INSTITUTO U P IITA. "Ingeniero. Presentan. Asesores. Adolfo Alvaro

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS U P IITA AFILADOR DE HERRAMIENTAS DE PUNTA "TIPO DIAMANTE" Trabajo Terminal Que para obtener el título de "Ingeniero en mecatrónica" Presentan Pina Balan Javier Iván Santana Reali Edgar Arnaldo Asesores M. en C. Rojas Pacheco Adolfo M. en C. Anzueto Ríos Alvaro M. en C. Campos Vázquez Alfonsoo México D.F. a 3 de Julio 2007

2 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINA ARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS UPI ITA AFILADOR DE HERRAMIENTAS DE PUNTA "TIPO DIAMANTE" Trabajo Terminal Que para obtener el título de

3 "Para todos aquellos que confiaron en nosotros Y sobre todoo para aquellos que no lo hicieron "

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6 Agradecimientos Al Instituto Politécnico Nacional y en especial a la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas UPIITA por habernos dado la oportunidad de aprender y forjarnos como profesionales. A nuestros asesores por su paciencia y dedicación a lo largo de este trabajo terminal A nuestra Presidenta de jurado y a nuestro Titular de la materia por sus valiosas aportaciones y comentarios. A nuestro tutor por su apoyo a lo largo de nuestra formación profesional.

7 ÍNDICE GENERA AL ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABLAS RESUMEN OBJETIVOS Objetivo General Objetivos Particulares INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES Marco Teórico Rectificadoras Velocidades Avances Proyector de perfiles Tipos de corte de buriles Buriles de acero [9] Control Definición de un sistema de control Sistemas de control en la ingeniería Características y configuraciones de un sistema Entrada y salida Sistemas en lazo abierto Sistemas en lazo cerrado (control retroalimentado) Sistemas controlados por computadora Motor eléctrico... Control del Motor Arranque Parada Inversión de la rotación

8 4 Marcha Control de Velocidad Protección contra daños Arranque y Detención Servomotor Servomotor digital Óptica Lupa Fotografía Mínimos Cuadrados Iluminaciónn Iluminación para las aplicaciones de Visión Artificial Fundamentos de la iluminaciónn Tipos de Reflexión Reflexiones Difusas Técnicas de iluminación Iluminación Frontal Axial (difusa) Microcontrolador PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Definición del problema Justificación Solución del problema DESARROLLO DE LA PROPUESTA Mecánica La Selección de 2 tipos de herramientas de diamante Calculo de engranajes y cremalleras Cálculo fuerzas Diseño de elementos Mesa de trabajo Cremallera para el movimientoo de la mesa

9 Base del porta buriles 53 Base para controlarr el avance Cremallera para el avance del buril Cilindro Porta buril Contenedor del cilindro porta buril Ensamble del mecanismo Ensamble Final Simulaciones Movimiento de la mesa Movimiento del Porta buril Rotación buril Control Electrónica Programación Visión Artificial Elección de los lentes de Aumento Elección de la cámara Análisis de las imágenes Calibración de la cámara Imágenes para la base de datos VALIDACIÓN DEL SISTEMA Elementos integradores del prototipo Mecanismo de movimiento Esmeril de Banco Circuito de electrónica Motores Interfaz de comunicación serial (Protocolo de comunicación RS-232C) 79 Fuentes de voltaje Cámara web Bases de Madera

10 42Pruebas realizadas al sistema 4.3 Costos... BIBLIOGRAFÍA ANEXO II (Programas del microcontrolador)... ANEXO III (Planos)... ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 CobornRGóFE CONCLUSIONES Conclusiones Posibles mejoras al sistema ANEXO I (Programas de Matlab) ANEXO IV (Hojas Características) Figura 1.2 CobornRG5FE Figura 1.3 Coborn RG4E Figura 1.4 Comparador Óptico Figura 1.5Rectificadora manual Figura 1.6 Rectificadora Figura 1.7 Esmeriladora de superficie Figuras 1.8 Comparadores Ópticos Figura 1.9 Tipos de Buril Figura 1.10 Buril de diamante para biselar Figura 1.11 Buril de diamante para rayado Figura 1.12 Buril de diamante para rayar y cilindrar Figura 1.13 Sistema de Control Figura 1.14 Sistema entrada salida...,.22 Figura 1.15 Sistema en lazo abierto Figura 1.16 Sistema en lazo cerrado Figura 1.17a) Servomotor analógico Figura 1.17b) Servomotor digital

11 Figura 1 18 Lupa 31 Figura 1.19 Lupas de mayor aumento Figura 1.20 Iluminación Figura 1.21 Reflexión Difusa Figura 1.22 Iluminación Difusa Figura 3.1 Buril de diamante para biselar Figura 3.2 Buril de diamante para rayado Figura 3.3 Mesa de Trabajo Figura 3.4 Cremallera para el movimiento de la mesa Figura 3.5 Engrane para cremallera para el movimiento de la mesa Figura 3.6 Base de porta buriles Figura 3.7 Base de control de avance Figura 3.8 Cremallera para el avance del buril Figura 3.9 Engrane para cremallera para el avance del buril Figura 3.10 Cilindro porta buril Figura 3.11 Contenedores del cilindro porta buril Figura 3.12 Copies tipo T Figura 3.13 Explotado del mecanismo Figura 3.14 Ensamble del mecanismo Figura 3.15 Ensamble final Figura 3.16 Movimiento de la mesa Figura 3.18 Esfuerzo de la mesa Figura 3.19 Desplazamiento de la mesa Figura 3.20 Vibración de la mesa Figura 3.21 Vibración del porta buril Figura 3.22 Energía de tensiónn del porta buril Figura 3.23 Esfuerzo del porta buril Figura 3.24 Desplazamiento del porta buril Figura 3.25 Vibración del porta buril Figura 3.26 Vibración del porta buril

12 Figura 3.28 Esfuerzo rotación del buril Figura 3.29 Desplazamiento rotación del buril Figura 3.30 Vibración rotación del buril Figura 3.31 Diagrama de control del servomotor Figura Figura Figura 3.34 Servomotor HS-5745HG Figura 3.35 Diagrama de control del motor de CD Figura Figura Figura 3.38 Circuito de control Figura 3.39 Circuito de control para impreso Figura 3.40 ConectorDB Figura 3.41 Lupa de Vaso Figura 3.42 Lupa de doblete Figura 3.43 Buril Con aumento de 10X Figura 3.44 Base para lupa Figura 3.45 a),b)y c) Fotos con cámara web Figura 3.46 Umbralización Figura 3.47 Gráfica de valores de calibración Figura 3.48 Gráfica de valores de calibración con mínimos cuadrados Figura Figura 3.32 Servomotor HSR5995TG Servomotor HSR5995TG Motor de CD Diagrama de control general Buril Buril Figura 4.1 Mecanismo de movimiento Figura 4.2 Esmeril de Banco Figura.4.3 Motores Figura 4.4 Fuentes de voltaje Figura 4.5 Cámara web Figura 4.6 Base de madera

13 Figura 4.7 a) y b) Buriles afilados con el prototipo el prototipo Figura 4.7 a) y b) Buriles afilados con ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Tipos de Buril... Tabla 2. Pines DB9... Tabla 3. Líneas de calibración... Tabla 4. Valores de calibración... Tabla 4. Tolerancias del buril... Tabla 5. Tolerancias del tercerr buril.. Tabla 7. Tabla de costos

14 RESUMEN Prototipo Afilador de herramientas de punta "tipo diamante" Palabras Clave: Mecatrónica, Ingeniería, Interdisciplinaria, Prototipo, Afilador, Diamante, Algoritmos, Artificial, Procesamiento, Visión. Abstract: In this Engineering g work, will be described a diamondd tool lapidator, capable to build an industrial diamond tool automatically by using: digital image processing, different kinds of mechanisms and engine control. La maquinaria existente paraa el afilado de perfiles de diamante para corte, es en exceso costosa e inalcanzable para las PyMES, lo cual hace que el prototipo sea interesante, porque no tendrá un costoo elevado, además de utilizar tecnologías actuales en el ramo, será capaz de elaborar herramientas de manera automática. Se diseño un prototipo de máquina que de forma automática, afile la herramienta y haga los ajustes de los perfiles por medio de visión artificial disminuyendo tiempos y costos de producción. Este prototipo se construyó encaminado a la industria de las herramientas de diamante que en México son muy escasas por lo que el trabajo de este tipo, y la mano de obra son muy costosos. El prototipo diseñado, sólo efectuará el afilado que se requieree en los diamantes pero en materiales de menos costo, con miras a que con mayor tiempo e investigación llegue a realizarlo con diamantes. Por medio de la visión artificial utilizada en el prototipo se podrán realizar las comparaciones ópticas de tal manera que los perfiles tengan mayor similitud.

