´ UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Sede Cuenca Carrera de Ingenier´ıa Electr´onica

Implementaci´ on de un Sistema de Control para una M´ aquina CNC L´ aser

Tesis de pregrado presentada a la Universidad Polit´ecnica Salesiana por:

Jos´e Gabriel Arpi Trujillo Diego Rom´an Cabrera Mendieta

Como requisito parcial para optar por el grado de Ingeniero Electr´onico Realizada con la tutor´ıa del Profesor Ing. Julio Zambrano

Cuenca, Enero 2013

´ UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Sede Cuenca Carrera de Ingenier´ıa Electr´onica

TESIS DE PREGRADO

´ DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA UNA IMPLEMENTACION ´ ´ MAQUINA CNC LASER

por

Jos´e Gabriel Arpi Trujillo Diego Rom´an Cabrera Mendieta

Cuenca, enero 2013

´ DECLARACION

Nosotros, Jos´e Gabriel Arpi Trujillo y Diego Rom´an Cabrera Mendieta declaramos bajo juramento que el trabajo realizado aqu´ı descrito es de nuestra autor´ıa; que no ha sido previamente presentado para ning´ un grado o calificaci´on profesional; y que hemos consultado las referencias bibliogr´aficas que se incluyen en este documento. A trav´es de la presente declaraci´on cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Universidad Polit´ecnica Salesiana, seg´ un lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su reglamento y por la normativa institucional vigente.

———————————— Jos´e Gabriel Arpi Trujillo

———————————— Diego Rom´an Cabrera Mendieta

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´ CERTIFICACION

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Jos´e Gabriel Arpi Trujillo y Diego Rom´an Cabrera Mendieta, bajo mi supervisi´on.

———————————————– Ing. Julio Zambrano, DIRECTOR DE PROYECTO

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AGRADECIMIENTOS

Al equipo de trabajo de CADITEX, que confi´o ciegamente en las capacidades de nosotros para el desarrollo del proyecto, y puso a nuestra disposici´on de manera desinteresada el talento humano y los recursos econ´omicos durante cada fase del trabajo aqu´ı realizado. Al Ing. Adri´an Arpi, amigo incondicional, por su gran ayuda al momento de mostrar sus conocimientos y compartirlos con nosotros, mostrando u ´nicamente el inter´es por la generaci´on de nuevos hitos en el ´ambito tecnol´ogico y profesional.

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DEDICATORIA

Con la finalizaci´on del presente trabajo agradezco a Dios por darme la fuerza necesaria y guiarme siempre por el buen camino y as´ı poder culminar una etapa m´as de la vida como es la obtenci´on de un t´ıtulo profesional. De igual manera quiero agradecer y dedicar el estudio realizado en este trabajo a mis padres Patricio Arpi y Pilar Trujillo por brindarme un apoyo permanente y ayudarme a levantar en cada una de mis ca´ıdas, a mis hermanos y hermana por brindarme su apoyo y confianza y a cada uno de mis familiares y amigos que han estado presente en cada etapa de mi vida.

Jos´e Gabriel.

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DEDICATORIA

A Dios y a mi familia, Flor Mendieta, Johanna Cabrera y Milton Cabrera, fuente fundamental de fortaleza y empuje en todos los momentos de mi carrera, en todos los instantes de mi vida entera. Capaces de creen en m´ı, incluso en los momentos en que nadie, ni siquiera yo he cre´ıdo. Compa˜ neros inseparables en cada aventura suscitada en el transcurso del camino aqu´ı recorrido, y un agradecimiento especial a Tete Zambrano, por sacrificar tanto y hacerme comprender en todo momento que al momento mas oscuro de la noche le precede siempre el amanecer.

Diego Rom´ an.

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RESUMEN

En el presente trabajo de tesis se tratara sobre la Implementaci´on de un Sistema de Control para una M´aquina CNC L´aser, m´as una serie de consideraciones que se debe tener presente para el correcto funcionamiento del manipulador. En el primer cap´ıtulo b´asicamente se centra en un peque˜ no sondeo sobre el estado del arte del tema a desarrollarse, el cual indica c´omo se encuentra la investigaci´on y su desarrollo tanto en las diferentes universidades Ecuatorianas como en las distintas universidades de otros pa´ıses. Tambi´en se reviso como se encuentra el desarrollo de este tipo de maquinarias en la parte industrial y comercial, as´ı se tiene una peque˜ na idea de c´omo est´an construidas mec´anicamente y qu´e tipo de servicio puede brindar al usuario, ya que se tiene una gran variedad de series y modelos de CNC. Todo este estudio realizado muestra que existe un gran inter´es en la parte investigativa por las universidades y entidades privas que est´an dedicadas exclusivamente a su desarrollo.

Siguiendo con el cap´ıtulo uno se tiene la motivaci´on por la cual se ha elegido “Implementaci´on de un Sistema de Control para una M´aquina CNC L´aser” como tema de tesis para la obtenci´on del t´ıtulo de Ingeniero Electr´onico, para finalizar el cap´ıtulo se tiene expuesto los objetivos planteados y la estructura capitular de toda la tesis. En el segundo cap´ıtulo se expone la estructura f´ısica de todo el sistema, para ello se inicia con una visi´on general del mismo, en el cual se explica c´omo se ha dividido cautelosamente por bloques a toda la m´aquina CNC l´aser, en cada bloque se detalla que requisitos debe cumplir y que trabajo va a desempe˜ nar. Donde se requiere de un procesador cargado con el sistema operativo Linux por ser determinista y cumplir con ciertas caracter´ısticas imprescindibles para la CNC l´aser, tambi´en al ser un sistema que trabaja a altas velocidades es necesario que la comunicaci´on se realice mediante una tarjeta PCI de alta velocidad, el cual ser´ıa el protocolo de comunicaci´on m´as seguro y apto para la aplicaci´on, ya que es la vi

interfaz por donde se trasmitir´a todos los datos hacia los drivers o controladores de cada uno de los actuadores como son motores paras los movimientos en los ejes XY y la potencia de la fuente l´aser para los cortes. Los controladores deben ser propios de cada actuador, en el caso de los drivers de los motores brindan la facilidad de configuraci´on para obtener un micro paso, haciendo que el sistema sea m´as preciso mientras que el controlador de la fuente l´aser permite controla la potencia del haz del l´aser para la profundidad del corte. Una vez que se tiene claro como est´a compuesto todo el sistema se puede agrupar o unificar ciertos bloques expuestos en la visi´on general para conformar m´odulos, como por ejemplo los bloques de procesador y tarjeta controladora se unifican y se obtiene el m´odulo de control, as´ı mismo unificando otros bloques se obtiene el m´odulo de potencia y m´odulo de actuadores, los cuales son descritos y estudiados m´as detalladamente en las siguientes secciones del mismo cap´ıtulo. En el tercer cap´ıtulo se realiza un estudio cinem´atico de todo el sistema, para ello se debe tener presente los fundamentos mec´anicos para la construcci´on del manipulador, es decir el manipulador por su forma de construcci´on y movimiento que puede ejecutar se le clasifica dentro de un tipo de robot como es el cartesiano. Tambi´en se debe tener presente los tipos de transmisi´on y reductores que est´en presentes en el dise˜ no del mismo. Como se indico la CNC l´aser est´a catalogado como un robot cartesiano por lo que puede mover su herramienta en los ejes XY, al ser cartesiano su an´alisis cinem´atico directo e inverso es mucho m´as sencillo y directo. El Cap´ıtulo cuarto est´a centrado espec´ıficamente en el algoritmo de control y el protocolo de comunicaci´on siendo esto la arquitectura l´ogica del sistema. En lo que hace referencia al algoritmo de control se detalla los diferentes tipos de generaci´on de trayectorias que se puede implementar cada una con mayor dificultad y precisi´on, planificador de rutas, la interfaz para la interpretaci´on del c´odigo G que es el lenguaje de las m´aquinas CNC. En cuanto a lo que es el protocolo de comunicaci´on, como su nombre lo dice, se indica que tipo de protocolo es el m´as indicado para un sistema de este tipo, donde se opto por el protocolo bus PCI por cumplir con los requisitos requeridos como son transferencia a altas velocidades y gran cantidad de datos, ser determinista y s´ıncrono, siendo estas una de sus caracter´ısticas principales. Para el cap´ıtulo quinto se ha realizado las pruebas correspondientes de fun-

cionamiento de todo el sistema, lo que quiere decir, que se hace una lectura de una archivo en c´odigo G donde est´a establecido cada uno de los par´ametros como son velocidad y potencia de corte. Primero se realizo pruebas de trayectorias lineales para ver si cumple con movimientos simples, segundo pruebas de trayectorias circulares para ver la resoluci´on que tiene cada uno de los motores en la combinaci´on de movimientos de los ejes y para finalizar se realizo pruebas de movimiento combinando las trayectorias anteriores. El sexto cap´ıtulo son conclusiones y recomendaciones donde se analiza como esta funcionado el sistema en su totalidad.

Palabras clave: CN C Laser, Corte Laser, P rotocolo bus P CI, T iempo Real, Generacion de T rayectorias

´INDICE

´ 1 INTRODUCCION 1.1 Estado del Arte. . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 M´aquinas CNC. . . . . . . . . . . . 1.1.2 Caracter´ısticas b´asicas de una CNC 1.2 Motivaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Objetivos y estructura de la tesis. . . . . . 1.3.1 Objetivos planteados. . . . . . . . . 1.3.2 Estructura de la tesis. . . . . . . .

. . . . . . . . l´aser. . . . . . . . . . . . . . . . .

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2 ARQUITECTURA FISICA DEL SISTEMA. 2.1 Visi´on general del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 CPU o procesador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Tarjeta controladora. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Drivers X/Y. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 L´aser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6 Interfaz humano–m´aquina. . . . . . . . . . . . . . . 2.2 M´odulo de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Procesador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.1 Sistema operativo en tiempo real. . . . . . 2.2.1.2 Requisitos para SOTR . . . . . . . . . . . 2.2.1.3 Caracter´ısticas de SOTR. . . . . . . . . . 2.2.1.4 Sistemas RTAI. . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Tarjeta controladora . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.1 Descripci´on general. . . . . . . . . . . . . 2.2.2.2 Configuraci´on de hardware de la tarjeta de 2.3 M´odulo de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Tarjeta de expansi´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.1 Configuraci´on de hardware de la tarjeta de 2.3.2 Potencia l´aser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2.1 Fuente l´aser HY-HVCO2/X. . . . . . . . . 2.3.2.2 Caracter´ısticas generales. . . . . . . . . . ix

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1 1 8 9 13 14 14 16 18 18 19 19 21 22 23 23 24 24 25 28 29 30 32 32 33 38 38 40 42 42 42

2.4

2.3.2.3 Instrucciones. . . . . . . Actuadores del proceso. . . . . . . . . . 2.4.1 Motores paso a paso. . . . . . . . 2.4.1.1 Caracter´ısticas. . . . . . 2.4.1.2 Tipos de motores paso a 2.4.1.3 Ventajas y desventajas. 2.4.2 Fuente l´aser. . . . . . . . . . . . . 2.4.2.1 Clasificaci´on. . . . . . . 2.4.2.2 Caracter´ısticas. . . . . .

. . . . . . . . . . . . paso. . . . . . . . . . . . .

´ ´ 3 ANALISIS CINEMATICO DEL SISTEMA 3.1 Fundamentos mec´anicos. . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Estructura mec´anica de robots. . . . . 3.1.2 Transmisi´on y reductores. . . . . . . . 3.1.3 Actuadores y sensores. . . . . . . . . . 3.1.4 Elemento final.. . . . . . . . . . . . . . 3.2 Cinem´atica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 An´alisis cinem´atico directo. . . . . . . 3.2.2 An´alisis cinem´atico inverso. . . . . . . 3.3 C´alculos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 C´alculo del an´alisis cinem´atica directa. 3.3.2 C´alculo An´alisis Cinem´atico Inverso. .

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´ 4 ARQUITECTURA LOGICA DEL SISTEMA 4.1 Algoritmos de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Interfaz e ingreso de datos. . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Int´erprete de c´odigo G . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Planificador de rutas . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 Generador de trayectorias en el espacio cartesiano 4.1.4.1 Trayectoria lineal . . . . . . . . . . . . . 4.1.4.2 Trayectoria trapezoidal . . . . . . . . . . 4.1.4.3 Trayectoria double-S . . . . . . . . . . . 4.2 Protocolos de comunicaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Tipo de buses de comunicaci´on. . . . . . . . . . . 4.2.2 Bus PCI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.1 Conectores bus PCI. . . . . . . . . . . . 4.2.3 Bus PCI s´ıncrono. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Fundamentos del protocolo PCI. . . . . . . . . . . 4.2.5 Caracter´ısticas bus PCI. . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Tipo de se˜ nales del bus PCI. . . . . . . . . . . . .

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44 45 45 46 46 50 50 51 52

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55 55 55 57 58 59 59 61 61 62 62 64

. . . . . . . . . . . . . . . .

66 66 67 68 69 71 72 73 75 82 83 84 85 86 87 89 90

4.2.6.1

Funci´on de se˜ nales del bus PCI. . . . . . . . . . . . . 91

5 PRUEBAS DEL SISTEMA 5.1 Desempe˜ no del controlador con trayectorias lineales. . . . 5.2 Desempe˜ no del controlador con trayectorias circulares. . 5.3 Desempe˜ no del controlador con trayectorias combinadas circulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Desempe˜ no del controlador en corte de texto . . . . . . . 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

. . . . . . . . . . lineales . . . . . . . . . .

93 . . 97 . . 99 y . . 100 . . 102 105

´INDICE DE FIGURAS

1.1 1.2 1.3

Diagrama de Bloques de una M´aquina CNC. . . . . . . . . . . . . . . 9 Motor Paso a Paso [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Tarjeta Bus PCI [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21

Diagrama de Bloques de la Estructura F´ısica del Sistema. . Driver para Motores a Pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . ´ Sensor Optico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de Bloques del Procesamiento de Trayectorias. . Arquitectura Micro-Kernel [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura RTAI con HALL [2]. . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura RTAI con ADEOS [2]. . . . . . . . . . . . . . Tarjeta PCI (Super Puerto 5i25). . . . . . . . . . . . . . . Fotprint de la tarjeta PCI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configuraci´on del conector JTAG. . . . . . . . . . . . . . . Configuraci´on del conector HDR26. . . . . . . . . . . . . . Configuraci´on del conector DB25F. . . . . . . . . . . . . . Tarjeta de Expansi´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotprint de la tarjeta de expansi´on. . . . . . . . . . . . . . Esquema de Conexi´on L´ampara L´aser CO2. . . . . . . . . Panel de Control de la Fuente L´aser. . . . . . . . . . . . . Esquema del MPP-IP y MPP-RV [1]. . . . . . . . . . . . . Incremento de resoluci´on del MPP-IP y MPP-RV [1]. . . . Motor paso a paso H´ıbrido [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . Rotor dividido del MPP-H [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . Conexi´on Unipolar y Bipolar [1]. . . . . . . . . . . . . . .

3.1 3.2 3.3

Tipos de Articulaciones [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configuraci´on m´as frecuente de robots industriales [4]. . . . . . . . Desplazamiento con cinem´atica directa del punto (0,0) al punto (100,200). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desplazamiento con cinem´atica inversa de (0,0) pasos, a (25000,35000) pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4

xii

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18 21 23 27 31 31 31 33 34 37 37 38 39 39 44 45 47 48 48 49 49

. 56 . 57 . 64 . 65

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16

Diagrama de Bloques del Sistema de Control. . . . . . . . . . . . . Diagrama de Bloques del Int´erprete [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . Algoritmo de Planeaci´on de Rutas [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplos de posicionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Categor´ıas en la planeaci´on de Trayectorias [7]. . . . . . . . . . . . Posici´on velocidad y aceleraci´on de una trayectoria lineal, (t0 = 0, t1 = 8, q0 = 0, q1 = 10) [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aceleraci´on, velocidad y posici´on en un perfil de velocidad trapezoidal [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trayectoria Double-S: Posici´on, Velocidad, Aceleraci´on y Jerk [7]. . Posici´on, velocidad, aceleraci´on y jerk sin alcanzar vm ax [7]. . . . . Diagrama de bloques para la planificaci´on de trayectorias [7]. . . . . Conectores para Bus PCI de 32bits y 64 bits [8]. . . . . . . . . . . . Lectura de se˜ nales sincronizadas [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso para la sincronizaci´on de se˜ nales [9]. . . . . . . . . . . . . Ejemplo de arbitraci´on en el bus PCI [10]. . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo de encabezado del espacio de configuraci´on PCI [10]. . . . Pines del PCI [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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74 76 79 82 85 87 87 88 89 91

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14

Estructura CNC l´aser. . . . . . . . Sistema de tracci´on eje X. . . . . . Sistema de tracci´on eje Y. . . . . . Interfaz del Sistema. . . . . . . . . Pesta˜ nas de la Interfaz. . . . . . . . Trayectorias lineales. . . . . . . . . Trayectoria lineal-diagonal. . . . . . Trayectorias circulares. . . . . . . . Trayectoria circular. . . . . . . . . Ejemplo de trayectoria combinada. Trayectoria combinada. . . . . . . . Dise˜ no en Corel Drauw. . . . . . . Parametrizaci´on de las trayectorias. Prueba de corte de texto. . . . . . .

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93 94 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 103 104

6.1 6.2 3 4 5 6

Estructura de la aplicaci´on. Diagrama de flujo de la HMI Dise˜ no pant´ografo. . . . . . Componentes principales. . . Transmisi´on eje X. . . . . . Transmisi´on eje Y. . . . . .

