiciones del 0-8, tecla numérica 9, teclas de símbolo # y *.
Mientras que para cada ‘case’ de posición de la 1 a la 8 tienen un ‘switch’ secundario
que tiene otros 12 ‘case’. Esto se debe a que si se eligiese por ejemplo, primero la
posición 2, y luego la posición 6, la primera procede a una posición y desde esa tiene
que ir a la otra, nunca vuelve a un punto inicial para ir a la segunda posición. Eso
quiere decir que hay un total de 72 movimientos diferentes (desde las posiciones 1 a
8 se pueden realizar 9 movimientos en cada una de ellas), y por lo tanto se necesitan
tantos ‘case’ como sean precisos.
A parte de las posiciones principales de la 1 a la 8, tenemos que tener en cuenta que
pasaría si se pulsara por ejemplo un ‘#’ o un ‘9’ cómo primera tecla.
Si la tecla no fuese de un ‘1’ a un ‘8’, la segunda tecla no importaría cual fuera, ya
que una vez las dos teclas pulsadas y la tercera para autorizar, el primer ‘case’ se
seleccionaría, se mostraría un texto en la pantalla LCD cómo por ejemplo: “Posición
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errónea”. Este se mostraría durante un par de segundos y con la instrucción ‘break’
saltaríamos el ‘switch’ principal y al no haber ningún ‘switch’ secundario, se acabaría
este bucle para poder empezar otro de nuevo.
switch(pos1){
case 35: //Posición errónea (#)
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,1);
lcd.write("Posición errónea");
lcd.setCursor(0,2);
lcd.write("Inténtelo de nuevo");
delay(2500);
lcd.clear();
break;
case 42: //Posición errónea (*)
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,1);
lcd.write("Posición errónea");
lcd.setCursor(0,2);
lcd.write("Inténtelo de nuevo");
delay(2500);
lcd.clear();
break;
case 48: //Posición inicial (0)
lcd.display();
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,1);
lcd.write("Ya está en la");
lcd.setCursor(0,2);
lcd.write("posición inicial");
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delay(2500);
lcd.clear();
break;
case 57: //Posición errónea (9)
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,1);
lcd.write("Posición errónea");
lcd.setCursor(0,2);
lcd.write("Inténtelo de nuevo");
delay(2500);
lcd.clear();
break;
Si la primera tecla es un ‘1’ la placa controladora identificará que es la primera
posición, pero, y si la segunda tecla es un: ‘#’, ‘*’ o bien ‘9’, para estos no hay
posiciones determinadas. Para resolver este problema se basa en retroceder los
pasos hechos hasta el momento, es decir, si la máquina va hacia la primera posición
y recoge el objeto, se retrocede desde el último punto. Primero dejará en la misma
posición el objeto, y luego retrocederá hasta la posición inicial.
Cuando la segunda tecla sea un ‘0’, la secuencia será muy similar a las anteriores,
ya que las otras vuelven al estado inicial igual que esta, solo cambiará el texto
mostrado en la pantalla por “Volviendo a inicio” en cambio de “Posición errónea”.
case 48:
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,1);
lcd.write("Volviendo a inicio");
myStepper3.step(-pasos5);
myStepper4.step(pasos6);
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myStepper3.step(pasos5);
myStepper2.step(pasos2);
break;
Estructura
Un buen diseño de la estructura garantizará un mejor funcionamiento de la máquina.
Es necesario mencionar que, para ahorrar costes de construcción, el autor del
proyecto ha creído conveniente utilizar material más económico, siguiendo el mismo
diseño.
La estructura principal se basa en 4 puntos de apoyo a una base, estos puntos serán
los perfiles de 90o de aluminio, estos tendrán que soportar todo el peso del prototipo.
Los perfiles de 90o irán unidos entre sí gracias a los perfiles rectos, estos harán de
soporte con la finalidad de dejar una estructura rígida. Los perfiles de 90o estarán
clavados a una base de madera aglomerada. De esta manera se obtendrá una
estructura sólida y rígida donde empezar a construir los ejes.
