Integrantes: Ximena Porras Sánchez A01373527 Madeleine Itzel Santiago Estrada A01167913 Rodrigo Rivero Bravo A01168785 Joel Alejandro Romero Moya A01168002 Jorge Puga Valdez A01167888

Laboratorio de automatismos lógicos Reporte de proyecto final: Banda separadora de metales Profesor Guillermo Sandoval Benitez Fecha de entrega: 12 de mayo de 2015

Introducción Debido a que el Tec de Monterrey ha lanzado el Modelo Educativo Tec 21, ha

debido evolucionar, acondicionar su infraestructura y adecuar el rol de los

profesores, esto ya que el siglo XXI se presenta con diferentes demandas y

requerimientos, como líderes con competencias personales además de

conocimiento profesional.

En la materia de Laboratorio de Automatismos Lógicos se buscó que el proyecto

final estimulará y fomentará algunas de las competencias establecidas en este

nuevo modelo educativo, como las de construir e implementar productos y sistemas

mecatrónicos innovadores y el que los alumnos pudieran demostrar sus habilidades

de autoaprendizaje.

El proyecto de esta materia consiste en el diseño, construcción y puesta en marcha

de un prototipo de una máquina que clasificara un producto, en este caso entre

metal y no metal. Para su realización se trabajó en 4 áreas específicas: Mecánica,

Electrónica, Automatización e Integración.

Desarrollo

Diseño

Para empezar con el proyecto se tuvo que llegar a un acuerdo en el equipo de que

era lo que se buscaba hacer, que se iba a clasificar, cuales iban a ser los

materiales. Se estableció que el proyecto consistiría en un clasificador de objetos

metálicos ferrosos y cualquier otro objeto, se utilizaría una banda transportadora, y

el material principal sería acrílico.

Habiendo establecido el propósito de la máquina a hacer, se continuó con la idea de

cómo se lograría. En esta parte se tuvo que definir dónde estarían los sensores, de

qué tipo sería, en donde estarían los actuadores y donde estarían otras piezas de

proyecto, como la del recipiente para las piezas clasificadas y la botonera.

Cuando se tuvo una idea más o menos concreta se prosiguió con bocetos, para

después continuar con el diseño en Catia. Sin embargo, a lo largo del proyecto se

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tuvieron que cambiar algunos aspectos de este, por lo que también se tuvo que

cambiar el diseño original.

Imagen 1. Boceto inicial del proyecto

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Mecánica

Teniendo en cuenta la parte del diseño, bocetos y dibujo en Catia, seguimos con la

parte mecánica. A maquinar piezas y ensamblar el proyecto.

Para la banda se utilizaron paredes de acrílico con un bastidor de madera, por

banda utilizamos una lija debido a la fricción que ofrece y por tambores se utilizaron

tornillos forrados con ligas de caucho natural sostenidos por dos baleros a cada lado

sobre las paredes y una resbaladilla de acrílico que aseguraba que las piezas

cayeran al contenedor clasificador.

La base de la banda se utilizó una lámina con diversos dobleces a manera de

formar una caja sin el fondo, de un extremo de la base se encuentra un orificio

rectangular para tener acceso al cableado y al motor; la base está reforzada con

angulo de aluminio con el fin de darle más estabilidad y estética al proyecto. Sobre

esta se encuentra la banda fijada.

Estas dos partes del proyecto se encuentran unidas por bandas de caucho negro

para darle tracción a la banda, estas bandas de caucho se encuentran sobre la

polea del tambor de tracción y sobre la polea del motor; el motor que se utilizó fue

una motoreductora metálica.

Para la parte de la clasificación de los objetos se diseñó un contenedor giratorio

clasificador, el cual consta de un servomotor dentro de una caja de acrílico. Sobre la

flecha del servomotor se encuentra una caja cuadrada dividida por la mitad, donde

cada lado corresponde al espacio de los objetos metálicos ferrosos y cualesquiera

otro material de los objetos.