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109 110 113 113 114 114

4.7

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67 69 70 71 72

. 73

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

CNC L´aser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tarjeta de expansi´on. . . . . . . . . . . . . . . . Motor del eje X, con su transmisi´on de engranes Motor del eje Y, con su transmisi´on de engranes Drivers motores ejes XY. . . . . . . . . . . . . . Fuente l´aser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L´ampara l´aser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Espejos para el haz del l´aser. . . . . . . . . . . . Boquilla l´aser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corte l´aser en Fomix. . . . . . . . . . . . . . . . Corte l´aser en Papel. . . . . . . . . . . . . . . . Corte l´aser en Trupan. . . . . . . . . . . . . . . Corte de una matriz de 2x2 en trupan. . . . . . Cortes en los diferentes materiales. . . . . . . .

. . . . 3:1 3:1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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116 116 117 117 118 118 119 119 120 122 122 123 123 124

´Indice de tablas 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Procesadores Intel Core 2 Duo. . Configuraci´on Est´andar CAT5. . Configuraci´on del Conector TB1. Configuraci´on del Conector TB2. Configuraci´on del Conector TB2.

3.1 3.2

Sistemas de transmisi´on [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Datos Para calculo de la Cinem´atica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Tipo de se˜ nales que maneja un BUS PCI [11]. Se˜ nales del Sistema [11]. . . . . . . . . . . . . Se˜ nales de Direcci´on y Datos [11]. . . . . . . . Se˜ nales de Control [11]. . . . . . . . . . . . . . Se˜ nales de Arbitraje [11]. . . . . . . . . . . . . Se˜ nales de Estado [11]. . . . . . . . . . . . . .

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5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9

Velocidades m´axima y m´ınima de los motores XY. Par´ametros de trayectoria lineal. . . . . . . . . . . Resultados de la ejecuci´on de corte lineal. . . . . . Par´ametros de trayectoria circular. . . . . . . . . Resultados de la ejecuci´on de corte circular. . . . Par´ametros de trayectoria combinada. . . . . . . . Resultados de la ejecuci´on de corte combinado. . . Par´ametros de corte en papel bond. . . . . . . . . Resultados del corte de texto. . . . . . . . . . . .

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96 97 98 99 100 101 102 104 104

xv

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CAP´ITULO 1 ´ INTRODUCCION

1.1

Estado del Arte.

En la actualidad, existen grandes empresas como Gbos, Fanuc, Iehk, Sale CNC, Viwa S.A, WMW AG, Jiatai Tecnolog´ıa L´aser, entre otras que se encuentran por todo el mundo, las cuales est´an dedicadas al dise˜ no, fabricaci´on y venta de M´aquinas–Herramientas CNC (Control Num´erico Computarizado), todas estas empresas se encuentran fuera del pa´ıs Ecuador. El control num´erico por computadora b´asicamente es adaptable para cualquier M´aquina–Herramienta como Fresadoras, Taladros, Tornos, entre otras m´aquinas que realicen movimientos de ejes a trav´es de motores, como por ejemplo Cortadoras por L´aser, M´aquinas para la realizar PCBs y todo tipo de m´aquina que realice diferentes tipos de movimientos, ya que este tipo de control se enfoca al movimiento de ejes generando trayectorias espec´ıficas con una alta precisi´on. Uno de los principales inconvenientes para realizar CNC en el pa´ıs, es la construcci´on de M´aquinas–Herramientas, ya que no se tiene empresas dedicadas a la construcci´on de las mismas. El principal motivo de no desarrollar diferentes productos en el pa´ıs, es que a´ un la mayor´ıa de personas sigue teniendo pensamientos retrogradas, en que el producto nacional no es competitivo con el producto importado, dando el resultado que empresas como CADITEX, El Hierro, Coral Rio entre otras, importen maquinaria y se dediquen a su comercializaci´on. El costo de una M´aquina–Herramienta CNC depende de varios factores como, ´area de trabajo, velocidad de trabajo, precisi´on en los movimientos, capacidad de almacenamiento de dise˜ nos, herramienta a controlar y su modelo, siendo estas las caracter´ısticas m´as importantes. 1

Como ya se menciono, existen diferentes empresas que est´an dedicadas a la fabricaci´on de m´aquinas CNC, cada una con sus propias caracter´ısticas como se puede ver a continuaci´on. La empresa Gbos l´aser est´a dedicada exclusivamente al dise˜ no y construcci´on de maquinaria l´aser, las cuales son totalmente automatizadas, que desempe˜ nan diferentes aplicaciones, a continuaci´on se puede ver el producto que realiza Gbos.

1. M´aquina de corte y grabado por l´aser. 2. M´aquina de marcado l´aser. 3. M´aquina de soldadura l´aser. 4. Interruptor membrana corte/marcado. 5. Marcado de paquete IC.

De cada una de estas m´aquinas, se puede encontrar diferentes series y modelos las cuales est´an centradas para un funcionamiento exclusivo, as´ı se cubre diversas ´areas de trabajo en la industria. Como por ejemplo se tiene la m´aquina de corte y grabado l´aser, donde se tiene 10 tipos de series, uno de ellos es la Serie D, donde se puede encontrar 4 modelos, la cual es ideal para cortar diferentes materiales, entre ellos se encuentra MDF, madera, acr´ılico y diferentes tipos de metal; con un l´aser CO2. En esta serie de igual forma se puede encontrar varios modelos donde se van a diferenciar por la potencia del l´aser, sistema de alimentaci´on y la automatizaci´on. Para tener una mejor idea de las caracter´ısticas y especificaciones de una m´aquina de corte y grabado por l´aser, se especificara la serie D modelo D1210. Se caracteriza por tener m´ ultiples modos de trasmisi´on de datos, tubo l´aser ´optico (100w, 120w, 150w), corta diferentes materiales como madera, acr´ılico y metales con un espesor m´aximo de 1.5 mil´ımetros, a continuaci´on se puede ver sus especificaciones.

• Tubo: L´aser es de CO2 herm´etico y distante. • Cabeza del l´aser: Una sola cabeza de l´aser. • Potencia bruta: 1200w. 2

• Conducci´on: Motor paso a paso. • M´etodo de enfriamiento: Refrigeraci´on por agua. ´ • Area de trabajo: 1200mm x 1000mm. • Velocidad de corte: 0 - 36000mm/min. • Sistema de control computarizado de corte autom´atico: Incorporado. • Fuente de alimentaci´on: AC220/5060Hz Max. • Peso: 220Kg. • Dimensi´on (largo, ancho, alto): 2120mm x 1580mm x 1170mm. • Requisitos para el medio ambiente: Temperatura 15 o C - 35 o C, humedad 30% - 80%.

Otro ejemplo de producci´on de Gbos, es la m´aquina de marcado l´aser, teniendo una funci´on diferente que la m´aquina de corte y grabado l´aser, el marcado l´aser de igual forma tiene sus respectivas series y modelos de producci´on entre ellos se puede ver la serie GB donde utiliza una fuente de l´aser de CO2 el cual no es apto para trabajar con metales y tiene adaptado un esc´aner de alta velocidad de vibraci´on estos como caracter´ısticas generales. Centr´andose en un modelo y serie se ha optado por la serie GB y modelo GB60A, como caracter´ısticas como ya se menci´on el l´aser que esta implementado no corta ning´ un tipo de metal, tiene un esc´aner de alta velocidad de vibraci´on, lente y tubo de alta calidad de las importaciones l´aser, en cuanto a los resultados de trabajo brinda una alta precisi´on a altas velocidades, tiene una gran estabilidad y f´acil manejo para el operador, la mesa de trabajo es m´ovil en el eje Y, esto no quiere decir que se va perder precisi´on, los lentes y el esc´aner ayuda a mantener su alta precisi´on. A continuaci´on podemos ver sus especificaciones.

• Tubo: L´aser de CO2. • Longitud de onda: 10um. • Est´andar de energ´ıa: 60w. • Potencia bruta: 2500w.

3

• M´etodo de enfriamiento: Refrigeraci´on por agua o aire de refrigeraci´on. • Velocidad de grabado de una l´ınea: Mayor o igual a 7000mm/s. • Profundidad de grabado: Mayor o igual a 3mm. • Frecuencia de pulso: ≤ a 25KHz. • Velocidad de escaneo: 7000mm/s. • Precisi´on de esc´aner: ±0.1mm. • Car´acter m´ınimo: 0.40mm. • M´ınimo de Ancho le l´ınea: 0,15mm. • Estilo de marcado: Plano/cilindro. ´ • Area de trabajo: 300mm x 300mm. • Extender lente: 3-8 veces (opcional). • Precisi´on repetida en posicionamiento: ±0,01mm. • Tiempo de respuesta del eje Z: < 3ms. • Fuente de alimentaci´on: 220v 1HP 20A 50/60Hz. • Peso: 210kg. • Sistema de refrigeraci´on: 671mm x 555mm x 821mm. • Requisito para el medio ambiente: temperatura 20o C - 30o C, humedad relativa 30% - 80% • Dimensi´on (largo, ancho, alto): 1770mm x 950mm x 1700mm.

Si se desea ampliar informaci´on de los diferentes productos que la empresa Gbos se puede ver en su p´agina web www.gboslaser.com. En cuanto a lo que se refiere a la empresa IEHK, de igual forma es una empresa que est´a dedicada a la producci´on de maquinarias, entre ellas se tiene la m´aquina de corte y grabado l´aser la cual se va analizar como las anteriores. Como era de esperarse, IEHK es una empresa que produce una gran variedad de maquinaria, a lo que se refiere m´aquinas de corte y grabado l´aser se tiene 11 modelos para cubrir diferentes ´areas de trabajo. 4

Para poder comparar entre un mismo producto de diferentes empresas, se toma como ejemplo la m´aquina de corte y grabado l´aser modelo IE1200, se debe tener presente que no se va tener una gran variaci´on en cuanto a sus caracter´ısticas y especificaciones, de todas formas se puede ver a continuaci´on. La EI1200 m´aquina de corte y grabado l´aser tiene como caracter´ısticas un alto rendimiento y una precisi´on extrema, tiene un f´acil manejo con PC y Software procesamiento de diferentes formatos de datos, puede trabajar con una gran variedad de material como es caucho, pl´astico, vidrio org´anico, pa˜ no, cuero y todo tipo de material no org´anico. El tipo de refrigeraci´on es mediante un enfriador de agua para tubo de enfriamiento por l´aser. En cuanto a las especificaciones se tiene:

´ de trabajo: 1200mm x 900mm. • Area • Est´andar de energ´ıa: 60w. • Velocidad de grabado: 50-60000mm/min. • Velocidad de corte: 50-60000mm/min. • Precisi´on de restablecimiento de posicionamiento: ±0,1mm. • Control de velocidad y de potencia: alta velocidad de control mediante DSP, y el control manual tiene incrementos de 1% al 100%. • Interfaz: PCI o USB. • Alimentaci´on: AC220-240v/110/120v, 50-60Hz. • Profundidad de grabado: 3mm. • Profundidad de corte: 15 20mm acr´ılico. • Sistema de ventilaci´on: Escape externo. • Peso neto: 300kg. • Requisito para el medio ambiente: Temperatura 0◦ C - 45◦ C, Humedad 5% 96% • Dimensi´on (largo, ancho, alto): 1600mm x 1020mm x 990mm.

5

Como se puede ver entre ambas empresas se tiene especificaciones y caracter´ısticas similares, lo cual demuestra que se tiene un gran nivel de tecnolog´ıa para obtener resultados tan precisos como ±0,1mm en posicionamiento y velocidades de trabajo tan elevadas, para mayor informaci´on se puede ver directamente en los cat´alogos de la propia empresa o en la p´agina web www.iehk.com. De igual manera se tienen las empresas Fanuc, Sale CNC, Viwa S.A, WMW AG entre otras, las cuales est´an centradas en la producci´on de CNC, sistemas de accionamientos y sistemas l´aser, donde cada uno de sus modelos se caracterizan por el tipo de material con que trabaja y su ´area de trabajo y muchos factores m´as como por ejemplo precisi´on, velocidad y terminado del corte y/o grabado. Como se puede ver, todas las empresas mencionadas son empresas grandes y se encuentran fuera de Ecuador, dejado as´ı un mercado libre para una producci´on nacional, lo cual da como resultado el nacimiento de la empresa Suprain convirti´endose en la empresa pionera en producir en este tipo de M´aquinas CNC L´aser, la cual se encuentra en la ciudad de Quito, brindando los siguientes servicios:

- Sistema de extracci´on de gases. - Corte asistido por aire comprimido. - Software de f´acil uso que se integra directamente en Autocad y Corel Draw. - Corte y grabado en el mismo trabajo. - Compatibilidad con varios tipos de archivo: .dwg, .dxf, .ai, .cdr, .jpeg, etc. - Soporte t´ecnico inmediato. - Capacitaci´on del personal que utilizara la m´aquina sin costo. - Garant´ıa de un a˜ no sobre defectos de fabricaci´on.

La empresa Suprarain brinda todos los servicios necesarios como el resto de empresas internacionales, una gran ventaja que posee Suprarain es el Servicio t´ecnico inmediato, lo cual el resto de empresa no lo puede ofrecer por encontrase fuera del pa´ıs, y dependiendo de la empresa se puede llegar a perder la garant´ıa de la m´aquina al salir del pa´ıs de origen.

6

Como se puede ver, se tiene empresas que se dedican completamente al dise˜ no, fabricaci´on y venta de CNC L´aser, lo cual nos indica que se tiene una gran demanda de producci´on. En diferentes Universidades del pa´ıs y del resto del mundo, se ha visto que se tiene un gran inter´es por parte de estudiantes, plantear como tema de tesis de grado, el estudio de CNC, en algunos casos se ha realizado su construcci´on o simplemente estudios e investigaciones, como por ejemplo:

• En el Instituto Polit´ecnico Nacional se realizo:

“Desarrollo de un modelo matem´atico para incrementar la productividad del torneado con CNC”

• Universidad Nacional de Colombia se ha realizado:

“Software de orientaci´on did´actica de manufactura experimental CNC”

• En la Escuela Polit´ecnica del Ej´ercito se ha realizado:

“Dise˜ no y construcci´on de una m´aquina CNC que realiza el ruteo de pistas y el taladrado de circuitos impresos (PCB) de manera autom´atica, utilizando una interfaz gr´afica y procesamiento de im´agenes en LabVIEW”. “Dise˜ no y construcci´on de un Rourter CNC para la fabricaci´on de puertas de MDF”. “Dise˜ no y construcci´on de un prototipo de torno autom´atico mediante control num´erico computarizado CNC”.

• En la Universidad Polit´ecnica Salesiana se ha realizado:

“Dise˜ no y construcci´on de un taladro XYZ controlado por microcontrolador con interfaz gr´afica mediante LabView para la fabricaci´on de circuitos impresos” Teniendo claro como se encuentra la investigaci´on y desarrollo de una m´aquina CNC en los diferentes pa´ıses tanto en la parte de universidades y empresarial, se ve 7

que es un tema que est´a en desarrollo, el cual no est´a saturado refiri´endose a la parte de dise˜ no y construcci´on para su comercializaci´on, a lo menos si se ve en la parte de Latino Am´erica se tiene un gran campo de mercado, por lo que es importante conocer como est´a constituida una CNC tanto en software y hardware.

1.1.1

M´ aquinas CNC.

Las M´aquinas CNC “Control Num´erico Computarizado” tienen como principal caracter´ıstica controlar completamente una M´aquina–Herramienta desde un computador mediante un control num´erico, facilitando en su totalidad el trabajo a desempe˜ nar. Este tipo de controladores CNC est´an basados en c´odigo G para la generaci´on de las trayectorias, siendo este un c´odigo alfanum´erico [12]. Al trabajar con el c´odigo G, brinda la facilidad a los usuarios de realizar los dise˜ nos en diferente programas CAD, permitiendoles usar diversos programas computacionales, para luego ser convertido el archivo de formato CAD o DXL en c´odigo G con la ayuda del Software CAM [13]. En general la CNC est´a catalogada en la parte mec´anica como m´aquinas de precisi´on siendo una de las caracter´ısticas m´as importantes, tambi´en se debe tomar muy en cuenta la velocidad de trabajo, est´a depende de la aplicaci´on que va a desempe˜ nar por ejemplo, si la m´aquina es un Torno CNC de la marca “Lab–Volt Modelo 5300” va a desempe˜ nar trabajos de fricci´on y esfuerzo dando como resultado una velocidad de trabajo de 356mm/min. Mientras que una CNC L´aser de la marca “Messer Modelo LaserMat Your L–Class” desempe˜ na un trabajo sin fricci´on se podr´ıa decir que tiene un movimiento libre dando como resultado una velocidad de trabajo de 60000mm/min como se puede apreciar se tiene una gran diferencia en la velocidad de trabajo. Ya que el control num´erico computarizado b´asicamente es el mismo para cualquier M´aquina–Herramienta, se puede generalizar en que est´a basado una CNC, al final se debe adaptar a los par´ametros espec´ıficos de cada aplicaci´on como son velocidades m´ınimas y m´aximas de trabajo del motor, aceleraciones m´ınimas y m´aximas de trabajo del motor, ´area de trabajo, caracter´ısticas propias de la parte mec´anica de la M´aquina–Herramienta, etc. Como se menciono anteriormente, el c´odigo G es generado por Software CAM, siendo el u ´nico que varia cuando se va a controlar una herramienta como un L´aser, 8

Figura 1.1: Diagrama de Bloques de una M´aquina CNC.

el software CAM en este caso, debe tener la opci´on de manipular la potencia del haz del l´aser, ya que en la mayor´ıa de dise˜ nos no son solo cortes, este puede tener la combinaci´on de corte y grabado en el mismo dise˜ no; mientras que el software CAM para una fresadora est´a enfocado al movimiento preciso de los ejes y no al control de la herramienta. [14]. Una de las ventajas de las M´aquinas CNC es el poder generar trayectorias tan dif´ıciles como sea posible dentro del ´area de trabajo en tiempos tan r´apidos que se les denomina procesos en tiempo real. Cada trayectoria est´a conformada por datos diferentes ya que los movimientos que se generan est´an formados por velocidad, aceleraci´on y coordenadas de posici´on espec´ıficas. A una M´aquina-Herramienta CNC se le puede descomponer a muy groso modo en 3 partes como se ve en la figura 1.1.