El diseño que se intenta simular es el de una habitación cuadrada, donde se
instalaría el puente grúa automatizado.
Los soportes principales tendrán que aguantar el peso de los 3 ejes, estos llevan
consigo los mecanismos de movimiento junto con los motores. El peso de los dos
motores Nema 17 es de 640 gramos mientras que el de los dos 28byj-48 es de tan
solo 64 gramos; en conjunto hacen aproximadamente 700 gramos. La estructura de
los ejes sin contar los motores son de aproximadamente 2,7 quilogramos; contando
los motores se llegaría a un total de 3,5 quilogramos aproximadamente. Es un peso
muy relativo ya que se trata del prototipo, pero para la construcción de uno a escala
real, el peso será una principal variable a tener en cuenta. Un peso de 3,5
quilogramos, es poco para una estructura sólida de aluminio, por lo que no tendría
que suponer un problema.
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Trasmisiones
Para un correcto movimiento del puente grúa, es necesario crear unos ejes donde en
cada uno de ellos se instalará un mecanismo de movimiento. Hay múltiples formas
de diseñar ejes de movimiento. Uno de los más efectivos en cuanto a precisión y
soporte de fuerza es el de transmisión lineal por el giro de un tornillo de bolas
deslizable, se muestra en la ilustración 29.
Este es uno de los métodos más efectivos para hacer una transmisión lineal. Para la
construcción de los ejes en la realidad, tendría que ser este tipo de mecanismo, el
inconveniente principal es su alto precio, ya que las piezas son de una precisión
inigualable. Por lo que para el prototipo está descartado, el autor del proyecto cree
necesario establecer costes más económicos.
Ilustración 16. Transmisión General por tornillo
Otra transmisión muy frecuente que se utiliza en desplazamiento lineal es por
distribución de una correa dentada. Este mecanismo funciona muy parecido al de
transmisión de tornillo, la transmisión por cadena dentada es muy útil para el uso en
máquinas de precisión que el peso no es muy elevado.
Este mecanismo si se tuviese que comprar salía de presupuesto. Ya que los
proveedores principales de estos mecanismos distribuyen a industrias y no
directamente al consumidor. En la ilustración 30 se puede ver la transmisión por
correa.
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Ilustración 17. Transmisión general por cadena
Otro de los mecanismos que se tiene que tener en cuenta es la transmisión por
rodamiento, como en los puente grúa. Esta transmisión es la más sencilla de todas y
a la vez también muy efectiva dependiendo de las circunstancias, el eje Y y X de un
puente grúa común tiene un mecanismo de este tipo.
En la ilustración # se puede observar el mecanismo de un puente grúa donde unas
ruedas guiadas por un raíl se pueden desplazar por el movimiento generado por los
motores.[4]
Ilustración 18. Puente Grúa Industrial
Eje Y
El primer eje a construir es el eje y, este está conectado directamente a los perfiles
de aluminio que forman la estructura. El mecanismo escogido para este eje será el
de transmisión por rodamiento; cogiendo la idea de un puente grúa, el eje Y se
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moverá gracias a unas ruedas colocadas sobre unos raíles, que conectadas a un
motor paso a paso Nema 17 otorgará un movimiento lineal. Para mejor estabilidad
del eje Y, se colocará una guía por encima de los raíles, que, con unos rodamientos
lineales se creará un guiado con muy poco rozamiento.
Ilustración 19. Mecanismo de transmisión del eje Y
En la ilustración # se puede observar el sistema de transmisión que tiene el eje Y. El
motor Nema 17 va encajado mediante una pieza hecha a medida a una rueda de
PVC con una junta tórica. También está roscada una varilla de acero a la pieza a
medida, esta permitirá la transmisión del movimiento a la rueda del rail paralelo.
