Reconversión del sistema de control de un robot tipo scara

RECONVERSION DEL SISTEMA DE CONTROL DE UN ROBOT TIPO SCARA JAIME ANDRES FLOREZ ESCOBAR UNIVERSIDAD EAFIT FACULTAD DE INGENIERIAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA MEDELLIN 2008 RECONVERSION DEL SISTEMA DE CONTROL DE UN ROBOT TIPO SCARA JAIME ANDRES FLOREZ ESCOBAR Proyecto de grado para optar por el titulo de Ingeniero Mecanico Asesor: Andrew Mark Bailey MA Ciencias Naturales Especializado en Fisica Co-asesor: Alejandro Ruiz Gil Tecnologo en electronica UNIVERSIDAD EAFIT FACULTAD DE INGENIERIAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA MEDELLIN 2008 CONTENIDO ag. LISTA DE ILUSTRACIONES ……………………………………………………………………….. 8 LISTA DE ANEXOS ………………………………………………………………………………….. 10 1 DESCRIPCION DEL PROYECTO ………………………………………………………….. 11 1. 1 INTRODUCCION ………………………………………………………………………………. 11 1. 2 ANTECEDENTES ……………………………………………………………………………… 12 1. JUSTIFICACION ……………………………………………………………………………….. 13 1. 4 OBJETO DE ESTUDIO ………………………………………………………………………. 13 1. 5 OBJETIVOS ……………………………………………………………………………………… 13 1. 5. 1 1. 5. 2 Objetivo General…………………………………………………………………………… 13 Objetivos Especificos. …………………………………………………………………… 14 EL ROBOT SCARA ……………………………………………………………………………… 15 2. 1 CARACTERISTICAS PRINCIPALES……………………………………………………. 15 2. 2 APLICACIONES ……………………………………………………………………………….. 17 2. 3 SISTEMAS DE CONTROL …………………………………………………………………. 18 3 EVALUACION Y ADECUACION DEL ROBOT…………………………………………. 21 3. 1 EVALUACION Y ADECUACION MECANICA ………………………………………… 21 3. 1. 1 3. 1. 2 Estructura. ………………………………………………………………………………….. 21 Sistemas de transmision. ………………………………………………………………. 22 3. 2 EVALUACION Y ADECUACION ELECTRICA ………………………………………. 24 3. 2. 1 3. 2. 2 3.

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2. 3 Actuadores. …………………………………………………………………………………. 24 Sensores. ……………………………………………………………………………………. 25 Fuentes de poder. ………………………………………………………………………… 3 4 DESARROLLO DE COMPONENTES ELECTRONICOS …………………………… 35 4. 1 TARJETA FUENTE RECTIFICADORA ………………………………………………… 35 4. 2 TARJETA DE EXPANSION RIBBON 40 PINES …………………………………….. 38 4. 3 TARJETA DE RELES ………………………………………………………………………… 40 5 HARDWARE DE CONTROL …………………………………………………………………. 42 5. 1 INDEXER GECKODRIVE G-REX G100 ……………………………………………….. 42 5. 1. 1 5. 1. Caracteristicas principales……………………………………………………………… 43 Instalacion. ………………………………………………………………………………….. 44 5. 2 DRIVERS GECKODRIVE G340 ………………………………………………………….. 44 5. 2. 1 5. 2. 2 Caracteristicas principales……………………………………………………………… 45 Instalacion. ………………………………………………………………………………….. 46 6 SOFTWARE DE CONTROL MACH3 MILL ……………………………………………… 9 6. 1 DESCRIPCION …………………………………………………………………………………. 49 6. 2 CONFIGURACION ……………………………………………………………………………. 50 6. 2. 1 6. 2. 2 6. 2. 3 6. 2. 4 Formulas de eje. …………………………………………………………………………… 51 Configuracion de los motores. ………………………………………………………… 56 Entradas digitales. ………………………………………………………………………… 58 Configuracion del home y limites landos. ……………………………………….. 59 6. 3 MODOS DE TRABAJO ………………………………………………………………………. 60 7 CONCLUSIONES ………………………………………………………………………………… 63 8 PROPUESTAS PARA TRABAJOS FUTUROS ………………………………………… 67 9 BIBLIOGRAFIA ……………………………………………………………………………………. 70 9. 1 CONVENCIONAL ……………………………………………………………………………… 0 9. 2 INTERNET ……………………………………………………………………………………….. 70 ANEXOS …………………………………………………………………………………………………. 74 LISTA DE ILUSTRACIONES pag. Ilustracion 1. Configuracion de un Robot SCARA ………………………………………….. 16 Ilustracion 2. Volumen de trabajo de un Robot SCARA ………………………………….. 17 Ilustracion 3. Panel de control KUKA para robots industriales …………………………. 19 Ilustracion 4.

Condicion Inicial del Robot 1SMR ……………………………………………. 22 Ilustracion 5. Sistema de transmision por banda de la Muneca ……………………….. 23 Ilustracion 6. Sistema de transmision por tornillo de bolas del Dedo ………………… 24 Ilustracion 7. Funcionamiento de un encoder incremental ………………………………. 26 Ilustracion 8. Senal cuadrada generada por los encoders con funcionamiento correcto …………………………………………………………………………………………………… 27 Ilustracion 9.

Reemplazo del encoder del motor de la Muneca (A: Antes, B: Despues) ………………………………………………………………………………………………… 28 Ilustracion 10. Microswitch de fin de carrera …………………………………………………. 29 Ilustracion 11. Sensor de temperatura del motor de la Muneca ……………………….. 30 Ilustracion 12. Funcionamiento de un sensor tipo herradura …………………………… 31 Ilustracion 13. Sensor tipo herradura ubicado en el eje Muneca ……………………… 32 Ilustracion 14.

Fuente de poder original del robot 1SMR ………………………………… 33 Ilustracion 15. Funcionamiento de un rectificador tipo puente de Gratz ……………. 36 Ilustracion 16. Imagen de la tarjeta fuente rectificadora………………………………….. 37 Ilustracion 17. Montaje de las fuentes de poder en el robot …………………………….. 38 Ilustracion 18. Tarjeta de expansion Ribbon 40 Pines (A. Circuito esquematico, B. Tarjeta ensamblada) ……………………………………………………………………………… 39 Ilustracion 19.

Tarjeta de reles ……………………………………………………………………. 40 Ilustracion 20. Indexer Geckodrive G-Rex G100……………………………………………. 43 Ilustracion 21. Driver Geckodrive G340 para motores DC ………………………………. 45 Ilustracion 22. Montaje de los elementos del sistema de control ……………………… 48 Ilustracion 23. Interfaz para el ingreso de las formulas de eje en el Mach3……….. 51 Ilustracion 24. Diagrama geometrico del brazo robotico …………………………………. 52 Ilustracion 25.

Diagrama del robot en la posicion home …………………………………. 55 Ilustracion 26. Cuadro de dialogo para la configuracion de parametros de los motores …………………………………………………………………………………………………… 57 Ilustracion 27. Configuracion de entradas digitales en Mach3 …………………………. 59 Ilustracion 28. Configuracion del home y limites blandos en Mach3…………………. 60 Ilustracion 29. Interfaz para la operacion en modo Teach ………………………………. 61 Ilustracion 30.

Interfaz de Mach3 para la ejecucion de programas …………………… 62 Ilustracion 31. Error en la realizacion de arcos y circulos ……………………………….. 68 Ilustracion 32. Error en la realizacion de lineas rectas ……………………………………. 68 LISTA DE ANEXOS pag. Anexo A. Dimensiones generales del Robot SCARA 1 SMR ………………………….. 74 Anexo B. Area de trabajo del Robot SCARA 1SMR ………………………………………. 75 1 DESCRIPCION DEL PROYECTO 1. 1 INTRODUCCION Los robots hacen parte de los desarrollos tecnologicos que mas llaman la atencion.