1. Procesador: Debe trabajar con un Sistema Operativo en Tiempo Real donde se realiza todo c´alculo para la generaci´on de trayectorias. 2. Tarjeta PCI de Alta Velocidad: Capacidad de comunicarse con el procesador a velocidades de 33MHz para controlar los diferentes drives de los actuadores de la M´aquina-Herramienta. 3. M´aquina-Herramienta: Es la aplicaci´on que va a desempe˜ nar, este puede ser un Torno, Fresadora, Taladro, Cortadora a L´aser o simplemente el control de varios ejes.

1.1.2

Caracter´ısticas b´ asicas de una CNC l´ aser.

Al hablar de una CNC L´aser solo se est´a cambiando la aplicaci´on o herramienta que se desea realizar o controlar, ya que el algoritmo del control num´erico computacional es lo que var´ıa de una aplicaci´on a otra m´as el software CAM. 9

Centr´andose en las M´aquinas CNC L´aser, se puede recalcar que son m´aquinas que trabajan a velocidades de tiempo real con una muy alta precisi´on de corte y/o grabado, como toda m´aquina esta presenta una interfaz muy amigable y f´acil de utilizar para los usuario, para lograr la precisi´on y altas velocidades la CNC l´aser debe cumplir con ciertos requerimientos como los que se puede ver a continuaci´on entre otros, los cuales se va ir presentando a su debido tiempo. Uno de los puntos importantes que se debe considerar es la precisi´on que tiene en el movimiento de los ejes, ya que es lo que entrega la calidad de resoluci´on para cada una de las trayectorias. Para garantizar que la trayectoria que se desea realizar sea lo m´as id´entica posible a su dise˜ no, se utiliza los Motores Paso a Paso “MPP” siendo los encargados de mover los ejes de la M´aquina-Herramienta, los cuales son controlados por pulsos desde el sistemas CNC. La principal caracter´ısticas de estos motores es que se los puede controlar cuando sea necesario con Micro-Pasos ayudando a aumentar la resoluci´on en los trazos de las trayectorias, en la figura 1.2 se puede apreciar un MPP. En el mercado se encuentran motores de pasos con diferentes resoluciones, estos pueden ser tan precisos que pueden dar pasos con un ´angulo menor a 1◦ o pasos con ´angulos de mayores de 15◦ [15], ya que depende de las caracter´ısticas propias de cada MPP, al tener una resoluci´on de menor grado ayuda a mejorar la precisi´on de la m´aquina y a´ un m´as al realizar micro pasos. Estos tipos de motores trabajan a 3 voltios y consumen 3 amperios. Existen una gran variedad de MPP, los m´as utilizados para m´aquinas CNC L´aser son MPP de Reluctancia Variable, MPP de Im´an Permanente. Los MPP–RV

Figura 1.2: Motor Paso a Paso [1].

10

permiten tener mayor velocidad y presentan menor inercia que los MPP–IP, tambi´en se tiene MPP H´ıbridos que es la combinaci´on de los MPP–RV y MPP–IP, siendo el m´as comercializado por sus caracter´ısticas [3]. Dependiendo el enfoque al que se va a desarrollar la CNC se debe escoger los motores de pasos, siendo estos los que van a dar mayor o menor precisi´on de la m´aquina, lo cual es ideal para las CNC l´aser, mientras que para una aplicaci´on de una fresado, torneado, taladrado, se puede implementar motores que brinden mayor inercia, en caso que la aplicaci´on requiera precisi´on y fuerza se podr´ıa utilizar los motores h´ıbridos que son los que brindan la combinaci´on deseada. Otro de los puntos importantes a considerar es la Fuente L´aser, la cual var´ıa dependiendo del material que se desea cortar. La fuente l´aser de di´oxido de carbono (CO2) es una de las fuentes m´as utilizadas para la parte de la industria, basada en la tecnolog´ıa L´aser Beam Torch [16]. La mayor parte de las industrias ecuatoriana est´an enfocadas al corte y grabado en material pl´astico, sea este para realizar letreros publicitarios o dise˜ nos y construcci´on de piezas pl´asticas para repuestos. Tambi´en se tiene empresas que est´an dedicados a la parte de corte o dise˜ no de logotipos en material textil. Es muy importante saber c´omo va estar colocada la fuente l´aser, ya que el haz del l´aser es disparado a un juego de espejos que ayuda a obtener una direcci´on vertical gracias a diferentes rebotes que se logra internamente. A mayor distancia que recorra el haz este cubre mayor per´ımetro, lo cual puede ser perjudicial para el proceso, esta distancia debe ser calibrada al momento ser ensamblada en la m´aquina. La potencia del l´aser es controlada de igual manera desde el sistema CNC, dando la facilidad de cortar completamente el material o simplemente realizar grabados en la superficie del material. Como ya se menciono anteriormente, las m´aquinas CNC ejecuta procesos tan r´apidos que son denominados procesos en Tiempo Real (TR). Para lograr procesos en TR se debe reconfigurar el Sistema Operativo (SO), utilizando las extensiones de tiempo real, siendo Linux el sistema operativo m´as id´oneo para este tipo de desarrollo por ser un SO de libre uso, en el sistema operativo Windows tambi´en se lo puede realizar pero no es recomendable, ya que se tiene demasiadas p´erdidas de recursos y es un SO compartido lo cual ocasionar´ıa demasiados conflictos [14].

11

Los sistemas operativos en tiempo real deben cumplir con 5 requisitos para el correcto funcionamiento:

1. Determinismo: Cuando se realiza operaciones en instantes fijos y predeterminados, en intervalos de tiempos predeterminados. 2. Sensibilidad: Se refiere a cu´anto tiempo consume el sistema operativo en reconocer una interrupci´on. 3. Control del Usuario: Es cuando se tiene prioridades a diferentes procesos. 4. Fiabilidad: Controla sucesos que se producen en su entorno a la misma velocidad. nado para corregir o minimizar al m´aximo sus 5. Tolerancia de Fallos: Est´a dise˜ fallos antes de continuar con la ejecuci´on del proceso.

Siendo estos requisitos lo que diferencia a un sistema operativo en tiempo real de un sistema operativo compartido [17] Las tarjetas PCI est´an basadas en el protocolo de comunicaci´on Bus PCI, que es por donde recibe toda la informaci´on de la generaci´on de trayectorias del procesador, se tiene tambi´en conectores como puerto paralelo y conector de patillas para el ingresos y salidas de datos como se puede ver en la figura 1.3, estos son conectados a los drivers de cada motor, la fuente l´aser y sensores de control, el protocolo USB no es factible ya que tiene la desventaja que es un protocolo as´ıncrono el cual no garantiza la transmisi´on en tiempo real puro [1].

Figura 1.3: Tarjeta Bus PCI [1].

12

Las tarjetas controladoras como de la figura 1.3 son tarjetas PCI (Interconexi´on de Componentes de Perif´ericos), son denominadas tarjetas de alta velocidad por lo que se pueden comunicar a 33MHZ.

1.2

Motivaci´ on.

El principal motivo para la implementaci´on de un sistema de control de una m´aquina CNC l´aser, es poner en pr´actica el conocimiento adquirido en la universidad, y teniendo muy en claro que se va a tener que realizar una investigaci´on en diferentes campos, que de una u otra manera se han revisado levemente o en el peor de los casos no se tiene conocimiento. El realizar una implementaci´on de esta magnitud ser´ıa algo muy satisfactorio tanto personal como para la universidad, ya que son logros que se puede plasmar en la vida profesional y se empieza a relacionar con tecnolog´ıa de muy alto nivel como es el caso de tarjetas de alta velocidad, modificar sistemas operativos y la propia generaci´on del algoritmo del control num´erico computacional para la generaci´on de trayectorias, siendo estos uno de los puntos m´as interesante para la implementaci´on de todo el proyecto. Otro de los puntos importantes que motivo el desarrollo del tema planteado, es que despu´es de realizar un peque˜ no estudio de c´omo se encuentra la parte de desarrollo de este tipo de m´aquinas, tanto en el exterior como dentro del pa´ıs, dio como resultado que la parte cient´ıfica de investigaci´on est´a muy avanzada, lo cual es de gran ayuda para el desarrollo, tambi´en se realizo un peque˜ no estudio de c´omo se encuentra la parte netamente de comercializaci´on de CNC l´aser en el Ecuador, donde se vio que existe solo una empresa ”Suprain” que realiza el desarrollo de este tipo de m´aquinas y el resto de CNC l´aser son importadas de diferentes pa´ıses donde se encuentran sus fabricantes. Al tener una solo empresa que produzca m´aquinas CNC l´aser deja abierto un mercado muy amplio, ya que no se tiene saturado dicha producci´on con producto nacional, mientras con los productos que son importados tienen una gran desventaja, que es la importaci´on, esto implica pagos de impuestos, aranceles, tiempo de entrega y lo m´as importante no brindan un servicio t´ecnico en caso de sufrir alg´ un desperfecto las m´aquinas.

13

El financiamiento completo del tema ”Implementaci´on de un Sistema de Control para una M´aquina CNC L´aser” por parte de la empresa caditex; es muy importante ya que muchas de las veces, las tesis de culminaci´on de carrera de ingenier´ıa quedan solo en estudios y simulaciones, ya que la parte de implementaci´on se convierte en el principal inconveniente por el coste que tiene un proyecto de este tipo, lo cual los estudiantes no disponen. Al tener el financiamiento completo por parte de la empresa caditex, para el desarrollo del tema de tesis, se analizo todos los factores que implica desarrollar una CNC L´aser:

• Tener el conocimiento de varios temas entre ellos: Generaci´on de trayectorias, Sistema Operativo en Tiempo Real, Programaci´on en Lenguaje VHDL, Comunicaci´on entre un Procesador y una Tarjeta PCI de Alta Velocidad, siendo esto uno de los temas m´as destacados. • Ver si es factible el desarrollo como tema de tesis de grado, para la culminaci´on de Ingenier´ıa Electr´onica, ya que el tiempo m´aximo permitido por la Universidad Polit´ecnica Salesiana para la culminaci´on de una tesis es de 2 a˜ nos. • Ver que beneficio se tiene el Implementar un Sistema de Control para una M´aquina CNC L´aser en nuestro medio.

Siendo estos los factores principales, para tomar la decisi´on del desarrollo del tema de tesis planteado, se analizo y se vio que son totalmente realizables y factibles, para demostrar que se puede desarrollar temas de este nivel en nuestro pa´ıs y ser un pa´ıs competitivo.

1.3

1.3.1

Objetivos y estructura de la tesis.

Objetivos planteados.

Para el desarrollo de la tesis se planteo como objetivo general “Dise˜ nar e Implementar un Sistema de Control para una M´aquina de Control Num´erico por Computadora, utilizando una tarjeta madre con sistema operativo Linux, logrando una automatizaci´on completa del proceso en tiempo real”. 14

Una vez planteado el objetivo general se establece objetivos espec´ıficos, los cuales ayudan a comprender de mejor manera c´omo se va a desarrollar el proceso para alcanzar satisfactoriamente la finalizaci´on del proyecto. Para ello se ha establecido los siguientes objetivos espec´ıficos. Implementar una tarjeta madre con Sistema Operativo Linux donde se realiza los c´alculos para la generaci´on de trayectorias.

• Comunicaci´on de Datos Robusta con los m´odulos de control. • Capacidad de almacenamiento dise˜ nos. • C´alculo de las trayectorias en tiempo real. • Generaci´on de perfiles de movimiento.

Programaci´on de la Tarjeta de Control.

• Generaci´on de Pulsos para los Drivers de Potencia XY. • Generaci´on de PWM para el Driver de Potencia Laser.

Implementar un Driver de comunicaci´on Tarjeta madre – Tarjeta de control.

• Comunicaci´on en Tiempo Real. • Comunicaci´on por el puerto PCI.

Implementar un m´odulo de Interfaz M´aquina–Humano con las siguientes caracter´ısticas:

• Una Interfaz atractiva para el usuario. • F´acil manejo. • Botones de Emergencia. • Alarmas visibles. 15

Implementar un Controlador que sea capaz de variar la potencia entregada por la fuente para el disparo del Laser a Tiempo Real en relaci´on con la velocidad, aceleraci´on del movimiento x–y, y de acuerdo a las caracter´ısticas del dise˜ no a cortar cargado en el sistema.

1.3.2

Estructura de la tesis.

Para el desarrollo de la Implementaci´on de un Sistema de Control para una M´aquina CNC L´aser, se ha estructurado la monograf´ıa en cinco cap´ıtulos, donde se hace referencia a todo lo que se debe tener presente para el desarrollo del mismo, m´as un cap´ıtulo de conclusiones y recomendaciones. En el primer cap´ıtulo de Introducci´on, hace referencia espec´ıficamente al Estado del Arte, esto quiere decir, realizar un estudio para ver si existen empresas que est´en dedicadas al desarrollo de Sistemas de Control para una M´aquina CNC L´aser. Como se pude ver, existe una gran cantidad de empresas extranjeras dedicadas al dise˜ no, fabricaci´on y venta m´aquinas CNC, mientras que en el Ecuador se tiene una empresa dedicada al dise˜ no, construcci´on y venta de este tipo de m´aquinas CNC, lo que se puede encontrar en mayor cantidad son empresas que se dedican solo a importar y comercializar. Tambi´en se indica en el primer cap´ıtulo la motivaci´on del porque se desarrollo el tema de Implementaci´on de un Sistema de Control para una M´aquina CNC L´aser, y cu´ales fueron los inconvenientes que se presentaron al momento de plantear el tema. En el segundo cap´ıtulo Estructura F´ısica del Sistema, se plantea una visi´on general del sistema, indicando r´apidamente de c´omo est´a conformado f´ısicamente todo el sistema de control de una m´aquina CNC l´aser, para ello se representa a trav´es de un diagrama de bloques, el cual ayuda a indicar como est´a estructurado el sistema, sus caracter´ısticas espec´ıficas y qu´e funci´on desempe˜ na. Profundizando las caracter´ısticas constructivas de los m´odulos de control, de potencia y la parte de actuadores. El tercer cap´ıtulo est´a enfocado a la parte del An´alisis Cinem´atico del Sistema, el cual estudia los movimientos articulares con respecto a un sistema de referencia absoluto o relativo, se puede dividir al an´alisis cinem´atico en an´alisis cinem´atico directo y an´alisis cinem´atico indirecto.

16

En el cuarto cap´ıtulo Arquitectura L´ogica del Sistema de una M´aquina de Corte L´aser se analizara los sub–sistemas digitales embebidos en el sistema de control num´erico por computadora. Los sub–sistemas son divididos por su estructura l´ogica en Algoritmos de Control y Protocolos de Comunicaci´on: El cap´ıtulo quinto Pruebas del Sistema, hace referencia a pruebas generales de todo el Sistema del Control Num´erico por Computadora, desde el ingreso de Dise˜ nos como l´ıneas rectas y circunferencias a la CNC, con esto se puede ver c´omo est´a desarrollando el procesamiento para la generaci´on trayectorias y perfiles de velocidad. Para finalizar se tiene el cap´ıtulo sexto, donde se tiene las conclusiones y recomendaciones del comportamiento de cada unas de las etapas del sistema y el comportamiento total de la CNC L´aser.

17

CAP´ITULO 2

ARQUITECTURA FISICA DEL SISTEMA.

2.1

Visi´ on general del sistema.

La CNC L´aser, tiene como unas de las caracter´ısticas principales, realizar procesos tan r´apidos que son denominados procesos en tiempo real y, generaci´on de trayectorias tan precisas como sea posible. Para obtener estos resultados, el control num´erico por computadora de un cortador l´aser, est´a basado como m´ınimo en un procesador Intel Core 2 Duo con sistema oper´atico en tiempo real (Linux), una tarjeta PCI de alta velocidad, una interfaz HMI (Interfaz Humano–M´aquina), Herramienta a manejar (L´aser), los drivers de motores de pasos y sensores. En la figura 2.1 se pude apreciar de mejor manera la arquitectura f´ısica del sistema.

Figura 2.1: Diagrama de Bloques de la Estructura F´ısica del Sistema.

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2.1.1

CPU o procesador.

Es la parte principal de todo el sistema CNC, el cual debe cumplir con requisitos m´ınimos de un procesador b´asico siendo suficiente para la aplicaci´on que va desempe˜ nar, en caso de querer colocar un procesador con caracter´ısticas superiores no se tiene inconveniente (siendo esta una gran ventaja, ya que son f´aciles de adquirirlos en el pa´ıs y son econ´omicos). En el CPU es donde se realiza la lectura del dise˜ no, procesando todos los c´alculos para la generaci´on de las trayectorias, esto implica la generaci´on de perfiles de movimiento, dando como resultado la generaci´on de pulsos tanto para los motores de pasos de los ejes XY y la fuente l´aser para ser transmitidos a la tarjeta controladora. Es importante contar con un procesador de buenas caracter´ısticas para realizar los c´alculos de la generaci´on de las trayectorias demanda una buena capacidad de procesamiento (buena velocidad), lo cual descarta completamente el uso de microcontroladores o FPGA para realizar los c´alculos, adem´as que la generaci´on de las trayectorias se debe realizar en tiempo real. Como se mencion´o se debe trabajar en tiempo real, para ello el sistema operativo que va a manejar el CPU, debe cumplir con la caracter´ıstica de procesamiento en Tiempo Real (TR) teniendo como opci´on Sistemas Operativos como Windows, DOS y Linux como los m´as conocidos en el medio.

2.1.2

Tarjeta controladora.

