DESARROLLO TÉCNICO DE LA INVESTIGACIÓNsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20060135_3251.pdfSe desarrollo una interfaz gráfica con el usuario amigable y flexible, mediante un lenguaje

Clave del proyecto: 20060135 Diseño y construcción de sistemas para la actualización del

Modulo PN-2800 Pneumatics Station del laboratorio CIM de la UPIITA

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DESARROLLO TÉCNICO DE LA INVESTIGACIÓN.

En anexo al reporte SIP del informe final se proporciona la información que se indica a continuación: 1. Resumen. Laboratorio CIM-UPIITA, Módulo neumático, LabView y Tarjeta de adquisición de datos. 2. Introducción. El avance tecnológico crece a pasos agigantados día con día, por tal motivo como ingenieros no es posible quedarse a la expectativa, es necesario innovar y buscar la mejora continua de los sistemas que nos rodean. En este ámbito varias fábricas han optado por la alternativa de un CIM (Manufactura Integrada por Computadora) para incrementar su eficiencia y productividad. En el Laboratorio CIM de la UPIITA (fig.1) la estación (o módulo) neumático PN-2800 es la encargada de abastecer a los demás módulos de materia prima. Éste módulo es de propósitos didácticos, y aunado a lo mencionado en el párrafo anterior, fue necesaria una actualización.

Figura 1. Laboratorio CIM – 2000

Los manuales originales con los que cuenta el laboratorio CIM – 2000 son muy limitados, por esto, fue necesario hacer una extensa caracterización eléctrica y neumática del módulo neumático PN-2800 (fig.2) para documentar de manera clara y específica el funcionamiento de este módulo.



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Figura 2. Módulo PN – 2800

Se desarrollo una interfaz gráfica con el usuario amigable y flexible, mediante un lenguaje de programación de alto nivel desarrollada sobre LabView 7 (fig.3), se interconecto esta interfaz con las entradas y salidas físicas del módulo mediante la implementación de una tarjeta de adquisición de datos.

Figura 3. Pantalla Principal

En este trabajo se realizo el diseño e implementación de circuitos electrónicos y eléctricos, simulaciones y diagramas neumáticos, análisis de entradas y salidas del módulo. Además se elaboro un sistema mecánico para aumentar el tipo de materia prima a suministrar y dar mayor flexibilidad al proceso, con sus respectivos planos. 3. Métodos Experimentales y materiales. Considerando la rigidez en cuanto al tipo de materia prima en el CIM – 2000 y el espacio de trabajo en el módulo neumático se propuso colocar un nuevo buffer (fig.4 y 5) construido de lamina el cual almacena las nuevas piezas (fig.5) las cuales son discos de 70mm de diámetro, para la fabricación de estos discos se uso nylamid y se tuvo en cuenta las dimensiones del pallet para su transportación, implementándose además dos cilindros neumáticos para su manipulación.



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Figura 4. Área de trabajo del módulo PN2800 con el nuevo buffer.

Figura 5. Pieza nueva (disco) y buffer nuevo.



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Para el análisis de la etapa neumática (fig.6) se realizaron simulaciones de comprobación de funcionamiento.

Figura 6. Simulación de verificación neumática.

Originalmente este módulo cuenta con una interfaz gráfica programada en Vuniq y un código fuente programado en CMODSOFT, la propuesta es trabajar de forma alternativa en LabView, un ambiente entendible y amigable, siendo esto importante en una interfaz gráfica puesto que es el medio de comunicación entre el operador y el módulo. Se realizó la secuencia de actividades para su programación a partir de diagramas de flujo. Por ejemplo el diagrama de distribución de pallet y cilindro1 en banda (fig.7).



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Figura 7. Diagrama de distribución de pallet y cilindro1 en banda

Como LabView no permite la interacción con el PLC (Controlador Lógico Programable) que actualmente cuenta el módulo fue necesario diseñar una tarjeta de adquisición de datos para así interconectar las salidas y entradas del módulo con la interfaz. Para diseñar la tarjeta fue necesario tomar en cuenta los siguientes aspectos:

? Microcontrolador a utilizar ? Etapa de potencia requerida por los dispositivos ? Protocolo de comunicación a utilizar

A través de tablas comparativas se fueron eligiendo los componentes que mejor pudieron satisfacer las necesidades del proyecto. Puerto de comunicación: Serial con protocolo RS232 Microcontrolador: PIC 16F877A Controlador: L293D Para seleccionar el microcontrolador fue imprescindible analizar los requisitos de la aplicación en cuanto a procesamiento de datos, Entrada/Salida, consumo de energía, memoria, ancho de palabra y el tipo de puerto a usar, esto condiciono el diseño de la placa (fig8 a y b).