El termino robot nacio del mito de crear un ser artificial que se asemejara a su creador, y que lo superara fisica y cognitivamente. Tal vez este termino habria caido en desuso de no ser por los escritores y cineastas, quienes crearon en sus obras multitudes de situaciones futuras en las que las maquinas (robots) superarian y doblegarian a sus propios creadores. La robotica en la actualidad tiene tareas diferentes a crear maquinas que emulen en apariencia fisica a los seres humanos. Los robots industriales son creados con mas variantes cada vez, y generalmente altamente especializados para funciones determinadas.

Son utilizados cada vez con mayor amplitud para mejorar los parametros de calidad y eficiencia de las plantas de fabricacion, sobre todo en tareas repetitivas. La caracteristica principal de los robots es su programabilidad, lo que permite modificar su funcionamiento de acuerdo a la informacion que recibe de su entorno, y con los avances en la tecnologia del procesamiento de informacion, los robots son mas autonomos y su potencial es cada vez mayor. Por otro lado, la reconversion de equipos es un procedimiento que ha sido aplicado en mucho tipo de maquinas, entre ellas los robots.

La reconversion implica la adaptacion, mejora, refaccion y actualizacion de componentes que se encuentran deteriorados o descompuestos en las maquinas. 11 Un proceso de reconversion puede ser aplicado a una maquina que lleva varios anos de operacion, y por lo tanto algunos de sus componentes pueden tener un nivel avanzado de deterioro. Otro motivo frecuente para la reconversion es la obsolescencia tecnologia, entendida como la sustitucion de viejas tecnologias en el mercado, lo que dificulta el mantenimiento de un equipo con tecnologias anteriores.

La reconversion se basa en el aprovechamiento de los componentes de una maquina que puedan encontrarse en buen estado a pesar de que su condicion general no sea la mejor. Esto implica grandes ventajas desde el punto de vista de los costos y los tiempos requeridos para poner la maquina en funcionamiento. 1. 2 ANTECEDENTES En el ano 2006 llegaron al laboratorio de Mecatronica de la Universidad EAFIT dos robots tipo SCARA marca Epson Accusembler de referencia SSR-H803N-MZ que fueron retirados de la industria.

Despues de realizar un diagnostico de su condicion se llego a la conclusion de que el estado mecanico de los robots (sistemas de transmision, motores, encoders y estructura) era muy aceptable. Los robots fueron denominados 1SMR y 2 SMR (Primer y Segundo Robot SCARA Mecatronica). El control de los robots se ejercia mediante electronica discreta basada en circuitos integrados, que en la actualidad no tienen reemplazo en el mercado colombiano y no se cuenta con la documentacion de estos sistemas ni su descripcion detallada, lo que los hacia inutiles en ese momento y en la condicion en la que se encontraban.

En el laboratorio se ha realizado algun trabajo sobre los robots, pero nunca de forma definitiva, sino en forma de ensayos y practicas, por lo que la condicion de funcionalidad no ha mejorado desde que los robots se encuentran alli. 12 1. 3 JUSTIFICACION La decision de actualizar el sistema de control de los robots se tomo basandose en los aspectos mencionados anteriormente, ademas porque con esto se lograra hacer estos sistemas utiles nuevamente, pues en condicion funcional podran llegar a ser utilizados como plataformas de ensamble, manufactura o soldadura en las instalaciones de la universidad o en la industria.

Por otro lado, este proyecto brinda al laboratorio de Mecatronica una experiencia en el campo de la reconversion de maquinas de este tipo. La buena condicion mecanica de los robots debe ser aprovechada, y adecuandoles un sistema de control actual y con buenas caracteristicas tecnicas les brinda un altisimo potencial y gran versatilidad, caracteristicas inexistentes en la condicion en que se encuentran actualmente. 1. 4 OBJETO DE ESTUDIO El objeto de estudio es uno de los robots SCARA Epson Accusembler SSRH803N-MZ existentes en las instalaciones del Laboratorio de Mecatronica de la Universidad EAFIT Sede Medellin.

El robot ha sido bautizado en el laboratorio como 1SMR (Primer Robot Scara de Mecatronica). En este documento, la sigla 1SMR hara referencia al objeto de estudio del proyecto. En el anexo A se muestran la forma y dimensiones generales del robot 1. 5 OBJETIVOS 1. 5. 1 Objetivo General. Reconvertir el sistema de control de un robot tipo SCARA Epson Accusembler de cuatro ejes utilizando Hardware Geckodrive (Grex G100 y drivers G340), y permitir su control desde un programa computacional. 13 1. 5. Objetivos Especificos. • Recopilar y depurar bibliografia sobre funcionamiento de robots tipo SCARA y sobre los sistemas de control utilizados en estos. • Realizar la adecuacion mecanica y electrica del robot Scara existente en el Laboratorio de Mecatronica, de acuerdo a los resultados obtenidos en una evaluacion de su condicion. • Desarrollar los componentes electronicos necesarios para permitir la funcionalidad total del robot. • Familiarizarse con la instalacion y operacion del Hardware Geckodrive Grex

G100 y G340, y realizar su implementacion en el control del robot. • Implementar el Software que permita que el robot realice movimientos controlados desde un computador a traves del Hardware implementado. 14 2 EL ROBOT SCARA Los robots SCARA son un tipo de robot que reune ciertas caracteristicas especiales que lo hacen diferente y que le brindan la capacidad de realizar ciertas labores de forma muy eficiente. A continuacion se describiran estos aspectos. 2. 1 CARACTERISTICAS PRINCIPALES

El nombre SCARA es el acronimo de Selective Compliant Assembly Robot Arm o Selective Compliant Articulated Robot Arm ([email protected]) lo que se traduce como Brazo Robotico de Ensamble de Respuesta Selectiva o Brazo Robotico Articulado de Respuesta Selectiva Son robots de cuatro ejes, que estan dispuestos paralelamente entre si. La ubicacion del punto extremo del robot en el plano se logra mediante la rotacion de dos de sus ejes y la ubicacion vertical se logra por el desplazamiento lineal de un tercero. El cuarto eje generalmente brinda rotacion en el eje z del eje de posicionamiento o Dedo.

La similitud de este tipo de robots con un brazo humano, hace que sus articulaciones sean generalmente nombradas haciendo alusion a la anatomia humana, por lo que el eje de rotacion principal se denomina Hombro, el siguiente se denomina Codo, el actuador que permite el giro sobre el eje z se denomina Muneca, y el del desplazamiento lineal en z se denomina Dedo como se muestra en la Ilustracion 1. Este tipo de robot es generalmente mas costoso que uno cartesiano de caracteristicas similares, sin embargo pueden ser mas veloces en sus movimientos y mas compactos, lo que los hace mas aptos para cierto tipo de 5 aplicaciones de posicionamiento de piezas en el interior de compartimientos pequenos o con geometria compleja- Ilustracion 1. Configuracion de un Robot SCARA [email protected] Los movimientos conjuntos de los ejes en un robot SCARA, logran barrer una amplia superficie en el plano XY, pero el desplazamiento en el eje Z es relativamente limitado, de alli se explica la presencia de la palabra “Selectiva” en el nombre de estos tipos de robot.

