PROTOCOLO REGISTRADO MECANISMO

5/25/2018 PROTOCOLO REGISTRADO MECANISMO

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Autores: Avila Tapia CarinaTenorio Hernndez Brenda Guadalupe

Asesores: D. en C. Juan AlejandroFlores CamposAcademia de MecnicaIPN-UPIITA

D. en C. Jos Alfredo Ing. Daro MendozaRosas Flores GallegosAcademia de Sistemas SEPI-UPIITA-IPNIPN-UPIITA

Resumen:En este trabajo se presenta la implementacin del algoritmo de modos deslizantes paracontrol de velocidad, aplicado a un mecanismo de retorno rpido de Whitworth,empleando informacin visual para cerrar el lazo de control. El procesamiento de lainformacin se efecta en una computadora de escritorio, la cual se comunica con el sistemafsico mediante una tarjeta de adquisicin de datos. El diseo del mecanismo de Whitworthse realiza utilizando software de CAD y MEF con el fin de obtener simulaciones que lovaliden.

Palabras clave: modos deslizantes, informacin visual, mecanismo de Whitworth.

Instituto Politcnico NacionalUnidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniera y Tecnologas Avanzadas

Av. Instituto Politcnico Nacional No. 2580,Colonia Barrio la Laguna Ticomn

Delegacin Gustavo A. Madero,07340 Mxico, D. F.

MXICOhttp://www.upiita.ipn.mx/

Ingeniera MecatrnicaProtocolo del trabajo de investigacin para la asignatura de Trabajo Terminal I

Diseo y manufactura de Mecanismo de Whitworth integrando un control de velocidad pormodos deslizantes con retroalimentacin visual.

Ttulo del proyecto:Diseo y manufactura de Mecanismo de Whitworth integrando un control

de velocidad por modos deslizantes con retroalimentacin visual.Fecha de presentacin: Agosto 12, 2011Nmero de revisin: PrimeraPatrocinado: SiNombre del patrocinado: Proyecto SIP 20110041Tipo del trabajo: Proyecto de investigacin (cientfico-experimental).Confidencialidad: PblicoNmero del protocolo:


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INDICE

TTULO

OBJETIVO GENERAL

INTRODUCCIN

ANTECEDENTES

JUSTIFICACIN

DESCRIPCIN DEL TRABAJO

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

PRESUPUESTO

REFERENCIAS

INTEGRANTES

DATOS PERSONALES

FIRMAS


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TTULO

Diseo y manufactura de Mecanismo de Whitworth integrando un control de velocidadpor modos deslizantes con retroalimentacin visual.

OBJETIVO GENERAL

Disear y manufacturar el mecanismo de retorno rpido Whitworth para implementar uncontrol de velocidad mediante el algoritmo de modos deslizantes con retroalimentacinvisual, para absorber las perturbaciones que se presentan al realizar la tarea de maquinadode piezas.

OBJETIVOS PARTICULARES

Trabajo terminal 1.

Analizar y modelar cinemtica y dinmicamente el mecanismo de Whitworth, as comoobtener modelo matemtico de la cmara implementando retroalimentacin visual alalgoritmo de control por modos deslizantes y disear mecanismo de Whitworth paraimplementar controlador.

OBJETIVOS ESPECFICOS

1. Obtener el anlisis cinemtico y dinmico de mecanismo deWhitworth, para la obtencin del modelo.

2. Validar el diseo del mecanismo de retorno rpido, mediante anlisisde esfuerzos empleando software de CAD y FEM.

3. Adaptar algoritmo de modos deslizantes a mecanismo de retornorpido para realizar el control de velocidad del motor.

4. Desarrollar modelo matemtico de cmara para complementar laretroalimentacin del controlador.

5. Integrar modelo matemtico de cmara al esquema de control.6. Simular controladores con herramientas computaciones como

MATLAB para validar el comportamiento del mismo.7. Disear etapa de potencia basndose en caractersticas operativas de

motor seleccionado.

Trabajo terminal 2.

Construir la etapa de potencia, as como adquirir y procesar informacin visual para cerrarel lazo de control, encaminado a implementar el controlador a sistema fsico y validar larespuesta del mismo.