La botonera consiste en una caja de acrílico, sobre la cual van los botones, de llave,

selector, de marcha, paro momentáneo y paro de emergencia así como un display

que sirve de contador para las piezas clasificadas. La botonera fue reforzada con

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angulo de aluminio para que pudiera soportar el golpe dado al pulsar el botón de

paro de emergencia, además en caso de que se cayera la botonera esta no se

rompiera.

La base del proyecto consiste en una lámina sobre la cual va fija la base de la

banda y el contenedor giratorio clasificador, además de la botonera la cual

funcionaba de la manera fija y portátil.

Imagen 2. Desarrollo de la banda transportadora.

Imagen 3. Botonera

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Imagen 4. Proyecto banda separadora de metales.

Electrónica

Para la electrónica se tuvieron que tomar ciertas consideraciones iniciales: a que

voltaje funcionaban los componentes, y en el caso de los sensores y el arduino, cual

era su voltaje de salida, esto se expone en la Tabla 1.

Componente Alimentación Señal de salida

Sensor Capacitivo 1

(Azul)

24 V 100 mA

Sensor Capacitivo 2

(Negro)

7.2 V 100 mA

Sensor Ultrasónico 5 V 5 V

Sensor Inductivo 7.2 V 300 mA

Servomotor 5 V NA

Motorreductor 24 V NA

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Arduino Uno (1 y 2) 5 V 5 V

3.3 V

Tabla 1. Componentes y sus requerimientos eléctricos

Debido a que los componentes tienen requerimientos distintos, se decidió utilizar 3

líneas diferentes de voltaje que los alimentaron, que fueron de 5, 7.2 y 24 volts.

Como se puede ver, los sensores mandan corriente como señal de salida, y ya que

el Arduino solo puede recibir hasta 5 volts como entrada, se optó por utilizar

amplificadores operacionales, para esto se utilizó el circuito integrado LM741. Las

resistencias utilizadas fueron de 15 Ohms para el sensor inductivo, para los

sensores capacitivos fueron necesarios resistencias de 50 Ohms.

El motorreductor, al funcionar con 24 volts no podía ser puesto en función por el

Arduino, para solucionar esto se decidió utilizar un transistor npn en modo de

interruptor, en este caso fue el 2n2222. Para esto se utilizo una resistencia de base

equivalente a 15 Ω la cual se conecto entre un pin del Arduino y la base del

transistor. Por otra parte el emisor se conectó a tierra mientras que el colector se

conectó directo al motor.

Para garantizar que los componentes no serían un riesgo para el microcontrolador

tuvimos que asegurar en qué rangos de voltaje estaban operando, por lo que

tuvimos que hacer diferentes pruebas y mediciones.

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Imagen 5. Medición del voltaje de salida de los sensores.

Fue por esto mismo que utilizamos divisores de voltaje en el caso del sensor

capacitivo 1 ya que este entregaba 24 Volts. Las resistencias a utilizar para reducir

el voltaje a 5 Volts fueron de 1k Ω y 220 Ω.

Para la botonera utilizamos 5 botones para los cuales se conectaron resistencias de

330 Ω.

En un principio se optó por utilizar sensores ultrasónicos para detectar presencia de

algún objeto sobre la banda; sin embargo al momento de integrar la parte mecánica

con la parte de los sensores nos percatamos de que las ondas que emiten los

emisores de los sensores rebotaban a lo largo de las paredes e interfieren en los

otros sensores por lo que fue necesario cambiarlos por sensores capacitivos o

cualquier otro sensor que no fuese del mismo tipo de señales.

