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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MODULO PARA CONTROL
ANGULAR DE DOS GRADOS DE LIBERTAD
“COPTER II”
CARLOS ANDRÉS CAMAYO MARTINEZ
JOHN BERNARDO ARIAS PARRA
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
DIVISIÓN DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
SANTIAGO DE CALI
2002
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MODULO PARA CONTROL
ANGULAR DE DOS GRADOS DE LIBERTAD
“COPTER II”
CARLOS ANDRÉS CAMAYO MARTINEZ
JOHN BERNARDO ARIAS PARRA
Proyecto de grado para optar al titulo de
Ingeniero Mecatrónico
Director
DIEGO ALMARIO
Ingeniero Electrónico
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
DIVISIÓN DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
SANTIAGO DE CALI
2002
Nota de aceptación:
Trabajo aprobado por el comité de grado en cumplimiento de los requerimientos exigidos por la Corporación Universitaria Autónoma de Occidente para optar al titulo de Ingeniero Mecatrónico.
JIMMY TOMBE
Jurado
ARNALDO MENDEZ PUPO
Jurado
Santiago de Cali, agosto 5 del 2002
Dedico esta tesis a Dios por haberme dado las fuerzas suficientes para salir
adelante en esta carrera.
A mi padre BERNARDO ARIAS que me ha brindado todo su apoyo y colaborado
en todos los momentos difíciles de la carrera.
A mi madre MARIA AMANDA PARRA por haber sido mi cómplice en algunas
ocasiones en estos 5 duros años.
A mi tío OSCAR MARINO PARRA quien supo darme animo en ciertas ocasiones
durante el desarrollo de la carrera.
A mis hermanos, JUAN MANUEL y DAVID HUMBERTO para que este logro por
haber culminado mi carrera les de animo para salir adelante.
A todos mis familiares, que me han aguantado todos estos años.
John Bernardo Arias Parra
Dedico este gran proyecto de mi vida como lo es la culminación de mi carrera
profesional a mi madre MIRIAM MARTINEZ, a mi padre CARLOS A. CAMAYO, a
mis hermanas SANDRA LILIANA CAMAYO y ZAIDA JANET CAMAYO por su gran
colaboración y animo brindado durante el desarrollo de este proyecto.
A todas las personas que creyeron y confiaron en mi.
Carlos Andrés Camayo Martínez
AGRADECIMIENTOS
Deseamos expresar nuestros mas profundos agradecimientos por su invaluable
colaboración durante el desarrollo del presente trabajo y la preparación de esta
tesis a las siguientes personas:
• Ing. Oscar Mauricio Agudelo, por su dirección y apoyo en todo momento,
por su amistad, su compañerismo y su gran colaboración en la realización
del trabajo, además de sus ideas para el enriquecimiento del presente
trabajo.
• Ing. Diego Almario, por su apoyo en ciertos momentos difíciles durante el
desarrollo de este trabajo.
• Ing. Jesús David Cardona por brindarnos sus conocimientos en el área de
visualización 3d y por su amistad.
• Al estudiante de diseño gráfico Joiner Gómez por su colaboración en el
diseño gráfico del módulo.
• A los ingenieros Samir Perea y Wilson Lasso por su colaboración en el
desarrollo del hardware para control.
• Ing. Bernardo Arias por su colaboración en el desarrollo de este trabajo.
• A nuestros amigos, Rodrigo Eduardo Sánchez, Edwin Andrés Rojas,
Andrés Felipe Navas y Nathalia Gálviz por toda su colaboración durante
todo el desarrollo del proyecto.
• Al almacén Tri-Hilazas por habernos brindado su sede para realizar el
proyecto.
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN 1
1. METODOLOGÍA 3
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4
1.2 ANTECEDENTES 5
1.3 JUSTIFICACIÓN 6
1.4 OBJETIVOS 7
1.4.1 Objetivo General 7
1.4.2 Objetivos Específicos 7
2. DESARROLLO DE UN NUEVO PRODUCTO 9
2.1 DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO 11
2.2 ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 15
2.3 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE CADA CONJUNTO QUE
CONFORMAN EL MÓDULO 17
2.3.1 Conjunto Superior 17
2.3.2 Conjunto Medio 18
2.3.3 Conjunto inferior 18
2.3.4 Hardware para control 20
2.4 DESCOMPOSICIÓN EN LA ARQUITECTURA DE CONJUNTOS
Y SUBCONJUNTOS 20
2.5 INTERACCIONES E INTERACCIONES INCIDENTALES
ENTRE SUBCONJUNTOS 24
2.6 DESCOMPOSICIÓN EN LA ARQUITECTURA DE SUBCONJUNTOS
A ELEMENTOS E INTERACCIONES ENTRE ELEMENTOS 25
3. DISEÑO INDUSTRIAL 38
3.1 OBJETIVOS DEL DISEÑO INDUSTRIAL SOBRE COPTER II 38
3.2 NECESIDADES ERGONÓMICAS 38
3.3 NECESIDADES ESTÉTICAS 43
3.4 VALORACIÓN DEL DI EN COPTER II 45
3.5 DOMINACIÓN DE COPTER II 46
3.6 EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL DI 46
3.6.1 Calidad de los interfaces de usuario 46
3.6.2 Requerimientos emocionales 47
3.6.3 Facilidades de Mantenimiento y Reparación 48
3.6.4 Uso apropiado de recursos 48
3.6.5 Valoración de la calidad en el diseño industrial 49
4. DISEÑO PARA MANUFACTURA 50
4.1 ESQUEMAS DEL DISEÑO PARA MANUFACTURA 52
4.1.1 Procesos de maquinados aplicados en la elaboración de las
Piezas 52
4.1.2 Procesos de acabados superficiales sobre materiales 53
4.1.3 Materiales Utilizados 55
4.1.4 Elementos estándares comprados en el Comercio 56
4.2 ESQUEMA MECÁNICO DETALLADO 59
4.3 ESQUEMA HARDWARE DETALLADO 64
4.4 PLANOS DEL ESQUEMA HARDWARE 68
5. DISEÑO PARA ENSAMBLE 70
6. PROTOTIPADO 72
7. ESQUEMAS CONSTRUCTIVOS 76
8. PRUEBA DE FUNCIONABILIDAD 80
CONCLUSIONES 82
RECOMENDACIONES 83
FUTURAS MEJORAS 84
BIBLIOGRAFÍA 85
LISTA DE CUADROS
pág.