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OBJETIVOS ESPECFICOS.

1. Manufacturar prototipo de mecanismo de retorno rpido, basndoseen planos previamente establecidos.

2. Fabricar e integrar etapa de potencia para realizar pruebasposteriores.

3. Procesar digitalmente informacin visual empleando OPENCV1.4. Desarrollar pruebas en tiempo real utilizando API RTAI2 para

realizar ajustes de controlador.5. Integrar tiempo real utilizando API RTAI para procesamiento de

mltiples imgenes sobre el kernel de LINUX.6. Integrar tiempo real con tarjeta de adquisicin de datos Sensoray

s626, verificando comportamiento fsico del sistema.7. Obtener resultados experimentales que validen el esquema de control.

INTRODUCCIN

Los mecanismos son ampliamente utilizados para realizar operaciones repetitivas,generalmente existe una parte del ciclo en la que el mecanismo se somete a carga, al cualse le denomina carrera de avance o de trabajo, y otra parte del ciclo conocida como carrerade retorno en la cual el mecanismo se dirige al inicio para repetir la operacin.

Para mantener los requerimientos de potencia del motor en el mnimo y evitar prdida

de tiempo, se emplean mecanismos que se muevan con mayor rapidez durante la carrera deretorno que en la carrera de trabajo. La razn de tiempo de avance al tiempo de retorno, sedefine con la siguiente formula.

Es necesario definir las posiciones de inicio y fin de carrera y plantear la direccin derotacin de la manivela, para obtener el ngulo que define la carrera de avance o trabajo yel ngulo que comprende la carrera de retorno.

Si el tiempo de carrera de retorno se define como:

2

Y el tiempo de carrera de avance se define como:

2

La relacin de tiempo queda resumida en la siguiente expresin:

Open Source Computer Vision

Application Programming Interface. Real Time Application Interface


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Un ejemplo de mecanismo de retorno rpido, es el mecanismo de Whitworth, tambinllamado mecanismo de limadora o troquel de manivela.

El mecanismo de retorno rpido Whitworth, transforma un movimiento de entradagiratorio continuo en movimiento rectilneo alternativo. Es importante destacar que la raznde tiempos de un mecanismo de retorno rpido no depende de la cantidad de trabajorealizado, puesto que est razn de tiempo es solo una propiedad cinemtica delmecanismo, sin embargo dicha respuesta se basa en la geometra del dispositivo[1].

Fig. 1. Mecanismo de retorno rpido (Whitworth).

En este arreglo la parte superior del eslabn oscilante va unido al acoplador por mediode un par giratorio y la parte inferior de dicho eslabn est conectado al eslabn fijo ocarcasa por medio de un par giratorio-prismtico. [2]

Restriccin de Whitworth:

Siendo , distancias fijas.

El principio de funcionamiento bsico de este tipo de mecanismo se puede encontrar enmaquinas cepilladoras, limadoras y cortadoras. Ejemplo de ello se puede observar en lassiguientes imgenes.


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a) b)Fig. 2. a) Imagen de limadora. b) Esquema de funcionamiento

a) b)

Fig. 3. a) Imagen de cepilladora. b) Esquema de funcionamiento

Para verificar el funcionamiento del mecanismo diseado se ha recurrido a modelosfsicos a escala, los cuales proporcionan informacin propia del sistema; dichos modeloshan jugado un papel importante en la historia de la ingeniera puesto que proporcionanherramientas para la enseanza, anlisis y exploracin de conceptos mecnicos. Con el pasodel tiempo muchos de estos modelos han sido remplazados por representacionescomputacionales que permiten implementar la operacin de forma autnoma [3].

La operacin autnoma involucra la aplicacin de esquemas de control, el algoritmo decontrol planteado para este proyecto es el de modos deslizantes, el cual presenta ventajas

tales como: Proporciona respuesta a sistemas no lineales.

Responde ante perturbaciones encontradas en materiales a trabajar.

Permite anlisis de perfiles de velocidad [4].