Automatización

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La lógica de la programación fue implementada en el lenguaje del microcontrolador

Arduino y funciona del modo siguiente:

El programa consta de ocho entradas y seis salidas visibles. Existe un botón de

llave que manipula la alimentación del microcontrolador; sin embargo ese se cuenta

fuera de las entradas del programa. Cuatro señales de entrada son efecto de los

botones utilizados, selector, pulsador verde y rojo y un botón de hongo con enclave;

todos normalmente abiertos a excepción de este último. Las otras cuatro son

señales recibidas de dos sensores capacitivos, uno inductivo y uno ultrasónico; cada

uno alimentado con su respectivo voltaje por una fuente. La conexión de cada uno

de ellos se especifica en la parte de electrónica. En cuanto a las salidas, se cuenta

con dos actuadores; un motorreductor y un servomotor y las otras tres son

indicadores luminosos; tres leds y un display de siete segmentos.

Debido a la falta de pines para conectar los elementos al microcontrolador; se optó

por acoplar el funcionamiento a dos Arduinos conectados y sincronizados con

entradas y salidas digitales entre ellos que serán detalladas más adelante.

Al activar el microcontrolador, suponiendo que la fuente se encuentra encendida, los

primeros en actuar son los cuatro sensores ubicados a lo largo de la banda. Dentro

del código se establece como primer paso el tomar lecturas digitales de las entradas

para poder comenzar a tomar decisiones. Los cuatro sensores, se encuentran

leyendo todo el tiempo; sin embargo, en la lógica de nuestra banda se establece

que la primer decisión a tomar consta de elegir mediante el botón selector el modo

en el que el usuario desea que opere la máquina; hacia la izquierda si lo quiere en

manual y hacia la derecha si lo quiere en automático. La diferencia entre estos

modos solo afecta al avance del producto en la banda puesto que los sensores

siguen leyendo y tomando las misas decisiones. Si se escoge el modo manual, la

banda avanza únicamente mientras se mantiene pulsado el botón verde, de otro

modo se mantiene fija. Por otro lado, si se selecciona el modo automático, al

presionar una vez el botón verde, la banda comienza a avanzar y únicamente se

detiene al pulsar el botón rojo o presionar el paro de emergencia.

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Una vez tomada la primer decisión, el siguiente paso es colocar el producto a

clasificar en la banda. En el programa se declaran variables condicionadas “edo#”

para memorizar las lecturas de los sensores y poder ser manipuladas por otras

condiciones. Suponiendo que el objeto en cuestión es un metal, pasa por el primer

sensor capacitivo, su lectura digital es 1 en el instante que lo detecta y el edo que

depende de esa lectura se activa y se mantiene de esta forma. El objeto avanza

hasta el segundo sensor, un inductivo. Debido a que es un metal, rompe su campo

en el instante que pasa por ahí y se tiene la lectura digital 1; al estado que depende

de esta lectura le sucede lo mismo que al del sensor anterior. El objeto sigue y llega

al tercer sensor, un capacitivo con el cual sucede lo mismo en cuanto a su lectura y

su estado. En nuestra programación se muestra que el siguiente paso es evaluar

dos funciones booleanas que dependen de las memorias de los estados para

determinar si el objeto es ferroso o no. En nuestro ejemplo, se cumple la condición

“METAL”, que consta de unandde los tres estados. Todo lo anterior mencionado se

encuentra dentro de la programación del Arduino 1, el cual tras haber obtenido el

resultado de la evaluación en la función, manda una señal digital captada por el

Arduino 2, el cual se encuentra tomando lecturas digitales de dos pines

provenientes del primer microcontrolador. La decisión que toma este arduino

dependiendo de si es un metal o no, es los grados que le indica al servo que gire el

contenedor para poder separar los objetos clasificados. Dentro del Arduino 1, lo

siguiente es que se resetean los estados para poder comenzar a clasificar un nuevo

objeto, mientras que en elArduino 2lo siguiente es aumentar un contador existente.