Cuadro 1. Procesos de maquinados aplicados en la elaboración
de las piezas. 52
Cuadro 2. Procesos de acabados superficiales sobre materiales. 53
Cuadro 3. Materiales Utilizados. 55
Cuadro 4. Elementos estándares comprados en el Comercio. 56
Cuadro 5. Ec7 tornillería. 57
Cuadro 6. Esquema Mecánico Detallado. 59
Cuadro 7. Listado de componentes Electrónicos. 64
Cuadro 8. Esquema Hardware Detallado. 68
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Ciclo de vida del proyecto 11
Figura 2. Módulo 12
Figura 3. Grado de libertad Vertical 13
Figura 4. Grado de libertad horizontal 13
Figura 5. Rangos posición Vertical 13
Figura 6. Rangos posición horizontal 13
Figura 7. Módulo para control de posición angular con dos
grados de libertad, Copter II. 15
Figura 8. Esquema de los conjuntos del módulo Copter II 16
Figura 9. Tipo de Arquitectura de Copter II 17
Figura 10. Conjunto Superior 18
Figura 11. Conjunto Medio 19
Figura 12. Conjunto Inferior 19
Figura 13. Conjunto Hardware para control 20
Figura 14. Subconjuntos Conjunto superior 21
Figura 15. Subconjuntos Conjunto medio 22
Figura 16. Subconjuntos Conjunto inferior 22
Figura 17. Esquema Hardware 23
Figura 18. Elementos Barra Principal 26
Figura 19. Elementos Propulsor 27
Figura 20. Elementos Articulaciones 29
Figura 21. Elementos Subconjunto Superior 30
Figura 22. Elementos Subconjunto Inferior 31
Figura 23. Elementos Subconjunto Base principal 32
Figura 24. Elementos Subconjunto Panel de control 34
Figura 25. Subconjunto Acondicionamiento 35
Figura 26. Subconjunto Fuente 36
Figura 27. Distribución Geométrica 37
Figura 28. Necesidades Ergonómicas 39
Figura 29. Necesidades Ergonómicas 39
Figura 30. Estructura del Cableado 40
Figura 31. Protectores 42
Figura 32. Señales de Protección 42
Figura 33. Logo Copter II 43
Figura 34. Dominación Copter II 46
Figura 35. Procesos en piezas 53
Figura 36. Acabados superficiales 54
Figura 37. Materiales Utilizados 56
Figura 38. Puntos significativos 72
Figura 39. Conceptos Platinas 73
Figura 40. Clasificación de prototipos 74
Figura 41. Prototipos iniciales 75
Figura 42. Esquema ángulos barra 76
Figura 43. Esquema ángulo vertical 76
Figura 44. Esquema platinas barra 77
Figura 45. Esquema soporte platinas 77
Figura 46. Esquema soporte superior 78
Figura 47. Esquema propulsor 78
Figura 48. Esquema soporte motores 79
Figura 49. Esquema protector 79
Figura 50. Interfaz de la prueba de funcionabilidad. 81
Figura 51. Código grafico de la prueba de funcionabilidad. 81
RESUMEN
El presente trabajo tiene por objeto mostrar los pasos seguidos y las
herramientas usadas en el diseño y construcción de un módulo para
control de posición angular con dos grados de libertad, que se
constituye en herramienta óptima para poner en práctica los
conocimientos sobre técnicas de control e identificación de sistemas,
adquiridos a lo largo de la carrera.
Para el diseño de Copter II, primero se analizaron las funciones
primordiales con el fin de centrarse en los detalles de mayor cuidado y
así planificar las etapas del proyecto.
Fue así como se concibió el diseño de un módulo predominante
modular, lo que es de suma importancia desde el punto de vista de
manufactura, pues es posible producir partes del módulo en distintos
talleres y desde el punto de vista de ensamble y mantenimiento, facilitar
al usuario o persona encargada, hacerlo de manera sencilla y breve.
El módulo Copter II es de dominación usuario tecnológico, ya que está
dirigido directamente al usuario pero su funcionabilidad y aplicación es
prácticamente técnica, por tal motivo, las necesidades ergonómicas y
estéticas están relacionadas entre sí, para satisfacer integralmente al
usuario practicante.
1
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo tiene por objeto mostrar todos los pasos seguidos y
las herramientas usadas, en el diseño y construcción de un módulo
para control de posición angular con dos grados de libertad
denominado “COPTER II”.
En la Corporación Universitaria Autónoma de Occidente se cuenta con
siete programas de ingeniería, de las cuales Ingeniería Mecatrónica e
Ingeniería Electrónica, son carreras que en su Pénsum ven un
considerable número de materias relacionadas con el control ,Debido a
esto la Universidad posee diferentes módulos, para que la comunidad
estudiantil refuerce sus conocimientos en este tipo de materias. Es
decir, que estos módulos hacen parte de las herramientas y ayudas
didácticas con las cuales los estudiantes realizan sus prácticas de
control e instrumentación.
La Universidad ha desarrollado sus propios módulos de control, con el
fin de aumentar el nivel tecnológico y científico del laboratorio de
Automática, y de la misma manera dejar muestra del nivel académico y
la capacidad de creación por parte de la comunidad académica.
2
En el laboratorio de automática existe un módulo de dos grados de
libertad que fue desarrollado en 1997 como opción de grado, el cual
lleva por nombre “prototipo de un helicóptero de dos grados de
libertad”. Este módulo, está diseñado y construido de manera
artesanal, elaborado en materiales de madera, los acoples entre
sensores y ejes son unidos inapropiadamente con silicona, los soportes
de los motores son improvisados, no tiene indicadores visuales
adecuados para observar la posición de cada grado de libertad, no
cuenta con un panel de control apropiado y su hardware para control
no esta debidamente elaborado, todos estos inconvenientes dificultan el
buen funcionamiento del módulo en cuestión, por esta razón, se ha
decidido diseñar otro módulo teniendo en cuenta varios aspectos como
la determinación de la arquitectura, el diseño industrial, ensamble,
manufactura y en general lo que comprende el diseño del producto.
Este nuevo módulo contribuirá a que los estudiantes adquieran
conocimientos sobre el manejo y el control de variables angulares, las
cuales son ampliamente utilizadas en la vida real. Para la industria en
general este tipo de prácticas tienen varias aplicaciones como por
ejemplo posicionar una antena parabólica para una mejor recepción,
controlar el ángulo de los alerones en un avión para manipular su
dirección, control de procesos industriales para el posicionamiento en
articulaciones.
3
1. METODOLOGÍA
1. Generación de conceptos para el desarrollo del módulo, teniendo
en cuenta los objetivos específicos mencionados.
2. Construcción de un prototipo físico muy preliminar, con las
principales características funcionales del módulo a construir.
3. Desarrollo de un prototipo virtual, con base en el diseño detallado
obtenido del prototipo físico con ayuda de la herramienta
computacional SOLID EDGE, 3D Studio MAX.
4. Fabricación de partes propias con procesos de manufactura
(torneado, fresado, taladrado, inyección, extrusión, etc.) y
adquisición de partes estándares.
5. Desarrollo de hardware para control.
6. Ensamble general.
7. Prueba del funcionamiento de la planta con la implementación de
un controlador digital.
4
8. Elaboración del manual de funcionamiento y operación con
herramientas computacionales.
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente el laboratorio de Automática no cuenta con módulos físicos
de posición angular de dos grados de libertad y además el existente no
está en óptimas condiciones para realizar prácticas de control e
instrumentación.
El módulo existente llamado “prototipo de un helicóptero con dos
grados de libertad”, es un módulo que está diseñado y construido de
manera artesanal, elaborado en materiales de madera, los acoples
entre sensores y ejes son unidos con silicona, los soportes de los
motores son improvisados, no tiene indicadores visuales, no cuenta
con un panel de control apropiado y su hardware para control no esta
debidamente elaborado, todos estos inconvenientes dificultan el buen
funcionamiento del módulo en cuestión.
La universidad al no tener módulos de posición angular de dos grados
de libertad, esta limitada a trabajar sistemas simples de control (SISO) y
no pueden realizar prácticas en cuanto se refiere a control multivariable,
y además, la planta existente al estar construida de una forma
5
artesanal, no tiene el nivel tecnológico con el que debería de contar el
laboratorio de automática.
Por esta razón, desarrollamos un módulo de posición angular de dos
grados de libertad, para dar más capacitación a la comunidad
estudiantil y amplíen sus conocimientos con respecto al control simple y
control multivariable.