Los robots SCARA son robots que permiten una alta velocidad en las operaciones, y de acuerdo a su constitucion pueden manejar cargas de hasta 20kg, para necesidades de carga superiores, se prefiere utilizar una configuracion diferente. ([email protected]) Por su naturaleza, de ejes paralelos, los robots SCARA son algo flexibles en los ejes X y Y, pero relativamente rigidos en el eje Z, esto los hace propicios para cierto tipo de operaciones de ensamble ([email protected]) La constitucion de estos robots en forma de brazo permite que se extiendan cuando estan en funcionamiento, pero que se doblen para abrir espacio la hora de realizar el montaje de la pieza de trabajo o para mantenimiento en general. 16 Ademas su forma de montaje en forma de pedestal es en general mas limpia y brinda mayor espacio libre para su trabajo que un robot cartesiano tradicional. Tambien existen en el mercado robots SCARA que pueden ser fijados a superficies verticales o en techos. El volumen de trabajo de un robot tipo SCARA esta determinado por la longitud de los segmentos que lo conforman, el rango de giro de sus articulaciones y el rango de desplazamiento del actuador final o Dedo. En la Ilustracion 2 se muestra un volumen de trabajo tipico de un robot SCARA.

Ver tambien el Anexo B donde se muestran las dimensiones del area de trabajo del robot SCARA 1SMR. Ilustracion 2. Volumen de trabajo de un Robot SCARA 2. 2 APLICACIONES Los robots SCARA son muy utilizados en operaciones de posicionamiento, ensamblaje y empaque, ya que por sus caracteristicas y sus rangos de movimiento son muy aptos para recoger objetos y llevarlos a una nueva posicion en el espacio y con angulos de rotacion en el eje Z, como por ejemplo en el armado de tarjetas electronicas, en el que los componentes de las mismas deben ser colocados en sus respectivos lugares con gran precision. 7 De forma similar, en procesos industriales pueden realizar operaciones donde se requiere introducir piezas en agujeros lisos o roscados por la capacidad de movimiento vertical y de giro de su actuador final. En la industria tambien se les encuentra en funciones de paletizado, en donde grandes cargas se deben situar encima de una plataforma para su transporte. Gran cantidad de dispositivos pueden ser anadidos en su extremo para darles la capacidad de manipular objetos, como ventosas, bombas de vacio, pinzas o elementos magneticos.

En procesos de produccion, los robots SCARA pueden hacer parte de controles de calidad, tomando las piezas de la linea, llevandolas a un sistema de medicion, y descartandolas en determinado sitio si son aprobadas o en otro si no lo son para ser reprocesadas de forma manual. ([email protected]) Una aplicacion no tan comun pero posible es usarlos como sistemas de mecanizado. Con una herramienta de corte por arranque de viruta como una fresadora, pueden ser programados para seguir trayectorias y esculpir superficies tridimensionales en diferentes materiales.

De igual forma con un sistema de corte por plasma o laser, se pueden cortar laminas metalicas con formas programadas desde un computador. 2. 3 SISTEMAS DE CONTROL Cuando se adquiere un paquete de automatizacion de un fabricante directamente, este incluye un sistema de control, generalmente disenado especificamente para la maquina que se ha seleccionado. El sistema de control incluye dos componentes basicos, el hardware y el software. El hardware esta conformado por componentes electronicos (tarjetas impresas y sus componentes), sistemas de extraccion, ingreso y almacenamiento de informacion (puertos USB, Ethernet, CD- ROM, discos duros etc. e interfaces 18 (pantallas, teclados etc. ), como el panel de control KUKA que se muestra en la Ilustracion 3, y que permite programar y supervisar el robot constantemente. Ilustracion 3. Panel de control KUKA para robots industriales [email protected] El software es generalmente desarrollado por el fabricante de la maquina, especialmente en el caso de maquinas complejas como es el caso de los robots de cuatro o mas grados de libertad. Para los robots SCARA, el software de control puede incluir varios modos de operacion, siendo el mas tipico el Modo Teach, o de ensenanza.

Este modo de programacion es bastante simple y practico, pues basta con llevar el robot a una serie de posiciones, las cuales son almacenadas y pueden ser reproducidas posteriormente. Este sistema es util cuando el robot cumple una funcion repetitiva, y a modo de maquina de estado finito, es decir, el fin de una operacion indica el comienzo de la siguiente y asi sucesivamente. Esta misma funcionalidad se puede lograr con un sistema de control relativamente sencillo como un PLC

En la actualidad existen sistemas de control mas complejos, que estan basados en PC, es decir, tienen una arquitectura similar a la encontrada en los computadores personales comunes. Estas caracteristicas abren nuevas posibilidades en cuanto 19 a la programacion de los robots, pues estos pueden ser programados en lenguajes comerciales como Visual Basic o Visual C++, como es el caso de los controles RC420 de EPSON. ([email protected]). Con estos sistemas de control se puede lograr que el robot ejecute secuencias de seguimiento de trayectorias en 2 o 3 dimensiones.

Tambien se ofrece en el mercado software que simula la operacion del robot una vez se carga un programa. Esto es util para determinar si existen problemas como bloqueos o interferencias con las piezas que se manipulan o con otras maquinas que estan en el entorno. ([email protected]) Otras ventajas de los controles actuales es que permiten el control de varios robots en forma simultanea, permiten la comunicacion con otro software y hardware comerciales, pueden utilizarse sistemas de vision artificial mediante los que el robot recibe estimulos que determinaran su comportamiento y monitoreo del robot via Internet en tiempo real. 0 3 EVALUACION Y ADECUACION DEL ROBOT El cumplimiento de uno de los objetivo del proyecto, requiere que al robot se le realice una evaluacion de la condicion de sus sistemas, esto brinda un punto de partida, y da un indicio de las actividades que deben realizarse para llevar todos estos sistemas a un estado de funcionamiento total. Los sistemas que deben verificarse se dividen en dos grandes grupos, sistemas mecanicos y sistemas electricos. El proceso de diagnostico de cada uno de ellos se muestra en este capitulo. 3. 1 EVALUACION Y ADECUACION MECANICA

Los componentes mecanicos en un robot son de vital importancia para garantizar el buen funcionamiento del mismo. A pesar de que estos por si mismos no generan movimiento ni control, si depende de los componentes mecanicos la velocidad y la precision de las operaciones que el robot realizara. La evaluacion de los componentes mecanicos se hace por inspeccion visual, deteccion de vibraciones y ruidos irregulares en las articulaciones del robot. Con esto se busca detectar niveles elevados de deterioro en alguna o algunas de las partes que puedan afectar el buen desempeno del robot. 3. 1. 1 Estructura.

La estructura del robot en su gran mayoria esta conformada por piezas de fundicion con su superficie pintada. Esto da un alto nivel de certeza en la conformidad geometrica del robot por la robustez y resistencia de estos componentes. Ante una inspeccion visual rapida, los componentes evidencian una buena condicion, no se observa corrosion ni fisuras en ninguno de ellos. En la 21 Ilustracion 4 se muestra la condicion general en la que llego el robot al laboratorio de Mecatronica el 1 de Junio del 2006. Ilustracion 4. Condicion Inicial del Robot 1SMR Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 008 3. 1. 2 Sistemas de transmision. La evaluacion de los sistemas de transmision del robot, se realizan basicamente de forma visual. En el robot hay diferentes tipos de sistemas de transmision, basicamente son: • Cajas reductoras. Existe un sistema de estos montado sobre cada uno de los motores. No existe ninguna informacion sobre la relacion de reduccion de estas. Se considera que estan en buena condicion, pues no se perciben ruidos ni vibraciones excesivas cuando se hacen girar las articulaciones del robot. • Bandas. El robot cuenta con dos sistemas de transmision por bandas. Estos acen parte del movimiento de los ejes denominados como Dedo y Muneca, y ambos tienen una relacion de transmision 1 a 1, es decir, unicamente tienen la funcion de cambiar la direccion del movimiento, y no cambian la velocidad de giro. 22 Las poleas de ambos sistemas son dentadas, lo que evita deslizamientos de las bandas. En el robot todos los componentes de estos sistemas, ejes, poleas y bandas, se encuentran en buen estado, cabe anotar que la tension de la banda del sistema de la Muneca puede ser corregida mediante un par de tensores que se encuentran en la parte inferior del segundo segmento del brazo.