Se puede explicar brevemente como la aplicacin de una seal de control conmutando aalta frecuencia que consigue llevar el estado del sistema a una superficie = 0 la cual seconoce como superficie de deslizamiento y una vez en ella mantenerlo ante posiblesperturbaciones externas. La superficie de deslizamiento es propuesta por el diseador con elfin de ajustarla que se cumpla con las especificaciones deseadas. [5]


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Para aplicar el algoritmo de control, es necesario definir la ecuacin dinmica delsistema a controlar, en este caso un mecanismo, la ecuacin presenta la forma:

+

1

2

+

La ecuacin anterior se puede reescribir de la siguiente manera:

+1

2

+

A continuacin se muestran ecuaciones que definen el controlador

Denominada error de superficies de velocidades articulares:

Control por modos deslizantes, presenta la siguiente estructura:

+ De donde.

+ ()Esta ecuacin es discontinua y (0) 0

De donde:

()

Como se muestra en la figura 4, al definir () () la conmutacin se realizade una forma ms suave comparada con la que se define en() () , es unamedida para disminuir el efecto de chattering, el cual es provocado por la conmutacin dela seal de control a alta frecuencia, la cual podra ser perjudicial en determinadasaplicaciones prcticas.

Superficie de error:

+ Superficie de deslizamiento:

(0)[6]


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Fig. 4. Ilustracin de controlador por modos deslizantes.

Los esquemas de control requieren de la revisin constante de los actuadores oelementos de inters en el sistema, para el presente proyecto se empleara un encoder para lalectura de datos del motor y una cmara para sensar la posicin del bloque C definidoanteriormente en la figura 1.

El empleo de la cmara para sensar posicin surge como propuesta para comparar si lainformacin proporcionada por el encoder es en realidad la requerida para alcanzar lacondicin de velocidad que se desea en el bloque.

El uso de cmaras permite emular el sentido de la vista humano, el cual nos permiteconocer informacin del medio, sin necesidad de entrar en contacto con el mismo.Adicionalmente la retroalimentacin visual puede ser utilizada para corregir la posicin deun robot para incrementar la precisin en la tarea. [7] Esto es el antecedente de los llamadossistemas dinmicos.

Los sistemas dinmicos se basan en una arquitectura de control jerrquico y se utiliza larealimentacin visual de las variables articulares de posicin y velocidad para controlarinternamente el sistema. Las operaciones de este sistema son ejecutadas en formasecuencial, primero mirar y luego mover. [5]


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ANTECEDENTES

En MxicoEstudios desarrollados en La Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniera y

Tecnologas avanzadas, comprenden temticas importantes en el desarrollo del presenteproyecto, entre ellas se encuentran: Diseo cinemtico ptimo de un manipulador decadena cinemtica cerrada, de ese trabajo se puede destacar el anlisis propio de sistemasde lazo cerrado, lo cual aporta informacin para el presente trabajo, Plataforma dearquitectura abierta RV-M1 para realizar tareas en tiempo real, en ese trabajo se presentainformacin relevante en la aplicacin de sistemas en tiempo real .

La Universidad Nacional Autnoma de Mxico ha presentado trabajos que resultan

interesantes, entre ellos destacan los siguientes: Pruebas experimentales con el algoritmosuboptimal de modos deslizantes en un motor de corriente directa (Davila Merida,2006),presenta un aporte representativo al sentar bases para desarrollo de controlador por modosdeslizantes aplicado a motor de corriente directa ; Control de sistemas lineales por modosdeslizantes de alto orden( M. T. Angulo Ballesteros, 2009), en este trabajo se muestra unaforma de solucin a problemticas de chatteringpresentadas en el uso de control por modosdeslizantes de simple orden ; Control servo visual de robots planares (Huerta Garca,2010), este trabajo proporciona ideas de control aplicado a sistemas de arquitectura cerrada,aplicando retroalimentacin visual.

