Diseño y construcción de una máquina de medición manual
La digitalización de objetos tridimensionales se ha
convertido en una de las herramientas más útiles en el desarrollo
de productos debido a la creciente utilización de las técnicas
de la ingeniería inversa en la manufactura. La reproducción
de la geometría de los productos proporciona ventajas relacionadas
con la reducción de tiempos y costos con un alto grado de precisión.
Este proyecto propone el diseño y la implementación de una cadena cinemática dotada de codificadores de posición para ser utilizada como instrumento de medición tridimensional que permita reproducir las geometrías utilizando un programa computacional de diseño propio y una interfase a un sistema de CAD comercial. El trabajo comprende desde el diseño y maquinado de eslabones de la cadena cinemática, hasta la implementación de las ecuaciones y los algoritmos en una interfase hombre-máquina. Como resultado final, se espera poder utilizar el instrumento para medir geometrías 3D y reconstruirlas en un sistema de CAD comercial.
El propósito del trabajo es:
• diseño y construcción de la cadena cinemática,
• diseño y construcción de las articulaciones con codificadores,
• interfase entre el usuario y la máquina.
Resumen
El siguiente documento representa la continuación
de un proyecto de diseño y construcción de un brazo articulado
de seis grados de libertad, el cual se realizo en la clase de Arquitectura
de Robots de la carrera Ingeniero en Mecatrónica de la FIME/UANL. En
este proyecto lleva a cabo el diseño, ensamble, programación
e interface de usuario que permite tomar lecturas de posición de cada
uno de los ejes del robot, desplegarlos en pantalla y enviarlos por el puerto
serial a petición del usuario, la complejidad por la cantidad de ejes,
la precisión que requieren las mediciones y la velocidad de procesamiento
son el reto técnico mas grande. A continuación se describen
a detalle cada uno de los sistemas que se integraron así como su programación.
Introducción
De acuerdo con el diseño del brazo articulado
de seis grados de libertad, el sistema de retroalimentación de posición
es un mini encoder cuadrático de alta resolución de la marca
Gray Hill, este encoder Modelo 63QDL-3-C cuenta con 1024 pulsos por revolución
y una salida cuadrática con lógica TTL (5 volts).
Para poder decodificar la señal de estos encoders se identifico un
circuito integrado de la marca Agilent HCTL-2020 el cual su función
principal es decodificar los pulsos de un encoder de salida cuadrática
y colocarlos en un registro de 16 Bits para luego ser leído de manera
paralela por un microprocesador.
La interface entre el microprocesador y el decodificador se lleva a cabo por
un GAL16V8D de la marca Lattice el cual es un arreglo lógico programable
universal que hace la función de multiplexar los 6 encoders con el
bus PCI del Microprocesador.
El microprocesador seleccionado es un microprocesador AMD Elan SC520 32 Bit
133 MHz programable en C/C++ a través de el compilador de la marca
Paradigm.
¿Qué es un Encoder?
Los encoders rotativos o quadrature encoders son unos dispositivos que se utilizan como sensores de posición, ya que permiten medir con exactitud tanto la dirección como la magnitud de un desplazamiento de su eje.
En su interior estos encoders llevan un disco con marcas y dos sensores ópticos:
Esto permite que la señal que los encoders generan al girar el disco sea distinta según se gire en un sentido o en el contrario:
Las marcas del disco, o la posición de los sensores respecto a la misma, está desfasada 90º, como en la imagen siguiente: Esto permite que la señal que los encoders generan al girar el disco sea distinta según se gire en un sentido o en el contrario:
El sistema de control y adquisición de datos
El sistema 586-drive es un controlador programable
en C/C++ basado en un procesador Elan AMD SC520 de 32 Bit a 133 MHz. Este
sistema combina un procesador de alto desempeño de la generación
586 con un extensivo grupo de características de Entrada y Salida industriales
en una solo tarjeta, ideal para productos de fabricantes de equipo original
(OEM).
El SC520 integra un CPU Am586 y una unidad de punto flotante compatible con
ANSI/IEEE 754. El SC520 tiene un total de siete timers incluyendo timers de
interrupción programables (PIT) y timers de propósito general
(GP) , más un timer de software. Un sistema de tiempo real (RTC) provee
el calendario y la hora del día y 144 bytes de RAM respaldada por batería.