La tarjeta controlada, es una tarjeta PCI (Interconexi´on de Componentes Perif´ericos) de alta velocidad que desempe˜ na la funci´on de interfaz entre el Procesador y los Actuadores de la m´aquina-herramienta (L´aser, Motores de pasos y Sensores de Alerta). La informaci´on que recibe la tarjeta PCI desde el CPU son trenes de pulsos, los cuales fueron procesados de c´odigo G, que es la forma como ingresa la informaci´on de los dise˜ nos a todo el sistema CNC L´aser, a pulsos el´ectricos, de igual forma, la informaci´on que es enviada por el sistema mec´anico (espec´ıficamente por los sensores de alerta) son receptados por la tarjeta controladora y enviados al procesador, estas se˜ nales en caso de ser detectados indican que el sistema CNC l´aser ha sufrido alg´ un

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desperfecto, ocasionando que se detenga por completo todo el sistema. La velocidad a la que se trasmite la informaci´on, del procesador al la tarjeta PCI de Alta Velocidad y viceversa es de 33MHz, que es la velocidad a la que trabaja un procesador de una PC, siendo esta la raz´on por la que es denominada tarjeta de alta velocidad. La tarjeta controladora PCI que se est´a utilizando, est´a basada en la tecnolog´ıa FPGA Spartan-6 de Xilinx con una memoria DDR2-RAM, la capacidad de almacenamiento es de 255MB y una velocidad de trasferencia de 133MHz. La tarjeta tiene esta caracter´ıstica gracias a que el Spartan-6 tiene como desventaja la falta de memoria interna, ocasionando que se a˜ nada la memoria en el dise˜ no de la tarjeta [18] Una gran ventaja de la tarjeta controladora es que est´a dividida en dos tarjetas, la principal tarjeta es donde se encuentra el FPGA con la memoria RAM y el Bus PCI y la segunda es una tarjeta de expansi´on, la cual est´a conformada por drivers diferenciales de l´ınea para las entradas y salida de datos de los actuadores. Caracter´ısticas principales de los Spartan-6 de Xilinx.

• Proceso de fabricaci´on de 45nm. • Permite modo de hibernaci´on. • Tasa de transferencia de hasta 1050Mb/s de datos de pines diferenciales de I/O. • Controlador programable de corriente a 24mA por pin. • Una serie de interfaces de alta velocidad: Serial ATA, Aurora, IG Ethernet, PCI Express, OBSAI, CPRI, EPON, GPON, DisplayPort, y XAUI. • Soporte para memoria DDR, DDR2, DDR3, y LPDDR. • Las tablas de consulta con 6 entradas. • Bloques de RAM cada uno de 18Kb, cada uno se puede programar como dos bloques de RAM de 19Kb independientes.

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2.1.3

Drivers X/Y.

Continuando con la estructura f´ısica del sistema, los drivers XY son los controladores de los motores a pasos para generar el movimiento en los ejes XY, la informaci´on que es recibida por los drivers es en forma de pulsos el´ectricos, los cuales son plasmados en el movimiento de los ejes trazando las trayectorias de los diferentes dise˜ nos. Los drivers van de la mano de los actuadores (Motores de Pasos), ya que dependiendo de la potencia que tengan los motores estos van a consumir mayor o menor corriente. Para la aplicaci´on de la CNC L´aser se ha utilizado el driver IST-301 como se puede ver en la figura 2.2. Como caracter´ıstica de los driver IST-301 es que se puede configurar manualmente tres par´ametros importantes como son: 1. Corriente de consumo del motor, la cual es realizada con el procedimiento de chopping, el cual est´a basado en mantener el valor de corriente que circula por las bobinas del motor sin importar el voltaje, dando la posibilidad de incrementar el voltaje para obtener mayor velocidad de giro del motor[1], 2. La resoluci´on del micro-paso y 3. El sentido de giro, como se puede ver en la figura 6, en la parte superior se tiene todas las combinaciones posibles y en su costado se encuentran los switch para su configuraci´on manual. De igual forma en la parte frontal se encuentra los conectores de ingreso y la salida de las se˜ nales m´as el conector de alimentaci´on de 24v. Los par´ametros de corriente y micro-paso dependen directamente del actuador, si los motores a controlar son de mayor potencia, se debe ver si el driver pude soportar dicho consumo, caso contrario se deber´ıa cambiar por un driver de mayor potencia; en cuanto a los micro-pasos, su configuraci´on es muy importante y depende bastante

Figura 2.2: Driver para Motores a Pasos.

21

de la aplicaci´on a la que va ha ser empleado, el micro-paso ayuda que un paso normal del motor se le pueda dividir en micro pasos, as´ı se logra tener una mayor resoluci´on y precisi´on del sistema. El motor de pasos que se est´a implementando tiene una resoluci´on de 1.8 grados dando un total de 200 pasos por vuelta. Con la ayuda del driver IST-301 se ha configurado para lograr mejorar la resoluci´on obteniendo como m´aximo un total de 10000 micro-pasos, y un consumo de corriente de 2.5A.

2.1.4

Sensores.

La parte de sensores est´a enfocada al posicionamiento de los motores, quiere decir que cada vez que se va a empezar un dise˜ no el sistema CNC debe buscar el punto de inicio, siendo el u ´nico indicador de referencia de posici´on del l´aser. Los sensores van ubicados en las rieles de los ejes de movimiento tanto para el eje X como para el eje Y. Cuando el sistema CNC L´aser est´a buscando el punto de inicio, siempre se van a mover los motores en direcci´on de una misma esquina del ´area de trabajo, hasta que los sensores detecten que se ha llegado al punto de inicio cada uno de los ejes, estos pueden llegar en tiempos diferentes dependiendo en donde se termino el dise˜ no anterior. Cada vez que los dos sensores sean activados van enviar una se˜ nal al procesador indicando que el sistema mec´anico de la CNC L´aser esta lista para empezar con un nuevo dise˜ no. Como dato curioso las CNC l´aser solo tiene sensores para indicar el punto de inicio, si se desea tener un sistema m´as seguro se puede a˜ nadir sensores que nos indique el ´area de trabajo, as´ı cuando el sistema por cualquier motivo llegase a perder como m´ınimo un paso o en el peor de los casos que este mal configurado a lo que se refiere el ´area de trabajo, estos sensores nos indicar´ıan que el sistema est´a fuera del ´area de trabajo, en la figura 2.3 se puede ver un sensor ´optico utilizado para los sistemas CNC l´aser.

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´ Figura 2.3: Sensor Optico.

2.1.5

L´ aser.

De igual manera que los motores a pasos la fuente l´aser tiene su propio driver, el cual est´a encargado de convertir la informaci´on que es procesada desde el CPU en c´odigo G. La informaci´on que maneja el l´aser est´a centrada en el encendido y apagado de la fuente m´as la funci´on principal que es el controlar la potencia con la que se desea disparar el haz del l´aser. De acuerdo al dise˜ no que se desea realizar, el cual puede tener partes de dise˜ no en el cual se requiera realizar cortes completos sobre el material o simplemente cortes superficiales ”grabado en la superficie”, por lo que se debe manipular la potencia del haz del l´aser. En los cortes completos se debe aumentar la potencia dependiendo dicho material, mientras que en los cortes superficiales la potencia se debe disminuir hasta cierto nivel, una de las fuentes l´aser m´as utilizadas para CNC son las fuentes de di´oxido de carbono CO2 [16]. La fuente l´aser va montada sobre los ejes de movimiento XY de manera que el laser pueda realizar los cortes de las trayectorias.

2.1.6

Interfaz humano–m´ aquina.

Para finalizar la estructura f´ısica del sistema se tiene la interfaz entre el usuario y la m´aquina, para ello se utiliza un monitor t´actil, en el cual se puede visualizar el dise˜ no que se desea realizar e incluso se puede realizar peque˜ nos modificaciones como asignaci´on y cambios de potencia de las diferentes capas que se tenga en el dise˜ no.

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Al hablar de las capas se refiere a los colores asignados en el dise˜ no, cada capa representa un valor del porcentaje de potencia del haz del l´aser, ya que el dise˜ no puede tener cortes y grabados con diferentes potencias.

2.2

M´ odulo de control.

La parte del m´odulo de control se puede dividir en el procesador y la tarjeta controladora, como se menciono anteriormente en el procesador es donde se realizar todo el algoritmo de control, la generaci´on de trayectorias, perfiles de velocidad, interpretaci´on del c´odigo G, lectura de la informaci´on para visualizar en la pantalla y transmisi´on de datos para comunicarse con la tarjeta controladora. El algoritmo para la generaci´on de las trayectorias es realizado en el sistema operativo, el cual debe ser con la expansi´on de tiempo real, el cual se explica en el cap´ıtulo 4, la tarjeta controladora es la encargada de interpretar toda la informaci´on enviada por el procesador y ser el interfaz con los actuadores del sistema mec´anico.

2.2.1

Procesador.

Como ya se mencion´o en la visi´on general del sistema, el procesador es la parte principal de todo el controlador CNC l´aser, es el encargado de realizar la parte de c´alculo para la generaci´on de las trayectorias y transmitir al siguiente m´odulo la tarjeta controladora, como se puede observar en la figura 2.1. El procesador al trabajar con un sistema operativo este debe cumplir ciertas caracter´ısticas para poder desempe˜ nar su funci´on, lo primero que se debe tener en cuenta es que el SO debe ser un sistema que pueda trabajar en tiempo real SOTR.

• Caracter´ısticas de Hardware.

El procesador utilizado es Intel Core 2 DUO, brinda la capacidad suficiente para el desempe˜ no en una CNC, no es recomendable cambiar por un de caracter´ısticas inferiores, ser´ıa retroceder con la tecnolog´ıa.

24

Tabla 2.1: Procesadores Intel Core 2 Duo. Procesador Core Core Core Core Core Core 2 Core 2

2 Duo E4200 2 Duo E6300 2 Duo E6400 2 Duo E6600 2 Duo E6700 Extreme x6800 Extreme x6900

Frecuencia 1600 1866 2133 2400 2667 2933 3200

MHz MHz MHz MHz MHz MHz MHz

Nombre de C´ odigo

FSB

Multiplicador

Allendale Allendale Allendale Conroe Conroe ConroeXE ConroeXE

800MT/s 1066 MT/s 1066 MT/s 1066 MT/s 1066 MT/s 1066 MT/s 1066 MT/s

8x 7x 8x 9x 10x 11x 12x

Intel core 2 duo est´a basado en una arquitectura de doble n´ ucleo, tiene un desempe˜ no r´apido para una ejecuci´on en un menor tiempo, eficiencia energ´etica y un desempe˜ no de multitareas con una mayor capacidad de respuesta. Est´a compuesto por un microprocesador f´acil de programar, basado y construido con las caracter´ısticas de los microprocesadores de generaciones anteriores, una memoria cach´e L1 de 64KB para cada core, una memoria cach´e compartida de 4MB siendo un tama˜ no considerable, en la tabla ?? se puede ver las caracter´ısticas de los diferentes intel core 2 duo.

2.2.1.1

Sistema operativo en tiempo real.

A un Sistemas de Tiempo Real se les denomina, aquellos sistemas operativos que producen resultados correctos en tiempos determinados [19]. El Diccionario Oxford de computaci´on proporciona la siguiente definici´on de un sistema de tiempo real: “Cualquier sistema en el que el tiempo en el que se produce la salida es significativo. Esto generalmente es porque la entrada corresponde a alg´ un movimiento en el mundo f´ısico, y la salida est´a relacionada con dicho movimiento. El intervalo entre el tiempo de entrada y el de salida debe ser lo suficientemente peque˜ no para una temporalidad aceptable [20]”. Tomando el termino (temporalidad) como contexto global del sistema, se hace referencia a que, en un sistema CNC L´aser, el cual tiene como fin trazar trayectorias de alta precisi´on, donde los tiempos de respuesta son muy importantes, para tener una mejor idea de los tiempos de respuesta estos se encuentran entre los mili segundos, mientras que en una aplicaci´on de ensamble de piezas, el tiempo de respuesta no es tan importante como en la aplicaci´on anterior, en la ensambladora se puede hablar de tiempos de respuesta que se encuentran entre segundos.

25

Los principales sistemas operativos m´as conocidos para desempe˜ nar aplicaciones en tiempo real son los siguientes, y se puede obtener mayor informaci´on en [12]: • El SO de Windows, tiene un gran problema al trabajar con TR ya que su arquitectura est´a basada en un sistema de tiempo compartido a trav´es de mensajes, para poder solucionar este inconveniente se tiene dos alternativas. 1. La primera opci´on y m´as sencilla es utilizar Hardware adicionales, los cuales son los encargados de la temporizaci´on oportuna de los eventos inoportunos, que se produzcan en los diferentes momentos de trabajo, esta soluci´on es la menos recomendada, ya que el instalar un hardware adicional es consumir aun m´as los recursos del sistema operativo. 2. La segunda opci´on es mucho m´as ´optima, primero se debe instalar un n´ ucleo de tiempo real y luego cargar al sistema operativo Windows como una tarea m´as, as´ı se logra evitar desperdicios de recursos cuando se produzcan eventos irrelevantes como son: Avisos de actualizaci´on del mismo sistema operativo, mensajes del antivirus, actualizaci´on de aplicaciones o los mismos mensajes del programa Messenger entre otros.

Al trabajar con un sistema operativo que est´a basado en una arquitectura de tiempo compartido a trav´es de mensajes, no es ideal para desempe˜ nar trabajos en aplicaciones de tiempo real. Las opciones de sistema operativo DOS y Linux son SO basados en una arquitectura de tiempo distribuido, los cuales son ideales para sistemas de Tiempo Real. • Sistema Operativo DOS, es mucho m´as accesible ya que sus requerimientos de hardware son muy b´asicos consume menos memoria RAM ideal para m´aquinas antiguas. Su reconfiguraci´on es muy sencilla ya que no se debe recompilar su n´ ucleo gracias a su arquitectura modular [12]. Una gran desventaja de DOS es que no cumple con la caracter´ıstica de respuesta ante interrupciones y no es un sistema operativo reentrante, dejando descartado completamente. • Sistema Operativo Linux, tiene la facilidad de que existe un Sistema Operativo dedicado a lo que es de Tiempo Real (TR–Linux), de igual forma que en Windows se debe reconfigurar su n´ ucleo y tener un gran conocimiento de su c´odigo fuente para optimizar a lo m´aximo, pero la gran diferencia es que Linux como se dijo anteriormente est´a basado en una arquitectura distribuida siendo ideal para procesos en tiempo real [12]. 26

Conociendo las principales ventajas y desventajas de los diferentes Sistemas Operativos que pueden trabajar en Tiempo Real, se puede ver que el Sistema Operativo en Tiempo Real Linux es el que garantiza un mejor desempe˜ no en aplicaciones como CNC, en la figura 2.4 se puede observar un diagrama de bloques del proceso de la informaci´on en el procesador. El dise˜ no es ingresado al procesador de la CNC mediante una memoria flash, el cual debe estar en c´odigo G para poder ser procesado, ya que este es el lenguaje que maneja la CNC. En el bloque de FIGURAS se le puede modificar ciertos par´ametros como es la potencia del l´aser a trav´es de un interfaz humano-m´aquina. Una vez que se ha revisado y configurado todo la informaci´on de dise˜ no se empieza a procesar la informaci´on, todo este proceso es realizado en Tiempo Real, como se puede ver en la figura 2.4, se crea un bucle cerrado entre parametrizaci´on, interpolaci´on y perfiles de velocidad para la generaci´on de las trayectorias y datos del l´aser, una vez terminado el procesamiento de los datos y obtenido los resultados correctos en los tiempos predeterminados, esta informaci´on es almacenada en los buffer de memoria RAM y enviada a la tarjeta PCI.

Figura 2.4: Diagrama de Bloques del Procesamiento de Trayectorias.

27

La informaci´on procesada no es enviada directamente a la tarjeta PCI, es necesario almacenar en buffers de memoria RAM ya que no se puede comparar la velocidad de respuesta del sistema de la parte mec´anica con la velocidad de un procesador. Los actuadores son muy lentos por lo que se perder´ıa informaci´on de las trayectorias dejando un sistema ineficiente.

2.2.1.2

Requisitos para SOTR

Al trabajar con un Sistema Operativo en Tiempo Real (SOTR) como se mencion´o en el cap´ıtulo 1 debe cumplir con 5 requisitos, cada uno con tareas espec´ıficas. Determinismo: El sistema es determinista cuando se realiza operaciones en instantes y tiempos predeterminados, para que el sistema cumpla con el requisito de determinista depende de la velocidad de respuesta a las interrupciones y la capacidad de atender a todas las peticiones en un tiempo requerido [20]. Sensibilidad: La sensibilidad de un sistema operativo se mide de acuerdo al tiempo en que se demora en reconocer a una interrupci´on y el tiempo preciso para ser atendida, donde la sensibilidad depende de varios factores [20].

• El tiempo para atender la interrupci´on desde iniciar la gesti´on de interrupci´on y el inicio de ejecuci´on de resoluci´on. • Si la ejecuci´on de resoluci´on requiere de un cambio de proceso. • El sistema operativo deja de atender si se produce otra interrupci´on con mayor prioridad. • Depende del determinismo ya que entre los dos se produce el tiempo de respuesta para los diferentes sucesos que se producen.

Control de Usuario: El usuario tiene mayor control que en un SOTR que un SO normal, ya que el usuario puede manipular los procesos del sistema, manipular el algoritmo de planificaci´on entre otras opciones m´as. Fiabilidad: Debe controlar sucesos que se producen en su entorno y sucesos que se producen en su propia escala de tiempo.

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Tolerancia a Fallos: Los SOTR son dise˜ nados para responder a diferentes fallos que se produzcan, tratando de conservar su capacidad m´axima y la m´axima cantidad de datos. Tratan de corregir el problema o caso contrario tratan de minimizar sus efectos en lo mas que se pueda antes de continuar su ejecuci´on.

2.2.1.3

Caracter´ısticas de SOTR.