15 OBJETIVOS Objetivo General Diseñar y construir un prototipo de máquina que sea capaz de realizar dos perfiles de corte para diamantes industriales, en materiales de prueba, de forma automática aplicando control de motores y posición por medio de visión artificial. Objetivos Particulares Diseñar un programa de visión artificial (procesamiento digital de imágenes), que logre capturar las imágenes de la herramienta a trabajar, aislar la imagen de la herramienta para realizar una escalaa de medición y poder comparar las medidas adquiridas con la cámara y un diseño ya preestablecido de nuestro afilado. Diseñar un mecanismo mediante el cual se logren realizar movimientos de tal forma que se pueda elaborar el afilado deseado, así como especificar una área de trabajo y espacios establecidos para colocar los motores necesarios y adquirir los movimientos deseados. Diseñar un sistema por medio de microcontroladores y comunicación con una computadora, para establecer los lincamientos y movimientos de motores que permitan automatizar y controlar el mecanismo ya diseñado. Seleccionar un material adecuado para la realización del mecanismo de tal manera que se pueda obtener un prototipo de bajo costo, funcional y que tenga el menor desgaste posible. 11

16 INTRODUCCIÓN Tecnológicamentee hablando, las herramientas son fundamentales para el desarrollo de las actividades industriales; y las herramientas de corte forman un importante grupo, de éstas existen en diversos materiales y formas determinadas por el tipo de trabajo que desempeñan. Todas ellas requieren de procesos específicos, como las de diamante, donde la precisión es fundamental, misma que hoy en día se logra con la ayuda de la tecnología además de las destrezas humanas, sin embargo, los avances tecnológicos no pueden aprovecharse en todos los casos debido a sus altos costos. Existen sin embargo elementos que la ingeniería actual logra combinar para producir alta tecnología con la disminuciónn sensible de dichos costos. Para alcanzar un objetivo como este, es imprescindible contar con el conocimiento del funcionamiento de componentes que intervienen en un diseño de esta naturaleza, como máquinas herramienta, elementos de óptica, control, electrónica, programación, etc. El uso de las computadoras para el desarrollo de proyectos, permite en muchos casos, obtener resultados muy cercanos a la realidad sin exponer materialmente los elementos que pudieran ser objeto de errores, además de integrar esta importante herramienta en el manejo del proyecto por medio de simulaciones muy reales. Otro aspecto de gran importancia y fundamental para el correcto funcionamiento de los elementos del proyecto es el uso de la herramienta de control, ésta nos permite modelar un sistema de acuerdo a una entrada para la obtención del resultado deseado, esto representa realizar procesos minimizando o, en lo posible errores así como automatizar el mismo proceso. 12

17 1 ANTECEDENTES Hoy en día, existen máquinas en el extranjero que realizan un trabajo similar al descrito utilizando tecnología de punta, lo que eleva el precio de manera considerable, como por ejemplo: En este tipo de máquinas, el proceso de afilado de la herramienta de diamante sintético es automático; se realiza por medio de la programación de las piezas, no tienen un banco de memoria y su precio es elevado.

18 Esta máquina hace el proceso de afilado manual, pero como innovación de que tienee el comparador óptico integrado, se requiere del uso de un operador y no llega a ser tan precisa debido a que requiere de la experiencia y criterio de quien elabora la herramienta. Estass se fabrican en el extranjero por COBORN ENGENEERING [11]. En la industria mexicana es común el manejo de máquinas con menor tecnología y mayor intervención humana, por ejemplo: Con la rectificadora se realizaa el afilado de la herramienta de forma manual, ajustando ángulos, distancias y radios constantes con el comparador óptico. 14

19 1.1 Marco Teórico Rectificadoras Son máquinas cuyo trabajo es proporcionar a determinadas herramientas mayor precisión en medidas y acabados. El rectificado que se efectúa, en general, con piezas procesadas anteriormente por otras máquinas herramientas hasta dejar un pequeño exceso de material respecto a la dimensión definitiva. El rectificado tienee por objeto alcanzar en las dimensiones una mayor precisión de acabado y es indispensable en el trabajo de los materiales duros o de superficies endurecidas por tratamientos térmicos realizados a través de muelas giratorias. Velocidades La velocidad de las ruedas depende, del material aglomerantee y de las condiciones de operación y varían entre a 7000 rpm. Las velocidades para acabados dependen del tipo de material, de la operación de esmerilado y de la rigidez de la máquina y varían entre 2500 y 5000 rpm. Avances El avance transversal dependee del ancho de la muela o rueda de amolar. Para un esmerilado de desbaste, este avance varía de un medio a tres cuartos del ancho de la rueda. Para el acabado se requiere un avance más pequeño, que varía entre un décimo y un tercio del ancho de la muela [7]. Entre las máquinas de rectificado y labrado abrasivo se encuentran las siguientes:

20 Rectificadoras superficiales: de mesa oscilante o giratoria. Rectificadoras cilindricas, para trabajo entre centros, sin centro, cigüeñal para conformado de roscas y engranes y para trabajo interno y en otras aplicaciones. Rectificadora de plantilla. Rectificadoras para herramienta y cortadores. Desbastadoras para trabajos en piezas de fundición. Recortadoras y perfiladoras. Para labrado abrasivo, de banda, disco y material suelto Proyector de perfiles En el proceso de medición de una pieza, intervienen distintoss medios para controlarr la conformidad de ésta con las especificaciones del plano. A menudo, las piezas presentan zonas estrechas de difícil acceso donde es necesario implicar medios expertos para poder dar respuesta a las especificaciones del plano. Con la ayuda de un proyectorr de perfiles es posible realizar las mediciones en 2D sobre la sombra ampliada de la zona del detalle de interés, con un factor de ampliación conocido. La actividad complementaria a este proceso metrológico supone la preparación de los cortes pertinentes, especificados en el plano. 16

21 Con este fin se puede emplear sierra de disco, sierra de hilo con recubrimiento de diamantes, etc. Es muy importante la fijación de la muestra en el sistema de corte para comprender la zona de interés, el plano medio, el centro geométrico del detalle. Una vez obtenida la sección hay que pulir la superficiee y limpiarla de las posibles rebabas inherentes al proceso de corte. En piezas tipo conector con elementos alargados, en consola, elásticos o de baja rigidez que podrían sufrir deformaciones remanentes o alteraciones en la zona de interés durante el proceso de corte, se realizan probetas de estas, rigidizando su estructura en una resina liquida y con buena fluidez que después de 24h están listas para el proceso de corte. Antes de empezar a medir hay que idear un buen sistema de fijación sobre la mesa de cristal del proyector de perfiles, paraa evitar posibles riesgos de movilidad. 17

22 Las dimensiones a medir suelen ser radios muy pequeños, zonas con acabado en forma de chaflán o cotas que refieren a zonas muy estrechas, donde el acceso con la punta de rubí del palpador de una máquina tridimensional u otro medio metrológico es imposible; puede realizarse la medición directa, utilizando la lectura de los regles de desplazamiento de los ejes o también la medición asistida por un software específicos, capaz de definir primitivas geométricas y encontrar la relación geométrica de interés [8] Tipos de corte de buriles Buriles de acero [9] Buriles Buriles tipo AR y AL Buriles tipo BR y BL Buriles tipo C Buriles tipo D Buriles tipo E Buriles tipo FR y FL Buriles tipo GR y GL Buriles de diamante Aplicación Sirven para barrenar y cilindrarr Buriles para herramientas de forma Buriles para herramientas de forma Buriles para acabado y perfilado Buriles para roscar Buriles para refrenar y esquinar Buriles para cilindrar y esquinar Varias aplicaciones Tabla 1 Tipos de Buril 18

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24 1.1.4 Control Los sistemas de control son parte integrante de la sociedad moderna y sus numerosas aplicaciones están alrededor de nosotros. Definición de un sistema de control Un sistema de control es el conjunto de subsistemas y procesos (o plantas) unidos con el fin de controlar las salidas de los procesos. En su forma más sencilla, un sistema de control produce una salida o respuesta para una entrada o estimulo dado, como se muestra en la figura Estabilidad, estabilización y dirección La teoría de los sistemas de control, como se conoce hoy, empezó a cristalizar en la última mitad del siglo XIX. En 1868, James Clerk Maxwell publicó el criterio de estabilidad paraa un sistema de tercer orden basado en los coeficientes de una ecuación diferencial. En 1874, Edgard John Routh, que utilizó una sugerencia de William Kingdom Clifford y que fue ignorada antes por Maxwell, pudo ampliar el criterio de estabilidad para los sistemas de quinto orden. En 1877, el tema del premio Adams fue el criterio de estabilidad dinámica. En respuesta Routh envió un artículo científico titulado "Tratado sobre la estabilidad de un estado de movimiento dado" y ganó el premio. Este artículo científico contiene lo que ahora se conoce como criterio de estabilidad de Routh Hurwitz. Alexandr Michailovich Lyapunov también colaboró en el perfeccionamientoo y elaboración de la teoría y práctica de estabilidad de sistemas de control de hoy día. Siendo discípulo de P. L. Chebyshev de la Universidadd de San Petersburg en Rusia, Lyapunov extendió el trabajo de Routh a sistemas 20

