Paso 25mil mil25 = 1 mil25 <= 2 Giro derecho Salir Paso 25 mil Si No
Programación de la interfaz de control en la máquina e interfaces X y Y
85 Directivas #include de las interfaces X y Y
3.3.6.
Directivas #include de las interfaces X y Y
Las directivas que permiten al compilador, incluir un fichero en el programa y que se organizan mediante nombres en esta aplicación del software de la interfaz X y Y, son las que se muestran en el código 3-19.
#use i2c(slave, sda=PIN_C4, scl=PIN_C3, address=0xA0) #include <driverlcd16.c>
#include <math.h> #include <stdlib.h>
Código 3-19 Directivas #include de las interfaces X y Y
driverlcd18
Dispone de varias funciones para poder trabajar con el display LCD
Stdlib
Contiene los prototipos de funciones de C, con categorías de conversión, memoria, control de procesos, ordenación, búsqueda y matemáticas.
#use i2c
Esta directiva tiene efecto en las funciones de comunicación de I2C. En las interfaces X y Y se maneja el modo esclavo y se usa el módulo SSP.
86 Introducción, Sistema electrónico de la máquina
Capítulo 4
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
4.1.
Introducción
En este capítulo, se tiene el diseño electrónico, de la interfaz de la máquina y de las interfaces X, Y y Z, así como de la construcción de las tarjetas de circuitos impresos de cada interfaz. Se muestran las conexiones electrónicas entre interfaces, y se plantean los diferentes cálculos involucrados en el control de los motores de cd y ca, sensores y corrientes en las terminales de los microcontroladores.
4.2.
Sistema electrónico de la máquina
El sistema electrónico de la máquina está diseñado y compuesto por cuatro módulos, siendo la interfaz de la máquina, dos interfaces X y Y, y la interfaz Z, al igual de contar con dos sensores de posición inicial X y Y, y otro sensor para nivel de profundidad de perforación en la interfaz Z. El sistema utiliza una fuente de alimentación que proporciona voltajes de +5V, +12V y 3.3V, que requiere para su operación. La interconexión entre estos módulos se representa en el diagrama a bloques 4-1.
Diagrama 4-1 Sistema electrónico de la máquina
Interfaz de la máquina Interfaz X Interfaz Y Interfaz Z cd ca Fuente de alimentación +12 +5 +3.3 Comunicación USB Comuni- cación I2C
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
87 Diseño electrónico de la interfaz de la máquina
4.2.1. Diseño electrónico de la interfaz de la máquina
El diseño electrónico de la interfaz de la máquina contempla las siguientes líneas de conexiones:
Datos, control y manejo de led backlight de display LCD.
Comunicación I2C entre interfaces en configuración de maestro y esclavos por programa, y para desconexión por programación de dispositivos conectados al bus, por ser salidas de colector abierto, se conectan resistencias externas o pull – up.
Control de interfaz Z para motor de cd, las cuales determinan el sentido de giro, para los movimientos hacia arriba y abajo, paro y puesta en marcha.
Control de interfaz Z para motor de ca que realiza la perforación.
Comunicación USB entre la interfaz de la máquina y la PC.
Leds de estado, para monitoreo de datos e indicación de equipo energizado.
Leds indicadores de grabación del microcontrolador vía USB.
Sensor nivel de perforación en la interfaz Z.
Retroalimentación de control X y Y.
Las líneas para la comunicación con las interfaces X y Y, vienen agrupados en un conector para cable plano, así como también los de la interfaz Z, lo cual permite una flexibilidad en conexión dentro de la máquina. La interfaz de la máquina es diseñada como un módulo independiente y la toma de energía se toma directamente de la fuente de alimentación, evitando sobrecargas y ruido. La interfaz de la máquina se muestra en el diagrama a bloques 4-2.
La ilustración 4-1, presenta el módulo de la interfaz de la máquina, éste está diseñado en dos placas de circuito impreso, interconectadas una sobre otra, reduciendo espacio, cero cableado entre placas y de fácil mantenimiento.
