MEMORIA DE LA CREACIÓN DE UN
ROBOT DE CONTROL NUMÉRICO DE TRES EJES

OBJETIVOS.

ELEMENTOS MECÁNICOS.

            LOS MOTORES PASO A PASO (PAP).
            ACCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA.
            

ELEMENTOS ELECTRÓNICOS.


            PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL CIRCUITO.
            ALIMENTACIÓN DEL CIRCUITO.
            SEÑAL DE RELOJ (CLOCK).
            EL PUERTO PARALELO.
            BLOQUE DE OPTOACOPLADORES.
            BLOQUE DE CONTROL DE RELOJ.
            BLOQUE GENERADOR DE FASES.
            BLOQUE DE CONTROL DE INTENSIDAD.
            BLOQUE DE EXCITADORES DE POTENCIA.
            BLOQUE DE SELECCIÓN DE LECTURA U ORDEN.


IMÁGENES

BIBLIOGRAFÍA

Última actualización: 25 de abril de 2006





OBJETIVOS:


Crear una máquina de control numérico de tres ejes y adquirir los conocimientos necesarios para crear un interfaz entre un ordenador y la máquina lo cual nos brinda la posibilidad de adentrarnos, de un modo fácil y didáctico en el mundo de la automatización.

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LOS MOTORES PASO A PASO (PAP).


Los motores PAP son ampliamente utilizados en diversos aparatos considerados de gran consumo entre los cuales podemos citar las impresoras, plotters y escáneres para ordenadores, así como también en el ámbito industrial para el movimiento de brazos electromagnéticos, mesas de posicionamiento, mecanismos de alimentación y automatismos de precisión.

Se trata de un motor que cuenta con un gran número de posiciones estables sucesivas separadas entre ellas pos un paso, el número de pasos con el que cuenta el motor corresponden a una revolución. En nuestro caso contamos con motores de 48 pasos, es decir que serán necesarios 48 impulsos en una o varias bobinas del motor para completar una vuelta completa.

Elegimos para el desarrollo del prototipo motores bipolares frente a los unipolares.
Comparado con el motor unipolar los bipolares cuentan con ventajas incuestionables, de las cuales –y no la más sobresaliente-, es la potencia. A igual peso y volumen un motor bipolar presenta un par más importante que un motor unipolar.
Por el contrario el control del motor bipolar es más complejo. Para hacer que se mueva un paso hay que invertir la corriente en sus bobinados, lo que complica notablemente su funcionamiento.

Existen en el mercado dispositivos de varios fabricantes que integran en un encapsulado las etapas de control y de potencia de los motores paso a paso, pero por razones didácticas, por la necesidad de elevadas potencias y la dificultad de encontrar estos dispositivos se eligió desarrollar todo el circuito con componentes electrónicos básicos que se pueden encontrar con facilidad en cualquier tienda de electrónica y resultan económicos.

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ACCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA.


Los motores controlan unas varillas roscadas “métrica 4”, que engranan con un casquillo roscado, que a su vez encaja con un tubo de acero inoxidable deslizable de 10 mm de diámetro.

Por cada vuelta que gira el motor y con el la varilla el tubo se desplaza 0,7mm. Como los motores poseen 48 pasos por vuelta, la resolución es de 0.014mm y son necesarios aproximadamente 68 pasos para recorrer 1 mm.

La máquina ha sido creada con materiales que se pueden encontrar en cualquier ferretería, tales como abrazaderas de fontanería, escuadras, perfiles para estanterías, rodamientos de monopatines y varillas roscadas. Los únicos elementos que se han conseguido en tiendas especializadas han sido los motores paso a paso y los tubos de acero inoxidable sin juntas, estos últimos han encarecido el prototipo, peor ofrecen mejores resultados frente al tubo de aluminio. Por todo esto el prototipo presenta carencias de precisión y velocidad que son fácilmente solucionables con dinero.

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PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL CIRCUITO
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>Tres excitadores de potencia independientes, cada uno de ellos con dos pares de salidas bipolares.
>LED’s indicadores para la señal de reloj y errores en las señales de salida.
>64 entradas digitales TTL para sensores, contactos de posición o finales de carrera. Las 32 primeras pueden interrumpir la ejecución de un trabajo cuando se ponen a ‘1’ y avisar al PC.
>Reset por software de los biestables.
>Alimentación de 12V y 5V.

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ALIMENTACIÓN DEL CIRCUITO
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Para el alojamiento del circuito se ha elegido la carcasa de un PC con su correspondiente fuente de alimentación por los siguientes motivos:

>Nos proporciona una amplia caja para insertar el circuito.
>La seguridad y fiabilidad que da una fuente de alimentación ya fabricada.
>La alta potencia que ofrece (5V-20A-100W y 12V-8A-96W).
>Son muy económicas.