1.2 ANTECEDENTES
• En la Corporación Universitaria Autónoma de Occidente existe una
tesis de grado llamada Diseño, construcción y control del prototipo
de un helicóptero de dos grados de libertad, aprobada por el comité
de grado el 4 de septiembre de 1997, cuyos autores son Andrés
Loaiza y Juan Francisco Rivera con su director Freddy Naranjo. La
cual es utilizada para realizar prácticas de control y instrumentación
en el laboratorio de automática.
• En la universidad de Piura, Perú, el departamento de electrónica y
automática, ha desarrollado un módulo muy parecido al ya existente
en la universidad Autónoma, “Control óptimo robusto de un modelo
de helicóptero” Autores: Irene Albarado, Jenny Biffi, Carlos
Barrientos, William Ipanaque. Este trabajo es el resultado de la
6
aplicación de técnicas de control robusto y de control óptimo a un
experimento de laboratorio consistente en un modelo de helicóptero.
Los resultados forman parte de un proyecto realizado por alumnos
de la Universidad de Piura como práctica de un curso de control
robusto.
• En la Universidad de Linz, Austria, desarrollaron un módulo de
tipo helicóptero para realizar practicas de control e instrumentación.
1.3 JUSTIFICACIÓN
El desarrollo de este proyecto se ha constituido a partir de la necesidad
de mejorar la calidad del laboratorio de Automática e incrementar el
número de módulos con los que se cuentan actualmente.
El nuevo módulo permite a la comunidad estudiantil el desarrollo de sus
prácticas de control e instrumentación de una manera mas confiable y
segura, así mismo permite al área de automática contar con nuevas
herramientas como base para la apropiación de conocimiento.
El desarrollo de productos dentro de la misma institución se presenta
como una de las opciones mas viables para la adquisición de nuevas
herramientas de trabajo (módulos) debido a los elevados costos en el
7
mercado y que además esto significa comprar tecnología, mientras lo
que se busca es desarrollar tecnología propia.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo General. Diseñar y construir un módulo didáctico y
robusto siguiendo el esquema del “prototipo de helicóptero” con dos
grados de libertad y software de prueba asociado.
1.4.2 Objetivos Específicos
1. Diseñar y construir la estructura mecánica del módulo.
2. Dotar el sistema con indicadores visuales, para observar y calibrar la
posición angular de cada grado de libertad.
3. Implementar drivers, para manipular los motores DC.
4. Acondicionar las señales de los sensores de posición angular, para
que entreguen niveles de voltaje estándares utilizados en el
laboratorio de automatización.
8
5. Modelar matemáticamente el proceso y controlarlo, haciendo uso de
un computador y una tarjeta para adquisición de datos(control
digital).
6. Diseño de software especifico para prueba.
9
2. DESARROLLO DE UN NUEVO PRODUCTO
Hoy en día en la industria en general, encontramos sistemas donde
intervienen elementos mecánicos, electrónicos y de software, los cuales
deben ser vistos e conjunto por la ingeniería que se aplique en su
desarrollo.
Para cada elemento que conforma el sistema existe una ingeniería,
pero para efectos de diseño se deben de tener en cuenta todas las
interacciones entre los diferentes elementos, con el fin de obtener en
conjunto un sistema eficaz, confiable y seguro, capaz de satisfacer una
necesidad.
La globalización e integración de la tecnología, ciencia y economía
mundial han provocado un gran cambio en los sistemas de diseño,
fabricación y organización de la producción, cuyas principales
innovaciones se resumen en el paradigma organizativo denominado
ingeniería concurrente, el cual postula que todos los actores que
intervienen en el desarrollo de un producto desde la idea inicial hasta el
desarrollo final (en todas las fases de su ciclo de vida), interactúen
asegurando que las condiciones estructurales, funcionales de
fabricación, mantenimiento, etc.
10
Se consideren desde las etapas iniciales del análisis, de este modo se
consigue disminuir el tiempo de ejecución y un mayor control de los
recursos y costos durante las diferentes etapas del diseño, lo cual
implica utilizar sistemas basados en computador, como mecanismo
para facilitar el desarrollo, vender la idea y la integración de las
diferentes actividades del diseño en general.
El desarrollo de un producto es fruto de un diseño que va a ser
fabricado, plasmado en unas especificaciones técnicas, gráficos
bidimensionales, maquetas, modelos informáticas y prototipos que
definen que piezas se van a fabricar, cuales se van a subcontratar,
cuales se adquirirán como estándares en el mercado, materiales y
proveedores, las operaciones del proceso y su secuencia, las
condiciones en que se realizará cada operación concluyendo en un
análisis en el que se planifiquen los recursos necesarios para su
producción (en este caso el desarrollo del módulo) como lo son
máquinas y herramientas, plazos y el tipo de mano de obra requerida.
La búsqueda de la calidad se basa en integrar el diseño del producto
con el diseño del proceso de fabricación.
11
Figura 1. Ciclo de vida del proyecto
2.1 DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO
El módulo para control de posición angular, funciona de acuerdo a
requerimientos específicos suministrados por los estudiantes y
profesores del área de Automática, como base para el desarrollo de
prácticas de control e instrumentación, este módulo en términos
generales es soportado por una base de lámina desde la cual
sobresaldrá un eje central en el cual se encuentra pivotado la barra a
posicionar. El posicionamiento angular de dicha barra se logra a partir
de dos motores instalados en sus extremos con diferente orientación;
la siguiente figura da una idea general del módulo.
12
Figura 2. Módulo
El sistema a desarrollar consta de dos grados de libertad, cada uno
para controlar su posición angular, uno vertical con componentes en el
eje x, z (Fig. 3), y el otro horizontal con componentes en el eje x, y (Fig.
4).
13
Figura 3. Grado de libertad Figura 4. Grado de libertad
Vertical horizontal
Los rangos de posición angular máximos que el sistema maneja varían
de acuerdo al grado de libertad, para la posición vertical los rangos
están entre 55° y –55° grados (Fig. 5), para la posición angular
horizontal están entre 155° y -155° grados (Fig. 6).
Figura 5. Rangos posición Figura 6. Rangos posición
Vertical horizontal
14
Para posicionar cada grado de libertad, se cuenta con un actuador en
cada extremo del brazo, cada actuador posee una hélice impulsora que
será directamente la encargada de generar la fuerza para mover los
sistemas y posicionarlos en su referencia; el sistema tiene su respectiva
etapa de potencia, circuito driver y circuitos para acondicionamiento de
señales, los cuales manejan voltajes (+/-5VDC) acordes a los niveles de
operación en las tarjetas de adquisición de datos utilizadas actualmente
en el laboratorio de automática.
El módulo tiene sistemas de protección en sus hélices, actuadores y
circuitos, con el fin de evitar posibles errores de operación y
manipulación del módulo, también dispone de un panel de control,
indicadores visuales para observar y calibrar las posiciones de cada
grado de libertad, entre los indicadores visuales se incluyo un LCD,
accesorios como lo son herramientas de ensamble, desensamble y
cables los cuales se pueden almacenar bajo seguridad en el mismo
módulo.
Para la prueba y puesta en marcha del módulo se utilizó los sistemas
de adquisición de datos existentes en el laboratorio de automática, se
obtuvieron los modelos matemáticos para cada grado de libertad por
independiente, haciendo uso de un software de apoyo el cual solo
maneja sistemas SISO, paso siguiente se diseño un controlador clásico
15
partiendo del modelo matemático obtenido, para luego implementarlo
en un software de apoyo para control digital.