88 Diseño electrónico de la interfaz de la máquina
Diagrama 4-2 Interfaz de la máquina
Display LCD RD0 +5 Dato RD(4-7) RD(1-3) Control RE0 RE1 RE2 RB4 RB5 RC2
Sensor nivel de perforación Interfaz Z motor ca
Interfaz Z motor cd
Retroalimentación de control X y Y Comunicación I2C interfaces X y Y
RB0 RB1 RB2 RB3 +5 RC6 RC7 Micro- Controlador PIC18F4550 RA4 RA5 +5 +5 RB4 RB5 RA3 +5 +2.5 Leds de estado
Leds indicadores de grabación Interruptores de grabación Fuente de referencia +5 RC4 RC5 Comunicación USB +5
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
89 Diseño electrónico de la interfaz X y Y
4.2.2. Diseño electrónico de la interfaz X y Y
Son dos las interfaces a usar, cada interfaz está constituida por un microcontrolador, que tiene comunicación con el microcontrolador principal de la interfaz de la máquina. El microcontrolador es de la familia de circuitos integrados de la empresa microchip PIC16F886, y recibirá la información del movimiento de desplazamiento en coordenada X y Y, vía comunicación I2C, como se observa en el diagrama a bloques 4-3.
Diagrama 4-3 Interfaz X y Y
La ilustración 4-2, se presenta el módulo de la interfaz X o Y, éste está diseñado en dos placas de circuito impreso, interconectadas una sobre otra, y la etapa de potencia montada sobre una placa de aluminio para disipación de calor.
RB0 +5 Dato RB(4-7) RB(1-3) Control Retroalimentación de control X o Y Comunicación I2C interfaces X y Y
RC3 RC4 RA3_X RA3_Y Display LCD +5 +5
Led indicador de encendido Micro- Controlador PIC16F886 +5 +5 Motor a pasos Sensor posición inicial Xo Y
RC0 Potencia RA4 RA5 RA7 RA6 +3.3
90 Circuito de potencia X y Y
Ilustración 4-2 Interfaz X y Y
4.2.2.1.
Circuito de potencia X y Y
Cada interfaz pone en movimiento el mecanismo para el desplazamiento correspondiente en X y Y, con la activación de un motor de pasos de la ilustración 4-3, dicho motor a pasos es del tipo unipolar de cuatro bobinas y tiene las siguientes características:
Modelo: 23KM-K035-R3
Voltaje 3.3V
Corriente unipolar: 2.0 Amp Inductancia: 2.2 mH Resistencia: 1.4 Ohms Angulo básico por paso: 7.5°
Torque: 47 Ncm
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
91 Circuito de potencia X y Y
Conector del motor a pasos Microcontrolador
En base a dichos datos, se tiene el circuito de potencia como lo marca el diagrama a bloques 4-3, formado por un opto acoplador y un transistor bipolar, formando un par. Son cuatro pares para cada bobina del motor, como lo muestra el diagrama esquemático 4-4 y en el anexo E diagramas eléctricos.
Diagrama 4-4 Circuito de potencia
Tanto el opto acoplador como el transistor, se configuran para trabajar en la región de saturación, esto es, utilizarlos como interruptores, tomando en cuenta los datos proporcionados por el fabricante. Ver hoja de datos anexo D hojas de datos.
El opto acoplador utilizado es el 4N29 del diagrama 4-5, con las siguientes características:
Corriente de colector continua 150mA
Corriente en led emisor 80mA
Voltaje colector – emisor circuito abierto 30V
Tiempo de encendido 5us
Tiempo de apagado 100us
Encapsulado DIP6
92 Circuito de potencia X y Y
El transistor seleccionado es el MJE3055T del diagrama 4-6, y sus características son:
VCEO Voltaje colector - emisor 60V
IC Corriente de colector 10A
IB Corriente de base 6A
Ptot Potencia total de disipación 75W
hFE Corriente de ganancia en DC 70
Encapsulado TO-220
Diagrama 4-6 Transistor de potencia MJE3055T
Sus cálculos son:
Si la resistencia del motor es RC = 1.4Ω se tiene la corriente de saturación en colector real, con la ecuación 4-1.
(4-1)
Observando que el transistor tiene la capacidad para solventar la corriente mencionada.
La corriente de base que debe proporcionar el opto acoplador, mínima para asegurar la corriente de saturación, ver ecuación 4-2.
(4-2)
La resistencia de base a partir de las ecuaciones 4-3 y 4-4.
(4-3) (4-4)
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
93 Circuito de potencia X y Y
La potencia en la resistencia de base se calcula con la ecuación 4-5.