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a)

b)

Figura 8. a) Cara Superior y b) Cara Inferior, en formato psb. Se realizaron simulación de verificación de funcionamiento de la etapa de potencia y de la programación de los PICs y la comunicación serial (fig.9).

Figura 9. Circuito para la simulación de la comunicación de los PICs

y la totalidad de los componentes con los que interactúa.



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4. Resultados. En LabView se desarrollo: una pantalla principal, pantallas de control manual para el manejo de los cilindros, discos y bloques, una pantalla de control semiautomático y una pantalla de alarmas, en donde se genera previamente una simulación de la tarea a realizar. Por ejemplo la programación en LabView para la pantalla de alarmas (fig.10).

Figura 10. Pantalla de alarmas

Para comprobar el funcionamiento de la interfaz gráfica y su correcta respuesta a los comandos enviados mediante el puerto serial, se conecto la PC en la cual se encuentra la interfaz gráfica con otra PC enviando datos mediante la Hyper Terminal como lo haría el PIC y así poder verificar la respuesta de la interfaz gráfica. Posteriormente se conectó la interfaz gráfica con el PIC 16F877A enviando códigos a la PC para verificar que ambos recibieran las señales deseadas. Antes de implementar la tarjeta de adquisición de datos (fig.11), fue necesario realizar pruebas, introduciendo señales a la tarjeta, tal como lo harían los sensores del módulo, comprobando la correcta respuesta y potencia en las salidas de la tarjeta. Para la comunicación serial, se realizó el envío y recepción de datos mediante Hyper Terminal y la interfaz de Microcode Studio.



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Figura 11. Tarjeta de adquisición de datos construida y probada.

5. Conclusiones e Impacto. Se revisó, analizó y se realizó el marcaje en las conexiones del módulo. Se corrigieron los manuales eléctricos y neumáticos existentes. Se diseño, construyó e implementó un nuevo buffer y nuevas piezas (discos). Se implementaron sensores en el nuevo buffer. Se hicieron los diagramas de conexiones eléctricas y neumáticas del nuevo buffer. Se realizaron los planos del nuevo buffer. Se realizó una interfaz gráfica en LabView, amigable de usar, entendible y fácil de reprogramar. Se hizo el manual de la interfaz gráfica. Se diseño, construyó e implementó una tarjeta de adquisición de datos. Se hizo el manual de la tarjeta de adquisición de datos. Se consideraron reglas de seguridad. Se documento la programación del PIC 16F877A (tabla 1). Se realizaron prácticas de laboratorio de este módulo (tabla 2). Todo lo anterior se encuentra en el laboratorio CIM de la UPIITA para su uso.



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Tabla 1. Fragmentos de la programación.

PROGRAMA DE INTERRUPCIONES ;---------------------------------PROGRAMA PARA PIC 1---------------------------------------------- ;LABORATORIO CIM UPIITA-IPN ;MÓDULO NEUMÀTICO PN-2800 ; ============================================================ ;PROGRAMA PARA PIC 16F877A ;============================================================= ;Interrupcion __CONFIG _WDT_OFF&_PWRTE_ON&_XT_OSC INCLUDE <P16F877A.INC> CBLOCK 0x20 entrada salida diametro dato ENDC ° ° °

PROGRAMA PRINCIPAL ;LABORATORIO CIM UPIITA-IPN ;MODULO NEUMÀTICO PN-2800 ; ============================================================ ;PROGRAMA PARA PIC 16F877A ;============================================================= ;----------programa principal-------PIC 1---------------------------------- INICIO btfsc entrada, 6 goto LIMPIAR_REGISTROS btfss entrada, 5 goto MANUAL btfss entrada, 4 goto MR goto MP ;----------------MODO SEMIAUTOMATICO----------------------------- MP: call subemp call izqmp ° ° °

LIBRERÍA DE RUTINAS ;LABORATORIO CIM UPIITA-IPN ;MODULO NEUMÀTICO PN-2800 ; ============================================================ ;PROGRAMA PARA PIC 16F877A ;============================================================= ;-------------------------LIBRERIA DE RUTINAS------------------------------------------------------- SUBIR btfss entrada,4 goto subemr subemp: bsf PORTA,0 call Retardo_6.5s btfsc PORTB,7 goto revmodo SALIR b'00010000' ° ° °