2.2 ARQUITECTURA DEL PRODUCTO
Figura 7. Módulo para control de posición angular con dos grados de
libertad, Copter II.
16
Figura 8. Esquema de los conjuntos del módulo Copter II
conjuntos
El diseño del módulo para control de posición angular Copter II se
fundamenta en una arquitectura predominantemente modular debido a
los cambios en el producto como motores, hélices y sensores, a los
estándares utilizados, al sistema de ingeniería y, principalmente, por los
costosos procesos de manufactura que requiere un diseño con una
arquitectura integral para un solo prototipo.
En este caso, la valoración del tipo de arquitectura es 80% modular y
20% integral, aproximadamente.
Copter II
Superior Medio Inferior Hardware par y control
Interacciones
17
Figura 9. Tipo de Arquitectura de Copter II
Modular
Integral
2.3 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE CADA CONJUNTO QUE
CONFORMAN EL MÓDULO
2.3.1 Conjunto Superior. Cumple un papel determinante de
funcionalidad en el módulo; se encarga de posicionar a cada grado de
libertad en su referencia, haciendo caso al diseño del controlador; lo
conforman tres subconjuntos, de los cuales cada uno contiene
mecanismos de seguridad, fijación y estabilidad para su buen
desempeño.
18
Figura 10. Conjunto Superior
2.3.2 Conjunto Medio. Es el encargado de mantener la interacción de
funciones entre el conjunto superior y el inferior proporcionando la
altura adecuada, el espacio suficiente y la capacidad de soportar y
amortiguar los movimientos y fuerzas que se ejercen en el conjunto
superior. (Ver Fig. 11)
2.3.3 Conjunto inferior. Es la base principal de los dos conjuntos
anteriores; tres de los cuatro subconjuntos que lo componen
comunican, soportan y contienen las estructuras que maneja el módulo,
como por ejemplo, hardware, panel para control y cableado; el otro
subconjunto es el chasis. (Ver Fig. 12)
19
Figura 11. Conjunto Medio
Figura 12. Conjunto Inferior
20
2.3.4 Hardware para control. Se encarga de manejar todas las
señales operativas del módulo; lo conforman cuatro subconjuntos para
dicha función.
Figura 13. Conjunto Hardware para control
2.4 DESCOMPOSICIÓN EN LA ARQUITECTURA DE CONJUNTOS Y
SUBCONJUNTOS
CONJUNTOS SUBCONJUNTOS
1.0 Superior 1.1 Barra principal
1.2 Sistema Propulsor
1.3 Sistema articulado
21
Figura 14. Subconjuntos Conjunto superior
2.0 medio 2.1 Soporte Superior
2.2 Soporte inferior
22
Figura 15. Subconjuntos Conjunto medio
3.0 Inferior 3.1 Base principal
3.2 bandeja Hardware
3.3 Cajón Accesorios
3.4 Panel de Control
Figura 16. Subconjuntos Conjunto Inferior
23
4.0 Hardware 4.1 Circuitos de control
4.2 Circuitos Red
4.3 Fuentes
Figura 17. Esquema Hardware
2.5 INTERACCIONES E INTERACCIONES INCIDENTALES ENTRE
SUBCONJUNTOS
para
control
24
1.1 Barra Principal
1.2 Sistema Propulsor
1.3 Sistema Articulado
2.1 Soporte Superior
2.2 Soporte Inferior
3.1 Base Principal
3.2 Bandeja Hardware
3.3 Bandeja Accesorios
3.4 Panel de Control
4.1 Circuitos Potencia
4.2 Circ. Visualización
4.3 Fuentes
1.2 1.3
1.1
1.1 2.1 2.2 4.1 4.2
1.3 Ajustes
3.2 Conexión
3.2 Conexión 2.1 Fricción
1.3
3.1
1.3 Ajustes
2.3
3.1 3.4 4.1 4.2 4.3
3.4
3.2 4.1 4.2 4.3
3.4 4.1 4.2 4.3 Conexión
4.2 información errónea
1.3 3.2 3.4 4.2 4.3
1.3 3.4 4.1 4.3
3.4 4.1 4.2
Ajustes de Ganancia
Ajustes de Ganancia
25
2.6 DESCOMPOSICIÓN EN LA ARQUITECTURA DE SUBCONJUNTOS
A ELEMENTOS E INTERACCIONES ENTRE ELEMENTOS
1.1 Subconjunto Barra principal
ELEMENTOS INTERACCIONES
1.1.1 Barra Ovalada
1.1.2 Platinillas para cuadrante
1.1.3 Buje soporte acople
1.1.4 Bujes para fijar posición
1.1.5 Tornillo Ajuste Buje
1.1.6 Platinilla cuadrante tornillo
1.1.7 Resorte
1.1.8 Conectores para motores
1.1.9 Barras péndulos
1.1.10 Tuercas ajuste péndulo
1.1.11 Masas péndulo
1.1.12 Tuerca cubre cabezas
1.1.13 Tornillería
1.1.14 Pines
1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.9 1.2.8
1.1.5
1.1.14
1.1.6 1.1.7
1.1.1
1.1.10 1.1.11 1.1.12 1.1.13 1.1.14
1.1.13
26
Figura 18. Elementos Barra Principal
1.2 Subconjunto Sistema Propulsor
ELEMENTOS INTERACCIONES
1.2.1 Motor
1.2.2 Hélices
1.2.3 Buje hélice
1.2.4 Soporte motor
1.2.5 Eje soporte motor
1.2.3 1.2.2
1.2.1 1.2.13
1.2.4 1.2.14
27
1.2.6 Masa compensadora
1.2.7 Eje masa compensadora
1.2.8 Platinas ovaladas
1.2.9 Tuercas de ajuste
1.2.10 Dados soporte
1.2.11 Protector
1.2.12 Tornillería
1.2.13 Pines
Figura 19. Elementos Propulsor
1.2.13
1.2.6 1.2.14
1.2.5 1.2.7 1.2.9 1.2.10 1.1.1
1.2.11 1.2.12
28
1.3 Subconjunto Sistema Articulado
ELEMENTOS INTERACCIONES
1.3.1 Soporte platinas e indicador
1.3.2 Platina frontal
1.3.3 Prisioneros con pin
1.3.4 Clarostatos V, H
1.3.5 Carcasa sensor
1.3.6 Visualizador acrílico
1.3.7 Buje tope
1.3.8 Platina trasera
1.3.9 Eje vástago
1.3.10 Tuerca ajuste
1.3.11 Eje principal
1.3.12 Pin cama
1.3.13 Buje soporte cónico
1.3.14 Tope mecánico
1.3.15 Acople sensor-eje
1.3.16 Tornillería
1.3.2 1.3.8 1.3.11 1.3.16
1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.3.7 1.3.16
1.1.1 1.3.1
1.3.9 1.3.10 1.3.16
1.1
1.3.12 1.3.13 1.3.14 1.3.15
1.3.16
1.3.16
29
Figura 20. Elementos Articulaciones
2.1 Subconjunto Soporte Superior
ELEMENTOS INTERACCIONES
2.1.1 Plancha Superior
2.1.2 Rodamientos
2.1.3 Prisionero
2.1.4 Platina doblada
2.1.5 Prisionero tope y tuerca
2.1.6 Espárragos
2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.6 1.3.11
2.1.5
2.2.1
30
Figura 21. Elementos Subconjunto Superior
2.2 Subconjunto Soporte inferior
ELEMENTOS INTERACCIONES
2.2.1 Plancha Inferior
2.2.2 perfil redondo intermedio
2.2.3 tuercas
2.2.4 tornillería
2.2.2 2.2.3 2.2.4
31
Figura 22. Elementos Subconjunto Inferior
3.1 Subconjunto Base Principal
ELEMENTOS INTERACCIONES
3.1.1 Chasis
3.1.2 Base en caucho
3.1.3 Chapas de seguridad