En la Ilustracion 5 se muestra uno de estos sistemas de transmision, especificamente el de la Muneca, con sus respectivos tensores. Ilustracion 5. Sistema de transmision por banda de la Muneca Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 • Tornillo de bolas. El movimiento del eje denominado Dedo, se realiza en el robot mediante un sistema de transmision que utiliza un tornillo de bolas para convertir el movimiento rotativo del motor en el desplazamiento lineal del husillo del robot. El sistema tiene un funcionamiento adecuado, el tornillo no tenia desviaciones ni juegos en los puntos de sujecion.

La unica intervencion consistio en una lubricacion general del sistema. En la Ilustracion 6 se muestra el sistema de transmision de tornillo de bolas del Dedo. 23 Ilustracion 6. Sistema de transmision por tornillo de bolas del Dedo Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 3. 2 EVALUACION Y ADECUACION ELECTRICA Otro aspecto a evaluar en la condicion del robot, consistio en la revision del funcionamiento de los sistemas electricos con los que cuenta el robot. Estos, se pueden dividir en sensores, actuadores y fuentes de poder.

El funcionamiento de todos estos elementos depende de todo un cableado, cuyo estado se evalua de forma simultanea con cada uno de los componentes. 3. 2. 1 Actuadores. Los actuadores son los elementos que generan el movimiento del robot. En este caso, el robot cuenta con cuatro motores de corriente directa. Las especificaciones de estos motores se extrajeron de la configuracion original del robot, es decir, de acuerdo al voltaje nominal de las fuentes del sistema de control original del robot, ya que los motores no tienen una placa en donde se muestren su informacion. De 24 sta forma se llego a conocer que las especificaciones de los motores son las siguientes: – Hombro: 80 VDC y 10 A – Codo: 80 VDC y 5 A – Muneca: 50 VDC y 5 A – Dedo: 80 VDC y 5 A El estado de estos motores se evaluo haciendolos funcionar directamente con fuentes de DC a 30 V. Los cuatro motores se movieron en ambos sentidos al efectuar esta operacion, lo que muestra por lo menos un estado aceptable de funcionamiento. La condicion detallada de los componentes de los motores, como escobillas o bobinas, solo se puede determinar con un funcionamiento mas prolongado cuando el robot se encuentre en operacion. . 2. 2 Sensores. Se denomina sensor a todo elemento que es capaz de transformar senales fisicas, como posicion, temperatura, distancia etc. en senales electricas. ([email protected]) El robot cuenta con cuatro tipos de sensores diferentes y que cumplen funciones especificas dentro del sistema. Estos sensores son: encoders, microswitches, sensores de temperatura y sensores tipo herradura. A continuacion se detallara sobre las caracteristicas y la condicion de cada uno de estos. • Encoders. Siempre que se usa una fuente de movimiento diferente a un otor de paso (en esos casos la posicion siempre se controla directamente), se debe utilizar un sistema que permita conocer en que posicion se encuentran las articulaciones del robot. En movimientos de rotacion la forma mas comun de hacerlo es mediante codificadores opticos (encoders) en donde un disco rasurado permite o interrumpe el haz de una fotocelda, lo que permite mantener un conteo en pulsos de la rotacion de la articulacion. (TAYLOR, 1990, 66) El funcionamiento 25 de un dispositivo de este tipo de muestra en la Ilustracion 7.

Este tipo de encoder es denominado Incremental. Existen encoders con diferente resolucion, es decir, cuantos pulsos se generan por cada revolucion del motor, sin embargo, en el caso del robot esta informacion no esta disponible de forma explicita, sin embargo es posible hallarla de ser necesario. Ilustracion 7. Funcionamiento de un encoder incremental Angulo, 2005, 25 Los encoders generan varias senales, que en su conjunto permiten no solo conocer cuanto ha girado el motor, sino tambien en que direccion lo ha hecho.

Estas senales son iguales pero se encuentran desfasadas entre si, y generalmente se denominan A y B Existe una tercera senal que es conocida como Z o Index, en la cual solo se genera un pulso cuadrado por cada revolucion que gira el motor. Esta senal sirve para definir un cero absoluto de giro del motor. El estado de los encoders se evaluo alimentandolos individualmente con 5V y, con un osciloscopio, se midieron cada una de las senales. Los motores se hacen girar manualmente, y el resultado obtenido en la pantalla del osciloscopio debe ser el mostrado en la Ilustracion 8.

Esta operacion se efectuo para cada uno de los cuatro encoders, de los cuales tres mostraron un funcionamiento correcto. 26 Ilustracion 8. Senal cuadrada generada por los encoders con funcionamiento correcto Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 El encoder que se encuentra montado en el motor de la Muneca, no entrego ninguna de las senales correctamente, por lo que se llego a la conclusion de que el mismo estaba malo. Esta situacion obligo su reemplazo por un encoder que cumple la misma funcion, tiene un funcionamiento similar y tambien debe ser alimentado con 5V, a pesar de que su aspecto es muy diferente al del original.

El montaje realizado del nuevo encoder se muestra en la Ilustracion 9 Para la instalacion del nuevo encoder, fue necesaria la construccion de un soporte de aluminio, y un acople entre el eje del motor y el del encoder. En la instalacion resulto de gran importancia el buen ajuste entre el acople y los ejes, pues por las altas revoluciones a las que gira este elemento, las vibraciones generadas deterioran con rapidez el soporte. El encoder que se ubico como reemplazo del original, fue conectado de la misma forma como se encontraba el anterior, y se verifico que estuviera generando las tres senales, A, B y Z de forma correcta. 7 Ilustracion 9. Reemplazo del encoder del motor de la Muneca (A: Antes, B: Despues) A Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 • B Microswitches. El robot cuenta con un sistema de seguridad que impide que los elementos electricos como los motores, fuentes o drivers sufran danos cuando un eje colisione contra un tope. Tres de los ejes del robot tienen un rango de movimiento limitado, y es por esto que no se pueden desplazar continuamente sin cambiar de direccion.

Cuando por algun motivo uno de los motores recibe una senal que lo haga moverse mas alla de sus limites, elementos mecanicos colisionan, y en ese momento el motor puede pedir mas y mas corriente hasta que alguno de los elementos electrico falle, en el mejor de los casos un fusible se quemaria. Esta situacion se evita ubicando un microswitch antes del tope de cada eje en cada direccion que es activado por un elemento movil. Este robot especificamente cuenta con 6 microswitches de fin de carrera, ubicados en tres ejes, ya que el eje de la Muneca puede girar indefinidamente sin bloquearse ni golpearse con ningun elemento mecanico.

En la Ilustracion 10 se muestra la ubicacion de uno de estos 28 microswitches dentro del robot, especificamente es el fin de carrera derecho del Hombro Ilustracion 10. Microswitch de fin de carrera Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 El primer paso de la evaluacion de estos sensores es el levantamiento del plano de conexiones, es decir, como se toma la senal de estos para llevarla al elemento de control. Este analisis llevo a descubrir que todos los microswitch se encuentran conectados en serie entre si y tambien con los sensores de temperatura que se detallaran a continuacion.