En el Centro de Investigacin y de Estudios Avanzados del Instituto Politcnico

Nacional se encontraron trabajos de amplio inters para el presente trabajo, los cuales sedescriben a continuacin: Sistema servo visual no calibrado de fuerza/posicin para robotsdinmicos restringidos por superficies de contacto no estructuradas (E.C. Dean Len,2006), en el cual se muestran datos que permiten el desarrollo de control servo visual yanlisis de fuerzas. Desarrollo de algoritmos en tiempo real para el control de percepcinde visin, laser omnidireccional (E. J. Bayro, 2010), en el cual se presenta informacinque permite el desarrollo de algoritmos que son aplicables al uso del tiempo real. Controlvisual de robots, Control de robots paralelos, Control adaptable, Control utilizando lgicadifusa y redes neuronales Identificacin paramtrica servomecanismos (R. A. GarridoMoctezuma, 2010), proporcionando un aporte interesante a trabajos en el rea de control,sobretodo en el desarrollo de controladores que permiten conjuntar caractersticas tales

como adaptabilidad, retroalimentacin visual y redes neuronales.

En el extranjero

En la Universidad Pblica de Navarra. Espaa se realizo un trabajo titulado "Sntesisdimensional ptima de una variante del mecanismo de retorno Rpido de Whitworth por I.Zabalza, V. Bentez, J. Ros y J. M. Pintor, donde se propone un anlisis detallado paraproporcionar dimensiones ptimas, realizando anlisis cinemtico, dinmico y desensibilidad, para mostrar resultados. En la universidad de Victoria Canad se desarroll untrabajo titulado Quick-return mechanism design and analysis, elaborado por R. P.


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Podhorodeski, S. B. Nokleby and J. D. Wittchen,muestra anlisis con perfiles de velocidad,mostrando el comportamiento del mecanismo de retorno rpido.

El presente proyecto requiri de una revisin a los trabajos realizados en las diversasunidades de estudios superiores y de posgrado para obtener una panormica acerca de losalcances y estructuracin del mismo. Este proyecto consta de elementos analizados demanera independiente de tal forma que se buscara conjuntar e implementar el control pormodos deslizantes con retroalimentacin visual y diseo adecuado de un mecanismo deretorno rpido.

JUSTIFICACIN

En el mbito de mecanismos se ha observado que se trabaja poco en el diseo adecuadoorientado a desempear las tareas requeridas por dicho mecanismo, por lo cual el presenteproyecto propone un diseo de mecanismo considerando las restricciones cinemticas ydinmicas del mecanismo de retorno rpido de Whitworth, con la finalidad de lograr unmejor aprovechamiento del par motor durante el giro de la manivela, reduciendo as elconsumo energtico del mismo, trabajos anteriores ayudan a comprender un poco ms laimportancia de este diseo. [2]

En este trabajo se propone un esquema de control empleando algoritmo de modosdeslizantes. Aprovechando sus ventajas, como son aportar robustez ante perturbaciones,

tanto internas como externas. Proporcionando respuestas a sistemas no lineales, lo cual esimportante debido a que las caractersticas de los mecanismos los definen como sistemas nolineales, responde de manera eficiente ante sistemas variantes en el tiempo. [4],[5].

Las ventajas que proporciona un control por modos deslizantes frente a un control porPD+ compensacin se muestran a continuacin:

Caractersticas PD+ compensacin. Modos deslizantesRespuestas a sistemas nolineales.

No tiene la capacidad deresponder a esto. [8]

Responde a sistemas nolineales. [4],[5]

Ganancias del sistema. Al exigir precisin las

ganancias son altas. [8]

Las ganancias son menores

que las empleadas en unPD+ compensacin simple.

Sensibilidad a las seales deruido.

Presenta sensibilidad. [8] Absorbe perturbaciones.[5]

Trabajan con el error. Al acercarse al valor deseadopresenta cambios abruptos.[9]

Se puede seleccionar lasuperficie de deslizamientopermitiendo unacercamiento suave. [4],[5]

Tiempo de respuesta. Aceptable para aplicacionesque no requieren precisin. [8]

Rpido para aplicacionesprecisas. [4],[5]

Tabla 1. Comparativo de control PD+ compensacin y modos deslizantes.


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La informacin visual es sin duda una de las herramientas que ms se utilizaactualmente para reconocer entornos desconocidos [7]. Apoyndose en esa premisa, sepropone un control tal que se base en la retroalimentacin visual del bloque de la correderadel mecanismo de retorno rpido, para cerrar el lazo de control. De esta manera se planteaun control mediante modos deslizantes con retroalimentacin visual.