3.1.4 Conector y cable
3.1.2 3.1.3 3.1.4 4.2.1 3.4.1
32
Figura 23. Elementos Subconjunto Base principal
3.2 Subconjunto Bandeja Hardware
ELEMENTOS INTERACCIONES
3.2.1 Contiene todo el
conjunto hardware
para control
4.1.4 4.2.3 4.3.2 3.4.1
33
3.3 Subconjunto Cajón accesorios
ELEMENTOS INTERACCIONES
3.3.1 Cables de conexión
3.3.2 Herramientas
3.4 Subconjunto Panel de Control
ELEMENTOS INTERACCIONES
3.4.1 Protector de acrílico
3.4.2 Plantilla impresa
3.4.3 Plantilla Aluminio
3.4.4 Conectores Banana
3.4.5 Switch
3.4.6 Tornillos
3.4.4
1.1.13 1.2.13 1.2.9
3.4.2 3.4.6 3.1.1 2.2.1
3.4.3 3.4.4 3.4.5
4.1.4
34
Figura 24. Elementos Subconjunto Panel de control
4.1 Subconjunto Circuitos de Control
ELEMENTOS INTERACCIONES
4.1.1 Circuito Driver
4.1.2 Circuito AS
4.1.3 Protección
4.1.4 Circuitos impresos
4.1.5 Conectores
1.2.1 4.3.4
1.3.4 4.3.3
4.1.1 3.4.4
4.1.1 4.1.2 4.13 4.15 4.3.2
35
Figura 25. Subconjunto Acondicionamiento
4.2 Subconjunto Circuito Visualización
ELEMENTOS INTERACCIONES
4.2.1 Display
4.2.2 Circuito LCD
4.2.3 Circuitos impresos
4.2.4 Conectores
4.2.1 4.3.4
4.2.2 4.2.4 4.3.2
36
4.3 Subconjunto Fuente
ELEMENTOS INTERACCIONES
4.3.1 Transformadores
4.3.2 circuitos impresos
4.3.3 circuitos fuente ± 5V
4.3.4 circuitos fuente ±24V
Figura 26. Subconjunto Fuente
4.3.4
4.3.1 4.3.3 4.3.4
37
Figura 27. Distribución Geométrica
38
3. DISEÑO INDUSTRIAL
MÓDULO PARA CONTROL DE POSICIÓN ANGULAR CON DOS
GRADOS DE LIBERTAD “COPTER II”
3.1 OBJETIVOS DEL DISEÑO INDUSTRIAL SOBRE COPTER II
§ Optimizar la función junto con la apariencia para beneficio del
usuario, dueño y productor.
§ Comunicar una filosofía de cambio y progreso en el laboratorio de
automática con relación a los otros módulos.
§ Brindar al usuario una interfaz segura, fácil de usar e intuitiva.
3.2 NECESIDADES ERGONÓMICAS
§ la facilidad de uso se recarga sobre el diseño gráfico, con el que se
cuenta, como panel de control, texto sobre circuitos impresos, ya que
éstos manejan un lenguaje directo donde se pueden identificar
fácilmente todas las variables utilizadas para su funcionamiento.
39
Figura 28. Necesidades Ergonómicas
Figura 29. Necesidades Ergonómicas
40
§ La arquitectura modular facilita en general el mantenimiento
preventivo y correctivo requerido para alargar o mejorar la vida útil
del módulo. Se manejan herramientas estándar para el ensamble,
las conexiones de cables entre subconjuntos se manejan por
secciones con el objeto de lograr desacoplamientos entre
subconjuntos sin que existan interferencias de tipo mecánico y
además, el módulo cuenta con un manual técnico de apoyo para el
mantenimiento.
Figura 30. Estructura del Cableado
41
§ Las interacciones módulo usuario son relativamente bajas y fácil de
operar. A continuación se muestra sus principales interacciones:
o Conectar Cable
o Encender
o Calibrar masas
o Conexiones externas
o Abrir bandeja hardware y cajón accesorios
o Ajustar ganancias circuitos hardware
§ La novedad está basada en la forma de comunicar las interacciones
hacia el usuario, sin crear ambigüedades que infundan una mala
operación y manipulación en el módulo.
§ En cuanto a seguridad se refiere, el módulo está dotado de
protectores en cada una de sus hélices, protegiendo al usuario de
cortes tangenciales y paralelos al movimiento de la barra principal;
existen advertencias preventivas sobre los protectores indicando una
acción que no se debe realizar; las conexiones eléctricas se
encuentran bien identificadas con el fin de evitar posibles daños al
módulo y por consiguiente, problemas al usuario.
42
Figura 31. Protectores
Figura 32. Señales de Protección
43
3.3 NECESIDADES ESTÉTICAS
§ La diferenciación visual de Copter II se basa en un diseño gráfico
aplicado con nuevos conceptos, teniendo en cuenta algunos de los
procesos en artes gráficas para la elaboración de mecanismos de
comunicación visual, implementados sobre el panel de control,
logotipos, advertencias y difuminados.
Figura 33. Logo Copter II
los acabados superficiales y materiales juegan un papel determinante
en la diferenciación visual, ya que son directamente los encargados de
dar la apariencia física en cuanto a estado y calidad se refiere y de
44
todos y cada uno de los conjuntos, subconjuntos y elementos que
conforman a Copter II. A continuación se nombra los acabados
superficiales empleados para dicho objetivo:
o Anodizado
o Niquelado
o Pintura electrostática
o Aerografía
o Grateado
o Pulido
§ La importancia de nuevos módulos para el laboratorio de automática,
los cuales han sido diseñados y construidos con un buen nivel de
ingeniería por parte de los estudiantes, incentiva la labor
desarrollada por la institución y por consiguiente, conlleva el
sentimiento de orgullo de posesión y refleja una imagen tangible de
los proyectos desarrollados.
§ La búsqueda de la excelencia y el reconocimiento por la labor
desarrollada sobre Copter II motiva al equipo de desarrollo a trabajar
duro, para dar soluciones a partir de nuevos conceptos y satisfacer a
cabalidad una de las necesidades del laboratorio de automática.
45
3.4 VALORACIÓN DEL DI EN COPTER II
Bajo Medio Alto
Ergonomía. Facilidad de Uso
Facilidad de Mtto.
Cantidad de
Interacciones
Novedad de
Interacciones
Seguridad
Estética. Diferenciación del
Producto
Orgullo de posesión
Motivación del
Grupo
46
3.5 DOMINACIÓN DE COPTER II
Dependiendo de la naturaleza de los productos, ellos se dividen en :
§ Productos dominados por el usuario
§ Productos dominados por la tecnología
Durante la etapa del desarrollo conceptual los requerimientos técnicos y
estéticos fueron tenidos en cuenta de forma paralela, con el objetivo de
lograr obtener un producto que satisfaga integralmente las necesidades
del usuario.