Con esto se concluye que con que cualquiera de los ejes que se salga de su rango de desplazamiento y active uno de estos microswitches, detendra el funcionamiento de todos los motores, excepto el del eje de la Muneca. El segundo paso es determinar si todos los switches funcionan correctamente. Esto se hace con un multimetro en la posicion que indica continuidad entre sus puntas. Se ubica cada una de las puntas del multimetro en cada una de las terminales de cada microswitch y el mismo se activa a mano. Se llego a la conclusion de que los seis microswitches son normalmente cerrados y que todos 9 funcionan correctamente, es decir, la senal se interrumpe cuando los microswitches son activados. • Sensores de temperatura. En el robot se encontro un sistema de seguridad adicional que evita que los motores sufran dano. Este sistema esta conformado por cuatro sensores de temperatura, uno ubicado en cada motor. En la Ilustracion 11 se muestra la imagen del sensor de temperatura del motor del eje Muneca. Ilustracion 11. Sensor de temperatura del motor de la Muneca SENSOR DE TEMPERATURA Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 Estos sensores funcionan basicamente como un switch.

Estan conformados por un bimetal, el cual al ser calentado abre un contacto entre los bornes del sensor, es decir, mientras el sensor se encuentre por debajo de la temperatura de calibracion, hay continuidad entre las terminales del sensor, pero si la temperatura sube por encima del limite, la continuidad se interrumpe. El funcionamiento de estos sensores se verifica de forma similar a la de los microswitches, es decir midiendo continuidad entre los bornes del sensor, y aumentando la temperatura del sensor por medio de una llama, se verifica que la 30 continuidad se interrumpe.

No se considero necesario medir la temperatura a la que estos sensores estan calibrados para activarse, ya que los mismos se mantuvieron en sus respectivas posiciones originales. Los cuatro sensores de temperatura se encuentran igualmente conectados en serie entre si y con los microswitches de fin de carrera como se habia mencionado anteriormente, por lo que de forma similar, si uno de estos sensores se activa, se detiene el funcionamiento de todos los ejes del robot excepto el de la Muneca. • Sensores tipo herradura. Estos sensores incluyen un led y un fototransistor en un cuerpo en forma de herradura.

El led produce luz infrarroja, la cual satura el fototransistor y hace que un contacto se mantenga cerrado. Cuando el haz de luz es interrumpido por un objeto que pasa a traves de la herradura, el contacto del transistor se abre, como se muestra en la Ilustracion 12. Ilustracion 12. Funcionamiento de un sensor tipo herradura [email protected] En el robot, estos sensores sirven para localizar la posicion del home, es decir, la posicion de referencia para garantizar que todos los programas se ejecuten con un punto inicial identico. Hay uno de estos sensores en cada eje, por lo tanto hay cuatro en total.

En la Ilustracion 13 se muestra la ubicacion de uno de estos 31 sensores, ademas en la parte inferior de la foto se puede observar la platina encargada de interrumpir la senal de la herradura cuando gira el eje. Ilustracion 13. Sensor tipo herradura ubicado en el eje Muneca Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 El correcto funcionamiento de estos sensores se prueba alimentandolos con 5V, y por medio de un multimetro se mide el voltaje entre los bornes de senal del sensor. Debe ocurrir una caida drastica de voltaje cuando se posiciona un lemento metalico entre las patas de la herradura. Como se muestra en la Ilustracion 12, se debe conectar una resistencia entre el borne de salida de senal y tierra. La resistencia utilizada para este fin fue de 1. 2 k , ya que fue con este valor con el que se obtuvo una mejor respuesta por parte del sensor. El funcionamiento de los cuatro sensores fue correcto. Vale resaltar que las senales de estos cuatro sensores si deben ser independientes, para poder determinar cuales de los ejes han sido referenciados y cuales no a la hora de ejecutar el comando para este fin desde el software de control. 2 3. 2. 3 Fuentes de poder. En el robot, las fuentes cumplen la funcion de transformar la Corriente Alterna (AC), que se encuentra disponible en los tomas de la red de servicios publicos, en Corriente Directa (DC), con un voltaje apropiado para el funcionamiento de los motores y demas componentes electricos del robot. La fuente de poder original del robot consiste en un transformador cuya entrada es de 220VAC trifasica, y tiene 4 salidas, 3 a 46VAC y una a 28VAC. Tambien tenia cuatro fuentes que reciben este voltaje alterno, y lo rectifican a voltaje directo.

La disposicion del transformador y las fuentes se muestra en la Ilustracion 14 El proceso de rectificacion entrega tres voltajes de 80 VDC y uno a 50 VDC. Cada uno de estos voltajes sirve para alimentar un motor. Ilustracion 14. Fuente de poder original del robot 1SMR FUENTES TRANSFORMADOR Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 33 Las fuentes tienen circuitos electronicos que cumplen la funcion de limpiar la senal que producen, y evitar picos de voltaje que puedan danar a los elementos a los que alimentan.

De forma similar al resto de componentes electronicos, los de las fuentes eran obsoletos, y su utilizacion no resulta practica, pues aunque pudieran funcionar en ese momento, cualquier dano seria irreparable, ya que los componentes para su reparacion no son comerciales en Colombia en la actualidad. Por esto, tambien se tomo la decision re reemplazar las fuentes. Sin embargo, se comprobo que el funcionamiento del transformador era apropiado, midiendo el voltaje en sus salidas, mientras se encuentra alimentado y encendido.

De esta manera, el transformador si puede ser utilizado para la alimentacion del sistema de control del robot 34 4 DESARROLLO DE COMPONENTES ELECTRONICOS Otro paso del proceso de reconversion, consiste en desarrollar componentes electronicos que permitan la comunicacion entre los diferentes elementos de control y ejecutar otras funciones. Los elementos que fueron desarrollados para recuperar la funcionalidad total del robot fueron una tarjeta rectificadora, una tarjeta de expansion de conector Ribbon de 40 pines, y una tarjeta de reles. A continuacion se detalla ada uno de estos elementos y su funcion en la operacion del robot 4. 1 TARJETA FUENTE RECTIFICADORA Como se menciono con anterioridad, la utilizacion de las fuentes de poder originales del robot fue descartada. Es por esto que se hace necesario desarrollar un elemento electronico que reemplace los que fueron desechados. Se contaba entonces con un transformador que entregaba los voltajes requeridos en AC, por lo tanto se decidio desarrollar una tarjeta que rectificara estos voltajes y entregara los voltajes apropiados para cada uno de los motores de robot.

El voltaje AC puede ser convertido en voltaje DC utilizando un circuito que cuenta con un puente rectificador y un arreglo de capacitares. Como se muestra en la Ilustracion 15, un puente rectificador convierte una sena de voltaje que cambia de positiva a negativa constantemente, en una senal que no cambia de signo, pero si de valor con el tiempo. En este caso, se hace mediante un arreglo de 4 diodos dispuestos como se muestra. Despues de que la senal tiene la forma que se muestra en la Ilustracion 15, las ondulaciones deben ser niveladas, esto se logra con un arreglo de ondensadores. Las caracteristicas y la disposicion de los capacitares para este 35 fin depende del voltaje y la corriente maxima que entregara la fuente. Tres de las fuentes originales tenian cuatro capacitores de 1500 µF y 100V cada uno, mientras que la cuarta fuente tenia cuatro capacitores de 3300 µF y 100V. Estos capacitores son costosos, y se requerian en total16 de ellos, por lo que se tomo la decision de extraerlos de las fuentes originales para su utilizacion en la nueva tarjeta. Ilustracion 15.

Funcionamiento de un rectificador tipo puente de Gratz [email protected] Con estos elementos basicos se logra la conversion del voltaje en AC al DC requerido por los motores. En la tarjeta rectificadora se ubicaron las cuatro fuentes que anteriormente estaban separadas. Los otros elementos con los que cuenta la tarjeta rectificadora son un fusible de seguridad y un led indicador de encendido con su respectiva resistencia para cada fuente, y dos borneras de 8 pines que permiten la conexion de los cables de alimentacion y salida de voltaje.