La alimentación regulada del circuito se obtiene mediante el semiconductor de Motorola MC7805, se trata de un regulador de tensión de 5V y 1A, con protección interna contra sobrecarga térmica y contra cortocircuito, viene en un encapsulado de tres pines TO220. El MC7805 es alimentado con los 12V de la fuente de alimentación.

La alimentación de los motores se obtiene directamente de la fuente de alimentación.

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RELOJ


El integrado NE555 sirve para enviar a los biestables y al PC los impulsos de reloj (Clock) para que el motor gire a distintas velocidades determinadas por la frecuencia de la onda cuadrada.

Este integrado se utiliza como multivibrador aestable y permite modificar desde un potenciómetro la frecuencia de impulsos de reloj (clock). En otras palabras, con este circuito se consigue modificar la velocidad de rotación de los motores.

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EL PUERTO PARALELO
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El puerto paralelo se utiliza generalmente en el PC para conectar la impresora, no obstante esta interfaz es muy flexible y puede ser utilizada para una gran variedad de aplicaciones distintas, entre las que se encuentra la conexión de pequeños robots o la interconexión de dos ordenadores de forma directa.
La particularidad del puerto paralelo es que está pensado para transmitir los datos de 8 en 8 bits, lo que se traduce fundamentalmente en una mayor velocidad de transferencia de información. Otra de las diferencias del puerto paralelo respecto al puerto serie es que las señales eléctricas utilizadas para representar los estados lógicos 0 y 1 son de 0 y  +5V respectivamente, en vez de las tensiones negativas (entre –3 y –15 voltios) y positivas (entre +3 y +15 voltios) utilizadas en el puerto serie.
El puerto paralelo dispone de tres registros a través de los cuales se intercambian tanto los datos de información como las señales de control. Estos registros son el registro de datos, registro de estado y registro de control.

Las señales que controlan el circuito desde el puerto paralelo, son las siguientes:

Ver la tabla de asignación de pines.


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BLOQUE DE OPTOACOPLADORES.


El puerto paralelo del PC se conecta al circuito mediante optoacopladores para evitar cualquier daño en el ordenador.
Se conectan los siete primeros bits del registro de datos y el 5 y 6 del registro de estado.

Ver el esquema del circuito.

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BLOQUE DE CONTROL DEL RELOJ
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Este bloque se encarga de que llegue la señal de reloj a los biestables solo cuando existe en la entrada una orden válida (1-0 ó 0-1) de esta forma se evita que lleguen a los biestables pulsos de reloj erróneos.

Ver el esquema del circuito.

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BLOQUE GENERADOR DE FASES
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Las fases son generadas por cuatro biestables JK y 4 multiplexores 2x1 por coordenada, a este circuito se le proporciona una señal de reloj, el sentido de giro de los motores y una línea de Reset.

Ver el esquema del circuito.


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BLOQUE DE CONTROL DE INTENSIDAD
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Este bloque evita que los errores en los biestables, suelen ocurrir al encender  la placa puedan generar dos unos en una fase 1 y 2 ó 3 y 4, lo que llevaría a que por los transistores pasase la corriente sin una resistencia que la limite y por lo tanto se quemasen.

Cuando aparecen dos unos en las fases 1 y 2, 3 y 4, el bloque pone a cero estas fases e indica el error mediante un LED, esta señal se puede conectar a cualquiera de las entradas digitales de la placa para poder indicar al PC que sus ordenes no se están ejecutando correctamente.

Del mismo modo también se pueden conectar las fases a las entradas de la placa para que el PC realice un seguimiento de los circuitos y evalúe donde se está produciendo un posible fallo.

Ver el esquema del circuito.

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BLOQUE DE EXCITADORES DE POTENCIA
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Si se quieren utilizar componentes discretos para excitar los motores, hay que utilizar un puente con cuatro transistores bipolares NPN por cada bobinado del motor, es decir ocho transistores por motor.

Cada una de las dos bobinas del motor deberá ser controlada en un orden bien determinado, este orden define el sentido de giro del motor.

La base de los transistores se conecta a los optoacopladores por medio de resistencias que regulan la corriente de los optoacopladores. Además cada colector de los transistores esta conectado a masa por diodos de potencia en inversa, para evitar que corrientes inversas generadas por los motores puedan dañar los transistores, lo cual no aparece en el esquema para que resulte más legible.

Ver el esquema del circuito.

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BLOQUE DE SELECCIÓN DE LECTURA U ORDEN.


A través del BIT de datos Nº6 el PC indica a la placa si quiere leer una entrada digital o si quiere mandar una orden. Cuando este BIT está a 1 el multiplexor 2x1 del 74xx157 pone a cero la salida de reloj, de esta forma los biestables dejan estables las fases. Así se puede acceder independientemente a las entradas digitales aprovechando las entradas de datos sin que se produzcan movimientos erróneos en los motores.

Ver el esquema del circuito.

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IMÁGENES


Máquina de control numérico

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Vista superior

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Detalle de los mecanismos

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Circuitería del robot

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Parte mecanica y electrónica del robot

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