Para poder cumplir con los requisitos que necesita un sistema operativo en tiempo real, se debe cumplir con varias caracter´ısticas como son:

• Soporte para la aplicaci´ on de procesos en tiempo real: Hace referencia a que el sistema operativo de tiempo real debe proporcionar el soporte adecuado para crear, eliminar y planificar m´ ultiples procesos, teniendo cada uno la posibilidad de monitorear o controlar parte de una aplicaci´on, gracias a que se puede dar prioridades a diferentes procesos o interrupciones. • Planificaci´ on de prioridad (pre-emptive): El SOTR cuando este realizando un proceso de menor prioridad debe ser capaz de identificar cuando un proceso de mayor prioridad est´e listo para ser ejecutado, lo cual se produce mediante una interrupci´on, dejando as´ı de realizar el proceso de menor prioridad para ejecutar enseguida el proceso de mayor prioridad, lo cual se hace mediante el determinismo y la sensibilidad que son los encargados de detectar en el tiempo necesario cualquier interrupci´on gracias al control que tiene el usuario sobre el sistema operativo. • Garant´ıa de respuesta ante interrupciones: La garant´ıa de las respuestas a interrupciones o eventos depende totalmente de que el SOTR est´e bien configurado la parte de Determinismo y Sensibilidad, ya que el determinismo es el encargado de identificar las interrupciones y la sensibilidad de tratar de ejecutar lo m´as pronto posible como se mencion´o anteriormente. Estas interrupciones pueden ser de tipo Hardware o Software, por lo que el SO debe ser interrumpible y reentrante. • Comunicaci´ on Interprocesos: Los sistemas operativos en tiempo real deben ser capaces de soportar este tipo de comunicaci´on de interprocesos como son sem´aforos, colas de mensajes y memoria compartida, garantizando fiabilidad y precisi´on para la sincronizaci´on y coordinaci´on de la ejecuci´on de los diferentes procesos, otro de los beneficios de comunicaci´on de interprocesos es la protecci´on de los datos y compartir los recursos. 29

• Adquisici´ on de datos en alta velocidad: Al trabajar con adquisici´on de conjunto de datos en alta velocidad, el SOTR est´a configurado para proporcionar los recursos necesarios para realizar un almacenamiento masivo de informaci´on en el disco y poder optimizar la parte de almacenamiento, tambi´en se tiene la posibilidad de realizar almacenamiento secuencial (asignar bloques de almacenamiento seguido del disco duro), es enfocado a la parte de buffer de E/S. • Soporte de Entras y Salidas: Este punto es muy importante ya que es el que nos permite tener la comunicaci´on con los diferentes dispositivos que se desea monitorear o controlar, una de las caracter´ısticas de este punto es que debe soportar entradas y salidas as´ıncronas, esto quiere decir que un proceso puede iniciar una operaci´on de E/S y luego continuar sin ning´ un problema con su ejecuci´on mientras se est´a ejecutando concurrentemente la operaci´on de E/S.

Teniendo presente todas las caracter´ısticas y los requisitos m´as importantes que necesita un sistema operativo en tiempo real para aplicaciones donde el resultado no es lo m´as importante si no tambi´en el tiempo de respuesta que se demora en entregar el resultado, se tiene sistemas con interfaz de aplicaci´on en tiempo real (RTAI), siendo la evoluci´on de los SOTR.

2.2.1.4

Sistemas RTAI.

Los sistemas RTAI son espec´ıficamente para los SO de GNU/Linux, este tipo de sistemas RTAI son capaces de realizar tareas de tiempo real duro (hard real time) siendo su caracter´ıstica principal. B´asicamente RTAI es la evoluci´on de RTLinux dando como resultado que el n´ ucleo tiene un n´ ucleo compartido para RTAI y RTLinux [2]. La arquitectura de los sistemas RTAI son basados de la arquitectura micro-kernel, como se puede ver en la figura 2.5 se muestra como est´a conformado internamente una arquitectura micro-kernel, siendo un sistema operativo en tiempo real existe una capa que intercepta todas las interrupciones del Hardware para ser ejecutadas las tareas en tiempo real, esto es gracias a las prioridades que se ha otorgado al momento ser configurado, y teniendo como tarea m´as baja al kernel de Linux como las de menor prioridad.

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Figura 2.5: Arquitectura Micro-Kernel [2].

Figura 2.6: Arquitectura RTAI con HALL [2].

Figura 2.7: Arquitectura RTAI con ADEOS [2].

31

Mientras que la arquitectura de RTAI se puede ver en la figura 2.6, a diferencia al micro-kernel en esta arquitectura de RTAI se tiene una capa abstracci´on de Hardware (HALL) [2]. Sin embargo se ha seguido desarrollando este tipo de arquitectura hasta llegar a implementar la de nano-kernel de ADEOS como se muestra e la figura 2.7 [2].

2.2.2

2.2.2.1

Tarjeta controladora

Descripci´ on general.

Como se mencion´o en la secci´on de visi´on general del sistema, la tarjeta controladora debe tener buenas caracter´ısticas para poder comunicarse a la velocidad de un procesador de computadora. La tarjeta controladora es una tarjeta PCI de alta velocidad, la cual est´a basada en la tecnolog´ıa FPGA, bus PCI y una memoria DDR2 RAM como los principales componentes. La tarjeta con la que se va a trabajar es Super Puerto 5i25 de mesa electronic, son catalogadas como tarjetas de bajo costo lo cual hace que sean f´aciles de conseguir en el mercado, en la figura 2.8 podemos ver una tarjeta Super Puerto 5i25. La comunicaci´on con los diferentes dispositivos a ser controlados se realiza mediante conectores de peinetas o patillas y un puerto paralelo est´andar denominados P2 y P3 respectivamente en el dise˜ no de la tarjeta, el super puerto 5i25 est´a centrado para el control m´aquinas-herramientas que realicen alg´ un movimiento de alto rendimiento como son las CNC l´aser, como principal interfaz de comunicaci´on es el bus PCI que garantiza transmisi´on de datos con tiempos fiables. Son denominados como tarjetas PCI universales al 5i25 por trabajar con sistemas a 5v y 3.3v. Al ser tarjetas PCI universales se caracteriza por tener 34 bits de entras/salidas para prop´osito general los cuales son 17 por cada conector. Todos los pines de prop´osito general tienen un bus de switches que proporciona tolerancia de 5v. Cuando la CPU en la que est´a conectada la tarjeta PCI se apaga, las entradas/salidas de prop´osito general se descontentan inmediatamente como protecci´on al sistema, as´ı se evita que la alimentaci´on de la m´aquina-herramienta se convierta en fuente para la tarjeta lo cual provocar´ıa que las entradas/salidas de prop´osito general sufran quemadura de los pines o en el peor de los casos se aver´ıe los pines dejando a la tarjeta PCI con un funcionamiento inestable lo cual podr´ıa

32

Figura 2.8: Tarjeta PCI (Super Puerto 5i25).

ocasionar diferentes accidentes. Como dato importante de los pines de entrada y salida de prop´osito general, los 17 bit que pertenecen al conector de patillas ya tienen definido su estado de activaci´on por estar conectados con resistencias de pull-up, mientras que los 17 bits restantes que pertenecen al puerto paralelo se los puede programar como sea m´as conveniente para el sistema. La terminaci´on de pll-up ayuda que la se˜ nal transmitida no se distorsione o sea una se˜ nal flotante, cuando la longitud de las pistas en la tarjeta es demasiado larga y se maneja se˜ nales de alta frecuencia, por lo que se trata de cumplir con las reglas de dise˜ no enfocadas a compatibilidad electromagn´etica, integridad de se˜ nales entre otras m´as con dicha terminaci´on, la cual es de conectar la resistencia entre el pin que entrega la se˜ nal y la fuente de alimentaci´on positiva. El dise˜ no de las tarjetas 5i25 es compatible con 5 tarjetas de expansi´on como son 7i74 y 7i78, siendo esta la interfaz entre la PCI y los actuadores, se ha realizado esta divisi´on para proteger la parte m´as sensible como es el FPGA y la memoria en caso de alguna sobrecarga.

2.2.2.2

Configuraci´ on de hardware de la tarjeta de control.

• Opciones de alimentaci´ on.

La alimentaci´on de la 5i25 se realiza mediante el mismo computador siendo car33

Figura 2.9: Fotprint de la tarjeta PCI.

acter´ıstica de la empresa mesa para toda su gama de tarjetas, tambi´en se tiene la opci´on de ser alimentada por fuentes externas mediante cuatro cables paralelos del conector DB25 con los pines (22),(23),(24),(25) siendo pines para manejar corriente alterna, los cuales est´an deshabilitados por seguridad. La alimentaci´on de 5v para los dos conectores de entradas y salidas de prop´osito general se puede realizar individualmente, los cuales est´an protegidos por dispositivos de PTC por cada conector, asegurando que la tarjeta 5i25 no sufra da˜ no alguno en caso que se produzca un cortocircuito accidental. En la figura 2.9 se puede apreciar el fotprin de la tarjeta PCI.

• Tolerancia de voltaje en las I/O.

El FPGA que con el que trabaja el 5i25 es un SPARTAN-6 de Xilinx, el cual tiene ingreso de voltaje espec´ıfico de 4 voltios absoluto como m´aximo, y la alimentaci´on de la tarjeta es de 5v, por lo que se tiene un bus de interruptores en todos los pines de ingresos y salidas, controlando que no sobrepase el umbral preestablecido. Al ser tarjetas denominadas de alta velocidad, las se˜ nales que maneja son voltajes de 3.3v por lo que se debe desactivar la opci´on de tolerancia de 5v. Ambos conectores de I/O son controlados por la opci´on de tolerancia de 5v, dando como resultado, cuando est´a en alto el modo de tolerancia esta activado y cuando est´a en bajo se desactiva. W3 es el dispositivo de control (jumper) de la opci´on de tolerancia 5v I/O y tambi´en est´a encargado de controlar el valor de alimentaci´on de las resistencias de pull-up, cuando est´a en alto las resistencias son alimentadas con 5v y cuando est´a en bajo son alimentadas con 3.3v.

34

• Configuraci´ on del pull-up antes de su activaci´ on.

La 5i25 tiene una debilidad con las resistencias de pull-up de todos los pines de I/O en las acciones de encendido o apagado su fuente de alimentaci´on, por lo que se debe deshabilitar el cambio de estado del W3 al momento que se produzca cualquiera de estas dos acciones, para ello se tiene un jumper de control W4 que est´a en bajo para deshabilitar a W3 y las resistencias de pull-up no est´en con valores de voltaje indeseados.

• Aislamiento del Bus PCI.

De igual forma que en los conectores P2 y P3 (ver en la figura 2.9 el bus PCI tambi´en tiene un bus de interruptores para controlar la comunicaci´on entre el bus PCI y el FPGA, la operaci´on de desconectar la comunicaci´on es para cuando se desea depurar del firmware del FPGA-PCI. El control es mediante un jumper W5 el cual debe estar en alto para que se establezca la conexi´on caso contrario en bajo para deshabilitar.

on EEPROM. • Configuraci´

Como se ha mencionado la tarjeta 5i25 est´a compuesta por un SPATAN-6 que tiene como debilidad la falta de memoria para almacenamiento de informaci´on, por lo que las tarjetas de MesaElectronic tienen una memoria EEPROM que est´a conectada directamente con el FPGA. En caso que la memoria sufra alg´ un da˜ no o se necesite depurar la memoria esta tiene un conector JTAG de programaci´on, la memoria puede ser reprogramada con la herramienta de Xilinx. Otro de los puntos importantes para a˜ nadir la memoria al dise˜ no de la tarjeta, es que en el FPGA tiene toda la l´ogica del bus PCI, y el acceso para la configuraci´on PCI es imposible, por lo que se debe reconfigurar a la EEPROM con la ayuda del conector JTAG con dos archivos de usuario, uno principal y un segundo de reserva, la capacidad de almacenamiento de la memoria es de 8Mbits.

• Interfaz SPI.

35

Es el protocolo de comunicaci´on que se tiene para la configuraci´on de la memoria EEPROM, el SPI (interfaz serial entre perif´ericos) es utilizado u ´nicamente cuando se desea cambiar la configuraci´on de la memoria. Los dispositivos conectados al bus de comunicaci´on son denominados como maestro y esclavo. Para determinar el dispositivo que va a actuar como esclavo se tiene una l´ınea de control o selecci´on denominada (Chip select), la cual ser´a activada u ´nicamente cuando se desea comunicarse con un dispositivo que va actuar como esclavo, cada dispositivo tiene su propia l´ınea de Chip select por lo general. El protocolo SPI es un tipo de comunicaci´on serial full d´ uplex, cada dispositivo conectado al bus puede transmitir y recibir informaci´on. La informaci´on es transmitida por tres cables donde, dos l´ıneas son dedicadas a transmisi´on de datos y la tercera l´ınea es para las se˜ nales de reloj.

• Se˜ nales de Reloj.

tarjeta PCI tiene dos se˜ nales de reloj para el FPGA, el primero es el reloj del PCI y el segundo es un cristal de 50MHz que se encuentra en la propia tarjeta. Estas dos se˜ nales de reloj pueden ser manipuladas por el FPGA para generar diferentes se˜ nales de reloj interno. Para aplicaciones donde se requiera alto grado de precisi´on es recomendado utilizar la se˜ nal de reloj del cristal de 50MHz, ya que la se˜ nal de reloj del bus PCI no tiene la precisi´on tan alta.

• Resistencias de Pull-up.

Las resistencias de pull-up est´an conectadas a las entradas y salidas de prop´osito general, estas pueden estar conectadas en diferentes modos como son open drain, open colector o por dispositivos de OPTO acopladores. Todas las resistencias tiene un valor de 3.3K generando un pull-up de 1.5mA con una alimentaci´on de 5v y un pull-ap de 1mA cuan son alimentados con 3.3v.

• Configuraci´ on de entradas. 36

La configuraci´on de entradas del 5i25 est´a controlada por el firmware de control de HostMot2, siendo una gran ventaja ya que est´a basado en c´odigo abierto y muy flexible para soportar diferentes interfaces para la configuraci´on. HostMot2 b´asicamente es denominado un controlador, el cual interconecta su firmware, ofreciendo diferentes m´odulos como, generadores de PWM pasos y generadores dir (step/dir), el uso general de las entradas y salidas (I/O). El FPGA es el encargado de ejecutar el firmware de HostMot2 y la interfaz que utiliza para la comunicaci´on con el hardware (motores a pasos) es el bus PCI. • Diagrama de Conectores P1, P2 y P3. Conector JTAG (P1).

Figura 2.10: Configuraci´on del conector JTAG.

Conector de Patillas HDR26 (P2).

Figura 2.11: Configuraci´on del conector HDR26.

Conector de Puerto Paralelo DB25F (P3). 37

Figura 2.12: Configuraci´on del conector DB25F.

2.3

M´ odulo de potencia

El m´odulo de potencia se divide en dos partes, primero en la tarjeta de expansi´on la cual es parte de la tarjeta controladora y segundo en el modulo de potencia de la fuente l´aser, siendo los que est´a directamente conectados con los actuadores del sistema.

2.3.1

Tarjeta de expansi´ on.

La tarjeta PCI necesita una tarjeta de expansi´on como la que se puede ver en la figura 2.13 que es b´asicamente la interfaz para la comunicaci´on con los drivers de los actuadores. La tarjeta que se implemento es la 7i78 de MesaElectronic, maneja se˜ nales hasta 5v y drivers de 24mA, todas las salidas est´an conectadas al driver de l´ınea en modo diferencial para evitar el ruido. Est´a compuesta por un bloque de conectores de terminal de tornillo de 3.3mm como se puede ver en la figura 2.13, en la figura 2.14 se puede ver el fotprint de la tarjeta de expansi´on. La 7i78 est´a dise˜ nada para una comunicaci´on con la tarjeta PCI para 4 ejes con una interfaz de buffer direccionados codificados, est´a compuesto por el conector principal RS-422, y las salidas est´an manejadas por drivers de l´ınea diferenciales como protecci´on. 38

Figura 2.13: Tarjeta de Expansi´on.

Figura 2.14: Fotprint de la tarjeta de expansi´on.

39

2.3.1.1

Configuraci´ on de hardware de la tarjeta de expansi´ on.

• Alimentaci´on.

La tarjeta 7i78 pude ser alimentada por dos m´etodos los cuales deben estar sincronizados al momento de su funcionamiento, esta pude ser alimentada por la tarjeta 5i25 mediante un encoder con interfaz serial de 5v, el cual est´a controlado por un switch W1, tambi´en se puede alimentar a la tarjeta mediante el conector DB25. Cuando el W1 est´a en la posici´on de mano izquierda quiere decir que la energ´ıa va ser suministrada por la tarjeta FPGA, caso contrario si W1 est´a en la posici´on mano derecha la energ´ıa va ser suministrada por el cable DB25 a trav´es de los 4 cables que se menciono en la configuraci´on de hardware de la tarjeta controladora.

• Encodre en Modo de Entrada.

El encoder puede ser configurado para trabajar en modo diferencial o en modo simple de terminaci´on, el cual est´a controlado por los switch W2, W3 y W4. Cuando los tres switch se encuentran en la posici´on de mano derecha el encoder trabaja en modo diferencial, y en la posici´on de mano izquierda el encoder trabaja en modo unipolar o TTL. Los tres switch puede trabajar en modo de grupo o individualmente, cada switch est´a encargado de controlar una entrada definida como son, W2 controla a la entrada Z o entrada de ´ındice, W3 controla a la entrada B y W4 controla a la entrada A, siendo A y B modos de entrada.

• Interfaz de Host.

La tarjeta de expansi´on 7i78 est´a dise˜ nada para operar con una tarjeta basada con la tecnolog´ıa FPGA como es la 5i25 la cual utilizan el protocolo de comunicaci´on de puerto paralelo RS-422 como se menciono en la secci´on anterior la 5i25 soporta PWM, ste/dir, encoder entre otros m´odulos m´as, la tarjeta FPGA puede funcionar como fuente de alimentaci´on de 5v para la tarjeta de expansi´on.

• Interface pasos/direcci´on (step/dir). 40

Es la encargada de transmitir la informaci´on a los cuatro canales que se tiene en la tarjeta 7i78 para el control de los actuadores, son salidas de paso y direcci´on, con interface de b´ ufer de 5v para se˜ nales diferenciales, al ser diferenciales permiten trabajar en ambientes m´as ruidos. • Interfaz RS-422.