Figura 34. Dominación Copter II
47
3.6 EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL DI
3.6.1 Calidad de los interfaces de usuario
Bajo Medio Alto
o Las características del producto
Comunican realmente su
Operación al usuario
o El uso del producto es intuitivo
o Sus características son seguras
Promedio
3.6.2 Requerimientos emocionales
Bajo Medio Alto
o El producto es atractivo
o Expresa calidad
o Proyecta alguna imagen
cuando se observa
o Inspira orgullo de posesión
48
o Inspira orgullo al grupo
de desarrollo
Promedio
3.6.3 Facilidades de Mantenimiento y Reparación
Bajo Medio Alto
o El mantenimiento es Obvio
o Las características del producto
Informan efectivamente los
Procedimientos de ensamble
Y desensamble
Promedio
3.6.4 Uso apropiado de recursos
En el diseño se manejaron materiales que cumplen con las
características técnicas adecuadas en cuanto a funcionalidad y estética
sin elevar los costos ni reducir la calidad sobre el producto final
49
Bajo Medio Alto
o El material seleccionado es
el apropiado en términos de
costo y calidad
o El producto está sobre o
subdiseñado
o Se han considerado aspectos
Ambientales y ecológicos
Promedio
3.6.5 Valoración de la calidad en el diseño industrial
Bajo Medio Alto
§ Calidad de las interfaces
§ Requerimientos emocionales
§ Informan efectivamente los
§ Facilidad de mantenimiento
Y reparación
§ Uso apropiado de recursos
50
4. DISEÑO PARA MANUFACTURA
Copter II está concebido en gran parte para satisfacer algunas de las
necesidades en el laboratorio de automática, por tal motivo se han
considerado en el proceso de diseño los siguientes aspectos:
§ Debido a que el producto está dirigido al sector educativo y se
trata de un proyecto de grado, su desarrollo se enfoca hacia la
elaboración de un prototipo .
§ Los procesos de manufactura requeridos en el proyecto estarán
limitados por la cantidad de unidades a producir. Existen
diferentes tipos de materiales que pueden cumplir un papel muy
importante en el desarrollo de Copter II, se hace necesario
descartar algunos de ellos, como ejemplo, los plásticos,
aleaciones entre metales o resinas, ya que los procesos
requeridos para la manufactura (inyección, soplado, fundición,
embutido, etc.) solamente se compensarán en costo por muchas
unidades de una misma pieza.
§ El costo total del proyecto debe ser accesible para la aceptación y
adquisición de éste por parte del sector educativo.
51
§ De acuerdo con el funcionamiento presupuestado para la
realización del proyecto, se diseñó para la construcción de un
solo prototipo, el cual sirve como muestra para la reproducción o
para rediseños posteriores.
§ El tipo de material se selecciona acorde a las características
funcionales y estéticas para cada elemento, teniendo en cuenta
su maquinabilidad, peso y fácil adquisición en el mercado y en la
cantidad requerida.
§ Para los procesos de construcción de los elementos propios, se
contrata un taller especializado, siempre y cuando se carezca de
las herramientas necesarias para su elaboración, conociendo de
antemano que los costos varían dependiendo de la calidad,
precisión, acabados y material requerido.
§ Los costos fijos para el proyecto están básicamente
representados en la adquisición de materias primas,
manufacturación, compra de estándares, subcontratación en
diseño y mensajería.
52
4.1 ESQUEMAS DEL DISEÑO PARA MANUFACTURA
A continuación se muestra el listado de los Procesos, acabados,
materiales y elementos estándares con su respectiva numeración, con
la cual se identifican en la tabla del esquema detallado.
4.1.1 Cuadro 1. Procesos de maquinados aplicados en la
elaboración de las piezas
Pm 1 Torno
Pm 2 Fresadora
Pm 3 Taladro
Pm 4 Machuelado
Pm 5 Soldadura
Pm 6 Doblado
Pm 7 Cizallado
Pm 8 Impresión
53
Pm 9 Scrim
Pm 10 Limado
Figura 35. Procesos en piezas
4.1.2 Cuadro 2. Procesos de acabados superficiales sobre materiales
Pas 1 Anodizado
Pas 2 Niquelado
54
Pas 3 Pintura electrostática
Pas 4 Grateado
Pas 5 Pulido
Pas 6 Aerógrafo
Pas 7 Aerosol
Pas 8 Siliconado
Pas 9 Zincado
Figura 36. Acabados Superficiales.
55
4.1.3 Cuadro 3. Materiales Utilizados
Mt 1 Aluminio
Mt 2 Lámina aluminio
Mt 3 Acero
Mt 4 Lámina acero
Mt 5 Acero inox
Mt 6 Empack N
Mt 7 Resina
Mt 8 Acrílico
Mt 9 Caucho
Mt 10 Plástico
56
Figura 37. Materiales Utilizados
4.1.4 Cuadro 4. Elementos estándares comprados en el Comercio
Ec 1 Chapa con llaves
Ec 2 Topes de caucho
Ec 3 Switch
57
Ec 4 Motor
Ec 5 Hélices
Ec 6 Sensores
Ec 7 Tornillería –ver Cuadro 5
Ec 8 Pines
Ec 9 Conectores para banana
Ec 10 Elementos electrónicos
Ec 11 Resorte
Ec 12 Rodamientos
Ec 13 Cable y conector
Cuadro 5. Ec7 tornillería
A# Ta maño
Diámetro mayor
Diámetro menor
paso Kilos por pulg.