En la Ilustracion 16 se muestra la tarjeta ya ensamblada con todos sus componentes. Esta tarjeta presento problemas desde el inicio de su operacion. Primero, se descubrio que los through holes, es decir, los elementos que permiten que las pistas de la tarjeta se comuniquen entre las capas, no estaban bien dimensionados, por lo que al exigirle corriente a la fuente estos se quemaban antes que los fusibles. Esto obligo a desensamblar la fuente y rellenar estos elementos con soldadura, lo que les dio una mejor capacidad para conducir la corriente necesaria. 6 Ilustracion 16. Imagen de la tarjeta fuente rectificadora Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 De esta forma, la tarjeta trabajo de una forma adecuada durante un tiempo, pero posteriormente se empezo a quemar uno de los fusibles de forma repetitiva. Luego de desmontar algunos de los elementos de la tarjeta, y hacer un diagnostico, se descubrio que uno de los capacitores de una de las fuentes no tenia capacitancia al medirla con un multimetro, una muestra clara de que este elemento se habia danado.

La causa de estos danos continuos se adjudico a la falta de elementos que limpiaran la senal en las fuentes, y que por lo tanto eliminaran los picos de voltaje que pudiera danar los elementos. La construccion de una tarjeta con todos los componentes electronicos que eviten estos problemas, y con unas condiciones de trabajo de hasta 80V y 10A es muy compleja y por lo tanto costosa. Se decidio por lo tanto reemplazar este sistema de alimentacion por fuentes comerciales. En el laboratorio de mecatronica contaba con fuentes switcheadas de 24V y 3A marca MeanWell.

Se comenzo a hacer pruebas con fuentes de estas, y a pesar de que no se alcanzaban los voltajes y corrientes que los motores pueden conseguir, 37 si se lograron velocidades y aceleraciones aceptables de funcionamiento. Las fuentes son regulables hasta 30V, asi que por ensayo y error se concluyo que ubicando tres de estas fuentes en serie para el hombro y regulandolas para que sumaran 80V entre las tres, este eje funcionaba correctamente. Para los otros tres ejes solo se requirio una fuente para cada uno, asi que los motores de estos ejes quedaron funcionando con una alimentacion de 30V.

Ademas de las fuentes de alimentacion para los motores, es necesaria una fuente mas que proporcione 5, 12 y 24V para alimentar diferentes componentes del sistema de control. Esta fuente tambien fue proporcionada por el Laboratorio de Mecatronica, y es de la misma marca que las anteriores. En la Ilustracion 17 se muestra el montaje realizado con las 7 fuentes en el gabinete donde se ubico todo el sistema de control. Ilustracion 17. Montaje de las fuentes de poder en el robot Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 008 4. 2 TARJETA DE EXPANSION RIBBON 40 PINES Las senales de control que intervienen en el funcionamiento del robot, como las de los encoders, switches de fin de carrera y sensores de home, se llevan desde su ubicacion fisica en el robot hasta el gabinete donde se ejecuta el control a traves de un conjunto de cables que termina en un conector hembra DB50. En una tarjeta 38 electronica que hacia parte del control original del robot, algunas de estas senales se puentean y se llevan a un conector ribbon de 40 pines.

Las senales antes mencionadas deben dirigirse a sitios diferentes dentro del gabinete para que cumplan su funcion en algun componente respectivo, asi que es necesario buscar la forma de que estas senales se puedan separar y conectarlas de forma independiente. Es por esto que se hace necesario desarrollar una tarjeta de expansion del conector ribbon de 40 pines. El diseno de la tarjeta es bastante simple. El diseno electrico de la tarjeta desarrollado en EAGLE se muestra en la Ilustracion 18.

Simplemente se toma la senal de cada uno de los pines del conector y se lleva a un pin de una bornera donde queda disponible para su conexion de forma sencilla. Tambien se muestra la tarjeta con sus componentes ensamblados. Esta tarjeta funciono correctamente y no fue necesario realizar ningun cambio ni mejora al diseno original Ilustracion 18. Tarjeta de expansion Ribbon 40 Pines (A. Circuito esquematico, B. Tarjeta ensamblada) Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 39 4. 3 TARJETA DE RELES Ademas de los componentes electronicos mencionados anteriormente, tambien fue necesario desarrollar una tarjeta de reles.

Esta tarjeta se desarrollo de forma provisional, ya que de acuerdo a la aplicacion especifica que se le de al robot, sera necesario anadirle mas elementos para el control del encendido de la herramienta que se le instale, por ejemplo un cortador de plasma, una fresadora, etc. En la condicion actual, esta tarjeta permite que la indexer y los drivers reciban una senal cuando se presenta un paro de emergencia, ya sea por la activacion manual por parte del operario, o porque un eje activo un microswitch de fin de carrera. En la Ilustracion 19 se muestra la tarjeta ensamblada e instalada en el sistema de control del robot.

Ilustracion 19. Tarjeta de reles Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 40 El circuito que compone el sistema de seguridad, consta de todos los microswitches de fin de carrera y los sensores de temperatura conectados en serie. En este circuito, y tambien en serie se encuentra conectado un hongo y la bobina de un contactor, el cual al energizarse permite la conexion entre los drivers y los motores del robot. Todo este circuito se encuentra alimentado a 24VDC, que es el voltaje nominal de la bobina del contacto, asi que mientras el circuito este cerrado la bobina se energiza.

Cuando se presiona el hongo de paro de emergencia, o se activa un microswitch de fin de carrera, el circuito se abre, la bobina se des-energiza, y la alimentacion de los motores del robot se desconecta, por lo que no es posible que se muevan. La tarjeta de reles detecta cuando este circuito se encuentra energizado o no, y envia una senal de 5VDC a una de las entradas de la indexer, de tal manera que el software tambien detecta el paro, y por lo tanto detiene la ejecucion del programa que este corriendo y tambien se activa el paro de emergencia del software.

La tarjeta de reles tambien envia una senal a los drivers para que entren en modo de fallo. Los drivers en uno de sus entradas deben tener conectados 5VDC para que ejerzan el control correctamente. Si esta misma entrada se conecta a tierra, el driver entra en error o falla, por lo que cesa el control. Esto evita que haya danos en los driver o los motores al resetear el paro de emergencia, pues al suceder esto, sin estar los drivers en error pueden presentarse picos de corriente o de voltaje en el instante de reconectar los motores a los drivers. 41 5 HARDWARE DE CONTROL

El hardware de control es el factor que mas influencio la realizacion de este proyecto, pues fue eliminado completamente del robot original, y por esto fue necesario reemplazarlo por completo. Desde el comienzo del proyecto se sabia con exactitud los elementos que se utilizarian para este fin, y son, una Indexer marca Geckodrive y referencia G-Rex G100 Y cuatro drivers tambien marca Geckodrive y con referencia G340 para motores DC. 5. 1 INDEXER GECKODRIVE G-REX G100 La G-Rex G100, Que se muestra en la Ilustracion 20 es un controlador de movimiento de 6 ejes, que usa la comunicacion via USB o Ethernet.

Para cada uno de los ejes, la G-Rex genera una serie de pulsos cuadrados cuya cantidad y frecuencia determina cuanto y que tan rapido se mueve el motor asociado a traves del respectivo driver esta senal se denomina paso. Genera tambien una senal que determina en que direccion debe girar el motor, esta recibe el nombre de direccion La Indexer recibe tambien la senal de los encoders, pero unicamente para llevar la informacion de la posicion al software de control. ([email protected]) La indexer conforma un eslabon para la comunicacion entre el computador y los componentes encargados del control de los motores denominados drivers.