La tarjeta 7i78 tiene dos m´odulos de conectores denominados TB1 y TB2 como se puede ver en la figura 2.14, para TB2 se tiene una interfaz RS-422 la cual est´a destinada a las entradas y salidas de expansi´on, la forma recomendada de conectar este m´odulo es construirse un cable que siga los est´andares de CAT5 o CAT6, como se puede ver la tabla 2.2. Tabla 2.2: Configuraci´on Est´andar CAT5. TB3 PIN

7I78 Se˜ nales

Direcci´ on

CAT5 Pines

CAT5 568B Color

15 15 17 18 19 20

GND RX+ RXTX+ TX+5VP

FROM 7I78 TO 7I78 TO 7I78 FROM 7I78 FROM 7I78 FROM 7I78

4,5 6 3 2 1 7,8

Azul/blanco Verde Verde/blanco Naranja Naranja/blanco Marr´ on/blanco

• Conectores.

Por el conector TB1 se obtiene los datos de direcci´on y paso para los actuadores, est´a conformado por cuatro conectores de tornillo una para cada eje o actuador a manipular, cada conector es de 6 canales dando un total de 24 canales, en la tabla 2.3 Tabla 2.3: Configuraci´on del Conector TB1. TB1 PIN

Se˜ nales

TB1 pines

Se˜ nal

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

GND Paso 0Paso 0+ Direcci´ on0Direcci´ on0+ +5VP GND Paso 1Paso 1+ Direcci´ on1Direcci´ on1+ +5VP

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

GND Paso 2Paso 2+ Direcci´ on2Direcci´ on2+ +5VP GND Paso 3Paso 3+ Direcci´ on3Direcci´ on3+ +5VP

El conector TB2 est´a construido de forma similar que el TB1, la u ´nica diferencia es que TB2 tiene tres conectores de 8 canales y va a manejar diferentes se˜ nales como son, encoder, RS-422 y conector de eje ver la tabla 2.4. 41

Tabla 2.4: Configuraci´on del Conector TB2.

2.3.2

TB1 PIN

Se˜ nales

TB1 pines

Se˜ nal

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ENCA+ ENCAGND ENCB+ ENCB+5VP IDX+ IDXGND RS-422 RX+ RS-422 RXRS-422 TX+

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

RS-422 TX+5VP NC NC SPINDLESPINDLE OUT SPINDLE+ NC SPINDLE ENASPINDLE ENA+ SPINDLE DIRSPINDLE DIR+

Potencia l´ aser.

Existen diversos modelos de fuentes l´aser para el corte y grabado de materiales, uno de los m´as utilizados es el l´aser generado por CO2 por la potencia m´axima que puede alcanzar.

2.3.2.1

Fuente l´ aser HY-HVCO2/X.

La fuente l´aser HY-HVCO2/X como su propio nombre lo dice, utiliza como fuente de alimentaci´on CO2 para la generaci´on del haz del l´aser, de acuerdo al material con el que se desea trabajar su potencia m´axima de construcci´on varia. Donde X nos indica la longitud de onda del haz del l´aser, CO2 es la fuente de alimentaci´on para la generaci´on del haz del l´aser y HY-HV es el modelo.

2.3.2.2

Caracter´ısticas generales.

La fuente l´aser puede ser alimentada a 110AC o 220AC por lo que se debe especificar al momento de hacer la compra. De acuerdo al modelo de la fuente, este puede generar un voltaje m´aximo de salida de 28kv, 35kv, 40Kv y la corriente m´axima de salida generada es de 23mA, 28mA y 38mA, en corriente directa. El voltaje m´aximo y la corriente m´axima generados est´an en funci´on de la longitud de onda del haz del l´aser.

42

La longitud de onda para los datos mencionados son los siguientes: MM HY-HVCO2/1.2 70w = 28kv - 23mA. MM HY-HVCO2/1.6 80w = 35kv 28mA. MM HY-HVCO2/1.2 130w = 40kv - 38mA.

• Aislamiento del voltaje disruptivo.

Ingreso-Salida, ingreso-carcasa: AC 2000v - 10mA - 60s, el polo negativo de salida est´a conectado en la carcasa.

• Protecci´on.

Con una buena instalaci´on de carcasa a tierra, el circuito de salida de fuente de alimentaci´on puede estar encendido por peque˜ nos periodos de tiempo, se debe evitar completamente el contacto entre el polo positivo y la carcasa, se producir´ıa un cortocircuito directo.

• Tiempo de Respuesta.

El tiempo de respuesta es menor o igual a 1ms, el cual es medido desde el momento que es alimentado.

• Control de nivel de tensi´on con TTL.

Se tiene un control de nivel de tensi´on eficaz el cual se puede ajustar en alto o bajo.

• Switch de protecci´on.

Es utilizado para la detecci´on del agua de refrigeraci´on, para la protecci´on del dispositivo l´aser, o activaci´on con la carcasa.

• Control de la potencia del l´aser. 43

La potencia del l´aser se puede regular por dos m´etodos, el primero es con la variaci´on de la corriente de salida de la fuente de alimentaci´on con la ayuda de la resistencia variable, el segundo m´etodo es con se˜ nales de PWM (la magnitud debe estar en el nivel de TTL).

2.3.2.3

Instrucciones.

• Conexi´on de la l´ampara l´aser.

El terminal positivo del dispositivo l´aser CO2, es conectado con el terminal de alto voltaje de HY-HVCO2/X que es la fuente de alimentaci´on, mientras que la salida del dispositivo l´aser CO2 es conectado al polo negativo del circuito de corriente, para esta conexi´on se puede utilizar un amper´ımetro o realizar la conexi´on directamente, en la figura 2.15 se puede ver un esquema de conexi´on.

• Conexi´on del control de se˜ nales.

Como se mencion´o anteriormente la fuente l´aser se puede configurar para niveles altos o bajos mediante reguladores TTL, en la tabla 2.5 se puede ver la configuraci´on y en la figura 2.16 se puede ver los terminales del tablero de control.

Figura 2.15: Esquema de Conexi´on L´ampara L´aser CO2.

44

Tabla 2.5: Configuraci´on del Conector TB2. Ingreso TTL-H

Ingreso TTL-L

Control de ingreso DAC

Potencia de salida l´ aser

NC

Bajo ( < 0.3v ) Alto ( > 3v ) NC

0-5v 0-5v 0-5v 0-5v 0-5v

P min - Pmax 0 0 P min - Pmax 0

Bajo ( < 0.3v ) Alto ( > 3v ) Interfaz de protecci´ on - Circuito abierto

Figura 2.16: Panel de Control de la Fuente L´aser.

2.4

Actuadores del proceso.

En el sistema CNC l´aser tiene u ´nicamente dos tipos de actuadores, los motores de pasos que van a generar el movimiento de los ejes XY y la herramienta a manipular para los cortes y grabados que es el l´aser CO2.

2.4.1

Motores paso a paso.

El actuador motor paso a paso tambi´en conocido como “motores de movimiento indexado” o simplemente “motor de pasos” [15], son considerados como motores de alta precisi´on gracias a sus caracter´ısticas constructivas, como se mencion´o en el cap´ıtulo 1, estos pueden llegar a ser tan precisos como sean posibles, lo cual hace que sean id´oneos para aplicaciones de movimiento con alto grado de precisi´on y velocidad como son en las diferentes m´aquinas CNC. Como bien se sabe los motores de movimiento indexado son considerados como, conversores electromagn´eticos incrementales [14], estos al recibir informaci´on en forma de tren de pulsos el´ectricos, el motor realiza la acci´on de movimiento angular de su eje. Al ser motores de pasos, cada pulso nos indica un paso con una ´angulo de giro, el tama˜ no del paso var´ıa de acuerdo a las caracter´ısticas constructivas, como cualquier motor de corriente continua este puede girar en sentido horario o anti horario.

45

Una de las principales caracter´ısticas de los motores de pasos, como ya se mencion´o es su precisi´on, lo que permite posicionar al eje del motor de acuerdo al n´ umero de pasos dados; a m´as de poder controlar su posicionamiento, tambi´en se puede controlar la velocidad de paso, el cual es directamente proporcional a la frecuencia de variaci´on del tren de pulso el´ectrico que llega a las bobinas del motor. Como cada paso es independiente (no depende del paso dado o del paso que va a dar) estos actuadores son ideales para trabajar en sistemas que no tienen una retroalimentaci´on. El motor de paso que se est´a implementando tiene un ´angulo de giro de 1.8 grados, esto quiere decir que, para dar una vuelta completa (una revoluci´on de 180 grados) se tiene que dar 200 pasos. Como se indico, los controladores para los motores de pasos tienen la capacidad de dividir al paso original en micro-pasos para obtener una mejor resoluci´on.

2.4.1.1

Caracter´ısticas.

Centr´andose en el funcionamiento de los motores paso a paso se tienen una caracter´ıstica t´ecnica, la cual se debe tener muy en cuenta, al momento de incrementar la velocidad del motor, el par o torque que presentaba inicialmente va ir disminuyendo, este efecto es conocido como resonancia a altas velocidades [15]. Como el motor de movimiento indexado est´a construido con varias bobinas dependiendo si es unipolar o bipolar, al aumentar la velocidad de giro, las bobinas no se van a cargar por completo haciendo que la se˜ nal de pulso disminuya, es decir la duraci´on del pulso va a ser menor y las bobinas no se energizan completamente perdiendo su torque. No pod´ıa faltar la caracter´ıstica principal que son motores de alta precisi´on, esto se da gracias al principio de funcionamiento y control de excitaci´on de las bobinas con las que est´a construido.

2.4.1.2

Tipos de motores paso a paso.

Como ya se mencion´o en el primer cap´ıtulo los motores de pasos se pueden clasificar seg´ un su principio de funcionamiento, a continuaci´on se detalla sus caracter´ısticas.

46

• Motor paso a paso de im´an permanente.

Los Motores Paso a Paso de Im´an Permanente MPP-IP tienen el rotor magnetizado y completamente lizo como se puede ver en la figura 2.17 (a) siendo el rotor un im´an permanente de hierro dulce y es polarizado, siendo esta la estructura interna del motor para la obtenci´on del ´angulo de cada paso. Para mejorar la resoluci´on del motor se tiene tres opciones, la primera es aumentar los polos en el rotor, la segunda es aumentar el n´ umero de fases y la tercera es incrementar el n´ umero de bobinas por fase como se puede ver en la figura 2.18 (a). El rotor al ser un im´an permanente con polos definidos, presenta un torque para alinear los polos del rotor y estator provocando posiciones de descanso cuando est´a sin excitaci´on el estator.

• Motor paso a paso de reluctancia variable.

Los Motores Paso a Paso de Reluctancia Variable MPP-RV tiene la misma estructura que los MPP-IP, lo u ´nico que var´ıa es la forma del rotor en este caso es dentando como se puede ver la figura 2.17 (b), cuando las bobinas son energizadas los polos se magnetizan y atraen a los dientes del rotor buscando la menor distancia entre el estator y rotor, dando el nombre de reluctancia variable. De igual manera que en el caso del MPP-IP se puede mejorar la resoluci´on con tres opciones, la primera es aumentar el n´ umero de dientes en el rotor, la segunda incrementar las fases y la tercera es aumentar los polos por cada fase como se puede ver en la figura 2.18 (b).

Figura 2.17: Esquema del MPP-IP y MPP-RV [1].

47

Figura 2.18: Incremento de resoluci´on del MPP-IP y MPP-RV [1].

Cuando el motor no es energizado se pierde totalmente la inercia del motor dejando girar libremente y perdiendo la posici´on.

• Motor paso a paso h´ıbrido.

Como su nombre lo dice el motor paso a paso h´ıbrido MPP-H, es la combinaci´on de los dos motores analizados, dando como resultado un rotor dentado y magnetizado, mejorando su precisi´on con un ´angulo de 0.9 grados y aumentar su torque, en la figura 2.19 se puede ver su estructura interna. Una de las caracter´ısticas de los motores h´ıbridos es que su rotor lo tiene divido en dos partes y desfasado como se ve en la figura 2.20, lo cual hace que se pueda dar un paso completo o medio paso seg´ un como se excite las bobinas del estator. En

Figura 2.19: Motor paso a paso H´ıbrido [1].

48

Figura 2.20: Rotor dividido del MPP-H [3].

cuanto a los motores unipolar y bipolar son clasificados por su conexi´on y no por su construcci´on.

• Motor paso a paso de unipolar.

Su conexi´on es muy f´acil, cada eje del estator posee dos bobinas dando devanados duplicados como se puede ver en la figura 2.21 (a) al tener duplicado los devanados se facilita el circuito de control, siendo la conexi´on m´as com´ un el unir los puntos medios de los devanados y conectar al positivo de la alimentaci´on y el resto de extremos de los devanados se conecta a tierra en forma secuencial y ordenada para lograr el giro adecuado.

• Motor paso a paso bipolar.

Al no tener el doble bobinado se debe alimentar de forma alternada las bobinas del estator, por lo que se requiere un circuito de control m´as complicado que el anterior. En la figura 2.21 (b) se puede ver un motor con conexi´on bipolar. Por su configuraci´on ofrecen un mejor torque al momento de estar energizados y como dato importante son m´as livianos.

Figura 2.21: Conexi´on Unipolar y Bipolar [1].

49

2.4.1.3

Ventajas y desventajas.

Como todo dispositivo o herramienta de trabajo los motores de pasos presentan sus ventajas y desventajas al momento de su aplicaci´on. Ventajas [1]:

• Alta repetitividad al momento de posicionar el eje del motor. • Al ser construidos sin escobillas, se tiene un mayor tiempo de vida u ´til. • No genera chipas lo que da un mayor campo de trabajo como es en lugares inflamables. • Son precisos para aplicaciones con sistemas sin retroalimentaci´on, se evita de sensores o encoders abaratando los costos. • Pueden frenar estando en velocidades muy altas manteniendo al rotor en una posici´on determinada con un torque elevado. • La velocidad de giro no depende de la carga aplicada.

Desventajas [14]: La u ´nica desventaja que se ha encontrado en los motores de pasos, es el error que se produce al momento de dar un paso que es del 5% aproximadamente, pero se debe tener en cuenta que los pasos son independientes por lo que el error no es acumulativo.

2.4.2

Fuente l´ aser.

La tecnolog´ıa l´aser a entrado muy fuerte en los u ´ltimos a˜ nos como herramienta de trabajo en la parte industrial, permitiendo realizar diferentes trabajos como, cortes precisos y grabados en la superficie del material. Con el control adecuado el l´aser ayuda a mejorar la calidad y el tiempo de producci´on. Un l´aser se podr´ıa decir que est´a conformado b´asicamente por un Medio Activo siendo la parte principal, una Fuente de Excitaci´on o Sistema de Bombeo y la cavidad por donde va a salir el haz de luz.

50

Al l´aser se le pude definir como una fuente de luz, siendo un dispositivo que produce y amplifica un haz de radiaci´on electromagn´etica; la longitud de onda que produce el l´aser trav´es del haz de luz se encuentra entre los 200 nan´ometros a 1 mil´ımetro, siempre y cuando se tenga un control adecuado de todo el dispositivo. [21].

2.4.2.1

Clasificaci´ on.

A los dispositivos l´aser se puede clasificar por diferentes aspectos ya que est´an construidos con una gran variedad de tecnolog´ıa que son muy importantes para la generaci´on del haz del l´aser. Por ejemplo se les pude clasificar seg´ un el medio activo, la longitud de onda, la potencia de salida, la forma de excitaci´on entre otras m´as. A continuaci´on se va explicar los m´as comunes en el medio comercial.

• Medio Activo.

El medio activo es la fuente para la generaci´on del haz del l´aser este puede tener los tres estados de la materia: Gaseoso. El medio activo gaseoso es el m´as utilizado para las diferentes aplicaciones que tienen los l´aseres, la potencia que genere el l´aser va depender directamente del gas que se ocupe por ejemplo. La combinaci´on de Helio-Ne´on (He-Ne) genera un rayo de color rojo puro pero su potencia est´a catalogado como baja, mientras que el Di´oxido de Carbono (CO2) emite un haz infrarrojo que no puede ver el ser humano, pero la potencia que genera esta cataloga como variable [22], es decir se puede obtener una baja potencia, mediana potencia y alta potencia, este tipo de l´aser es utilizado com´ unmente para aplicaciones de soldado, corte y grabado de materiales. L´ıquido. El medio activo l´ıquido es mediante colorantes org´anicos disueltos en solubles apropiados, para tener una idea m´as clara se puede comparar con las anilinas para te˜ nir, el haz emitido es muy eficiente y pueden ser continuos o pulsantes [22]. Este tipo de medio activo puede generar una gran gama de longitud de onda, esta puede ir desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, pero el u ´nico inconveniente para recorrer este espectro es que se debe ir cambiando el colorante. 51

S´ olido. Con el medio activo s´olido no se ha podido obtener gran informaci´on, pero se puede decir que el material m´as com´ un que se encuentra son los materiales cristalinos o de vidrio con compuestos que pueden emitir luz. • Excitaci´on. Si se desea clasificar seg´ un la excitaci´on se puede dividir b´asicamente en tres grupos. ´ Excitaci´ on Optica. Al tener una excitaci´on ´optica el estado de la materia del medio activo por lo general debe de ser l´ıquidos y uno que otro solido, la fuente de excitaci´on ´optica debe presentar como caracter´ıstica principal una muy alta potencia como la que genera una l´ampara de flash o el mismo l´aser. Si la fuente de excitaci´on no es lo suficientemente potente para poder excitar al medio activo simplemente no se podr´a generar el haz del l´aser. Excitaci´ on por descarga El´ ectrica. Mientras que si la excitaci´on es por descarga el´ectrica el estado de la materia del medio activo debe de ser gases o s´olidos espec´ıficos denominados l´aseres de semiconductores; la fuente de excitaci´on por descarga el´ectrica est´a basada en el mecanismo de las l´amparas fluorescentes, por lo que se tiene de igual forma una tubo cerrado que contiene al gas que sufrir la descarga el´ectrica para generar la corriente necesaria para producir el haz del l´aser. Excitaci´ on Qu´ımica. La excitaci´on por procesos qu´ımicos no es my recomendados por lo que no se ha podido encontrar informaci´on.