25 no Únales, en su tesis de doctorado de 1892 titulada "El problema general de estabilidad de movimiento". Sistemas de control en la ingeniería El diseño de sistemas de control es un promisorio campo de acción, en el cual es posible aplicar el talento en ingeniería, porque abarca numerosas disciplinas y gran cantidad de funciones dentro de esas disciplinas. El ingeniero se puede hallar en los puestos de mayor jerarquía de grandes proyectos, contratado para la fase conceptual a fin de determinarr o estipular los requisitos de sistemas generales. Estos requisitos comprenden especificaciones sobre la operación total de un sistema, funciones de subsistemas y la interconexión entre estas funciones, que incluye los requisitos de inferíase, el diseño de hardware y software, así como planes y procedimientos de prueba. Características y configuraciones de un sistema Entrada y salida Comoo ya se han dicho, un sistema produce una salida o respuesta para una entrada o estímulo dado. La entrada representa una respuesta deseada; la salida es la respuesta real. Dos factores hacen que la salida sea diferente de la entrada. Primero, compárese el cambio instantáneo de la entrada contra el cambio gradual de la salida (Figura 1.24).. Las entidades físicass no pueden cambiar su estado de manera instantánea. El estado cambiaa en una forma que esta relacionada con el dispositivo físico y con la manera en que adquiere o disipa energía. A esta parte de la respuesta se le conoce como respuesta transitoria. 21

26 A continuación se describen dos sistemas de control: lazo abierto y lazo cerrado. Se pueden considerar que estas configuraciones son la estructura interna del sistema en la figura Sistemas en lazo abierto En la Figura 1.25 se muestra un sistema genérico en lazo abierto, la característica distintiva de un sistema en lazo abierto es que no puede compensar ninguna perturbación que se sume a la señal de atenuación del controlador. Los sistemas en lazo abierto, entonces, no corrigen perturbaciones y simplemente comandan por la entrada. se Sistemas en lazo cerrado (control retroalimentado) La estructura genérica de un sistema en lazo cerrado se ilustra en la figura Este sistema, compensa perturbaciones al medir la respuesta de salida, alimentando esa medida a una trayectoria de realimentación y comparando esa respuesta con la entrada en el punto suma. Si hay alguna diferencia entre las dos respuestas, el sistema acciona la planta, por medio de una señal de actuación para hacer la corrección. 22

27 En resumen, los sistemas que realizan la medición y corrección previamente descritass se llaman sistemas en lazo cerrado, o de control retroalimentado. Los sistemass que no tienen esta propiedad de medición y corrección se llaman sistemas en lazo abierto [1]. Sistemas controlados por computadoraa En diversos sistemas modernos, el controlador (o compensador) es una computadora digital. La ventaja de usar una computadora es que muchos lazos pueden ser controlados o compensados por la misma computadoraa por medio de tiempo compartido. Además en el software más que en el hardware, se pueden hacer cualesquier ajustes de los parámetros compensadores necesarios para obtener una respuesta deseada. La computadora también puedee efectuar funciones de supervisión, como la programación de numerosas aplicaciones requeridas [3] Motor eléctrico Existen algunas condiciones que deben considerarse al seleccionar, diseñar, instalar, o dar mantenimiento al equipo de control del motor eléctrico. El control del motor era un problema sencillo cuando se usaba una flecha maestra común, a la que se le conectaban varias máquinas, porque el motor tenía que arrancar y parar sólo unas cuantas veces al día. Sin embargo, con la transmisión individual el motor ha llegado a 23

28 ser casi una parte integrante de la máquina y es necesario diseñar el controlador que se ajuste a sus necesidades. Control del Motor Algunos factores a considerarse, respecto al controlador del instalarlo pueden enumerarse como sigue: motor, al seleccionarloo e 1. Arranque El motor se puedee arrancar conectándolo directamente a través de la línea. Sin embargo, la máquina impulsada se puedee dañar si se arranca con ese esfuerzo giratorioo repentino. El arranque debe hacerse lenta y gradualmente, no sólo para protegerr la máquina, sino porque la oleadaa de corriente de la línea durante el arranque puede ser demasiado grande. La secuencia del arranque de los motores, también comprende el empleo del controlador. 2. Parada Los controladores permiten el funcionamiento hasta la detección de los motores y también imprimen una acción de freno cuando se debe detener la máquina rápidamente. La detención rápida es una función vital del controlador para casos de emergencia. Los controladores ayudan en esta acción retardando el movimiento centrífugo de las máquinas igual que en las operaciones de las grúas para manejar cargas. 3. Inversión de la rotación Se necesitan controladores para cambiar automáticamente la dirección de la rotación de las máquinas mediante el mando de un operador en una estación de control. La acción de inversión de los controladores es un proceso continuo con muchas aplicaciones industriales. 24

29 4. Marcha Las velocidades y características de operación deseadas, son función y propósito de los controladores. Éstos protegen a los motores, operadores, máquinas y materiales mientras funcionan. 5. Control de Velocidad Algunos controladores pueden mantener velocidades muy precisas para propósitos de procesos industriales, pero se necesitan de otro tipo para cambiar las velocidades de los motores por pasoss o gradualmente. 6. Protección contra daños Una de las funciones de una máquina automática es la de protegerse a sí misma contra daños, así como a los materiales manufacturados o elaborados. Las máquinas se pueden hacer funcionar en reversa, detenerse, trabajar a velocidad lenta o lo que sea necesario para realizar la labor de protección. Mantenimiento de los dispositivos de arranque. Una vez instalados y ajustados adecuadamente, los arrancadores para motor mantendrán el tiempo de arranque, voltajes, corriente y par torsor confiables, en beneficio de la máquina impulsada y el sistema de energía. Los fusibles cortacircuitos e interruptores de desconexiónn de tamaño apropiado para el arranque, constituyen buenas prácticas de instalación que se rigen por lo códigos eléctricos. 7. Arranque y Detención Puedee ser necesario, en el arranque y la detención, considerar las siguientes condiciones a que se pueden sujetar el motor y la máquina a él conectada: 25

30 Frecuencia del arranque y la parada. El ciclo de arranque de todos los controladores es vital en su satisfactoria operación continua. Los interruptores magnéticos, como los que se emplean para los motores, relevadores, contactores, pueden estropearse, en realidad, así mismos, por la apertura y cierre repetidos y continuos. Esta es una de las principales fallas, en los tableros de control que no se encuentren funcionando. Estos también pueden necesitar periodos más frecuentes de inspección y mantenimiento. Los controladores y accesorios de servicio pesado deben considerarse, definitivamente, cuando la frecuencia de arranque es grande. Arranque ligero o de servicio pesado. Algunos motores arrancan sin carga y otros lo hacen fuertemente cargados. El arranque de los motores puede causar grandes perturbaciones en la línea de alimentación, que afectan todo el sistema de distribución eléctrica de una planta. Arranque suave. Aún con los impulsos y mecánicos reducidos, mediante un método de arranque por pasos, pueden existir problemas que requieren medidas adicionales para remediarlos. Si se requiere un arranque suave y gradual, merecen investigaciónn los diferentes métodos de control Paradaa rápida o lenta. Es necesario que muchos motores paren instantáneamente. La producción y algunas exigencias de seguridad son tales, que es necesario hacer que las máquinas se detengan tan rápidamente como sea posible. Los controles automáticos y aplicados facilitan el retardo y frenan la velocidad de un motor y, en realidad, aplican un par torsor en la dirección opuesta a la rotación. Existen controladores para motor para casi cada condición práctica. La regulación de la desaceleración es una función de los controladores para motor. El control de velocidad del motor es esencial, no solamente para hacerlo funcionar, sino para controlar su velocidad durante la marcha. Respecto al control de velocidad, se deben considerar las siguientes condiciones: velocidad constante, velocidad variable, velocidad ajustable, velocidad múltiple [2]. 26

31 1.1.6 Servomotor Un servo, o servomotor, es un dispositivo electromecánico utilizado principalmente en robótica y en modelismo. Tiene la capacidad de lograr y mantener una posición, que se le indica por medio de una señal de control. Poseee únicamentee tres líneas de entrada que son: tierra, vcc, y control. La línea de tierra, está conectada al negativo de la batería; la de vcc, al positivo; y la línea de control espera recibir un pulso positivoo cada 20 milisegundos. Dependiendo de la duración de dicho pulso, que puedee variar desde lms hastaa 1.75ms en la mayoríaa de los dispositivos, se determina la posición que el motor debe alcanzar y mantener. A diferencia de los motores paso a paso, los servoss no consumen electricidad si se encuentran en la posición deseada, a menos que exista una fuerza externa que trate de cambiarla. Los servomotores análogos consisten en: Potenciómetro de manejo directo potenciómetro para la precisión agregada Motor poderoso Engranajes resistentess que generann el alto esfuerzo de torsión con el caso resistente a los choques sin contragolpes. Servomotor digital Los servos digitales tienen, al igual que los analógicos, un motor de corriente continua, un juego de engranajes reductores, un potenciómetro para la realimentación de posición y una electrónica de control embebida dentro del servo. La diferencia está en la placaa de control, en la que han agregado un microprocesador que se hace cargo de analizar la señal, procesarla y controlar el motor. La diferencia más grande de rendimiento está en la velocidad a la que reacciona el servo a un cambio en la señal. En un mismo lapso, el servo digital puede recibir cinco o seis veces más pulsoss de control que un analógico. Comoo resultado la respuesta del servo a un cambio 27