LIBRERÍA DE RETARDOS ;---------------------------LIBRERIA DE RETARDOS---------------------------- ;LABORATORIO CIM UPIITA-IPN ;MODULO NEUMÀTICO PN-2800 ; ============================================================ ;PROGRAMA PARA PIC 16F877A ;============================================================= CBLOCK Contad_1; Contadores para los retardos. Contad_2 Contad_3 ENDC Retardo_6.5s movlw d'65' goto R_Decima ° ° °



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PROGRAMA DE INTERRUPCIONES ;---------------------PROGRAMA DE MANEJO DE INTERRUPCIÓN PARA PIC-2-------------------------------------- ;LABORATORIO CIM UPIITA-IPN ;MODULO NEUMÀTICO PN-2800 ; ============================================================ ;PROGRAMA PARA PIC 16F877A ;============================================================= ; ;--------------------------------------------------------------------------------------------------------- ;Interrupcion __CONFIG _WDT_OFF&_PWRTE_ON&_XT_OSC INCLUDE <P16F877A.INC> CBLOCK 0x20 entrada salida dato ENDC ° ° °

PROGRAMA PRINCIPAL ;----------PROGRAMA PRINCIPAL PARA EL PIC 2 ----------------------- ;LABORATORIO CIM UPIITA-IPN ;MODULO NEUMÀTICO PN-2800 ; ============================================================ ;PROGRAMA PARA PIC 16F877A ;============================================================= INICIO btfss entrada, 7 goto MATERIAL goto LIMPIAR_REGISTROS MATERIAL btfsc entrada,5 goto REVISAR_BUFFERS btfsc entrada,4 goto REVISAR_PRESION ° ° °

LIBRERÍA DE RUTINAS ;-------------- LIBRERIA DE RUTINAS PARA PIC2 ----------------------- ;LABORATORIO CIM UPIITA-IPN ;MODULO NEUMÀTICO PN-2800 ; ============================================================ ;PROGRAMA PARA PIC 16F877A ;============================================================= skrpallet: btfsc PORTD,2 SALIR b'00100101' BTFSS PORTC,5 goto NP bsf PORTE,0 call Retardo_2s SALIR d'255' skrbloque: ° ° °

PROGRAMACIÓN DEL PIC 16F84A '*********************************************************** '* Name : pic84A.bas * '* Notice : Copyright (c) 2006 [select VIEW...EDITOR OPTIONS] * '* : All Rights Reserved * '* Date : 03/11/2006 * '* Version : 1.0 * '* Notes : programa de comunicación serial con dos pics * '*********************************************************** Include "modedefs.bas" B1 var byte INPC VAR PORTA.0 OUTPC VAR PORTA.1 LED VAR PORTA.2 P1 VAR BYTE INP1 VAR PORTB.7 ° ° °



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Tabla 2. Ejemplos de prácticas

PRACTICA: CINEMATICA DIRECTA E INVIERSA

MATERIA: ROBOTICA 1 SEMESTRE: OCTAVO

OBJETIVO: El objetivo de esta práctica es plantear los fundamentos de la morfología del manipulador y su cinemática directa e inversa. Se requiere consultar en la estación neumática del laboratorio CIM.

INTRODUCCION: Cinemática del robot: – Estudio de su movimiento con respecto a un sistema de referencia – Descripción analítica del movimiento espacial en función del tiempo – Relaciones localización del extremo del robot-valores articulares Problema cinemático directo: Determinar la posición orientación del efector final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas de referencia, conocidos los ángulos de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot Problema cinemático inverso: Determinar los valores de las variables articulares, que debe adoptar el robot para una posición y orientación del extremo deseadas. DESARROLLO:

1. Identificar la morfología de los manipuladores.

2. Obtener la cinemática directa de forma geométrica. 3. Obtener la cinemática directa utilizando los parámetros de

Denavit-Hattemberg. Y corroborar ambos modelos

4. Calcular la cinemática inversa, para realizar las siguientes tareas:

? Cargar un bloque en el pallet y llevarlo a la banda transportadora.

? Cargar un cilindro en el pallet y enviarlo a la caja de piezas defectuosas.

5. Corroborar el modelo en la práctica utilizando los manipuladores

de la estación neumática.

6. Anotar en una tabla la posición deseada y los valores de las variables articulares obtenidos.

7. Reportar resultados y conclusiones.

8. Anotar y especificar las referencias utilizadas.

PRACTICA: SENSORES DE PROXIMIDAD

MATERIA: SENSORES Y ACTUADORES SEMESTRE: QUINTO

OBJETIVOS:

? Identificar y conocer el funcionamiento de los sensores con los que cuenta la estación neumática del laboratorio CIM.