Cabe recalcar que este contador aumenta únicamente si se trata de un metal. El

objeto avanza hasta llegar al cuarto sensor, un ultrasónico condicionado a encender

su memoria únicamente si las distancia que mide es menor o igual a siete

centímetros. Al activarse este estado, se entra a la condición de comparar el

contador con salidas previamente establecidas para convertir a sistema binario el

número del contador y transmitir esas señales a un circuito integrado 74ls48

también conocido como “deco bcd” conectado al display de siete segmentos

ubicado en la botonera.

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El botón rojo es utilizado en el modo automático únicamente para detener la banda;

sin embargo el paro de emergencia es utilizado en los dos modos. La diferencia

entre estos dos botones es que el paro de emergencia resetea el contador en los

dos modos. Esto se logra al tener una señal entre los dos Arduinos que transmite el

estado de este botón. Cabe destacar que en modo automático además de resetear

el contador, al enclavarse detiene la banda y la inmoviliza puesto que si se pulsa el

botón verde o el rojo no se lleva a cabo ninguna acción hasta que sea

desenclavado. En el modo manual, de igual forma genera un reseteo y no permite el

avance mientras está enclavado.

Por último, los tres leds están programados para indicar el modo en el cual se

encuentra operando la máquina; uno para modo manual, otro para automático y otro

para paro de emergencia.

A continuación se muestra el código del Arduino 1:

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A continuación se muestra el código del Arduino 2

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Integración

La integración fue el momento en que todas las áreas funcionaron a la par, de

acuerdo con la electrónica y la programación desarrollada, sobre el mecanismo

construido. Esta fue el proceso más complicado ya que hubo muchos problemas

con la parte de la electrónica. El correcto puenteo de tierras fue esencial para que

tanto los sensores como los botones leyeran correctamente.

En un principio se optó por utilizar sensores ultrasónicos para detectar presencia de

algún objeto sobre la banda; sin embargo al momento de integrar la parte mecánica

con la parte de los sensores nos percatamos de que las ondas que emiten los

emisores de los sensores rebotaban a lo largo de las paredes e interfieren en los

otros sensores por lo que fue necesario cambiarlos por sensores capacitivos o

cualquier otro sensor que no fuese del mismo tipo de señales.

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Imagen 6. Parte mecánica, electrónica y programación integradas.

Conclusión Este proyecto cae en el campo de la automatización. En la actualidad la

automatización de procesos es una importante herramienta para las empresas.

Permite tener un rápido acceso a la información de los procesos y evita las fallas

humanas.

Conforme avanzabamos en el proyecto nos fuimos dando cuenta que los cambios

eran necesarios para poder cumplir con la meta que nos habíamos propuesto. Los

dos ejemplos más claros fueron los cambios que fuimos haciendo sobre la marcha

en los aspectos de la mecánica y de los sensores.

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Realizando diversas pruebas con diferentes tipos de sensores: inductivo, capacitivo,

y ultrasónico, se obtuvo como resultado que la mejor opción para nuestro proyecto

era usar solo sensores capacitivos y uno inductivo. Se sustituyeron dos ultrasónicos

por dos capacitivos por su rápida respuesta y relativamente fácil instalación. A

través de las pruebas nos dimos cuenta que los ultrasónicos causaban interferencia

entre ellos, imposibilitando una correcta lectura de la señal.

En el diseño mecánico se observó que era necesario hacer ajuste durante el

proceso del desarrollo del mismo, por lo tanto es importante que esta nos brinda la

posibilidad de ajustarse a cada una de las necesidades.

Este proyecto nos deja un profundo aprendizaje en los diferentes aspectos que

integran la mecatrónica, así como diferentes habilidades específicas como el trabajo

colaborativo, el trabajo bajo presión e integración de los conocimientos de todo el

equipo adquiridos a lo largo de la carrera.

Foto de equipo

Imagen 6. De izquierda a derecha: Jorge Puga, Joel Romero, Ximena Porras,

Rodrigo Rivero y Madeleine Santiago.

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Fotos con los evaluadores

Imagen 7. Evaluador Jorge Rebollar

Imagen 8. Evaluador Ricardo Mendez

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