32 en la orden de posición es mucho más veloz. Este ritmo mayor de pulsos también produce mejoras en el rendimiento electromecánico del motor (mayor velocidad y más fuerza). Esto se debe a que en cualquier servo (de ambos tipos) el motor recibe, para su control, una alimentación conmutada. En los servos analógicos, la señal está conmutada a un ritmo de entre 10 y 22 ms. Si el ajuste que se requiere es muy pequeño (un ángulo pequeño de giro), los pulsos son muy delgados y están muy separados (10 a 22 ms). La integración de estos pulsoss es la que da la alimentación de potencia al motor, y en consecuencia la que lo hace mover. Una integración de pulsos delgados y muy separados puede dar resultados erráticos. Suele ocurrir que cuando llega el otro pulso, el motor se ha pasado de la posición y deba reajustarse, algo que ocurre constantemente. En los servos digitales la señal llega mucho más seguido y por esto la integración es más estable y la variación de corriente de control es más firme. En los servos digitales, la señal está separada por unos 3,3 ms. La separación entre pulsos varía en cada marca de servo digital, pero el ritmo de llegada de los pulsos es de al menos 300 veces por segundo versus 50 a 100 en un analógico. La ventaja de los digitales se reduce un poco cuando se habla de consumo, ya que el consumo del circuito y de los ajustes más continuados produce un gasto mayor de energía, y también un mayor desgastee del motor. Los servos digitales son capaces de memorizar parámetros de programación, que varían de acuerdo a cada fabricante pero en general son: Se puede programar el sentido de giro como "normal" o "inverso". Se puede programar una posición central (o posición neutra) diferente, sin afectar los radios de giro. Se pueden determinar diferentes topes de recorrido para cada lado. Es posible programar la resolución, es decir cuánto se mueve el control en el radio sin obtener un movimientoo en el servo. 28

33 1.1.7 Óptica Óptica, rama de la física que se ocupa de la propagación y el comportamiento de la luz. En un sentido amplio, la luz es la zona del espectro de radiación electromagnética que se extiende desdee los rayos X hasta las microondas, e incluye la energía radiante que produce la sensación de visión. El estudio de la óptica se divide en dos ramas, la óptica geométrica y la óptica física. Lapa Una lupa es una lente convexa grande empleada paraa examinar objetos pequeños. La lente desvía la luz incidente de modo que se forma una imagen virtual ampliada del objeto por detrás del mismo. La imagen se llama virtual porque los rayos que parecen venir de ella no pasan realmente por ella. Una imagen virtual no se puede proyectar en una pantalla figura

34 Las lentes con superficies de radios de curvatura pequeños tienen distancias focales cortas. Una lente con dos superficies convexas siempre refractará los rayos paralelos al eje óptico de forma que converjan en un foco situado en el lado de la lente opuesta al objeto. Una superficie de lentee cóncava desvía los rayos incidentes paralelos al eje de forma divergente; a no ser que la segunda superficie sea convexa y tenga una curvatura mayor que la primera, los rayos divergen al salir de la lente, y parecen provenir de un punto situado en el mismo lado de la lente que el objeto. Estas lentes sólo forman imágenes virtuales, reducidas y no invertidas. Si la distancia del objeto es mayor que la distancia focal, una lente convergente forma una imagen real e invertida. Si el objeto está lo bastante alejado, la imagen será más pequeña que el objeto. Si la distancia del objeto es menor que la distancia focal de la lente, la imagen será virtual, mayor que el objeto y no invertida. En ese caso, el observador estará utilizando la lente como una lupa o microscopio simple. El ángulo que forma en el ojo esta imagen virtual aumentada (es decir, su dimensión angular aparente) es mayor que el ángulo que formaríaa el objetoo si se encontrara a la distancia normal de visión. La relación de estos dos ángulos es la potencia de aumento de la lente. Una lente con una distancia focal más corta crearía una imagen virtual que formaría un ángulo mayor, por lo que su potencia de aumento sería mayor. La potencia de aumento de un sistema óptico indica cuánto parece acercar el objetoo al ojo, y es diferentee del aumento lateral de una cámara o telescopio, por 30

35 ejemplo, donde la relación entre las dimensiones reales de la imagen real y «mienta según aumenta la distancia focal. las del objeto La cantidad de luz que puede admitir una lente aumenta con su diámetro. Comoo la superficie que ocupa una imagen es proporcional al cuadrado de la distancia focal de la feote, la intensidad luminosa de la superficie de la imagen es directamentee proporcional al diámetro de la lente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia focal. Por ejemplo, la imagen producida por una lente de 3 cm de diámetro y una distancia focal de 20 cm sería cuatro veces menos luminosa que la formada por una lente del mismo diámetro con una distancia focal de 10 cm. La relación entre la distancia focal y el diámetro efectivo de una lente es su relación focal, llamada también número f. Su inversa se conoce como abertura relativa. Dos lentes con la misma abertura relativa tienen la misma luminosidad, independientemente de sus diámetros y distancias focales. Las lupas simples más sencillas están limitadas por las aberraciones a 2X ó 3X. Un vasto campo de visión generalment te implica una lente grande, lo cual por razones prácticas, requiere habitualmente una curvatura muy pequeña de las superficies. La lente para leer es m ejemplo típico. La siguiente figura muestra algunas lupas más complejas diseñadas para funcionar en la gama de aproximadamente 10X a 20X. La lente doble es bastante común en un gran número de configuraciones [4].

36 1.1.8 Fotografía Fotografía, procedimiento por el que se consiguen imágenes permanentes sobre superficiess sensibilizadas por medio de la acción fotoquímica de la luz o de otras formas de energía radiante. En la sociedad actual la fotografía desempeña un papel importante como medio de información, como instrumento de la ciencia y la tecnología, como una forma de arte y una afición popular. Es imprescindible en los negocios, la industria, la publicidad, el periodismoo gráfico y en muchas otras actividades. La ciencia, que estudia desde el espacio exterior hastaa el mundo de las partículas subatómicas, se apoya en gran medida en la fotografía. En el siglo XIX era del dominioo exclusivo de unos pocos profesionales, ya que se requerían grandes cámaras y placas fotográficas de cristal. Sin embargo, durante las primeras décadas del siglo XX, con la introducción de la película y la cámara portátil, se puso al alcance del público en general. En la actualidad, la industria ofrece una gran variedad de cámaras y accesorios paraa uso de fotógrafos aficionados y profesionales. Esta evolución se ha producidoo de maneraa paralela a la de las técnicas y tecnologías del cinematógrafo Mínimos Cuadrados Es una técnica de optimización matemática que, dadaa una serie de mediciones, intenta encontrarr una función que se aproxime a los datos (un "mejor ajuste"). Intenta minimizar la suma de cuadrados de las diferencias ordenadas (llamadas residuos) entre los puntos generados por la función y los correspondientes en los datos. Específicamente, se llama mínimos cuadrados promedio (LMS) cuando el número de datos medidos es 1 y se usa el método de descenso por gradiente para minimizar el residuo cuadrado. Se sabe que LMS minimiza el residuo cuadrado esperado, con el mínimo de operaciones (por iteración). Pero requiere un gran número de iteraciones para converger. Un requisito implícito para que funcione el método de mínimos cuadrados es que los errores de cada medida estén distribuidos de forma aleatoria. El teorema de Gauss-Markov prueba que los estimadores mínimos cuadráticos carecen de sesgo y que el muestreo de datos no tiene que ajustarse, por ejemplo, a una distribución normal. También es importante que los datos recogidos estén bien escogidos, para que permitan visibilidad en las variables 32

37 que han de ser resueltas (para dar más peso a un dato en particular, véase mínimos cuadrados ponderados). La técnica de mínimos cuadrados se usa comúnmentee en el ajuste de curvas. Muchos otros problemas de optimización pueden expresarse también en forma de mínimos cuadrados, minimizando la energía o maximizando la entropía El método de mínimos cuadrados es el procedimiento más adecuado para determinar las mejores aproximaciones lineales, pero hay importantes consideraciones teóricas que lo favorecen. El método minimax generalmente le da demasiado valor relativo a un pequeño elemento de datos que contiene un gran error. El método que utiliza la desviación absoluta simplemente promedia el error en varios puntos, sin dar suficiente valor relativo a un punto que está muy alejado e la aproximación. El método de mínimos cuadrados concede mayor valor relativo al punto que esta alejado al esto de los datos, pero no permitirá que ese punto domine enteramente la aproximación [6]. Estas ecuaciones se simplifican en las ecuaciones normales: 33