La varilla de acero roscada proporcionará al eje un movimiento lineal parejo, ya que
cuando el motor ejerza la fuerza en una rueda también lo hará en su respectiva
rueda paralela.
Eje X
El segundo eje a construir será este, el eje X, que irá situado encima del eje Y,
pudiéndose transportar cuando este último se mueva. Cuando el eje Y se desplace
por la estructura, el eje X podrá desplazarse por encima del eje Y. La construcción de
este segundo eje es algo más sencilla, para ello se ha creído conveniente utilizar el
mecanismo de transmisión por correa dentada. Al no tener que transportar tanto
peso como es el caso del eje Y, un sistema por transmisión de correa es el más
idóneo.
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El motor Nema 17 se colocará encima de una de las cajas de transmisión del eje Y,
este estará en posición vertical, para acoplar el engranaje que hará girar la correa.
En la otra caja de transmisión estará el soporte donde se aguantará la correa.
Ilustración 20. Mecanismo de correa del eje X acoplado
al eje Y
Una vez que la correa esté unida se deberá crear otra caja de transmisión, donde se
encajaran dos puntos de la correa. Cuando el motor gire y la correa se desplace, la
caja de transmisión también se moverá. Para un mejor movimiento y no tener
problemas con el peso, se añadirán al eje X unas guías como en el eje Y. Unas
varillas de acero inoxidable que con la ayuda de los rodamientos lineales, la caja de
transmisión se deslizara con muy poco rozamiento, con lo que se eludirá el peso de
la caja y por lo tanto se conseguirá un movimiento preciso.
Eje X
Una vez acoplado el eje X en el eje Y, hay que construir el eje Z para poder incluirlo
dentro de la caja de transmisiones del eje X. Este permitirá moverse por el espacio
vertical, pudiendo subir y bajar la pinza. El mecanismo de transmisión pensado para
este eje es el de transmisión de piñón-cremallera, el eje Z se ha diseñado para que al
contrario de un puente grúa este sea rígido. Para poder desplazar el eje hacia arriba
o abajo, es necesario que el propio eje esté dentado, dentro de la caja de
transmisiones del eje X habrá un motor y a este se acoplará un engranaje, que
mediante rodamiento desplazará el eje hacia arriba o abajo. En la ilustración # se
puede ver un ejemplo de esta transmisión.
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Ilustración 21.Transmisión piñóncremallera
Al ser un eje fijo, otorgará una precisión ideal para el puente grúa que se quiere
diseñar. En un puente grúa habitual, se encontrarían unos cables con un gancho
acoplado, que mediante un sistema de poleas haría subir o bajar el gancho. Este
sistema es muy útil cuando no se requiere precisión.
De esta manera, con un eje fijo, se puede saber la posición exacta que quedaría el
extremo del eje, al final del eje irá acoplada la pinza.
Impacto Medio Ambiental
En este proyecto se tiene en cuenta el impacto medioambiental. Se intenta hacer uso
de materiales no contaminantes en medida de lo posible.
El uso del prototipo es únicamente de interiores, no obstante también se tienen que
tener en cuenta los materiales por impacto medioambiental. Los materiales
principales utilizados en la elaboración del prototipo son:
Aluminio, un material totalmente reciclable, incluso el reciclaje del aluminio es mucho
más económico que la propia producción.
Madera, el uso de aglomerados genera normalmente serrín y pequeñas astillas,
todos estos residuos se pueden reciclar o bien aprovechar para otros usos más
específicos.
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ABS, el material para crear piezas con la impresora 3D. Los residuos generados al
fabricar las piezas, se guardan para su posterior reciclaje. Estos residuos se tienen
que llevar a empresas externas que se encargarán de su reciclaje.
Elementos electrónicos, cables u otros instrumentos, la mayoría de componentes
electrónicos son perjudiciales para el medioambiente, una vez haya acabado su vida
útil se tiene que llevar a lugares especializados para su correcta destrucción.