2.4.2.2

Caracter´ısticas.

Los l´aseres pueden generar un haz continuo o entrecortado, lo cual va a depender directamente del control de la excitaci´on al medio activo. El l´aser que genera un haz continuo es silencioso mientras que los l´aseres que generan el haz en forma pulsante provocan un ruido en forma de disparo. Las fuentes l´aser deben cumplir con tres paramentaros importantes como son: Las fuentes l´aser deben cumplir con tres paramentaros importantes como son: atico: Al referirse a monocrom´atico quiere decir, la emisi´on de • Monocrom´ colores muy bien definidos y puros en el rayo del l´aser; como se mencion´o 52

anteriormente el color del rayo va a depender del medio activo que se est´e utilizando. Este par´ametro es lo que le diferencia al l´aser del resto de fuentes comunes, es decir el l´aser entrega una longitud de onda espec´ıfica dando como resultado un solo color o entrando al espectro infrarrojo o ultravioleta, siendo estas dos u ´ltimas no visibles para el ser humano, mientras que las fuentes de luz convencionales emiten una mezcla de colores como un arco´ıris. • Coherente: Es decir que todas las ondas electromagn´eticas producidas al momento de generar el haz del l´aser coinciden o est´an en fase, es por eso que se produce un solo color o una longitud de onda espec´ıfica m´as la caracter´ıstica de direccionalidad. • Direccionalidad: Uno de las caracter´ısticas m´as importantes es la direccionalidad al momento de su aplicaci´on, puesto que el haz del l´aser que es emitido no se extiende o se abre en peque˜ nas distancias como es el haz de una l´ampara convencional, el l´aser siempre mantiene su rayo como una l´ınea recta muy fina. Como dato importante el di´ametro del haz del l´aser convencional llega a medir 1 metro de di´ametro a una distancia de 1 kil´ometro.

La longitud de onda es directamente proporcional del medio activo que se est´a aplicando, as´ı se puede generar diferentes longitudes de onda por lo que se puede tener un haz dentro de la parte del espectro visible, infrarrojo o ultravioleta. Si el medio activo que se est´a utilizando genera un haz dentro del espectro visible, la longitud de onda se encuentra dentro del rango de los 400 a 700 nan´ometros, y en los espectros invisibles o no visibles para el ser humano se tiene el espectro ultravioleta entre los 200 a 400 nan´ometros y el espectro infrarrojo que va desde 700 a 106 nan´ometros. Duraci´ on. Al referirse a la duraci´on quiere decir el tiempo de duraci´on de emisi´on del haz del l´aser, como ya se ha venido mencionando el l´aser puede funcionar en forma continua o en forma pulsante. Si la emisi´on del haz de de forma continua la variable t se considera mayor a los 0.25 segundos, mientras si la emisi´on es de forma pulsante t debe de ser menos a los 0.25 segundos. Potencia. La potencia de salida del haz del l´aser es una de las caracter´ısticas que sufre grandes variaciones, se puede decir que la potencia est´a en funci´on de la duraci´on del haz, si es un l´aser continuo se puede decir que tiene una potencia 53

m´axima de salida (media en watios), mientras que los l´aser que son de forma pulsante se caracteriza por su energ´ıa total por pulso (media por julios) para ello se debe tener presente la potencia pico, la duraci´on del pulso y la frecuencia de repetici´on del pulso.

54

CAP´ITULO 3

´ ´ ANALISIS CINEMATICO DEL SISTEMA

Antes de empezar con el an´alisis cinem´atico del sistema articulado se debe tener un conocimiento de c´omo est´a constituido un manipulador, ya que el an´alisis est´a basado en c´omo est´a construido f´ısicamente

3.1

Fundamentos mec´ anicos.

Como dato adicional se debe tener presente que, el dise˜ no y construcci´on de la parte mec´anica de la cortadora CNC l´aser, fue realizado por mec´anicos de la empresa CADITEX, los cuales fueron los encargados de realizar el estudio mec´anico de la CNC l´aser que se est´a implementado. El an´alisis cinem´atico est´a basado en el estudio de movimientos, generando trayectorias como rectas, par´abolas, y circunferencias m´as una serie de posibles combinaciones que se puedan dar entre s´ı, las cuales son realizadas por diferentes cuerpos que conforman una m´aquina “manipulador”. Se debe tener presente que, una m´aquina est´a conformada por el arreglo de cuerpos resistentes, los cuales van a transmitir la fuerza y movimiento mec´anico para realizar el trabajo deseado.

3.1.1

Estructura mec´ anica de robots.

Cuando se realiza un an´alisis cinem´atico, los cuerpos resistentes toman el nombre gen´erico de eslabones. Para conectar un eslab´on con otro o simplemente con la base o el actuador de la m´aquina, es necesario de una articulaci´on m´ovil o par, logrando as´ı comunicarse los eslabones y trasmitir la fuerza y movimiento que se est´a generando. 55

Figura 3.1: Tipos de Articulaciones [4].

Al utilizar una articulaci´on seg´ un el dise˜ no de la m´aquina se puede obtener uno, dos, tres hasta cinco grados de libertad dependiendo del par que se est´e utilizando [4]. Al grado de libertad se le denomina al movimiento que brinda cada par con respecto al eslab´on donde est´a colocada la articulaci´on con el eslab´on anterior [23]. Para identificar el n´ umero total de Grados De Libertad “GDL” de un m´aquina, se debe ver el tipo de articulaci´on que se est´a utilizando en cada uni´on, como ya se indic´o, estas pueden ser uni´on base–eslab´on, eslab´on–eslab´on y eslab´on–actuador, una vez identificados los tipos de articulaciones implementadas, se suman los grados de libertad que brinda cada uno de ellos para obtener el n´ umero total de grados de libertad, se puede decir que los grados de libertad est´an en funci´on del tipo de articulaci´on. La combinaci´on de los elementos como son una base, una articulaci´on, un eslab´on y un actuador da como resultado una cadena cinem´atica, donde la cinem´atica es la encargada de definir, controlar e implementar el movimiento sobre los cuerpos que conforman la cadena. Se debe tener muy en cuenta el tipo de articulaci´on, estos pueden realizar dos tipos de movimientos, desplazamiento y giro, la combinaci´on de los dos movimientos da como resultado la existencia de seis tipos de articulaciones [4], siendo los m´as comunes los que se muestran en la figura 3.1. 56

Figura 3.2: Configuraci´on m´as frecuente de robots industriales [4].

Con los diferentes tipos de articulaciones indicados en la figura 3.1 se puede llegar a obtener robots industriales tan complejos como sean posibles o tan simples como sea necesario, todo depende de la cantidad de grados de libertad que se desea que tenga el manipulador, en la figura 3.2 se puede ver unos ejemplos t´ıpicos de robots que se manejan en la industria. A la m´aquina cortadora CNC l´aser se le puede comparar con el robot cartesiano por los movimientos que realizan ambos manipuladores. Como se puede ver en la figura 3.2 el robot cartesiano realiza los movimientos de desplazamiento en los tres ejes XYZ, mientras que la m´aquina cortadora realiza el movimiento de desplazamiento solo en los ejes XY, al eje Z se lo puede remplazar por el control de la potencia del haz del l´aser.

3.1.2

Transmisi´ on y reductores.

Una vez que se tiene visto los tipos de eslabones y articulaciones que se van a utilizar, es importante saber el tipo de trasmisi´on o reductor que se va emplear para transmitir los movimientos de los actuadores. Al hablar de transmisiones se tiene dos puntos importantes por tratar que son, como disminuir al m´aximo los momentos de inercia y los pares est´aticos que deben vencer los actuadores [4], para ello se recomienda que los actuadores se coloquen lo m´as cerca posible de la base de la m´aquina o robot y aplicar un sistema de 57

Tabla 3.1: Sistemas de transmisi´on [4]. Entrada–Salida

Circular–Circular

Denominaci´ on

Ventajas

Inconvenientes

Engranaje Correa dentada Cadena Paralelogramo Cable Tornillo sin fin

Pares altos Distancias grandes Distancias grandes Poca holgura

Holguras Ruido Giro limitado Deformabilidad Rozamiento

Cremallera Paral articulado

Holgura media -

Rozamiento Control dif´ıcil

Cremallera

Holgura media

Rozamiento

Circular–Lineal

Lineal–Circular

transmisi´on para realizar los movimientos necesario, en la tabla 3.1 se puede ver los sistemas de trasmisi´on m´as utilizados en la parte de la industria. Es importante ver que el sistema de transmisi´on cumplan con diferentes par´ametros como son, funcionamiento continuo, pares elevados, y que soporte grandes distancias de acoplamiento [4]. Los sistemas de transmisi´on tambi´en influyen en la parte del an´alisis cinem´atico, una de sus caracter´ısticas es que estos pueden cambiar el tipo de movimiento como es el caso de circular a lineal y viceversa, en cuanto a los reductores es lo contrario que las transmisiones. En otros casos se evita la conexi´on de transmisores y reductores por lo que no se puede evitar rozamientos y juego angular evitando que se logre el m´aximo valor de precisi´on y velocidad deseado. Para ello se tiene el accionamiento directo el cual garantiza ventajas como son [4]:

• Un posicionamiento r´apido y preciso. • Se tiene un mayor porcentaje de control del sistema a cambio de mayor complejidad. • Se simplifica el sistema mec´anico.

3.1.3

Actuadores y sensores.

En cuanto a los actuadores se tiene una gran variedad ya que estos pueden ser neum´aticos, hidr´aulicos y el´ectricos; dependiendo de la aplicaci´on se escoger´a el m´as conveniente, para el caso de la m´aquina cortadora l´aser, se encuentra en el campo de actuadores el´ectricos con motores paso a paso los cuales ya se explic´o en el cap´ıtulo 2. 58

Los sensores son muy importantes para el correcto funcionamiento de un robot, estos indican la posici´on y orientaci´on del manipulador, los sensores se puede dividir por la informaci´on que van a brindar. Sensores internos los cuales indican principalmente la posici´on de sus articulaciones mientras que los sensores externos indican el estado de su entorno. Para la m´aquina CNC l´aser como ya se explic´o de en el cap´ıtulo 2 se tiene dos sensores, los cuales indican el punto de inicio (home), perteneciendo un sensor al eje X y el otro sensor al eje Y, as´ı cada vez que se va empezar un nuevo dise˜ no el manipulador busca el punto inicial para posicionarse y efectuar los cortes.

3.1.4

Elemento final..

Los terminales tambi´en conocidos como efectores finales son los encargados de interactuar directamente con el entrono del robot [4], estos terminales se los puede clasificar como terminales de sujeci´on o herramienta, como ya es de imaginarse el terminal para la CNC l´aser se encuentra clasificada como herramienta. Una vez que se tiene armado todo el sistema mec´anico se puede empezar a realizar el an´alisis cinem´atico de la m´aquina l´aser, para ello se divide en an´alisis cinem´atico directo y an´alisis cinem´atico inverso los cuales se ven en las secciones 3.2.1 y 3.2.2 del presente cap´ıtulo.

3.2

Cinem´ atica.

La cinem´atica b´asicamente se centra en el an´alisis para determinar la posici´on y orientaci´on final del actuador del robot o m´aquina sin considerar las fuerzas que intervienen en ´el, para ello se debe establecer un sistema de coordenadas de referencia fija, en el cual va estar sometido todo el sistema del manipulador para el an´alisis, tratando de explicar c´omo se va a mover el robot en el espacio como funci´on del tiempo y lo m´as importante indicar una relaci´on entre la posici´on y la orientaci´on del extremo donde va estar colocado el terminal [23]. La cinem´atica se puede dividir en dos m´etodos de resoluci´on como son el an´alisis cinem´atico directo y el an´alisis cinem´atico inverso, para su resoluci´on se tiene los m´etodos de an´alisis de Denavit y Hartenberg el cual se basa en una matriz de 59

transformaci´on homog´enea (T) de 4x4 ecuaci´ on 3.1, donde se representa la geometr´ıa espacial de la cadena cinem´atica, siempre y cuando se haga con respecto a un sistema de referencia fija. La matriz de transformaci´on homog´enea est´a compuesta por cuatro sub-matrices como se puede ver a continuaci´on, para mayor informaci´on se puede revisar fundamentos de la rob´otica [4]:

• Sub-matriz de Rotaci´on R3x3. • Sub-matriz de Traslaci´on P3x1. • Sub-matriz de Perspectiva f1x3. • Sub-matriz de Escalado Global w1x1.

[ T =

R3x3 P3x1 f1x3 w1x1

] (3.1)

Cuando se realiza un an´alisis cinem´atico en rob´otica se debe tener en cuenta que a la sub-matriz de perspectiva se le considera como nula mientras que la sub-matriz de estado global como uno. Con este m´etodo se puede describir la relaci´on espacial que existe entre los eslabones adyacentes y determinar la posici´on espacial del actuador con respecto al sistema de referencia fija. El an´alisis cinem´atico tambi´en trata de ver la relaci´on que se tiene entre las velocidades de cada una de las articulaciones y del actuador que ser´ıa el punto que se desea controlar, este se obtiene mediante la matriz Jacobiana o modelo diferencial [4]. Para robots donde se tiene movimientos dependientes de un eslab´on con respecto a otro los m´etodos de Denavit y Hartenberg m´as la matriz Jacobiana son ideales ya que permiten mostrar la relaci´on espacial del actuador con respecto al sistema de coordenadas fijas, pero en el caso del robot cartesiano o espec´ıficamente de la CNC l´aser, los movimientos son independientes entre el eje X y el eje Y, dando como resultado un c´alculo m´as sencillo y directo.

60

3.2.1

An´ alisis cinem´ atico directo.

El an´alisis cinem´atico directo consiste en determinar la posici´on y orientaci´on del terminal (extremo final) del robot, partiendo desde el conocimiento de los valores angulares de cada una de las articulaciones y los par´ametros geom´etricos que conforman al robot, todo esto bajo un sistema de coordenadas de referencia fija [23]. Es decir, que para posicionar y orientar al extremo final del robot se debe ingresar al sistema de control una serie de ´angulos, entre las articulaciones y el sistema de coordenadas de referencia fija del robot, por lo que es necesario tener conocimiento de los valores de las articulaciones y los par´ametros geom´etricos. Se debe recordar que los valores de las articulaciones son le´ıdos constantemente por el sistema de control para poder tener un control del movimiento de sus extremidades.

3.2.2

An´ alisis cinem´ atico inverso.

Como su nombre lo indica “cinem´atica inversa”, es el proceso inverso de la cinem´atica directa, ya que consiste en encontrar los valores que deben adoptar las coordenadas articulares del robot para poder posicionar y orientar al extremo del robot seg´ un una determinada coordenada espacial que se le d´e al sistema de control [4]. En el an´alisis cinem´atico inverso sus ecuaciones dependen de la configuraci´on del robot, esto quiere decir en c´omo est´a construido mec´anicamente y que movimientos puede realizar, mientras que en el an´alisis cinem´atico directo no es inconveniente ya que tiene la ayuda de la matriz de transformaci´on homog´enea, la cinem´atica inversa al depender de la configuraci´on del robot, es muy frecuente que la soluci´on no sea u ´nica, complicando la soluci´on del problema. Al complicarse el m´etodo de an´alisis cinem´atico inverso se han desarrollado diferentes procedimientos gen´ericos programables en un computador (m´etodos num´ericos iterativos, teniendo la desventaja de no garantizar la convergencia de la soluci´on), siempre y cuando sean con conocimiento de cinem´atica. Al resolver el an´alisis cinem´atico inverso es mucho m´as adecuado encontrar una soluci´on cerrada, esto es, encontrar una expresi´on de la forma como se ve en la ecuaci´on 3.2 [4]:

61

qk = fk (x, y, z, α, β, γ)

(3.2)

k = 1...n(GDL)

Donde:

- q1...n = V ariables de articulaciones. - x, y, z = Coordenadas de posici´ on. - α, β, γ = Coordenadas de orientaci´ on.

Es decir, en el an´alisis cinem´atico inverso se parte desde las coordenadas a las que se desea llegar con el extremo del robot, estas coordenadas son ingresadas en el sistema de control donde se efectuar´a todos los c´alculos mediante los m´etodos gen´ericos que se vea m´as conveniente.

3.3

C´ alculos.

Como se indic´o en la secci´on anterior, los c´alculos para un robot cartesiano se simplifican totalmente por su configuraci´on mec´anica, por lo que no hace falta utilizar la matriz de transformaci´on homog´enea.

3.3.1

C´ alculo del an´ alisis cinem´ atica directa.

Datos: Di´ametro del eje y banda acoplada al motor. Resoluci´on del motor. N´ umero de paso por revoluci´on. Factor micro paso.

(d) (rmotor) #pasos/rev (fupaso)

22.2 mm. 1.8o 200 pasos 10

Tabla 3.2: Datos Para calculo de la Cinem´atica

Como se puede ver el di´ametro (d ) con el que se trabaja est´a dado por el engrane o pi˜ no´n, el cual est´a acoplado directamente al eje del motor y la banda que va a dar 62

el movimiento lineal. La resoluci´on del motor (rmotor ) y el factor de micro paso (fupaso) son datos directos del catalogo del motor y el driver que est´an implementados en la CNC l´aser, los motores y drivers que se implementaron para la generaci´on de los movimientos en los ejes XY son de caracter´ısticas similares, por lo que los datos para los c´alculos de la cinem´atica directa e inversa son los mismos. Resoluci´ on angular (rangular).

rangular rangular rangular rangular

= resoluci´ on de trabajo = rmotor f upaso ◦ = 1.8 10 = 0.18◦

Per´ımetro (p).