38 Iluminaciónn Iluminación para las aplicaciones de Visión Artificial La iluminación es el aspecto más decisivo de cualquier aplicación de visión artificial. Eligiendo la técnica adecuada de iluminación se puede lograr un aumento en la exactitud, en la Habilidad del sistema y en su tiempo de respuesta. Es un error muy serio y costoso asumir que se puede compensar una iluminación inadecuada con un algoritmo. Los avances en el hardware, software y las cámaras de visión redujeron los costos y el tiempo del desarrollo de la aplicación. Sin embargo, aún hay un área que sigue siendo indefinida y poco equipada: la iluminación. La iluminación es un problema único en el desarrollo de la aplicación de visión artificial. 34

39 H observador humano usa un amplio rango de señales, obtenidas a partir del color, la perspectiva, el sombreado, y una vasta librería de experiencias individuales. La percepción visual depende únicamente de la capacidad humanaa de realizarr juicios. Sin embargo, un sistema de visión artificial no tiene una experiencia de base de la cual tomar decisiones mediante una comparación. Todo debe estar específicamente definido. Para reducir el número de variables, el sistema de visión debe estar provistoo con la mejor imagen que sea posible. En un sistema de visión artificial, la mejor imagen es aquella que tiene el mayor contraste donde las áreas de interés se destacan del fondoo (background) intrascendente. La mejor imagen es aquella que facilita la tarea del sistema de visión. Muchas aplicaciones buenas han fallado por la falta de una Uuminación apropiada. Los sistemas de iluminación que trabajan correctamente en el laboratorio no siempre lo hacen en la planta industrial donde la iluminación fluctuante del ambiente causa distorsiones. Hay gran cantidad de soluciones posibles de iluminación para realzar una característica específica de un objeto, comoo también hay un gran número de aplicaciones. La iluminación en las aplicaciones de visión artificial, como todas las tecnologías involucradas, dependen del continuo avance tecnológico para perfeccionar los sistemas que mejoran la calidad de los productos fabricados en la actualidad. Fundamentos de la iluminación. Existen reglas bien establecidas para la elección de un tipo de lente. Por el contrario, son mucho menos las reglas establecidas para la elección de una buena iluminación, aún cuando esta última es tan importante como la elección adecuada de la lente para obtener imágenes utilizables. Para que una característica aparezca en una imagen, la luz debe venir de la fuente de iluminación, reflejarse en el objeto y ser recolectada por la lente (figura 1.29). 35

40 Comoo ya se mencionó, en las aplicaciones de visión artificial la luz del ambiente de trabajo es peligrosa debido a que puede cambiar cuando menos lo esperamos. Por esta razón, necesitamos proveer de luz controlada de manera que se acentúen las características de interés y se minimicen aquellas intrascendentes. La óptica (lentes) del dispositivo utilizado para tomar las imágenes y la iluminación se diseñan mucho mejor tomándolos como un mismo sistema. El que diseña la iluminación debe procurar que todos los haces de luz reflejados por el objeto sean tomados por la lente comoo parte de la imagen. Al mismo tiempo, debe evitar aquellos haces que no serán parte de la imagen (por ejemplo, los rayos que caen fuera del campo de visión de la lente). Estos rayos interferentes solo pueden contribuir a producir resplandor, lo que disminuye el contraste de la imagen. A menos que la óptica y la iluminación del sistema de visión sean diseñadas conjuntamente, la coordinación de estas dos es difícil de realizar. Tipos de Reflexión. La luz es reflejada por los objetos de dos maneras llamadas reflexión especular y reflexión difusa. En la reflexión especular, cada rayo incidentee se refleja en una única dirección (los rayos reflejados son paralelos). Una pista de estaño en un circuito o un espejo exhiben reflexión especular. Por otro lado, en la reflexión difusa los rayos incidentes son dispersados en un rango de ángulos salientes. Un pedazo de papel es un reflector difuso. 36

41 En realidad, los objetos exhiben todas las clases de conductas entre los extremos de la reflexión especular y la difusa. Los rayos de luz reflejados por una superficie pulida de metal tienen una componente direccional dominante (reflexión especular) pero que es difundida parcialmente por irregularidades de la superficie (reflexión difusa). El papel presenta algunas propiedades especulares, como se puede comprobar al leer con luz muy intensa. También hay que decir que existen muchos objetos cuyas partes reflejan de manera diferente. Por ejemplo, un conector eléctrico posee pines brillantes (especular) de metal y partes opacas (difusa) de plástico. Reflexiones Difusas. Las reflexiones difusas son tenues pero estables. La intensidad de la reflexión puede ser de 10 a 1000 veces menor que la intensidad de la fuente de luz. La intensidad de la luz reflejada cambia lentamentee con el ángulo. Las superficies difusas pueden ser iluminadas correctamente usando fuentes de luz difusas como así también fuentes de luz puntuales. Técnicas de iluminación Existen distintas técnicas de iluminación, las más utilizadas dentro del campo de la visión artificial son las siguientes: Iluminación posterior (backlight) 37

42 Iluminación Frontal Oblicua y Direccional. Iluminación de Día Nublado (cloudy day ilumination, CDI). Iluminación de Campo Oscuro (dark field). Array de luces. Iluminación de campo claro (o brillante). Iluminación Frontal Axial (difusa). Considerando que el prototipo es para la fabricación de herramientas de precisión la iluminación que cumple con los requerimientos para este propósito es la iluminación frontal axial difusa, porque permite que la imagen se proyecte en un soloo plano. Iluminación Frontal Axial (difusa) Mediante esta técnica se puede iluminar desde el mismo eje de la cámara con luz uniforme, incluyendo el centro de la imagen. Permite iluminar uniformemente superficies reflectivas, realzaa detalles grabados y crea contraste entre superficies especulares y difusas. Provee iluminación uniforme para superficies reflectivas planas. De esta forma, las superficies reflectivas perpendiculares a la cámara se ven iluminadas, mientras que aquellas que se encuentran a otros ángulos aparecen oscuras. Por entregar una mayor uniformidad, logra incrementar la precisión y repetibilidad del sistema de visión [5].

43 Microcontrolador Un microcontroladorr es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado. Aunque sus prestaciones son limitadas, además de dicha integración, su característica principal es su alto nivel de especialización. Aunque los hay del tamaño de un sello de correos, lo normal es que sean incluso más pequeños, ya que, lógicamente, forman parte del dispositivo que controlan. Es un microprocesador optimizado para ser utilizado para controlar equipos electrónicos. Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (vd. está usando uno paraa leer esto), usted tiene probablemente distribuido entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo eléctrico comoo automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etc. Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesadorr tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Los modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el BASIC que se utiliza bastante con este propósito. 39

44 Los microcontroladores más comunes en uso son: Atmel (AVR), National Semiconductor (COP8), Microchip (Gama 8 bits (Familia 10f2xx), Gamaa baja (Familia 12Cxx de 12 bits) (p.e. PIC12C508), Gama media (Familia 12Fxx, 16Cxxx y 16Fxx de 14 bits)(p.e. PIC16F84), Gama alta (18Cxx y 18Fxx de 16 bits) (p.e. PIC18F452), dspic (DSPs). 40

45 2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 2.1 Definición del problema Actualmente, en México las herramientas de diamante industrial se elaboran manualmentee por lo que se requiere que el personal que las elabora cuente con una amplia experiencia, además el tiempo que se requiere es mucho puesto que se realizan continuas revisiones en el proceso 1. Para la solución de estos problemas se propone la construcción de un prototipoo de máquina que de forma automática afile la herramienta y haga los ajustes de los perfiles por medio de visión artificial disminuyendo tiempos y costos de producción. 2.2 Justificación Se planea hacer un prototipo encaminado a la industria de las herramientas de diamante que en México son muy escasas por lo que el trabajo de este tipo, y la mano de obra es muy 2. costosa 2 La diferencia entre los buriles de carburo de tungsteno contra los de diamante natural o sintético, es su vida útil; el filo y precisión que son mayores en los buriles de diamante, son mucho mayores y sus aplicaciones son superiores por que sirven para desbastar materiales abrasivos y de mayor dureza. 1 Investigación realizada con expertos en el área de la reparación y afilación de diamantes de las siguientess empresas Proser y Mharisa S.A. de C.V. Investigación realizada con expertos en el área de la reparación y afilación de diamantes de las siguientess empresas Proser y Mharisa S.A. de C.V. 41