Una vez haya acabado la vida útil del prototipo se tendría que desmontar y ordenar el
despiece por materiales, y estos llevarlos a lugares específicos de reciclaje o para su
posterior destrucción.
Detector de movimiento con Arduino y sensor PIR
Los sensores infrarrojos pasivos (PIR) son dispositivos para la detección de
movimiento. Son baratos, pequeños, de baja potencia, y fáciles de usar. Por esta
razón son frecuentemente usados en juguetes, aplicaciones domóticas o sistemas de
seguridad.
Los sensores PIR se basan en la medición de la radiación infrarroja. Todos los
cuerpos (vivos o no) emiten una cierta cantidad de energía infrarroja, mayor cuanto
mayor es su temperatura. Los dispositivos PIR disponen de un sensor piezo eléctrico
capaz de captar esta radiación y convertirla en una señal eléctrica.
En realidad cada sensor está dividido en dos campos y se dispone de un circuito
eléctrico que compensa ambas mediciones. Si ambos campos reciben la misma
cantidad de infrarrojos la señal eléctrica resultante es nula. Por el contrario, si los dos
campos realizan una medición diferente, se genera una señal eléctrica.
De esta forma, si un objeto atraviesa uno de los campos se genera una señal
eléctrica diferencial, que es captada por el sensor, y se emite una señal digital.
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Ilustración 22. Forma y uso de sensor
El otro elemento restante para que todo funcione es la óptica del sensor.
Básicamente es una cúpula de plástico formada por lentes de fresnel, que divide el
espacio en zonas, y enfoca la radiación infrarroja a cada uno de los campos del PIR.
De esta manera, cada uno de los sensores capta un promedio de la radiación
infrarroja del entorno. Cuando un objeto entra en el rango del sensor, alguna de las
zonas marcadas por la óptica recibirá una cantidad distinta de radiación, que será
captado por uno de los campos del sensor PIR, disparando la alarma.
Precio y esquema
Los sensores PIR son dispositivos baratos. Podemos encontrar sensores PIR por
0,80€ en vendedores internacionales en Ebay o AliExpress.
Ilustración 23.Sensor de
tarjeta Arduino
Este es el esquema de patillaje de un sensor PIR.
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Ilustración 24.Esquema Eléctrico
Mientras que el montaje en una protoboard sería el siguiente.
Código en Arduino
Ilustración 25. Programación
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Ilustración 26. Programación
Medir temperatura con Arduino y sensor lm35
El LM35 es un sensor de temperatura digital. A diferencia de otros dispositivos como
los termistores en los que la medición de temperatura se obtiene de la medición de
su resistencia eléctrica, el LM35 es un integrado con su propio circuito de control,
que proporciona una salida de voltaje proporcional a la temperatura.
La salida del LM35 es lineal con la temperatura, incrementando el valor a razón de
10mV por cada grado centígrado. El rango de medición es de -55ºC (-550mV) a
150ºC (1500 mV). Su precisión a temperatura ambiente es de 0,5ºC.
Los sensores LM35 son relativamente habituales en el mundo de los aficionados a la
electrónica por su bajo precio, y su sencillez de uso.
Ilustración 27.Sensor y
Arduino
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CAPÍTULO V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
Este proyecto se ha centrado en el diseño electrónico de un puente grúa de
precisión, el diseño mecánico se basa en el prototipo. Una de las posibles mejoras
para este proyecto sería crear un sistema mecánico mucho más eficiente y mejor
diseñado, sería el claro ejemplo de un nuevo diseño en los ejes o en la pinza, así
como en la estructura general.
Otra posible mejora o ampliación del proyecto sería conectar unos sensores de
presión a la pinza, de esta manera se conseguiría controlar la presión que ejerce la
pinza, y poder modularla dependiendo de las necesidades. Esta ampliación de
proyecto, constaría de su parte electrónica ya que interviene programación de
software y otros elementos de hardware.
