4.5 Proofs
4.5.2 The Swapping Condition
En el diseño electrónico se consideran todos los elementos eléctricos y electrónicos que fueron usados para el proyecto, en las figuras 18 se muestra la conexión del joystick usando el programa de simulación electrónica
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Figura 18.Conexión del joystick
En la figura 19 muestra la conexión de los finales de carrera y los botones que activan la garra al momento de subir o bajar.
29 Como se muestra en la figura 20 se encuentra la conexión de los motores en el X y Z en el programa de simulación.
Figura 20. Conexión de los motores en el eje X y Z
En la figura 21 se aprecia la conexión de las luces led, el speaker y la conexión del motor en el Y el cual se encuentra simulado en el programa electrónico.
Figura 21. Conexión del speaker, luces led y motor en el eje Y
Para el sistema se utilizó la placa de control Arduino Mega 2560 R3 puesto que la placa se rige a los requerimientos. En la Tabla 3 constan los requerimientos y características de dicha placa de control. (Arduino, 2013)
Tabla 3. Requerimientos vs Arduino 2560
Requerimientos Arduino Mega 2560 (Características) 18 pines de entradas/ salidas digitales 54 pines de entradas/ salidas digitales Voltaje de entrada: 5- 12 V DC Voltaje de entrada: 12V DC
Corriente de salida: 0.31mA Corriente continua pin 3.3V: 50mA Corriente de salida: 2.81A Corriente de salida: 40mA
30 Para el control de los actuadores se utiliza el integrado L293D, el cual permite realizar cambios de giro, como regular la velocidad de estos. Este integrado también permite controlar 2 motores a la vez (Higuera, 2013).
La manera de conectar este integrado a la placa de control Arduino, se muestra en la figura 22, donde los pines 1 y 16 van conectados hacia la alimentación de 5VDC, los pines 2, 7, 10, 15 son conectados a las salidas de
la placa de control, los pines 4, 5, 13, 12, son conectados a GND. Y los pines tanto 3 y 6 es para un motor, y los pines 11 y 14 es para el otro motor.
Figura 22. Conexión del integrado L293D a la placa Arduino
El dispositivo cuenta con luces led RGB que están conectadas al microcontrolador, estas luces son indicadores que permanecerán activas al momento de encender el equipo. Este tipo de luces brinda una interacción entre el dispositivo y el usuario, logrando un estímulo sensorial visual y de concentración al momento de realizar los ejercicios (Marrow, 2016).
El dispositivo utiliza un buzzer piezoelectrico que será el medio para transmitir el sonido en todo el dispositivo conectado al microcontrolador. Este se activa al momento de encender el equipo, logrando en el usuario destrezas para escuchar y coordinación motora (Marrow, 2016).
2.3.1 MOTOR DC
31 En este proyecto se utilizan 3 motores de los cuales serán utilizados para los ejes x -y-z.
• Dimensionamiento motor para el eje longitudinal y transversal
Para el dimensionamiento se utilizan las ecuaciones aplicables al caso donde el eje de salida del motor acciona un husillo.
Para el cálculo del torque de salida se tiene la siguiente ecuación: (Benalcazar, 2014)
τ = (p/2π)*(F/n) [28]
Donde: τ=Torque
p= Paso del husillo F=Fuerza aplicada n= Eficiencia 50% Por lo tanto:
τ = (0.00219/2π) [m]* (14.7/50%)[N] τ= 0.102 [Nm]
Para la velocidad del motor en rpm tenemos la siguiente expresión: Nb=60
p *v [29]
Donde:
Nb= Velocidad del motor v= Velocidad de avance Por lo tanto: Nb=60 *0.0062 [ m min] 0.00219 [m] Nb=169.86 [rpm] Para el cálculo de la potencia mecánica útil se tiene:
P= π*τ*Nb
30000 [30]
32 P = Potencia útil Entonces: P= π*0.102*169.86 30000 P= 0.1814 [Watt]
Con el cálculo obtenido del torque se escoge el motor DC que se adapte a las condiciones requeridas. El motor determinado es:
• Datos del fabricante: Voltaje de entrada: 12V DC Velocidad de giro: 300 rpm Torque: 0.22 Nm
Corriente de consumo: 150mA (Vásquez, 2015)
El motor escogido se adapta y cumple con las especificaciones requeridas para la función empleada.
Como se ha realizado el cálculo con la carga máxima en el prototipo el motor seleccionado sirve para el eje transversal y longitudinal.
• Dimensionamiento motor eje vertical
Para el dimensionamiento se utilizó las ecuaciones aplicables al caso de una grúa elevadora, donde la carga está colgada de un cable.
Para el cálculo del torque de salida se tiene la siguiente ecuación: (Benalcazar, 2014)
τ = (rmedio)*(F) [31]
Donde: τ=Torque
rmedio= Radio de la polea
F=Fuerza aplicada Por lo tanto:
τ = (0.1) [m]* (0.75)[N] τ= 0.075 [Nm]
33 Vt= d t [32] Donde: Vt= Velocidad tangencial d = Distancia t = Tiempo
Mediante pruebas se determinó que el tiempo promedio que tarda en trasladarse en el eje vertical es de 0.43 [s] con carga.
Por lo tanto:
Vt= 0.8 [m] 0.43 [s] Vt= 1.86 [m
s]
Para la velocidad del motor en rpm se tiene la siguiente expresión: Nb= 60
π * Vt
D [33]
Donde:
Nb= Velocidad del motor Vt= Velocidad tangencial D= Diámetro de la polea Por lo tanto: Nb=60 *1.86 [ m s] π * 0.2[m] Nb=177.62 [rpm]
Para la potencia mecánica útil se tiene la siguiente expresión: P=π* τ*Nb
30000 [34]
Donde: P= Potencia τ = Torque
Nb = Velocidad del motor Por lo tanto:
P=π* 0.075*177.62 30000
34 P=0.13 [Watt]
Con el valor obtenido del torque se escogió el motor DC que se adapta a las condiciones requeridas. El motor determinado es:
• Datos del fabricante: Voltaje de entrada: 12V DC Velocidad de giro: 280 rpm Torque: 0.15 Nm
Corriente de consumo: 100mA (Vásquez, 2015)
El motor escogido se adapta y cumple con las especificaciones requeridas para la función empleada.
2.3.2 Fuente de alimentación
Para el proyecto se utilizó dos fuentes de alimentación una para el sistema de control y otra para actuadores.
Para el sistema de control se realizó la suma de las corrientes necesarias para abastecer a todo el circuito. Cargas de cada elemento:
Ielementos= Iarduino+ Iluces led+ Ibuzer [35] Ielementos= 50mA+ 50mA+ 10mA
Ielementos= 110mA
Para alimentar todos los elementos se utiliza un transformador que vaya de la red eléctrica 110V AC a 12VDC con una corriente de 0.5 A.
Para la parte de potencia se utiliza un transformador que abastezca a todos los actuadores del circuito. Por lo cual se calculará la corriente máxima que se necesitará mediante la suma de corrientes de todos los actuadores.
Iactuadores= 2*Imotor ejes xz+ Imotor eje y [36]
Iactuadores= 2*(0.15A) + 0.1 A
Iactuadores= 0.40 A
Como la corriente que necesitan los actuadores es 0.53 A, el transformador a utilizar debe abastecer 1 A.