largo Tipo de rosca
Clase de tornillo
A1 3.0 mm 2.39 mm 0.5 2mm UNC Prisionero
A2 3.0 mm 2.39 mm 0.5 5mm UNC Prisionero
58
A3 3.0 mm 2.39 mm 0.5 10mm UNC Allen con cabeza
A4 3.0 mm 2.39 mm 0.5 13mm UNC Allen con cabeza
A5 3.0 mm 2.39 mm 0.5 43mm UNC Cabeza redonda estría
A6 3.0 mm 2.39 mm 0.5 10mm UNC Cabeza avellanada Allen
A7 10 0.19 in 0.1359 in 24 .1/4 UNC Prisionero
A8 10 0.19 in 0.1359 in 24 3/8 UNC Prisionero
A9 10 0.19 in 0.1359 in 24 1/2 UNC Prisionero
A10 10 0.19 in 0.1359 in 24 3/4 UNC Prisionero
A11 10 0.19 in 0.1359 in 24 1 UNC Prisionero
A12 10 0.19 in 0.1359 in 24 1 1/4 UNC Prisionero
A13 10 0.19 in 0.1359 in 24 1/2 UNC Allen con cabeza
A14 10 0.19 in 0.1359 in 24 1 1/2 UNC Allen con cabeza
A15 10 0.19 in 0.1359 in 24 2 UNC Allen con cabeza
A16 1/4 0.25 in 0.1850 20 1 UNC Allen con cabeza
A17 3/8 0.3750 0. 3902 24 UNF
59
4.2 ESQUEMA MECÁNICO DETALLADO
Los elementos nombrados se encuentran detallados en la sección de
descomposición en la arquitectura de subconjuntos y elementos con su
respectivo despiece
Cuadro 6. Esquema Mecánico Detallado
# Elementos Es tán dar
Pro pio
Proceso de maquinado
Proceso de acabado
Mate rial
Elem. comp
# tor nillo
Plano Anexo
1.1.1 Barra ovalada x Pm1, pm2,
pm4
Ps1 Mt1 A14 1
1.1.2 Platinas de cuadrante x Pm2,
pm10
Ps1 Mt1 2
1.1.3 Buje soporte –acople x Pm1, pm4 Mt6 A2 3
1.1.4 Bujes para fijar posición x Pm1 Mt6 4
1.1.5 Tornillo ajuste buje x Pm1 Ps1 Mt1 5
1.1.6 Platinilla cuadrante x Pm2,
pm10
Ps1 Mt1 6
1.1.7 Resorte x Ps2 Ec 11
1.1.8 Conectores para motores x Mt10 Ec 10
60
1.1.9 Barras péndulos x Pm1, pm6 Ps1 Mt1 7
1.1.10 Tuerca ajuste péndulo x Pm1 Ps1 Mt1 8
1.1.11 Masas péndulo x Pm1, pm3,
pm4
Ps1 Mt1 A8 9
1.1.12 Tuerca cubre cabeza x Pm1, pm4 Ps1 Mt1 A5 10
1.1.13 Tornillería x x Pm1 Ps2 Ec7
1.1.14 Pines x Ps2 Ec8
1.2.1 Motor X Ec4 A
1.2.2 Hélices X Mt10 Ec6
1.2.3 Buje hélice X Pm1, pm4 Mt1 A2 11
1.2.4 Soporte motor X Pm1, pm2,
pm3, pm4
Ps8 Mt7 A14 12
1.2.5 Eje soporte motor X Pm1 Ps1 Mt1 13
1.2.6 Masa compensadora X Pm1, pm4 Ps1 Mt1 A7 14
1.2.7 Eje masa compensadora X Pm1 Ps1 Mt1 15
1.2.8 Platinas ovaladas X Pm2, pm4 Ps1 Mt1 A17 16
1.2.9 Tuercas ajuste X Pm1, pm4 Ps1 Mt1 A17 17
1.2.10 Dados soporte X Pm2, pm3,
pm4
Mt6 A3 18
61
1.2.11 Protector X Pm3, pm6 Ps1 Mt1 19
1.2.12 Tornillería X Ps2 Ec7
1.2.13 Pines X Ps2 Ec8
1.3.1 Soporte platinas e
indicador
X Pm1, pm2,
pm4
Ps1 Mt1 A10,
A13
20
1.3.2 Platina frontal X Pm2, pm3,
pm4
Ps1 Mt1 A3,
A9
21
1.3.3 Prisioneros con pin X Pm1 Ps2 Ec7 A9
1.3.4 Clarostatos V,H x Ec5 B
1.3.5 Carcaza sensor x Pm1, pm4,
pm5, pm6,
pm10
Ps3 Mt1 A1 22
1.3.6 Visualizador acrílico X Pm1, pm2,
pm3,
pm10
Ps4 Mt8 23
1.3.7 Buje tope X Pm1, pm3,
pm4
Mt1 A4 24
1.3.8 Platina trasera X Pm2, Pm3 Ps1 Mt1 25
1.3.9 Eje vástago X Pm1 Mt5 26
62
1.3.10 Tuerca ajuste X Pm1, pm4 Ps1 Mt1 A17 17
1.3.11 Eje principal X Pm1, pm4 Mt5 A10 27
1.3.12 Pin cama X Ec8
1.3.13 Buje soporte cónico X Pm1 Mt1 28
1.3.14 Tope mecánico X Pm1 Ps2 Ec7
1.3.15 Acople sensor –eje X Pm1, pm3,
pm4
Mt6 A2 29
1.3.16 Tornillería x Ps2 Ec7
2.1.1 Plancha superior X Pm1, pm3,
pm4
Ps1 mt1 30
2.1.2 Rodamientos X Ec12
2.1.3 Prisionero X Ps2 Ec7 A11
2.1.4 Platina doblada X Pm6, pm3,
pm10,
pm5
Ps3 mt1 31
2.1.5 Prisionero, tope y tuerca X Ec7 A12
2.1.6 Espárragos X Pm1 Ps1 mt1 32
63
2.2.1 Plancha Inferior X Pm1, pm3 Ps1 mt1 33
2.2.2 Perfil Redondo intermedio X Pm1 Ps3 mt1 34
2.2.3 Tuercas X Ps9 Ec7 A16
2.2.4 Tornillería X Ps1 Ec7
3.1.1 Chasis X Pm5, pm6,
pm10,
pm4
Ps3,ps6 Mt4 AG 35
3.1.2 Base caucho X Ec2
3.1.3 Chapas de seguridad X Ec1
3.1.4 Conector y cable X Ec13
3.2.1 Bandeja accesorios X Pm5, pm6 Ps3 Mt4 35
3.3.1 Cables de conexión X
3.3.2 Herramientas X Ps2
3.3.3 Cajón X Pm5, pm6 Ps3 35
3.4.1 Protector acrílico X Pm3, pm6,
pm10
Ps4 Mt9
64
3.4.2 Plantilla impresa X Pm8
3.4.3 Plantilla acrílico X Pm3, pm7,
pm10
Ps5,
ps1
mt2
3.4.4 Conectores X Ps1 Ec9
3.4.5 Switch X Ec3
3.4.6 Tornillos X Ps2 Ec7 A10
4.3 ESQUEMA HARDWARE DETALLADO
Los cuadros siguientes muestran el listado de componentes
electrónicos y elementos con las principales características de cada
elemento que conforma el subconjunto.
Cuadro 7. Listado de componentes
Cuadro B1
# Componente Cantidad Anexo
1 R 38 k 2
2 R 7.5 k 4
3 R 20 k 4
65
4 R 1.4 Ω 4
5 R 3 Ω 4
6 R 1 k 2
7 R 12 k 2
8 Trimer 20 k P vertical 2
9 C 0.02 µf (223) 4
10 C 0.1 µf (104) 4
11 C 0.01 µf (103) 4
12 Lm 1876 TF 2 C
Cuadro B2
# Componente Cantidad Anexo
1 Trimer 10 k P vertical 2
2 Trimer 50 k P vertical 2
3 C 0.1 µf (103) 4
4 INA 126P 2 D
66
Cuadro B3
# Componente Cantidad Anexo
1 741 O LF411 2
Cuadro B4
# Componente Cantidad Anexo
1 Capacitores 2200 µf /25 v 2
2 Capacitores 1 µf /50 v 2
3 Lm 7805 1
4 Lm 7905 1
5 Puente rectificador 1 A 1
Cuadro B5
# Componente Cantidad Anexo
1 Capacitor 2200 µf /50 v 2
2 Capacitor 1 µf /50 v 2
67
3 Lm 317 1
4 Lm 337 1
5 Puente rectificador 6 A 1
6 Trimer 5 k P. vertical 2
7 Transistor NPN 2N 3055 1
8 Transistor PNP MJ2955 1
9 Resistencia 220 Ω ½ w 2
Cuadro B6
Elemento Descripción
Conectores 12 pines macho, hembra Blancos
Conectores 2 y 3 pines para alimentación
Display LCD 24 caracteres
Transformadores Fuente +5 / -5
110V AC 6-0-6 V AC 1 A
Fuente Dual 0-24 V DC
110V AC A 24-0-24 V AC 6A
68
4.4 PLANOS DEL ESQUEMA HARDWARE
Los elementos se encuentran detallados en la sección de
descomposición en la arquitectura de subconjuntos y elementos; los
planos correspondientes al hardware de control se encuentran incluidos
en el siguiente cuadro.