El comportamiento de la velocidad en la corredera del mecanismo de retorno rpido,presenta variaciones importantes en el avance y retroceso, sin embargo es posible observarque dicha velocidad tiene un comportamiento constante en un intervalo muy pequeo comose puede ver en la figura 5.

Fig.5. Grfica de comportamiento de velocidad en el bloque, empleando Working Model 2D .

El controlador implementado en este proyecto proporcionar una posible solucin a laproblemtica que se presenta en el comportamiento de la velocidad variante de la correderaen el mecanismo de Whitworth. Al obtener una velocidad constante en el bloque decorredera, se proporcionaran acabados que presentan uniformidad en las piezas trabajadascon este perfil de velocidad.

Aplicando la implementacin de dicho control de velocidad de un mecanismo de retornorpido, cuyas aplicaciones pueden apreciarse en maquinas tales como cepilladoras ylimadoras, se pretende crear un antecedente experimental que permitir a futuros trabajos laimplementacin en maquinas orientadas a realizar dicho trabajo en la industria.


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Fig. 6. Grafica de comportamiento de velocidad empleando controlador.

Por otro lado, debido a la necesidad de contar con plataformas experimentales que

permitan al alumno de la carrera de ingeniera mecatrnica, observar el comportamiento deun modelo real que muestre de manera prctica lo que se describe en materias tales como:Anlisis y Sntesis de Mecanismos, control clsico y control de sistemas mecatrnicos, sepropone realizar la donacin de dicho prototipo, con fines demostrativos.

Es importante destacar el apoyo prestado por el proyecto SIP3 del IPN, el cualproporcionar equipo y material necesario para el desarrollo del presente proyecto como esel caso de tarjeta de adquisicin de datos Sensoray s626 y la computadora de escritoriocon sistema operativo LINUX en la paquetera de DEBIAN (lenny o Squeeze), los cuales selocalizan en el laboratorio de robtica avanzada dentro de las instalaciones de laU.P.I.I.T.A.

Secretaria de Investigacin y Posgrado IPN


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DESCRIPCIN DEL TRABAJO

A continuacin se presenta un diagrama a bloques donde se muestra una estructura generaldel trabajo a realizar, descrito a detalle ms adelante.

Fig. 7. Bosquejo general de trabajo a desarrollar

El mecanismo a disear, manufacturar y controlar, se muestra en la figura 8. Comoprimer paso en el desarrollo de este trabajo se obtendr el modelo cinemtico delmecanismo, el cual permite obtener la relacin entre el ngulo de entrada con la posicin decada uno de los eslabones restantes, de forma que las dimensiones sean adecuadas para sucorrecto desempeo. Este anlisis muestra las relaciones de velocidad y aceleracin,existentes entre los elementos que conforman dicho mecanismo.


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Fig. 8. Imagen del mecanismo.

La metodologa de desarrollo para el modelo dinmico, se basa en la obtencin decoeficientes de velocidad que permiten simplificar la manipulacin algebraica de lasecuaciones de movimiento. De igual manera este anlisis permite la obtencin de lasfuerzas e inercias generalizadas que influyen en la respuesta dinmica del mecanismo, todoello partiendo de la energa cintica de los elementos que lo conforman.

El algoritmo de control por modos deslizantes, debe ser modificado tomando en cuentael comportamiento del sistema, por ello requiere de la obtencin de modelo dinmico,teniendo en cuenta estas las ecuaciones y la informacin obtenida se elaborarn lassimulaciones del controlador para validar resultados.

Para el diseo mecnico, se realizar el anlisis de esfuerzos empleando software FEM4y de CAD5, con la informacin obtenida ser posible determinar el material adecuado paramanufacturar dicho mecanismo, los tipos de esfuerzos y lmites mximos y mnimos a loscuales ser sometido el mecanismo al estar operando, permitir validar clculos tericos,realizar ensayos y mejoras de forma iterativa.