? Conocer físicamente sensores comerciales, sus

características y su instalación. INTRODUCCION: SENSORES DE PROXIMIDAD. Los sensores de proximidad, actúan por inducción al acercarles un objeto metálico, generando de ésta forma una señal que puede utilizarse en sistemas de control microprocesados. Son de estado sólido, y no requieren contacto directo con el material a sensar. APLICACIONES TIPICAS: Control de cintas transportadoras; control de alta velocidad; detección de movimiento, conteo de piezas, etc

DESARROLLO:

1. Identificar los sensores, investigar y reportar sus características. 2. Investigar el funcionamiento de los sensores.

3. Investigar el costo y donde se pueden adquirir los sensores.

4. Establecer cual se su función dentro de la estación neumática

de cada uno de los sensores. 5. Utilizando la interfaz de la estación neumática, crear dos

rutinas donde en las que se utilicen los sensores.

6. Escribir 3 aplicaciones de estos sensores. 7. Reportar resultados y conclusiones.




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PRACTICA: NEUMATICA

MATERIA: SENSORES Y ACTUADORES SEMESTRE: QUINTO

OBJETIVO: En esta práctica se pretende que el alumno se familiarice con los elementos de la neumática y su funcionamiento, y que sea capaz de desarrollar circuitos que cumpla las especificaciones de un proceso industrial. INTRODUCCION: Cilindros de simple efecto. Los cilindros de simple efecto son accionados unilateralmente por medio de aire comprimido. Estos cilindros solo pueden efectuar trabajos en un sentido. En consecuencia, solamente se necesita aire para un sentido del movimiento. El movimiento del cilindro en sentido contrario se efectúa con un muelle o mediante alguna fuerza externa. La fuerza del muelle incorporado tiene que ser capaz de poner al cilindro en su posición normal con la suficiente velocidad. La carrera del cilindro de simple efecto con muelle incorporado está limitada tan solo por la longitud de la camisa del cilindro. Cilindros de doble efecto. Los movimientos en ambos sentidos se producen por efecto del aire comprimido. Tanto el movimiento de avance como el de retroceso tienen una fuerza determinada. Los cilindros de doble efecto se aplican especialmente en aquellos casos en los que es necesario que la fuerza de trabajo actué en ambos sentidos.

Válvulas. Los mandos neumáticos están compuestos por elementos señalizadotes, elementos de control y unidades de trabajo. Los elementos señalizadotes y de control inciden sobre el ciclo de las unidades de trabajo. Dichos elementos son denominados válvulas. Las válvulas son unidades para controlar o regular el arranque, paro, la dirección, la presión y el paso del medio proveniente de una bomba o de un acumulador. El concepto de válvula es genérico y, en concordancia con el uso del concepto a nivel internacional, se aplica a cualquier tipo constructivo, ya sea válvula de corredera, de bola, de plato, grifos etc. DESARROLLO:

1. Investigar las características de los cilindros o pistones que forman parte de la estación neumática.

2. Investigar las características de los componentes que conforman los manipuladores.

3. Para las siguientes tareas, dibujar el diagrama de fases.

4. Dibujar el esquema del circuito y simular su funcionamiento utilizando el programa

fluidsim, de la siguiente secuencia:

? sacar pallet ? sacar un disco al pallet ? transportar el pallet a la banda.

5. Reportar resultados y conclusiones.


PRACTICA: MICROCONTROLADORES PIC’S

MATERIA: DISPOSITIVOS PROGRAMABLES SEMESTRE: SEPTIMO

OBJETIVO :

? Introducir Al alumno en la programación de PIC´S a fin de desarrollar aplicaciones simples y complejas.

? Estudio de los microcontroladores, así como la aplicación de sus diferentes

arquitecturas (hardware) y recursos (software) disponibles para su utilización. ? Demostrando la utilización de los diferentes recursos del pic, en forma simulada, y

con prácticas en laboratorios.

Arquitectura del PIC

La estructura interna de los PIC se basa en registros con memoria y buses separados para las instrucciones y los datos, llamada arquitectura Harvard. La memoria y el bus de datos (RAM) son de 8 bits de ancho, mientras que la memoria EPROM y su bus tienen 12 bits.

DESARROLLO:

1. Realizar un programa en PIC BASIC que realice la siguiente tarea, en la estación neumática del laboratorio CIM:

a. SACAR PALLET b. SACAR UN CUBO c. TRANSPORTAR EL PALLET A LA BANDA.

2. Simular el programa utilizando MPlab IDE. 3. Probar el programa colocando el microcontrolador en la tarjeta de adquisición de la

estación neumática. 4. Escoger otra rutina, y realizar los pasos del 1 al 3. 5. Reportar resultados y conclusiones.


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