Cuadro 8. Esquema Hardware Detallado
# Elementos propio Estándar Cuadro Plano
4.1.1 Circuito driver X B1 1
4.1.2 Circuito acondicionamiento Se X B2 2
4.1.3 Protección X B3
4.1.4 Circuito impreso X
4.1.5 Conectores X B6
4.2.1 Display X B6
4.2.2 Circuito LCD X B7 3
4.2.3 Circuitos impresos X
4.2.4 Conectores X B6
69
4.3.1 Transformadores X X B6
4.3.2 Circuitos impresos X
4.3.3 Circuito fuente +5/-5 VDC X B4 4
4.3.4 Circuito fuente dual 0 - 24 V DC X B5 5
NOTA: Los planos y los anexos se encuentran en el almacén del
laboratorio de automática, debido a que su utilidad en el laboratorio es
indispensable.
70
5. DISEÑO PARA ENSAMBLE
MÓDULO PARA CONTROL DE POSICIÓN ANGULAR CON DOS
GRADOS DE LIBERTAD COPTER II
Como se menciona en los capítulos precedentes, el número de
módulos a producir se limita a un solo prototipo; con base en esto, se
considera los siguientes aspectos:
§ El tiempo de ensamble depende directamente de las habilidades de
la persona y del número de herramientas empleadas para dicha
función.
§ La integración de partes en el diseño se orienta a minimizar el
número de partes, ya que a pequeña escala una integración eleva
los costos de manufactura.
§ Las herramientas empleadas deben ser fácil de manipular,
estándares, y de fácil adquisición, con el fin de hacer el ensamble un
poco más intuitivo; la ubicación de los subconjuntos y elementos en
el módulo por parte de los usuarios, ayuda a minimizar posibles
71
fallas de ensamble que podrían afectar el buen funcionamiento del
módulo.
§ Los impactos de DPM sobre otros factores están fundamentalmente
enfocados hacia un producto de buena calidad en cuanto a
funcionamiento y operaciones de materiales y elementos estándar,
ya que éstos dan garantía y seguridad, ayudando a minimizar
posibles mantenimientos y reparaciones.
72
6. PROTOTIPADO
El objetivo de incluir prototipos en el diseño de Copter II, es de tener
desde las etapas iniciales una aproximación casi real del producto final,
para tener una retroalimentación por parte de los usuarios, y de analizar
interacciones entre conjuntos.
Estos prototipos fueron base para el desarrollo del diseño industrial y de
manufactura, identificando los sectores más significativos visualmente,
en los cuales se debería hacer énfasis con el diseño industrial y
analizar las formas de algunos elementos en combinación con otros.
Figura 38. Puntos significativos
73
Figura 39. Conceptos Platinas
§ Se tuvo en cuenta dos tipos de prototipos:
Físico parcial (Prototipo Físico) Utilizado en pruebas de hardware
para los circuitos principales como Driver,
acondicionamiento de las señales, fuente y circuito
red, corroborando el funcionamiento adecuado, para
que éstos puedan ser implementados. Se realizaron
prototipos para algunos conceptos generados,
finalizando manufactura e interacciones físicas.(Ver
Figura 41).
Analítico parcial: (Prototipos Virtuales). Desarrollo en 3D del módulo
final, del cual se toman fotos para la debida
documentación, mostrando interacciones entre
74
subconjuntos, elementos, y las interacciones con los
usuarios, la realización para los manuales de usuario y
servicio. Se generaron a partir del modelo final las
animaciones mostrando la secuencia del ensamble
general para incluirlo dentro del manual de servicio
Figura 40. Clasificación de prototipos
Físico
§ Prototipos
Físicos
Parcial Completo
§ Prototipos
Virtuales
Analítico
75
Figura 41. Prototipos iniciales.
76
7. ESQUEMAS CONSTRUCTIVOS
Figura 42. Esquema ángulos barra
Figura 43. Esquema ángulo vertical
77
Figura 44. Esquema platinas barra
Figura 45. Esquema soporte platinas
78
Figura 46. Esquema soporte superior
Figura 47. Esquema propulsor
79
Figura 48. Esquema soporte motores
Figura 49. Esquema protector
80
8. PRUEBA DE FUNCIONABILIDAD
La prueba de funcionabilidad se desarrollo en LabView, en el cual es
relativamente sencillo manipular los datos en la tarjeta de adquisición
de datos.
Con la prueba de funcionabilidad realizada se pueden mostrar los dos
grados de libertad del módulo, identificando la estabilidad e
inestabilidad de cada uno de ellos.
La interfaz, la cual contiene dos gráficas, una de posición vertical y una
de posición horizontal, muestra la posición angular y voltajes
correspondientes a dicha posición, generando alarmas en los topes
mecánicos. (ver Figura 50).
En la Figura 51 se muestra el código grafico de la prueba de
funcionabilidad desarrollada, donde se puede ver claramente el manejo
de las distintas variables que maneja el nuevo módulo COPTER II.
81
Figura 50. Interfaz de la prueba de funcionabilidad.
Figura 51. Código gráfico de la prueba de funcionabilidad.
82
CONCLUSIONES
Para el desarrollo de productos es importante tener en cuenta todos los
aspectos relacionados con la arquitectura del producto, diseño para
manufactura, ensamble y diseño industrial, puesto que ayudan a
fundamentar de manera técnica las bases principales para el diseño y
construcción de cualquier producto.
Cuando se trabaje con variables de posición ( en este caso angulares )
es recomendable dotar los módulos con dispositivos que permitan la
visualización permanente y confiable de la variable a medir, para
obtener buenos resultados durante las practicas realizadas.
Cuando se realicen practicas de control se debe implementar el
hardware requerido para manipular o manejar adecuadamente las
señales de entrada como de salida en el sistema, garantizando siempre
que dichas señales sean acordes a los niveles de voltaje y corriente
manejados por los sistemas para adquisición de datos.
83
RECOMENDACIONES
§ Utilizar el módulo en práctica de control o instrumentación, previa
consulta del manual del usuario.
§ En caso de encontrar fallas en el funcionamiento, no recurra
directamente a dar soluciones sin antes consultar el manual del
usuario, manual de servicio y/o al personal calificado.
§ Para que los estudiantes realicen prácticas en COPTER II, deben
tener un conocimiento teórico básico sobre el área de control e
instrumentación.
§ Teniendo en cuenta las características y aplicaciones de COPTER II,
las instituciones de educación superior que manejen áreas de la
Ingeniería relacionadas con el control e instrumentación, deberían
dotar sus laboratorios con módulos de este tipo, los cuales tienen
como virtud coadyuvar en el acercamiento de las nuevas tecnologías
a las prácticas educacionales.
84
FUTURAS MEJORAS
• Los estudiantes podrán desarrollar una etapa de control externa
al módulo, para realizar control sin necesidad de utilizar un
computador. Además pueden utilizar el LCD que tiene COPTER
II para visualizar los datos del controlador.
• Se puede reemplazar un extremo de la barra por una hélice
articulada, y el otro extremo por una pieza maciza para hacer
contrapeso, esto con el objetivo de controlar la posición por medio
de la hélice articulada.
• Acondicionar un hardware para control externo para manejo de
motores de altas revoluciones.
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BIBLIOGRAFÍA
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México: Universidad Politécnica de Valencia- Alfaomega, 2001. 64p
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