(4-5)
Por lo tanto, RB puede quedar como:
Valores que pueden quedar sin afectar la corriente de saturación, esto es, una conmutación adecuada.
Para que exista la conmutación adecuada, el opto acoplador, tiene la capacidad de proporcionar la corriente entre colector y emisor, para ello tenemos que hacer fluir una corriente en el diodo emisor de por lo menos 15 mA. El microcontrolador tiene la capacidad de proporcionar por terminal, una corriente de 25 mA máxima, pero no puede trabajar todas las terminales al mismo tiempo con esta corriente de forma continua y superar los 250mA de consumo total del microcontrolador. Por lo tanto, la resistencia de led será con la expresión 4-6.
(4-6)
Colocando la resistencia de led igual a:
Por lo que usando solo cuatro terminales con manejo de corrientes de 13 mA, no habría problemas para el microcontrolador y no afectaría la conmutación y operación de cada circuito opto acoplador. Cada transistor de potencia, utiliza un snubber como el del diagrama 4-7, el cual se utiliza para suprimir transitorios no deseados, y quitar problemas en los circuitos de conmutación con elementos inductivos y capacitivos, al igual de que estos circuitos de conmutación producen EMI (interferencias electromagnéticas), los cuales afectan a otros circuitos, y las sobretensiones transitorias provocan la destrucción del transistor.
94 Diseño electrónico de la interfaz Z
4.2.3. Diseño electrónico de la interfaz Z
Esta interfaz pone en movimiento el mecanismo con desplazamiento en el eje Z, y se tiene la etapa de potencia para energizar el taladro de perforación. La interfaz Z cuenta con el sensor de nivel de perforación y un indicador de equipo energizado, como lo muestra el diagrama a bloques 4-8.
Diagrama 4-8 Interfaz Z
El circuito de la interfaz de potencia de cd como de ca, se encuentran en la misma tablilla de circuito impreso, y el circuito de potencia viene montado sobre una placa de aluminio para disipación de calor, tal como lo muestra la ilustración 4-4.
Led indicador de encendido
+5
Sensor nivel de perforación
RB5 cd Interfaz Z motor ca RC2 ca Micro- Controlador PIC18F4550 +5 Interfaz de la máquina Interfaz Z motor cd RE0 RE1 RE2 +12 +5 RB4
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
95 Interfaz Z, motor de corriente directa (cd)
Ilustración 4-4 Interfaz Z
4.2.3.1.
Interfaz Z, motor de corriente directa (cd)
Esta interfaz pone en movimiento el mecanismo que tiene montado el taladro, para llevar a cabo la perforación del circuito impreso, dicho desplazamiento corresponde al movimiento en Z, con la activación a un motor de cd de la ilustración 4-5, dicho motor es del tipo reductor y tiene las siguientes características: Modelo BGA 1208 Corriente 100 mA Torque 2.5Kg/cm Voltaje 12V Ilustración 4-5 Motor de cd
96 Interfaz Z, motor de corriente directa (cd)
Para esta interfaz se utiliza el circuito integrado L293C, el cual está diseñado para aceptar niveles TTL o lógica de entrada DTL estándar y manejar cargas inductivas (relés, solenoides, y motores a pasos), y de conmutación en los transistores de potencia, presenta fuentes de alimentación separadas para la sección lógica del dispositivo y de potencia, como se ve en el diagrama 4-9.
Este circuito integrado cuenta con las siguientes características principales:
Capacidad de corriente por canal 600 mA
Corriente de salida pico 1.2 A
Separación de alto voltaje (abajo de 44 V)
Alta inmunidad al ruido
Diagrama 4-9 Circuito integrado L293C
El circuito está diseñado para ser utilizado como controlador de puente H doble, el circuito integrado tiene la capacidad de manejar la corriente que requiere el motor de cd, para manejar el movimiento de giro en sentido izquierdo y derecho, de acuerdo a las órdenes que le mande el microcontrolador interfaz, tal como lo muestra el diagrama esquemático 4-10 y se documenta en el anexo E de diagramas eléctricos.
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
97 Interfaz Z, motor de corriente alterna (ca)
Conector del motor de cd Microcontrolador
Diagrama 4-10 Esquemático Interfaz de potencia para motor de cd
4.2.3.2.