46 El prototipo diseñado, sólo efectuará el afilado que se requiere en los diamantes pero en materiales de menos costo, con miras a que con mayor tiempo e investigación se realice con diamantes. Por medio de la visión artificial que se utilizará en el prototipo se podrán realizar las comparaciones ópticas de tal manera que los perfiles tengan mayor precisión. La maquinaria que existe de este tipo, es en exceso costosa e inalcanzable para las PyMES. 2.3 Solución del problema Problema: En la elaboración de las herramientas de diamante en México, se requiere de una amplia capacitación y el trabajo con maquinaria manual, la revisión de perfiles se hace con un comparador óptico, normalmente situado en un área de trabajo distinta. Solución: Crear un prototipo de máquina capaz de elaborar este tipo de herramientas de maneraa automática, con la ayuda de una computadora que por medio de la visión artificial 42

47 realice la comparación óptica de los perfiles. De esta manera la capacitación del operador se reducirá al manejo de la computadora sin importar mayor experiencia, además ahorrará costos y tiempos. Para lograrlo se sinergizann las siguientes áreas: Mecánica: Diseño de elementos mecánicos del prototipo basadoss en una rectificadora de diamantes manual, consistente en una mesa de trabajo con movimientos x y y en la parte superiorr de la mesa, un dispositivo con movimientos rotatorios para la obtención de diferentes ángulos, a la cual se le agregará un control de movimientos con motores y electrónica. Control: Deberá realizar las diferentes posiciones requeridas por el prototipo para la elaboración de la herramienta ya que estas deben ser precisas. Electrónica: Para el correcto funcionamiento de la parte mecánica en el control, se implementará electrónica de motores así como de microcontroladores. Visión Artificial: Captará las imágenes de la herramienta por medio de un sensor óptico que realizará el procesamiento de imágenes para obtener el resultado deseado según los parámetros indicados. Programación: Es esencial paraa la comparación de las imágenes, un control adecuado, una interfaz gráfica y la comunicación de la computadora con el prototipo. 43

48 3 DESARROLLO DE LA PROPUESTA En la elaboración de herramientas de corte, se emplean procesoss que requieren de mucha precisión y tiempo hombre cuando no se cuenta con la tecnología adecuada. A través de la investigación teórica y el desarrollo de simulaciones en computadora se ha podido determinar la factibilidad de la construcción del prototipo, empleando las siguientes áreas: 3.1 Mecánica La Selección de 2 tipos de herramientas de diamante 3, como las que se muestran en las siguientes figuras, que el prototipo será capaz de fabricar automáticamente. Herramienta para cortar aceros Herramientas para rayar todo tipo de materiales

49 3.1.1 Calculo de engranajes y cremalleras En esta sección se realizó el cálculo de los elementos mencionados como sigue 4 : Para un motor de DC con las siguientes características. 22 rpm 24 dcv.85 A 25 Kg. cm. 2 watts Se realizaron los siguientes cálculos para obtener el engranaje que se adapte más a las necesidades del prototipo. Relación nominal de velocidad: Numero de Dientes * Como se desea un diseño compacto se eligee el menor número de dientes que asegure que no habrá interferencia con lo que se utiliza:

50 Ahora se obtiene la velocidad de rotación del engrane. Se necesita que N g sea un número entero y se redondea obteniendo: La relación de velocidad final es: La velocidad de salida real es: Cálculo de los diámetros de paso Cálculo la distancia central 46

51 La velocidad de línea de paso es: Cálculo de la cargaa transmitidaa para 2 watts Espesor de la cara Los siguientes datos se obtuvieron por medio de tablas 5 N Calidad Factor dinámico Factor Aplicación Factor tamaño Factor distribución de carga Factor de espesor de la corona Forma del diente Qv=6 Kv=.95 Ka= 1.5 Ks=l Km=l.3 Kb=l Jp=0.305

52 Para un Servomotorr con las siguientes características. 55 rpm 12dcv 15 Kg. cm. 6.7 watts Se realizaron los siguientes cálculos para obtener el engranaje que se adapte más a las necesidades del prototipo. Relación nominal de velocidad Paso Diametral* Numero de Dientes Como se desea un diseño compacto se eligió el menor número de dientes que asegure que no habrá interferencia con lo que se utiliza: Ahora se obtiene la velocidad de rotación del engrane. Se necesita que N g se un numero entero lo redondeamos obteniendo 48

53 La relación de velocidad final es: La velocidad de salida real es: Cálculo de los diámetros de paso Cálculo de la distancia central La velocidad de línea de paso es:

54 Cálculo de la cargaa transmitidaa para 6.72 watts Espesor de la cara: Los siguientes datos fueron obtenidos por medio de tablas 6 N Calidad Factor dinámico Factor Aplicación Factor tamaño Factor distribución de carga Factor de espesor de la corona Forma del diente Qv=6 Kv=.95 Ka=1.5 Ks=l Km=l.3 Kb=l Jp=0.305

55 3.1.2 Cálculo fuerzas Finalmente con lo anterior se pueden determinar las fuerzas con las que se van a realizar los movimientos del prototipo: Para el sistema de engranaje y cremallera que mueve a la mesa se tiene: R=1.65 cm Par torsor del motor = 25 Kg cm Y en el sistema de avance igualmente con un engranajee y la cremallera se tiene: R=1.75 cm Par torsor del Servomotor = 15 kg cm Diseño de elementos El diseño del mecanismo está basado en el de un rectificador manual; y consta de una mesa de trabajo, un esmeril, la base de la cámara, y el porta buriles (formado por una base giratoria y un cilindro para manejar el avance y ángulos de la herramienta). A continuación se muestran los diseños de cada elemento por separado: 51

56 Mesa de trabajo Ésta consta de una ranura en la parte inferior que se acopla a un riel en la base del mecanismo para lograr un movimiento a lo largo del mismo, en la parte superior se tienenn dos ranuras en las cuales se acopla el porta buriles, a lo largo de éstas. Cremallera paraa el movimiento de la mesa Ésta está fijada en la parte superior de la mesa de trabajo, y por medio de un engrane (figura 3.5) y un motor de CD realizaa el movimiento lineal de la mesa de trabajo, para posicionarse en los distintos puntos de trabajo, así como el movimiento "adelante-atrás" de la misma. 52

57 Ésta contiene un motor, el cual tiene la salidaa del eje en el centro de la pieza, lo que permitirá un movimiento giratorio, a los costados tienee salientes con orificios que se usarán para fijar la base en la mesa de trabajo. Tiene movimientos angulares en el eje que van de 0 o a

58 Base para controlar el avance Ésta será colocada en la parte superior de la base anterior, unida por medio del eje del servomotor, en la parte superior se coloca el cilindro porta buril, en el orificio de la caraa frontal, se coloca una cremallera (figura 3. 8) y por medio de un servomotor y un engranee (figura 3.9), se controla el avance de la herramienta. Cremallera para el avance del buril

59

60 La figura 3.14 muestra el prototipo terminado con cada uno de los elementos descritos anteriormente, sumándole la cámara y su lente de aumento y el esmeril Simulaciones Se realizaron varias simulaciones para el análisis de movimiento, esfuerzo, tensión, desplazamiento, vibración, estas fueron en cada uno de los componentes y en el ensamble de estos, los materiales propuestoss en las simulaciones son el aluminio y el nylamid. Movimiento de la mesa La mesa debe de dar un movimiento cíclico en el eje x el cual se obtiene al usar un mecanismo de biela manivela, el cual transforma un movimiento rotacional a uno traslacional de esta manera. El material de la mesa y los rieles sobre los cuales se monta son adheridos a la mesa son de aluminio. de Nylamid y los rieles 57

61 Obtenemos como resultado de análisis.

62 Aquí observamos que el esfuerzo y la vibración que sufre la mesa es mínimo, mientras tanto que en el desplazamiento y la energía de tensión tienen zonas criticas las cuales podemos observar en coloraciones que van del amarillo al rojo, los valores que estos muestran son minúsculos. Movimiento del Porta buril. En este dispositivo usamos un servo motor digital para poder posicionarlo a un ángulo exacto y que este permanezca ahí. El material de estos elementos es aluminio

63 Se puede apreciar fácilmente que se tiene una mayor energía de tensión y estrés es en las sujetadoras donde se conectaría con la mesa, ya que aquí es donde se restringe el movimiento. Y tenemos una deformación en el centro de la caja donde va ir el motor así como una pequeña vibración en esta zona. Rotación buril Con estee dispositivoo se logrará una rotación axial en el buril la cual se hará con un servo motor digital también, la cinemática es muy sencilla debido a que solo se moverá en posiciones fijas. El material que se utiliza es el Nylamid y el buril de cobalto. En las siguientes figuras se muestra como resultado, que el motor tendrá una carga fuerte sobre su flecha. El buril recibirá una presión considerable al estar en contacto con la rueda 60

64 de desbaste lo que provocara vibraciones y desplazamiento, aunque son mínimos se tienen que tomar en cuenta.