P = dΠ P = 22.2Π P = 69.7434mm/rev

Resoluci´ on lineal (rlineal).

rlineal = (rangular∗p) (360◦ ) 0.18◦ ∗69:7434 rlineal = (360◦ ) rlineal = 0.0116mm/paso posicion = rlineal ∗ #pasos

#pasos =

(posicion) (rlineal◦ )

(3.3)

Una vez obtenidas las ecuaciones del an´alisis cinem´atico directo se le puede controlar el movimiento del manipulador ingresando las coordenadas a las que se desea que se desplace la herramienta, siempre y cuando est´en dentro del ´area de trabajo (480mm x 500mm) caso contrario el sistema de control no lo permitir´a realizar el movimiento. 63

Figura 3.3: Desplazamiento con cinem´atica directa del punto (0,0) al punto (100,200).

Como se puede ver en la figura 3.3 (a) la herramienta se encuentra en home lo que indica que esta en la coordenada (0,0), si se desea desplazar la herramienta a una coordenada P1 que este dentro del ´area de trabajo como por ejemplo al punto (100,200), se aplica la ecuaci´on 3.3 tanto para el desplazamiento en el eje X como para el eje Y, donde se tiene como constante la resoluci´on lineal y la variable de posici´on que es a donde se desea desplazar, remplazando los datos se obtiene el n´ umero de pasos que debe efectuar cada motor para llegar al punto especificado como se puede ver en la figura 3.3 (b).

3.3.2

C´ alculo An´ alisis Cinem´ atico Inverso.

Factor de escala (fescala).

1 f escala = rlineal f escala = 86.0297

#pasos = posicion ∗ f escala 64

Figura 3.4: Desplazamiento con cinem´atica inversa de (0,0) pasos, a (25000,35000) pasos.

posicion =

(#pasos) (f escala◦ )

(3.4)

De igual manera que en la cinem´atica directa se ha obtenido una ecuaci´on correspondiente para la cinem´atica inversa, donde se tiene una constante que es el factor de escala y la variable de n´ umero de pasos que se desea realizar, remplazando los datos indicados se obtiene la posici´on al que se va a desplazar la herramienta. Al tener la herramienta en la posici´on de home como se puede ver en la figura 3.4 (a), quiere decir que los motores no han realizado ning´ un paso, aplicando la ecuaci´on 3.4 como fescla es constante se ingresa el n´ umero de pasos que se desea realizar, por ejemplo para que el motor del eje X ejecute 25000 pasos y el motor del eje Y realice 40000 pasos se obtendr´a un desplazamiento x como se pued e ver en la figura 3.4 (b).

65

CAP´ITULO 4

´ ARQUITECTURA LOGICA DEL SISTEMA

La arquitectura l´ogica de una m´aquina de corte l´aser consta de cada uno de los subsistemas digitales embebidos en el sistema de Control Num´erico por Computador. Dichos subsistemas son divididos por su estructura l´ogica en dos grupos principales:

• Algoritmos de Control. • Protocolos de Comunicaci´on.

4.1

Algoritmos de control

Como su nombre lo indica, los algoritmos de control tienen la tarea de controlar el correcto funcionamiento de cada uno de los procesos en los cuales se encuentran implementados. Para ello es necesario delimitar su funcionamiento a tareas bien definidas conjuntamente con un flujo de datos ordenado (ver en la figura 4.1). Los bloques de control est´an implementados en espacios divididos de acuerdo a las condiciones de velocidad, predictibilidad y robustez que el sistema requiere para su correcto funcionamiento, teniendo as´ı tres espacios fundamentales:

1. Espacio de Usuario: Es el espacio donde Linux desarrolla su funcionamiento com´ un como S.O sin opciones mayores de priorizaci´on o programaci´on de tareas espec´ıficas [24].

66

Figura 4.1: Diagrama de Bloques del Sistema de Control.

2. Espacio de Baja Latencia: Com´ unmente conocido como Soft Tiempo Real. Aqu´ı se desarrollan tareas en tiempo real cumpliendo, en general un tiempo promedio en cada iteraci´on y con la facilidad de manipular el programador de tareas y la asignaci´on de prioridad [25]. 3. Espacio de Hard Tiempo Real: En este espacio se realiza la ejecuci´on de tareas que deben cumplir rigurosamente condiciones de predictibilidad y velocidad establecidas por el sistema, sin que exista desviaci´on alguna a lo largo del tiempo de dichos par´ametros [26].

A continuaci´on se explica cada uno de los bloques establecidos en el sistema de control.

4.1.1

Interfaz e ingreso de datos.

Permite la comunicaci´on e interacci´on amigable del sistema con el usuario y el ingreso de la informaci´on necesaria al momento de realizar la configuraci´on del sistema. 67

Normalmente la informaci´on es visualizada mediante un monitor y la interacci´on se la realiza por medio del teclado y el rat´on del computador. Es posible tambi´en la interacci´on mediante la inclusi´on de dispositivos de pantalla t´actil (touch screen) al monitor siendo compatibles con el S.O. o mediante acceso remoto al PC utilizando el protocolo TCP/IP. Tanto en el desarrollo del sistema de corte l´aser como en el sistema terminado es necesario un proceso de mantenimiento y correcci´on de errores para su correcto funcionamiento, por lo que se requiere un constante monitoreo de las se˜ nales enviadas y recibidas a la m´aquina, con este fin el controlador de interfaz cuenta con un sistema de visualizaci´on de las variables m´as importantes y se desean monitorear. Parte de las funciones de la interfaz gr´afica es dar la posibilidad de “abrir” el archivo .ngc de c´odigo G y enviarlo al int´erprete para luego recibir los datos del mismo decodificados para ser presentados de forma gr´afica en pantalla.

4.1.2

Int´ erprete de c´ odigo G

El est´andar a nivel mundial en maquinaria CNC es el c´odigo G (c´odigo General), por ello se implementa el int´erprete NIST RS274NGC [5], el cual es capaz de leer e interpretar el lenguaje RS274/NGC en donde se encuentra detallada toda la informaci´on geom´etrica, velocidades de avance y potencia de corte del laser. Su funcionamiento consta de dos etapas primordiales:

• La primera etapa lee las funciones a interpretar conjuntamente con informaci´on adicional acerca de limitantes impuestas para los trazos, los cuales son definidos en un archivo de extensi´on .ngc que es parte del standard del lenguaje. • La segunda etapa entrega al siguiente bloque de control las funciones can´onicas de la m´aquina conjuntamente con informaci´on adicional que puede ser mostrada en pantalla, siendo ´este el lenguaje entendido por los bloques de control posteriores; las dos etapas son mostradas en la figura 4.2.

68

Figura 4.2: Diagrama de Bloques del Int´erprete [5].

4.1.3

Planificador de rutas

La resoluci´on de la problem´atica en planeaci´on de rutas es estudiada en todo tipo de robots. Esta tarea consiste en buscar la ruta ´optima en el espacio cartesiano como tambi´en en el espacio articular para que el robot interact´ ue de manera correcta con su entorno y consigo mismo para que sus articulaciones no interfieran con su propio movimiento. El problema de planeaci´on de trayectorias es ampliamente estudiado por Kuffner [27] para el caso de robots articulados. Otro estudio interesante realizado por LaValle [28], enfocando primordialmente el posicionamiento de la herramienta para la ejecuci´on de la tarea designada al manipulador. La planeaci´on de rutas es ampliamente usada en robots m´oviles de ruedas, tal como lo muestra Bohlin y Kavraki [6]. En su trabajo presentan un algoritmo de implementaci´on simple el cual se puede ver en la figura 4.3 capaz de determinar en tiempo real la ruta m´as ´optima a seguir, siendo ´esta la m´as corta y a su vez interactuando con su entorno en b´ usqueda de nuevas posibles colisiones del robot. Como se puede apreciar en todos los casos presentados anteriormente la planeaci´on de rutas se encuentra estrechamente ligada a tres aspectos: • La geometr´ıa del robot. • La cinem´atica del robot. • El ambiente de trabajo.

Tomando el caso del robot cartesiano, m´as concretamente de la CNC de corte l´aser se puede observar una independencia total en cada eje de movimiento, lo cual limita la planeaci´on de rutas a la geometr´ıa del robot y al ambiente de trabajo. 69

Figura 4.3: Algoritmo de Planeaci´on de Rutas [6].

Geometr´ıa del Robot: Hace referencia a las limitantes constructivas para el movimiento. Estas a su vez determinan el ´area de trabajo del robot. Con este fin para la localizaci´on espacial del robot se tienen colocados dos sensores fin carrera, uno para el eje de movimiento ”X” y otro para el eje de movimiento ”Y”. De acuerdo a estos sensores el robot podr´a localizar el punto 0,0 del tablero XY cada vez que el sistema empiece su funcionamiento. El punto 0,0 del tablero es l´ımite m´ınimo de posici´on. No se dispone de sensores de retroalimentaci´on constante de la posici´on o velocidad del robot por lo que el l´ımite m´aximo estar´a determinado por el n´ umero de pasos dados y la relaci´on mec´anica que estos tienen con el avance del l´aser. Ambiente de Trabajo: Verifica las limitantes existentes dentro del ´area de trabajo, estas pueden ser obst´aculos que limiten el paso por determinadas zonas. Dado que robot no dispone de sensores externos como c´amaras o sensores de proximidad no es posible la evaluaci´on de la presencia de objetos en el ´area de trabajo por lo que se considera un ´area interna sin limitantes. Esto genera libertad de movimiento lo cual es aprovechado para desplazamientos sin limitaci´on de velocidad. Esto es posible realizando el desplazamiento en espacio articular punto a punto sin considerar la trayectoria en el espacio cartesiano. La utilidad de este tipo de desplazamiento se ve presente al momento de desplazarse el l´aser de un lugar a otro sin realizar acci´on de corte alguna ver la figura 4.4.

70

Figura 4.4: Ejemplos de posicionamiento.

4.1.4

Generador de trayectorias en el espacio cartesiano

La b´ usqueda de rutas ´optimas requiere un an´alisis espacial para la determinaci´on del desplazamiento del robot. La generaci´on de trayectorias busca una relaci´on entre dos dominios diferentes: el espacial y el temporal [7]. Estando el dominio espacial totalmente definido con la planeaci´on de rutas y siendo este coincidente con el espacio cartesiano, queda por definir la ley de movimiento que determine el desplazamiento. Esto provoca que com´ unmente quede expresado el desplazamiento como una funci´on parametrizada del tiempo. Existen dos categor´ıas de trayectorias seg´ un la caracter´ıstica del espacio para su movimiento ver la figura 4.5. La diferencia entre la generaci´on de trayectorias unidimensionales y multidimensionales viene determinada por el n´ umero de GDL que deben cumplir la trayectoria. Siendo el primer tipo una funci´on escalar del tiempo y el segundo tipo una funci´on vectorial las cuales son expresadas en las ecuaciones 4.1 y 4.2.

q = q (t)

(4.1)

p = p (t)

(4.2)

71

Figura 4.5: Categor´ıas en la planeaci´on de Trayectorias [7].

Para la comprensi´on de los conceptos de generaci´on de trayectoria multidimensional es necesario iniciar con el estudio del caso unidimensional, para posteriormente generalizarlo al caso de varias dimensiones.

4.1.4.1

Trayectoria lineal

Es caracterizada por un comportamiento de la trayectoria de posici´on con respecto al tiempo, tambi´en es conocida como trayectoria con velocidad constante para tener una mejor idea se pude ver en la figura 4.6. Su posici´on en funci´on del tiempo viene determinada por la ecuaci´on 4.3 [7]

q(t) = a0 + a1 (t − t0 )

(4.3)

a0 = q(t0 ) a1 =

q(t1 ) − q(t0 ) t1 − t0

donde: t0 =tiempo inicial, t1 =tiempo final, q(t0 ) =posici´on inicial y, q(t1 ) =posici´on final. La velocidad est´a determinada por la raz´on de cambio de la posici´on en funci´on del tiempo como muestra la ecuaci´on 4.4

q(t) ˙ =

q(t1 ) − q(t0 ) t1 − t0

(4.4)

La velocidad es constante en toda la trayectoria, siendo as´ı la aceleraci´on igual a cero en cualquier punto. 72

Figura 4.6: Posici´on velocidad y aceleraci´on de una trayectoria lineal, (t0 = 0, t1 = 8, q0 = 0, q1 = 10) [7].

Al existir matem´aticamente la posibilidad de realizar cambios instant´aneos de velocidad en los puntos inicial y final de la trayectoria, presenta grandes inconvenientes en la implementaci´on real. Esto se debe a la necesidad de disponer de aceleraci´on infinita en dichos instantes lo cual no es posible. Este efecto genera un sobre esfuerzo en los actuadores disminuyendo dr´asticamente su tiempo de vida u ´til y la vibraci´on mec´anica de todo el sistema.

4.1.4.2

Trayectoria trapezoidal

Habiendo conocido la problem´atica de iniciar el movimiento con cambios bruscos de velocidad es necesario realizar un control sobre ella. Esto se consigue con la delimitaci´on de zonas de aceleraci´on y desaceleraci´on en el perfil de velocidad como muestra en la figura 4.7 Al tratarse de un perfil compuesto por tres zonas f´acilmente identificables (aceleraci´on, velocidad constante, desaceleraci´on), es necesario realizar un an´alisis independiente en cada una de ellas pero conservando la continuidad en el movimiento. 73

Figura 4.7: Aceleraci´on, velocidad y posici´on en un perfil de velocidad trapezoidal [7].

Si se considera Ta como el intervalo de tiempo de aceleraci´on, t0 y t1 como el tiempo inicial y final respectivamente de desaceleraci´on y vm como la velocidad que se desea alcanzar en el intervalo de velocidad constante, mediante deducci´on se obtiene la ecuaci´on de la recta (ver la ecuaci´on 4.5) expresa la velocidad en cada intervalo.  vm   (t − t0 ), t0 ≤ t < t0 + Ta   Ta q(t) ˙ =

vm , t0 + Ta ≤ t < t1 − Ta     vm (t − t), t − T ≤ t ≤ t 1 a 1 Ta 1

(4.5)

Por integraci´on a la ec. 4.5 es posible obtener la funci´on de posici´on en funci´on del tiempo obteniendo las constantes con las condiciones iniciales presentes en cada intervalo de integraci´on, el resultado de este proceso se muestra en la ecuaci´on 4.5:

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   q + vm (t − t0 )2 , t0 ≤ t < t0 + Ta   0 2Ta ( ) q(t) = q0 + vm t − t0 − T2a , t0 + Ta ≤ t < t1 − Ta    q − vm (t − t)2 , t1 − Ta ≤ t ≤ t1 1 2Ta 1

(4.6)

Derivando la ec. 4.5 se obtiene la aceleraci´on en cada intervalo como muestra la ecuaci´on 4.7:  vm   , t0 ≤ t < t0 + Ta   Ta q¨(t) = 0 t0 + Ta ≤ t < t1 − Ta    − v m , t − T ≤ t ≤ t 1 a 1 Ta

(4.7)

Como resultados de la utilizaci´on del perfil de velocidad trapezoidal se obtiene el control total de la velocidad, evitando cambios bruscos en la misma. Las aceleraciones m´aximas y m´ınimas se ven limitadas a los rangos que los actuadores puedan soportar. A pesar de tener control sobre la velocidad, no es posible la obtenci´on de un perfil de aceleraci´on mas suavizada. Esto produce vibraciones a causa de los momentos de inercia propios de la m´aquina a causa de cambios bruscos en la aceleraci´on de los actuadores.

4.1.4.3

Trayectoria double-S

Para obtener un perfil de aceleraci´on continuo sin cambios bruscos es posible aplicar un concepto similar al aplicado en la trayectoria trapezoidal. Como muestra la secci´on 4.1.4.2, si se suaviza el perfil de posici´on en sus extremos se obtiene una continuidad en el perfil de velocidad. Aplicando un concepto similar, si se suaviza el perfil de velocidad en sus extremos es posible obtener un perfil de aceleraci´on continuo tal como se muestra en la figura 4.8. Este perfil es denominado Double-S por su forma inicial y final en la velocidad. Es posible obtener un concepto nuevo denominado Jerk o sacudida. Este nuevo par´ametro es la medida de la raz´on de cambio de la aceleraci´on con respecto al tiempo. Es com´ unmente usado en el dise˜ no de m´aquinas como se muestra en [29]

75

Figura 4.8: Trayectoria Double-S: Posici´on, Velocidad, Aceleraci´on y Jerk [7].

y [30], para el an´alisis del tiempo de vida de los sistemas, ya que una m´aquina sometida a jerk elevados tiene un tiempo de vida muy corto. Basado en este nuevo concepto, al derivar la aceleraci´on de un perfil de velocidad trapezoidal se obtienen los puntos de cambio jerk siendo estos pulsos de ´area infinita y produciendo da˜ nos a largo plazo en los sistemas mec´anicos. Aplicando el perfil Double-S para la trayectoria, es posible limitar el jerk en los movimientos realizados por los actuadores. Antes de realizar el c´alculo de la trayectoria es preciso evaluar si es posible la realizaci´on de la misma con los par´ametros establecidos de velocidad inicial, velocidad final, aceleraci´on m´axima y jerk m´aximo. Para este prop´osito se define el tiempo promedio de alcance dado por la ecuaci´on 4.8

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∗

T j = min

{√

|v1 − v0 | amax , jmax jmax

} (4.8)

max Si el tiempo promedio es igual a ajmax entonces la aceleraci´on alcanzar´a su m´aximo valor y la trayectoria tendr´a intervalos con jerk igual a cero.

Para evaluar si la trayectoria se puede alcanzar con los par´ametros especificados se debe cumplir la desigualdad 4.9 [7]  ∗  T j(v0 + v1 ), [ q1 − q0 > ∗ 1   2 (v0 + v1 ) T j +

∗

|v1 −v0 | amax

si T j