Por esto es de vital importancia tener presente al seleccionar un dispositivo de este tipo, que sea compatible tanto con el software como con los drivers que se quieran utilizar. 42 Ilustracion 20. Indexer Geckodrive G-Rex G100 Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 5. 1. 1 Caracteristicas principales. Las caracteristicas de la G-100 se describen a continuacion: – 8 rangos de velocidad de pulso de paso. 65. 535 en sentido horario y antihorario. Frecuencia maxima de pulsos de 4’194. 304 MHz con una variacion maxima de 125ns. Las salidas de de pulsos de paso y direccion son de 5V, +/24mA cada una.

Los indicadores LED se iluminan cuando la salida esta pulsando. – Entradas de tres fases de encoder incluyendo el Index. La frecuencia maxima de lectura de encoder es de 1MHz. Las entradas de los encoder son filtradas y cada una tiene un LED indicador – 16 salidas de uso general. Estas salidas son de maximo 100mA y 24VDC cada una. Las salidas son adecuadas para activar bobinas de reles de DC. Cada salida tiene un indicador LED que se enciende cuando la salida esta prendida. – 22 entradas de uso general. Las salidas pueden ser activadas por switches SPST a tierra, por sensores de colector abierto, o por niveles logicos de 5V.

Las entradas son filtradas y protegidas a +/- 50VDC. Cada entrada tiene un LED indicador que se enciende cuando la salida es conectada a tierra. – 4 salidas digitales a analogas. Cada salida varia de 0 a 5V (0 a 10V opcional) y con una resolucion de 8 bit. 43 – 4 entradas de analogas a digitales. Cada entrada recibe de 0 a 5V (0 a 10V opcional). La resolucion es de 8 bit y la impedancia de la entrada es de 2. 2K. – La G100 requiere una alimentacion de entre 12VDC a 24VDC y 1. 5A. Esto suministra una alimentacion regulada a 5VDC a las salidas. – La G100 posee interfaces de USB y Ethernet. Las dimensiones de la G100 son 63. 5mm x 187mm x 38mm y su peso es de 284gr. Tiene una cubierta protectora de aluminio anodizado negro. Tiene 96 terminales con una abertura de 3. 5mm. ([email protected]) 5. 1. 2 Instalacion. Para la instalacion de este componente en el sistema de control unicamente se utilizaron 4 de los 6 ejes que puede controlar la indexer, 5 entradas digitales y la alimentacion de 24VDC. La entrada digital 1 se utilizo para la senal de paro de emergencia, y las entradas 2, 3, 4 y 5 se utilizaron para las senales de home de los ejes Hombro, Codo, Muneca y Dedo respectivamente.

Para la configuracion de la comunicacion de la indexer con el software, el cual es Mach 3, se utilizo un tutorial ([email protected]) en el cual se explica la forma de adjudicar una direccion IP a la indexer y al PC, asi como el procedimiento para cargar el firmware y otros archivos necesarios para que la comunicacion entre este componente y el software sea exitosa. Para esto debe descargarse un plug-in para Mach3 disponible en Internet ([email protected]) y lo que permite la configuracion de los diferentes parametros para que la maquina pueda controlarse a traves de la G100. 5. 2 DRIVERS GECKODRIVE G340

El segundo componente del hardware de control son los drivers. Estos son los encargados del control del movimiento del motor. Como se menciono con anterioridad, la direccion, la velocidad y la magnitud del movimiento de los motores se controla mediante dos senales que son generadas por la indexer. Esas senales 44 son llevadas a los drivers, los cuales son los encargados de entregar al motor el voltaje y la corriente que requiera para moverse de la forma en que se requiere. En la reconversion del sistema de control del robot 1SMR se utilizaron drivers marca Geckdrive con referencia G340 para motores DC.

Este dispositivo se muestra en la Ilustracion 21. Ilustracion 21. Driver Geckodrive G340 para motores DC Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 5. 2. 1 Caracteristicas principales. Las caracteristicas principales de los drivers G340 se listan a continuacion: – 20A y 80V Max. – Multiplicador de los pulsos de paso para multiplicar los pulsos 1, 2, 5 o 10 veces. – Control de movimiento PID. – Entrada de encoder con senales en cuadratura – Alimentacion para encoder de 5VDC y 50mA. – Entradas de paso y direccion opto-acopladas. – PWM de 20kHz. 45 – Limite de corriente regulable entre 0 y 20A. Dimensiones: 63. 6 X 63. 5 X 21 mm. ([email protected]) Los drivers Gecko G340 reciben las senales A y B del encoder montado en el motor, de tal forma que hacen que el motor se mueva el mismo numero de pulsos que recibieron de la Indexer. En realidad, esta referencia de driver tiene la posibilidad de que el motor se mueva un numero de pulsos mayor al que la indexer le entrega. Esto es porque tienen lo que se denomina un multiplicador. El multiplicador se puede configurar para que el motor se mueva 1, 2, 5 o 10 veces mas pulsos de los que le llegan de la indexer. 5. 2. 2 Instalacion.

Las pruebas y la instalacion de estos componentes se realizaron segun las instrucciones del fabricante en un tutorial disponible en Internet, ([email protected]) y en el cual se explica paso a paso el procedimiento para realizar todas las conexiones de los drivers. En una etapa inicial, se realizo un montaje utilizando un generador de pulsos, un motor DC de 12V con encoder y una fuente de alimentacion de 12V. El unico problema que se pudo evidenciar, y cuya solucion esta descrita en el tutorial, fue que al encender la alimentacion del driver, el motor comienza a vibrar violentamente.

Este problema se soluciona invirtiendo la conexion de las fases A y B del encoder, o invirtiendo la polaridad de la conexion al motor. El problema ocurre porque al estar alguno de estos cableados de forma invertida, el driver intenta girar el motor en un sentido pero en realidad el motor gira en el sentido contrario, por lo que el driver intenta corregir esto inmediatamente, pero ocurre todo lo contrario, por lo que el driver no logra mantener el eje del motor en una posicion fija, sin embargo no implica ninguna dificultad mayor a la hora de instalar los drivers en el sistema de control del robot.

Los parametros del controlador PID del driver G340, se controlan con un par de potenciometros que se encuentran en la parte posterior de los drivers, y que se 46 pueden ajustar con un destornillador pequeno. Los parametros que se controlan son la ganancia (gain) y el amortiguamiento (damping). Cuanto mayor sea la ganancia, mas vigorosa sera la reaccion del controlador a la hora de llevar el motor a una posicion requerida. Generalmente una ganancia alta implica un amortiguamiento tambien mayor, pues de lo contrario, puede producirse una oscilacion violenta en el movimiento del motor que no se amortigua. [email protected]) La parametrizacion de los drivers se hizo con el comportamiento percibido de cada uno de los ejes, es decir, se configuro cada parametro de tal forma que no se percibieran ruidos excesivos ni vibraciones violentas, pero haciendo que la respuesta de los motores fuera rapida. Un tercer parametro que se debe ajustar en los drivers Gecko G340 es la corriente maxima que se le entrega a los motores. Este parametro es denominado limit, y su valor se regula tambien a traves de un potenciometro. Este valor es regulable desde 0 hasta 20A, y cuando el motor pide una orriente mayor al limite establecido, el driver entra en estado de fallo, luego de 5 segundos vuelve a su condicion de trabajo normal. Esta parametrizacion es util cuando se cuenta con una fuente de poder que puede entregar una corriente mayor a la que el motor puede soportar, y asi evitar que se averie. En el caso especifico del presente proyecto, pasa lo contrario, ya que las fuentes de poder utilizadas tiene menor capacidad que la de los motores, por lo que el parametro limit, se regulo de tal forma que el driver no demande una corriente mayor a la que las fuentes puedan entregar.

Los componentes del hardware de control, y demas componentes electricos y electronicos descritos anteriormente, fueron instalados en un gabinete sobre el cual se instalo el robot. El montaje se muestra en las Ilustracion 22, y se busco obtener una disposicion que facilitara el chequeo de las conexiones, al instalar los 47 drivers, la Indexer y otros componentes en planos inclinados que faciliten el acceso a las borneras de conexion.