65 3.2 Control La realización del control se aplicó a los motores que se utilizaron en la elaboración del prototipo. Para el control de posición del buril en cuanto a los ángulos de desbaste así como la captura de la imagen se utilizaron servomotores digitales, para así obtener de forma precisa los mismos. Para el caso de los servomotores s no se implemento directamente el control ya que de fabricaa tienen un control en lazo abierto. Figura En la imagen se muestra como entrada del sistema la señal de control que es generado por el microcontrolador, esta señal es interpretadaa por ancho de pulsos, y por medio de un control interno se genera el movimientoo del servomotor hasta llegar a la salida que es su posición. Uno de los servomotores se utilizó para establecer primeramente el movimiento del porta porta buril, para llevar a cabo la rotación del mismo y poder observar la cara principal del buril para establecer la comparación óptica por medio de la visión artificial.

66 El segundo de los servomotores se utilizó para el movimiento del cilindro portaburil y la base del control del avance para lograr los ángulos requeridos para elaborar la herramientaa indicada. El tercer servomotor se utilizó para controlar el avance del cilindro porta buril, de acuerdo a la distanciaa calculada por la visión artificial, este servomotor tiene una resolución mínima de avance de 0.5mm con lo que el desbaste se realiza paso a paso siguiendo esta resolución. Para el control del avance de desbaste se utilizó otro servomotor digital junto a un engrane y una cremallera especificadas anteriormente y así controlar la posición. Para el motor de CD que se utilizó se implemento un control en lazo cerrado, por medio de un potenciómetro, un integrado puente H y un microcontrolador. Figura

67 En el diagrama anterior se muestra como entrada del sistema un voltaje de referencia, el cual siempree debe ser el mismo, para poder lograr un control de posición de acuerdo a las variaciones de voltaje generadas por el trimpot, el siguiente bloque del sistema muestra el microcontrolador que funge cómo un convertidor analógico-digital, debido a su entrada de retroalimentación con el trimpott que da cómo resultado variaciones de voltaje, de acuerdo a los datos recibidos por el microcontrolador se manda señales digitales hacia el puente h que finalmente arrojará el movimiento y la posición del motor. Este control es de posición y movimiento de la mesa de trabajo, que se encargaa de llevar la herramienta a un extremo dónde se localiza la cámara y al otro extremo donde se encuentra la muela abrasiva así como el movimiento adelante-atrás a lo largo del área de la muela abrasiva. 64

68 Para conseguir el control de todos los motores se utilizó un microcontrolador PIC16F876A programado de acuerdo a las necesidades planteadas anteriormente7. En general el sistema es en lazo cerrado (como se muestra en la figura3.38), ya que a pesar de que cada uno de los servomotores están en lazo abierto, se logra una retroalimentación por medio de la comparación óptica que permite establecer si los motores se movieron de manera adecuada y lograr de esa manera reducir en gran medida posibles errores en el movimiento. La entrada del sistema son las imágenes en la base de datos las cuales serán utilizadas para realizarr la comparación óptica, siguiente tenemos un sumador, este regula y se encarga de minimizar el error de acuerdo a la retroalimentación que se genere, se llega al siguiente módulo que es el del control de posición y el control de avance de desbaste, control lógico y control P respectivamente, de ahí se lleva la señal a un microcontrolador que interpreta las señales y las manda para así lograr el movimiento de los motores del sistema, después se lleva a cabo el proceso que son las variables manipuladas la posición y los movimientos, siguiente se tiene una retroalimentación generada por el sensor óptico, el cual se encarga de adquirirr la imagen del buril que será comparada con la imagen deseada y de esa manera reducir en gran medida errores del sistema completo, y finalmente la salidaa que son las herramientas elaboradas por el prototipo.

69 33 Electrónica Para este apartado se utilizó el siguiente circuito para controlar los motores ya mencionados anteriormente: En estee circuito se muestra dos microcontroladores PIC16F876A 8 conectados a un búfer SL74LS244N 9 estee circuito permite el control de los servomotores de acuerdo a una comunicación serial con la computadora. En el segundo rnicrocontrolador una entrada analógicaa que proviene de un trimpot de diez vueltas de lookq el cual esta acoplado a la flecha del motor, con lo que se obtiene una variación de voltaje dependiendo del movimiento del motor de CD. Esta señal es enviada a un convertidor analógico digital el cual se encuentra en el rnicrocontrolador.

70 Finalmente se agrega un circuito integrado TA7257P 10 (Puente H) para controlar el motor de CD en el cambio de giro requerido para la mesa de trabajo. Se utilizaron filtros con lo se obtiene una alimentación limpia de ruido debido a que se necesita de una gran precisión y al tener impurezas estas ocasionan variaciones en los elementos. El filtro consta de un regulador de voltaje para que idealmente siempre se obtengan 5 Volts, así como de un capacitor que eliminara las impurezas de la señal. Debido a la exigencia de corriente de los servomotores 4, se aisló por completo las alimentaciones de la etapa de control y la etapa de potencia, para de esta forma eliminar el ruido generado por estos. Finalmente se utilizo el siguiente diagrama para la realización de la placa fenólica la cual se planea implantar.

71 Kara la comunicación entre el circuito y La computadora se utilizó el protocolo de comunicación serial RS-232C utilizando únicamente los pines especificados en la siguientee tabla: Pin Señal 3 TxD 2 RxD 7 RTS 8 CTS 6 DSR 5 SG 1 CD/DCD 4 DTR 9 RI Descripción Transmitir Datos Recibir Datos Solicitud de Envío Libre para Envió Equipo de Datos Listo Tierra de Señal Detección de Portadora Terminal de Datos Listo Indicador de Llamada E/S S E S E E - E S E Tabla 2. Pines DB9 Las señales con las que trabaja este puerto serie son digitales, de +12V (0 lógico) y -12V(1 lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa en las señaless de control. El estado de reposo en la entradaa y salida de datos es -12V. Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es posible tener cables de hasta 15 metros.

72 3.4 Programación Visión Artificial Elección de los lentes de Aumento Para trabajar piezas muy pequeñas se requiere tener un aumento fijo de 10X el cual se logró por medio de una lupa de vaso, la cual permite tener un aumento fijo constante, además de tener la distancia focal ya definida por el vaso en el que está montada. Configuración de la lupa: La calidad de imagen que proporcionan lupas como la que se tienee en la figura 3.4 es el siguiente: 69

73 En esta imagen se muestra el material de prueba con la lente de aumento, y se observa una buena definición del perfil del material. Debido a la forma de la lupa de vaso, se requiere de una base para colocarla, por que este dispositivo no se fija a la cámara de tal manera que se propone el siguiente diseño: Elección de la cámara Para hacer el análisis de la imágenes es necesario tener un sensor óptico, en este caso una cámaraa web, por su interfaz directa con la computadora, lo cual permite un trabajo rápido en la adquisición de datos de la imagen, además de adaptarse de manera adecuada a la lupa de vaso elegida, con el uso de ésta, se obtienen los siguientes resultados:

74 Análisis de las imágenes En imágenes obtenidas por medio del sensor óptico, se observan gran cantidad de sombras lo cual hace más difícil el procesamiento de éstas, por lo que se uso de la iluminación por medio de luz difusa la cual permitirá eliminar cualquier tipo de sombras que afecten dicho proceso. Al aplicarle el procesamiento de la imagen con un programa de umbralización, se obtiene la siguiente imagen:

75 Calibración de la cámara Para la calibración de la cámaraa primeramente se empleó MATLAB y un hoja con distintas líneas de distintas medidas desde 0.5 mm hasta 2.1 cm aumentando un milímetro para cada línea, ( 2.1 es el mayor tamaño admisible dentro del rango de la cámara).

76 Posteriormente se utilizó un programa para medir la cantidad de pixeles que existen a lo largo de una línea 11. De acuerdo con lo anterior se obtuvo la siguiente tabla de datos comparando número de pixeles con la medida de cada línea. No. de pixeles s Mm No. de pixeles s Mm Tabla 4. Valores de calibración Ya obtenidos estos resultados utilizando MATLAB obtuvimos la siguiente gráfica:

77 En esta gráfica observamos los datos arrojados y hacemos una relación de acuerdo a las medidas en milímetros y el número de pixeles, para obtener un mejor resultado para la calibración empleamos el método de mínimos cuadrados el cual nos permitirá tener valores más acertados y obtener una gráfica totalmente lineal12. Finalmente se logró la gráfica siguiente Aquí observamos que la gráfica ya es lineal y con esto obtuvimos los valores requeridos para hacer una relación muy cercana entre distancia y número de pixeles. Los valores de las constantes a 0 y a x obtenidos de la fórmula de mínimos cuadrados son los siguientes: a 0 = a x = Estos valores se sustituyen en la siguiente ecuación la cual arroja como resultado la distanciaa a desbastar:

78 Teniendo los elementos necesarios se realizó el programa paraa la comparación de las imágenes en la base de datos con las imágenes adquiridas por el sensor óptico. El resultado arrojado por el programa depende de la entrada que reciba la cámara, así como el buril a comparar, ya sea el buril 1 o el buril 2 (de acuerdo a la convención expuesta) y así dará la distancia a desbastar en cada perfil del buril así como el Ángulo 13. Imágenes para la base de datos Para poder comparar las imágenes que se obtienen de la cámara se realizó una base de datos que contendrá las imágenes de la herramienta a realizar, estas han sido tratadas para tener una imagen binarizada para de esa manera lograr una comparación y cálculo de distancias más sencilla.