Interfaz Z, motor de corriente alterna (ca)
El taladro utilizado es un modelo de las series 200 de Dremel, como el de la ilustración 4-6, y sus características son:
Potencia nominal de entrada 175 W
Tensión 127 V
Peso 0,55 kg
Velocidad en vacío 15.000 - 35.000 rpm
Ilustración 4-6 Taladro Dremel
La interfaz de la máquina hace el encendido del motor del taladro, y se utiliza un dispositivo semiconductor llamado triac, este dispositivo cuenta con una terminal de control llamada compuerta, la cual hará el encendido del dispositivo en forma bilateral, esto es, en cualquiera de las dos direcciones.
98 Interfaz Z, motor de corriente alterna (ca)
El circuito diseñado se le conoce como relevador de estado sólido y se compone de un opto triac y un triac, el opto triac maneja al triac con detector de cruce por cero. El circuito completo es el mostrado en el diagrama 4-11 y se documenta en el anexo E de diagramas eléctricos.
Diagrama 4-11 Esquemático Interfaz de potencia para motor de ca
La señal de alterna se tiene en los dos elementos, el triac y en el opto triac, cuando un valor apropiado de corriente le llega al led y se detecta un cruce por cero, el opto triac conduce y dispara al triac de potencia, el triac permanece conduciendo hasta que se quite la corriente del led.
Ver hoja de datos anexo B Hojas de datos.
El opto triac utilizado es el MOC3011 del diagrama 4-12, con las siguientes características:
Corriente de salida del driver 150 mA
Corriente en led emisor 60 mA
Pico de tensión en estado activado 3V
Encapsulado DIP6
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
99 Interfaz Z, motor de corriente alterna (ca)
El triac utilizado es el Q4025LS del diagrama 4-13, con las siguientes características:
Tensión de bloqueo de pico repetitiva: 400V
RMS en estado de ángulo de conducción de corriente de 360°: 25A
DC corriente de disparo de puerta en los cuadrantes de funcionamiento específicas: VD = 12 V dc, 20mA
Tiempo de encendido 5 us
Encapsulado: TO-220
Diagrama 4-13 Triac Q4025LS
Sus cálculos son:
R1 se calcula de la misma forma que la expresión 4-6, siendo de 220Ω.
Si la señal alterna de CFE es de 127 Volts y el taladro consume 175 W, la corriente máxima será con la ecuación 4-7.
(4-7)
El valor de la resistencia R2 de la figura 4-11, se calcula con la ecuación 4-8.
(4-8)
Por lo tanto:
√
Es recomendable un valor de 150 Ω o más para la resistencia limitadora de corriente del driver R2. La resistencia de la compuerta Gate R3 es sólo necesaria cuando el valor de la impedancia interna del Gate es muy grande, ya que si la impedancia del Gate es alta, el triac es menos inmune al ruido. El valor recomendado para R3 se puede colocar en un rango de 100 a 470 Ω.
100 Diseño electrónico de los sensores
4.2.4. Diseño electrónico de los sensores
Se utilizan sólo tres sensores, dos de ellos posicionan el mecanismo de X y Y en un punto de inicio, ya sea al encender la máquina o al finalizar la rutina de perforación del circuito impreso, y el tercer sensor lleva el nivel de perforación, para después en base a un tiempo de 3 segundos subir el mecanismo a Z.
El circuito está formado por un opto acoplador de ranura y un transistor driver, tanto el opto acoplador como el transistor, se configuran para trabajar en la región de saturación, esto es, utilizarlos en conmutación, tomando en cuenta los datos proporcionados por el fabricante. El circuito completo es el mostrado en el diagrama 4-14 y también se tiene en el anexo E diagramas eléctricos.
Diagrama 4-14 Esquemático de sensores
Se requirió utilizar el transistor driver, ya que colocando únicamente el opto acoplador a la entrada del microcontrolador, no alcanzaba a conmutar el nivel lógico de entrada, y con el transistor se asegura una perfecta conmutación, como lo muestran las siguientes características y en el anexo D hojas de datos. El circuito sensor se encuentra en una tablilla de circuito impreso, con conector de cable plano para la interfaz y perforaciones para sujeción en la máquina, tal como lo muestra la ilustración 4-7.