Trece líneas de entrada/salida multifuncionales programables por el
usuario están también disponibles. Una interface serial síncrona
(SSI) que soporta comunicación full-duplex en comunicaciones Bi-Direccionales
de alta velocidad.
Por diseño, 256KW de memoria SRAM de bajo voltaje y 55 ns de velocidad
están instaladas para permitir periodos más largos de batería
de respaldo; Esto requiere dos estados de espera más lentos para accesar
la memoria. Opcionalmente, si no se requiere respaldo de batería, memoria
SRAM de alta velocidad 20ns puede ser instalada para permitir un desempeño
más alto para operaciones de estado de espera cero.
En adición a la memoria flash montada en la tarjeta a través
de montaje superficial, un Circuito Integrado con socket DIP de 32 pines nos
permite usar ROM/Flash para aplicaciones de usuario comunes. Una interface
de 50 pines soporta tarjetas removibles CompactFlash de bajo costo de hasta
2GB de almacenamiento masivo con compatibilidad FAT para soportar archivo
de sistema Windows.
Una EEPROM de 512/2K bytes puede ser instalada. La 5D puede ser alimentada
por una fuente individual no regulada en un rango de 8V a 30V gracias al regulador
de 5V de alta eficiencia que se encuentra instalado en la tarjeta.
Un modulo Ethernet de alta velocidad puede ser instalado para proporcionar
conectividad a una red 100M BaseT. El hardware LSI TCP/IP provee soporte para
los protocolos TCP/IP, UDP, ICMP y ARP en hardware. Con 16KB de buffer interno
para transmisión y recibo, el modulo Ethernet entrega conectividad
a Internet y protocolos de procesamiento desde el procesador anfitrión.
El sistema puede fácilmente manejar trafico TCP/IP por hasta 200 Kbytes/s.
Ejemplos de HTTP, Telnet, FTP están disponibles.
Hasta 4 puertos seriales RS232 (2 del SC520, y 2 del SCC2691) están
disponibles. Dos puertos pueden ser configurados desde fábrica como
RS485.
Como configuración inicial, siete entradas de alto voltaje (30V), y
catorce drives tipo emisor común (ULN2003A) de alto voltaje son instalados
en sockets tipo DIP. Cada driver es capaz de aterrizar 350mA a 50V por línea.
Estos drives pueden de manera directa controlar Bobinas, Relevadores o Luce.
Opcionalmente, Doce canales DAC pueden ser instalados en su lugar.
Cuatro opto acopladores de alto aislamiento al voltaje (PS2701,NEC) pueden
ser instalados para proporcional entradas ópticamente aisladas . Dieciséis
entradas de canales adicionales son proporcionadas con un ADC de 24 Bits (
LTC2448), conectados a través de resistencias buffer configurables
y blocks de terminales de tornillo. Drivers de resistencia variable pueden
ser instalados para permitir rangos de resistencia variable (hasta 30V) los
cuales pueden ser procesados como señales análogas o digitales.
Con un rango de muestreo pico de 5 MHz estos ADC trabajan bien directamente
con señales análogas, celdas de carga, divisores de corriente,
RTD's , sensores resistivos y termocoples en modo diferencial . Un sensor
de temperatura interno de precisión (LT1019/REF02) como referencia
de la temperatura local es usado en aplicaciones con termocoples.
La SC520 trabaja con múltiples tarjetas de expansión como son
UR8, C24, P100, QD8 y P300.
Un LCD grafico de 192X128 pixeles puede ser instalado reemplazando catorce
drives de alto voltaje.
La tarjeta de expansión para adquisición
de datos
La tarjeta QD8 permite controlador (SC520) tener
una interface de conexión con los encoder de cuadratura, usados para
generar pulsos de posición en un lazo cerrado de control en una aplicación
de movimiento. La tarjeta QD8 se interconecta con una controlador (SC520)
a través de un bus de datos de 8 bit de alta velocidad a través
de los conectores J1 y J2.
El sistema electrónico completo:
Folleto publicitario del sistema QD8+586Drive de la compañía TERN