Ademas los drivers se encuentran posicionados sobre disipadores de aluminio con aletas que ayudan a transmitir parte del calor que generan al ambiente para que su temperatura no suba a valores que impliquen riesgo de dano de alguno de los componentes Ilustracion 22. Montaje de los elementos del sistema de control Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008 El gabinete esta dividido por un entrepano, de tal forma que se decidio que la mitad superior contendria todos los componentes de control, mientras que en la parte inferior se instalaria la otencia del robot. 48 6 SOFTWARE DE CONTROL MACH3 MILL El ultimo componente a describir en el proceso de reconversion del robot, es el software que es utilizado para su programacion y control. El software es un componente de gran importancia en el sistema de control, pues es en gran medida quien determina la versatilidad y el modo de operacion del robot. El programa seleccionado para este fin es el Mach3 Mill, creado por ArtSoft, una empresa dedicada al desarrollo de controladores basados en PC para maquinas CNC. 6. 1 DESCRIPCION

El Mach3 es un software para Windows desarrollado para las personas que construyen sus propias maquinas CNC. El objetivo del software es convertir un Computador Portatil en el cerebro de la maquina, y controlar todas sus funciones a traves de codigo G. Las principales caracteristicas del programa son: – Convierte un PC comun en un controlador CNC con todas las funciones. – Permite la importacion directa de archivos DXF, BMP, JPG y HPGL a traves de LazyCam1 – Display grafico de codigo G – Generacion de codigo G desde LazyCam o con Wizards. Interfaces totalmente personalizables. – Comunicacion via puerto paralelo, serial, USB o Ethernet. – Codigos M y Macros personalizables usando VBscript. 2 ([email protected]) Software de la empresa ArtSoft que permite la creacion rapida de codigo G a partir de archivos de vectores (. dxf) e imagenes (. mpg, . bmp). 2 Lenguaje de programacion del software Visual Basic para Windows de Microsoft. 1 49 El software Mach3 se comunica por uno o dos puertos paralelos y directamente con los drivers, s decir, cada uno de los pines de cada puerto puede ser configurado para recibir o producir senales, como los pulsos de paso o la direccion de los motores. Sin embargo, existen otras opciones cuando se requiere manejar una mayor cantidad de senales que las que pueden enviar o recibir por un puerto paralelo, como es el caso de este proyecto en el que se uso la G-Rex G100. Para configurar la comunicacion entre el software y la G rex G100, que por Ethernet, se debe descargar e instalar un plug-in para el Mach3 el cual configura la comunicacion. [email protected]) 6. 2 CONFIGURACION Cuando se selecciono el software de control para el robot, una de los interrogantes era el saber hasta que punto el software podria controlar al robot de una forma adecuada, ya que el Mach3 ha sido desarrollado para controlar maquinas de CNC convencionales, es decir, fresadoras, tornos y cortadoras de plasma. Todas estas maquinas tienen un espacio de trabajo en donde las posiciones de la herramienta se determinan mediante coordenadas cartesianas, es decir cuyos ejes forman 90? ntre si. En otras palabras, en una maquina convencional, el movimiento de uno de sus ejes siempre dibujara una linea recta entre el punto final y el inicial. En el caso del robot SCARA esto no sucede, ya que el Hombro y el Codo son ejes rotacionales y no lineales, de tal forma que las posiciones en el plano XY no se logran mediante el movimiento lineal, sino mediante la rotacion de dos de los ejes del robot. 50 6. 2. 1 Formulas de eje. La principal caracteristica del software que permitio adaptarse al control del obot fue una opcion que permite ingresar lo que se denominan Formulas de Eje. Las entradas de la formula son las coordenadas X, Y, Z, A, B y C que se programan en el codigo G, y las salidas son f(X), f(Y), f(Z), f(A), f(B) y f(C), y son las ordenes que el software envia a la maquina como tal. La interfaz mediante la cual se ingresan las formulas, se muestra en la Ilustracion 23 Ilustracion 23. Interfaz para el ingreso de las formulas de eje en el Mach3 Cortesia Lab. Mecatronica. Universidad EAFIT. 2008

Para el caso del robot SCARA, las formulas que deben ingresarse son las que resultan de lo que se denomina cinematica inversa. La cinematica directa “permite conocer cual es la posicion y orientacion que adopta el extremo del robot cuando una de las variables que fijan la posicion u orientacion de sus articulaciones toma valores determinados”, (Barrientos y otros, 2007, 120) esto es, conociendo el angulo que forman las articulaciones del robot, conocer en que posicion se encuentra la herramienta que tiene en su extremo. Por otro lado, la cinematica 51 nversa resuelve el problema contrario, es decir, permite encontrar los valores que deben adoptar las coordenadas articulares del robot para que su extremo se posicione y oriente segun una determinada localizacion espacial”. (Barrientos y otros, 2007, 134) La resolucion de este problema implica una mayor complejidad que la de la cinematica directa y de igual forma es posible abordarlo desde diferentes enfoques. A continuacion se describe la solucion de la cinematica inversa para el robot SCARA mediante un enfoque geometrico. • Cinematica Inversa del Robot SCARA. Como se menciono anteriormente, e eligio el metodo geometrico para resolver el problema de cinematica inversa en el robot SCARA. Este metodo se considera mas intuitivo y mas conciso que los metodos algebraicos que se detallan en Barrientos y otros, 2007, 134-146. El desarrollo geometrico busca encontrar una ecuacion para los valores que deben tomar los angulos de los ejes Hombro y Codo, a partir de la posicion cartesiana del punto extremo del robot. En la Ilustracion 24 se muestra un diagrama de una vista superior del brazo, con la definicion de las variables que se utilizaran en el desarrollo matematico.

Ilustracion 24. Diagrama geometrico del brazo robotico 52 De la Ilustracion 24 se tiene que: B= x2 + y2 (1) cos(? ) = ? x x2 + y2 ? ? ? x2 + y2 ? ? ? x ? = cos ? 1? (2) ? +? + ? = ? ?= ? ?? 2 (3) (4) ? = ? ?? Reemplazando (2) y (3) en (4): ? = cos ? 1? ? ? ? ?? ?? ? x2 + y 2 ? 2 ? ? x (5) Por la ley de cosenos se tiene que: B 2 = A 2 + C 2 ? 2(A)(C)cos(? ) En este caso, se tiene que A = C , por lo tanto: B 2 = A2 + A 2 ? 2(A)(A)cos(? ) B 2 = 2 A2 + 2 A2 cos(? ) B 2 = 2 A2 (1? cos(? )) cos(? ) = 1? B2 2 A2 53 ? B2 ? 1? = cos ? 2 ? 2A ?1 ? ? ? ? (6) Reemplazando (1) en (6) se obtiene: ? = cos ? 1? 1? ? ? ? x2 + y2 2 A2 ? ? ? ? Sabiendo que la longitud de cada uno de los tramos del brazo tiene la misma longitud A = 400mm , se tiene que: x2 + y 2 3. 2E5 ? = cos ? 1? 1? ? ? ? ? ? ? ? (7) Por ultimo, reemplazando (7) en (5) se obtiene: ? = cos ? 1? ? ? 2 2 ? ? 1 ? ? ? cos ? 1? 1? x + y ? ? ? x2 + y2 ? 2 2 3. 2 E5 ? ? ? x ? ? ? ? ?? ?? ?? ?? ? = cos ? 1? 2 2 ? 1? ? ? ? ? + cos ? 1? 1? x + y ? ? ? x2 + y2 ? 2 ? 3 . 2 E 5 ? ? ? ? x (8)

Con las ecuaciones (8) y (7) se tienen los valores de los angulos de rotacion de