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
101 Diseño electrónico de los sensores
El opto acoplador utilizado es el MOC70 del diagrama 4-15, con las siguientes características:
Corriente de colector continua 20 mA
Corriente en led emisor 50 mA
Voltaje colector – emisor circuito abierto 30V
Tiempo de encendido 20us
Tiempo de apagado 80us
Encapsulado DIP6
Diagrama 4-15 Opto acoplador MOC70
El transistor seleccionado es el BC547 del diagrama 4-16 y sus características son:
VCEO Voltaje colector - emisor 50V
IC Corriente de colector 100mA
IB Corriente de base 200mA
Ptot Potencia total de disipación 500mW
hFE Corriente de ganancia en DC 270
Encapsulado TO-92
102 Diseño electrónico de los sensores
Sus cálculos son:
Si la resistencia de colector la proponemos de RC = 1KΩ, se tiene la corriente de saturación en colector real, con la ecuación 4-9:
(4-9)
Calculando la corriente de base, se tendrá la resistencia de esta terminal y así asegurar la corriente de saturación entre emisor y colector, ver ecuación 4-10.
(4-10)
La resistencia de base a partir de las ecuaciones 4-11 y 4-12.
(4-11) (4-12)
La potencia en la resistencia de base, es con la ecuación 4-13.
(4-13)
Por lo tanto, RB puede quedar como:
Valores que pueden quedar sin afectar la corriente de saturación, esto es, una conmutación adecuada.
Para que exista la conmutación adecuada, el opto acoplador cortará la conducción del transistor entre su base y emisor, para ello tenemos que hacer fluir una corriente en el diodo emisor de 15 mA, que proporciona la fuente de 5V. Por lo tanto, la resistencia de led será con la ecuación 4-14.
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z 103 Fuente de alimentación (4-14)
Colocando la resistencia de led igual a:
Con los valores de la resistencia sin afectar en prueba la conmutación de cada circuito, así como con la resistencia de colector de 220 KΩ, circulará una corriente en el colector del opto acoplador, obtenida de la ecuación 4-15.
(4-15)
Corriente suficiente para cortar la corriente de base y evitar la corriente a través de emisor a colector, realizando la conmutación correcta.
4.2.5. Fuente de alimentación
Las líneas de fuente de alimentación que ocupan las interfaces de la máquina, sensores y motores, están distribuidas como lo muestra la tabla 4-1 y el diagrama a bloques 4-17, requiriendo ocupar una fuente de alimentación tipo conmutada como la de la ilustración 4-8, capaz de proporcionar la alimentación principalmente de los motores a pasos, ya que su consumo de corriente supera los 5A pulsantes en operación y está se necesita con tamaño reducido, de acuerdo a la estructura de la máquina.
Fuente Circuito a alimentar
3.3V Interfaces X y Y, para motores a pasos
5V Interfaz de la máquina, interfaces X y Y, interfaz Z y sensores 12V Interfaz Z, para motor de cd
104 Fuente de alimentación
Ilustración 4-8 Fuente de alimentación
Diagrama 4-17 Distribución de líneas de alimentación en la máquina
xV = Voltaje C = Común o tierra Fuente de alimentación +3.3V y C +5V y C +12V y C Interfaz Z +5V y C +12V y C Interfaz Y +3.3V y C +5V y C Interfaz X +3.3V y C +5V y C Interfaz de la máquina +5V y C
Diseño electrónico de la interfaz de la máquina e interfaces X, Y y Z
105 Distribución del sistema electrónico en la máquina
4.3.
Distribución del sistema electrónico en la máquina
La distribución del sistema electrónico en la máquina, como son el módulo de la interfaz de la máquina, interfaces X y Y, interfaz Z, sensores y fuente de alimentación se muestra en la ilustración 4-9. En la figura se observa las conexiones con cable plano entre interfaces y la separación de fuentes de alimentación para cada interfaz.
El módulo de la interfaz de la máquina está al frente de la máquina para control por el usuario, y las interfaces X, Y y Z bajo la plataforma Y, con sus indicadores para verificación de operación.
Ilustración 4-9 Distribución del sistema electrónico en la máquina
Interfaz de la máquina Interfaz Y Interfaz X Interfaz Z Sensor nivel de perforación Fuente de alimentación Sensor posición inicial Y Sensor posición inicial X
106 Introducción, Sistema de engranes en los motores a pasos
Capítulo 5
Diseño y construcción de la estructura mecánica de la máquina
5.1.
Introducción
En este capítulo se tiene el diseño de las diferentes piezas que constituyen la máquina. Se muestra el