Una de las partes que no se ha podido lograr en este proyecto es la conexión
Bluetooth, era uno de los objetivos secundarios, pero para ajustarse a los límites de
entrega no se ha podido incluir en el proyecto. Esta sería otra mejora, crear una
aplicación Android para poder comunicarse vía Bluetooth y así mediante un
smartphone poder controlar el prototipo.
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CONCLUSIÓN
Finalmente, se puede decir que el proyecto se ha acabado con un cierto grado de
éxito, ya que no se ha acabado tal y como se esperaba. La parte electrónica se ha
completado junto con la programación del sistema de control, pero por falta de
experiencia en el tema de maquetación combinada con la falta de tiempo, el prototipo
no se ha construido tal y como se esperaba desde el principio. También es necesario
comentar el elevado coste de algunos componentes, ya que eso ha impedido dejar
un mejor acabado de la maqueta.
Estos problemas han ido surgiendo mientras se ha ido construyendo el prototipo, ya
que me basaba en ideas teóricas. Con estos imprevistos uno se da cuenta que la
teoría no es del todo precisa y siempre puede salir algún problema inesperado.
La implementación de tareas paralelas es una posible solución a la espera activa
generada por programas secuenciales.
La utilización de un sistema operativo sobre una plataforma embebida facilita la
implementación de algoritmos de control sobre esta.
La ventaja principal en el uso de un sistema operativo es la abstracción del hardware
que realiza este, permitiendo al diseñador implementar algoritmos de control en
lenguaje de alto nivel y a su vez proporcionándole primitivas del sistema las cuales
facilitan el desarrollo de algoritmos.
Aunque el sistema es robusto el grado de exactitud de posicionamiento está sujeto al
tipo de sensores utilizados.
La aplicación de multiprogramación soluciona muchos problemas de la programación
secuencial, pero a la vez trae problemas de sincronismo y de exclusión mutua.
Los conocimientos aprendidos en este proyecto son muy gratos y reconfortantes, el
hecho de buscar información para diseñar y construir la maqueta desde cero, y una
vez obtenida, aplicarla, y ver que el proyecto va avanzando poco a poco, es muy
gratificante. Además todos los conocimientos aprendidos, servirán para en un futuro
conseguir hacer mejores proyectos y sobretodo poder aplicarlos en la vida laboral.
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Por último, aun no consiguiendo realizar el proyecto al 100% de lo que se pretendía
desde un principio, decir que estoy muy satisfecho de haber realizado este proyecto
como meta personal.
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ENTES DE INFORMACIÓN.
[1]
Arduino
official
web
page
consultado
10/11/2014.
URL
http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega2560
[2] Luis Llamas web page consultado 12/11/2014.
URL
http://www.luisllamas.es/2014/04/arduino-puerto-serie/
[3]
Arduino
official
web
page
consultado
http://www.arduino.cc/en/Tutorial/LiquidCrystal
[4] Ingemecánica tutoriales consultado 9/03/2015. URL
http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn121.html
[5] A. Tanenbaum, Sistemas operativos Modernos.. Person
Educación, 2003.
[6] Anthony J. Massa, Embedded Software Development
with ECOS. Prentice Hall 2003.
[7] Jain, Gadre, Gameboy Advanced for Non- Gaming
Applications. Embedded Systems 2004.
ANEXOS.
12/11/2014.
URL
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FOTOGRAFIA 1: Traviesa según plano
FOTOGRAFIA 2: Eje polea de armadura según plano
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FOTOGRAFIA 3: Polea de armadura según plano
FOTOGRAFIA 4: Esparrago de fijación según plano
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FOTOGRAFIA 5: Rueda del carro de traslación según plano
FOTOGRAFIA 6: Eje motriz de la rueda del carro según plano
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FOTOGRAFIA 7: Eje conducido de la rueda del carro según plano
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Lista de tablas. 8 Dimensiones de motor
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Lista de tablas. 9 Lista de cargas
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