Computer-Aided Design


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El principal actuador ser un motor de corriente directa, los puntos de inters sernsensados mediante una cmara web, aplicando as la retroalimentacin visual a nuestrosistema. El procesamiento de las leyes de control se realizar en una computadora deescritorio con un sistema operativo LINUX, ya que dicho sistema operativo permite asignarprioridades a los procesos realizados por la computadora (RTAI), obligando al sistema aejecutar tareas en tiempos definidos por el usuario.

La informacin visual obtenida por la cmara web ser procesada empleando funcionesestablecidas en OpenCV6. Para obtener la velocidad del bloque final, se examinan loscambios de posicin en intervalos especficos de tiempo.

La comunicacin entre la computadora y el sistema fsico se realizar a travs de unatarjeta de adquisicin de datos (Sensoray s626).

Fig.9. Bosquejo descriptivo del proyecto.

Open Source Computer Vision


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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Tabla 2. Cronograma de actividades para TT1


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Tabla 3. Cronograma de actividades para TT2

PRESUPUESTO

Tabla 4. Presupuesto del proyecto

El presupuesto fue estimado con precios de proveedores diversos, como son: Pololu,OpenCNCMxico, AG Electrnica S.A. de C.V., Metales Daz S.A. de C.V.


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REFERENCIAS[1] J. E. Shigley, J. J. Uicker Jr, Teora de Mquinas y mecanismos. 1992. Teora de

Mquinas y Mecanismos. Ed. Mc. Graw Hill, 1992. pp. 25-27[2] I. Zabalza, V. Bentez, J. Ros y J. M. Pintor Sntesis Dimensional ptima De UnaVariante Del Mecanismo De Retorno Rpido de Whitworth en IV CongresoIberoamericano de Ingeniera Mecnica, Santiago de Chile, 1999.[3] 3-D Printing the History of Mechanisms. [Online]. Disponible en:http://creativemachines.cornell.edu/papers/JMD05_Lipson.pdf[4] L.-C. Yao, J.-S. Chen, C.-Y. Hsu. A Mode Switching Sliding-mode Controller withObserver-based State-Dependent Boundary Layer and Its Application, InternationalJournal of Engineering, Volume 1, Issue (1)[5] S. Hutchinson, G. D. Hager, P. I. Corke. A Tutorial on Servo Control. PublicacinIEEE Transactions on robotics and automation. Vol 12, No. 5. October1996.

[6]V. Parra-Vega,

S. Arimoto,

Y.-H. Liu,

G. Hirzinger,

P. Akella.

Dynamic Sliding PIDControl for Tracking of Robot Manipulators: Theory and Experiments. Publicacion IEEEtransactions on robotics and automation, vol. 19, no. 6,December2003 967[7] C. Soria, F. Roberti, R. Carelli1, J. M. Sebastin Control servo visual de un robotmanipulador tipo scara basado en pasividad.[8]. A. Ferreyra, R. Fuentes. Estudio comparativo entre control PID y difuso. UAM-Azcapotzalco, Depto. de Electrnica.[9]C. R. Rivas, M. E. G. Elas, A. B.Telles. Modelado Matemtico y Control PD+Compensacin de un Robot Manipulador de Dos Grados de Libertad en TrayectoriasContinuas Punto a Punto. Publicacin EN INVIE 2005 Encuentro de Investigacin enIngeniera Elctrica Zacatecas, Zac, Marzo 1718, 2005.


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INTEGRANTES

DATOS PERSONALES

Nombre:Avila Tapia Carina Domicilio:3 cerrada de Moctezuma #12. Barri San Miguel. Delegacin Iztapalapa.Mxico D.F. Nmero telefnico: 26362621 E-mail: [email protected]

Nombre:Tenorio Hernndez Brenda Guadalupe Domicilio:2a cerrada de la calle 625 #6. San Juan de Aragn. Delegacin Gustavo A.

Madero. Mxico D.F. Nmero telefnico:57966431 E-mail: [email protected]

FIRMAS

INTEGRANTES

Avila Tapia Carina Tenorio Hernndez Brenda Guadalupe


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ASESORES

Dr. Flores Campos Juan Alejandro Dr. Rosas Flores Jos Alfredo

Ing. Mendoza Gallegos Daro

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