79 Una vez teniendo la base de datos se planteó la realización de las herramientas de corte con Mía tolerancia de 0.5mm debido al menor avance posible en el servomotor de control de desbaste, por lo que el programa de visión artificial retroalimenta el sistema si al compararr las imágenes las distancias medidas están mera de las tolerancia preestablecida. 76

80 4 VALIDACIÓN DEL SISTEMA 4.1 Elementos integradores del prototipoo Los elementos que integran el prototipo final son los siguientes: Mecanismo de movimiento Esmeril de Banco Circuito de electrónica Motores Interfaz de comunicació ón serial Fuentes de voltaje Cámara web Bases de madera Mecanismo de movimiento Este mecanismo se encarga de realizar varias funciones dentro del prototipo, ya que éste manipula de forma completa la herramienta que se está trabajando, ya que se encarga de mover la herramienta de un extremo a otro, de colocar la herramienta a los ángulos requeridos, así como dar el avance de desbaste de la herramienta.

81 Esmeril de Banco Este elemento es la parte esencial del prototipo, esta fijado en una base de madera para reducir el impacto de las vibraciones, se encarga específicamentee de dar el desbaste en la herramienta que se esta realizando. Circuito de electrónica Este elemento se encarga de realizar el control de cada uno de los motores así cómo de realizar la comunicación de la computadora con los mismos. Motores Son elementos encargados de realizar los movimientos requeridos del sistema en conjunción con la electrónica, el mecanismo y la computadora. 78

82 Interfaz de comunicación serial (Protocolo de comunicación RS-232C) Esta interfaz es la encargada de dar las señales de control hacia el circuito de electrónica y a su vez este a los motores para que en conjuntoo realicen la herramientaa deseada por el usuario. Fuentes de voltaje Para el sistema se requieren 2 fuentes de voltaje, un de ellas se encarga de alimentar los microcontroladores, así cómo el búfer, con 5 y 12 volts. La otra fuente es utilizada para alimentar a los motores y el integrado de puente H. Cámara web Es el sensor óptico utilizado para la adquisición de imágenes del perfil principal de la herramienta que se trabaja paraa posteriormente realizarr la comparación óptica.

83 Bases de Madera En este elemento están contenidos los anteriores se tiene una base principal en donde esta montado el mecanismo completos así como dos bases más de madera que en su parte superiorr una de ellas tendrá el esmeril de banco y la otra de ellas tendrá la cámara. 4.2 Pruebas realizadas al sistema Se realizaron varias pruebas al sistema: Primeramente se realizó la prueba de los movimientos que debía realizar el buenos resultados ya que se cumplió con todos los movimientos requeridos. sistema, con Se realizó la prueba de visón artificial con los buriles a trabajar y la base de datos de los buriles, con lo que se constató el buen funcionamiento de la programación del análisis de las imágenes ya que midió distancias de manera correcta. Se realizaron las pruebas finales al sistema dando cómo resultado las herramientas propuestas y establecidas anteriormente como se muestran en la figura

84 Además se realizaron trabajos con estos buriles para conocer la probándolo en un torno y realizando las operaciones para las herramienta. efectividad de su afilado que esta destinada cada De acuerdo a las pruebas realizadas a varios buriles de prueba se obtuvo la siguiente tabla comparativa: 81

85 No. De Tolerancia esperada en Tolerancia Tolerancia real prueba 1 ambos ángulos 0.5 mm real Ángulo mm Ángulo mmm mm mm mmm mm mm mmm mm mm mmm mm mm mmm mm mm mmm mm mm mmm mm mm mmm mm mm mmm mm mm mmm mm mm mmm mm mm mmm Como se muestra en la tabla anterior, la efectividad del prototipo es muy buena maneja tolerancias menores a las esperadas. Finalmente se realizó una prueba más al prototipo, agregando otra imagen en la base de datos para generar otro perfil en el buril y se obtuvieron los siguientes resultados: 82

86 No. De Tolerancia esperada en Tolerancia real Tolerancia real prueba 1 ambos ángulos 0.5 mm Ángulo mm Ángulo mm mm mm mm Tabla 5. Tolerancias del tercer buril Con esta otra prueba se observa que el prototipo fue capaz de realizar otro tipo de perfil no contemplado y así mostrar otro alcance del prototipo. 83

87 4.3 Costos Como se muestra en la siguiente tabla. La construcciónn del prototipo resultó ser económica y funcional de acuerdo a lo planteado en los objetivos. Articulo Costoo en pesos Base de Madera 700 Cuadrados de Nyalmid 238 Rieles de Aluminio Placaa de Nylamid 500 Cremalleras 150x2 Engranes 75x2 Armazones de Aluminio Cilindro de Nylamid Baleros 64x2 Portabaleros 60 Portaburil 212 Esmeril 299 Cámara 499 Lupa de Vaso 52 Luz Difusa 132 Fuentes de Voltaje 150 Motor de C.D. 249 Servomotor 1212x2 Servomotor 734 Accesorios servos 139 Electrónica 445 Tornillos 250 Pantalla 60 TOTAL $

88 5 CONCLUSIONES 5.1 Conclusiones Con la elaboración de este prototipo se concluyó que los objetivo planteados, tanto generales como particulares fueron alcanzados. Se logró el diseño de un programa de visión artificial capaz de aislar, medir y comparar imágenes obtenidas del buril trabajado utilizando la plataforma de programación MATLAB y una cámara web, encargada de capturar las imágenes. Se realizó el diseño del mecanismo de forma adecuada ya que se obtuvieron excelentes movimientos además de lograrr un buen ensamble y acoplamiento con los motores utilizados para realizar el movimiento del mismo. El material seleccionado para elaborar el mecanismo resulto ser el ideal para obtener un bajo costo, funcionalidad, además de reducir el desgaste entre los materiales, ya que su coeficiente de fricción es muy pequeño. Para el movimientoo y control de los motores se desarrolló un programa en Microcode Studio para que en conjunto con la comunicación serial y la computadora se lograra un movimiento armónico del prototipo. Mediante lo anterior se obtuvieron resultados satisfactorios, de acuerdo a los objetivos planteados y con las tolerancias y buriles planteados se consiguió un buen resultado al elaborar los perfiles en las herramientas realizadas. Los datos obtenidos por la simulación son de gran importancia antes de realizar la parte mecánica en forma física y de esa manera reducir gastos innecesarios para la elaboración del prototipo. 85

89 Finalmente se logró realizar un prototipo de máquina capaz de elaborar hasta 3 tipos de perfiles de herramienta en materiales de prueba de forma automáticaa y realizando una buena comparación óptica con base a los datos observados en el cálculo de las distancias las cuales fueron satisfactorias. 5.2 Posibles mejoras al sistema Dentro de las posibles mejoras al sistema es el realizar el procesamiento de imágenes en un software libre y realizar un programa que funcione de forma gráfica para tener una manipulación más amigable del sistema. La posibilidad de cambiar la cámara para tener mejores imágenes y una mayor resolución para disminuir de esa manera el posible error al medir las distanciass de desbaste. Agregarr un mayor número de imágenes de buriles en la base de datos y de esa manera poder realizar más tipos de herramientas. Agregarr más motores y hacer un rediseño del manipulador de herramientas para poder realizar una mayor variedad de éstas ya que sólo se pueden realizar algunos perfiles (rectos) y en algunos casos se requieren perfiles redondos para algunas herramientas. 86

90 BIBLIOGRAFÍA [I] Sistemas de Control Automático Benjamín C. Kuo, Editorial Prentice Hall, Séptima edición [2] Control de Motores Eléctricos Walter N. Alerich Editorial Diana [3] Sistemas de Control para Ingeniería Norman S. Nise, Editorial CECSA [4] Óptica Eugenee Hecht, Editorial Addison Wesley, Tercera edición [5] Tratamiento Digital de Imágenes Rafael C. Gonzáles Richard E. Woods, Editorial Adison Wesley [6] Probabilidad y estadística para ingeniería y ciencias Jay L. Devore Editorial Thompson Learning [7] Procedimientos de Mecanizado., Millán Gómez, Simón Editorial Sandvik Coromant [8] Metrología de Taller Compain, Lo Editorial Ediciones Urmo [9] [10] [II] 87

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