Proyecto - Robor cartesiano de 3 ejes (Impresora 3D).pdf

Universidad Técnica Del Norte Facultad De Ingeniería en Ciencias Aplicadas Ingeniería en Mecatrónica Óptativa III - Servomecanismos

Diseño e Implementación de un Prototipo de un Robot Cartesiano de 3 ejes (Impresora 3D) Rommel Andrés Calderón Mancheno Alex Jahir Campoverde Revilla Bryan André García Medina Luis Fernando Lucero Román Michael William Quintana López Jhonatan Geovanny Ruano

Ing. Daniel Alejandro Álvarez Robalino, MSc.

IBARRA 2018

Índice 1.

Tema ...........................................................................................................................3

2.

Objetivos .....................................................................................................................3 2.1.

Objetivo general ............................................................................................................ 3

2.2.

Objetivos específicos: ................................................................................................... 3

3.

Introducción ...............................................................................................................3

4.

Marco Teórico.............................................................................................................4 4.1.

Robot Cartesiano ........................................................................................................... 4

4.1.1.

Las coordenadas cartesianas .................................................................................. 5

4.1.2.

Motores para el accionamiento del movimiento de los ejes del robot cartesiano: 6

4.2.

Impresora 3D ............................................................................................................... 7

4.3.

Arduino ........................................................................................................................ 7

5.

Descripción ........................................................................................................................... 8

6.

Selección de los Componentes ............................................................................................ 8 6.1.

Estructura ...................................................................................................................... 8

6.2.

Electrónica ..................................................................................................................... 9

6.3.

Mecánicas .................................................................................................................... 10

6.4.

Tuercas Tornilleras y Arandelas.................................................................................. 10

6.5. Varios ............................................................................................................................... 11

7.

Conclusiones ...................................................................................................................... 11

8.

Bibliografía ........................................................................................................................ 12

1. Tema: Robot cartesiano de 3 ejes con aplicación de impresora 3D. 2. Objetivos 2.1. Objetivo general

•

Construir un robot cartesiano de 3 ejes que funcione como una impresora 3D.

2.2. Objetivos específicos:

•

Recopilar toda la información necesaria para la creación de un robot cartesiano de 3 ejes.

•

Construir la estructura de la impresora 3D con los materiales especificados en la parte de investigación.

•

Realizar la programación de los controladores del robot cartesiano para que trabaje como una impresora 3D.

3. Introducción Un robot cartesiano es un tipo de robot industrial de tres ejes que opera de forma lineal, ya que sus movimientos siempre son rectos y no pueden girar. Su programación requiere menos parámetros que algunos otros robots industriales. Los movimientos lineales se realizan en los ejes por servomotores y dependiendo del tipo de movimiento serán operados por el eje portal o por el eje de extensión o por el eje telescópico. De esto se tratará con más detalle en el marco teórico del proyecto. Una aplicación muy extendida para este tipo de robots es la máquina de control numérico (CN). Las aplicaciones más sencillas son las usadas en las máquinas de fresado o dibujo, donde un taladro o pluma se traslada a lo largo de un plano x-y mientras la herramienta sube y baja sobre la superficie para crear un preciso diseño.

Los robots cartesianos se encuentran en 3 zonas de trabajo: Producción donde operan  posición, eléctrica donde se sitúan los aparatos eléctricos y de control y supervisión donde trabaja el operario.

El objetivo principal del trabajo es crear un robot cartesiano que funcione como una impresora 3D, utilizando conocimientos técnicos sobre microcontroladores y servomecanismos. Para poder alcanzar el objetivo principal se tendrán que importar ciertas partes del robot del extranjero. En los siguientes putos del proyecto se analizarán todas las condiciones necesarias para completar el proyecto y se evaluarán los aciertos y errores al momento de construir este tipo de máquina.

4. Marco Teórico 4.1. Robot Cartesiano El robot de coordenadas cartesianas es un tipo de robot industrial de tres ejes los cuales operan de forma lineal, es decir su movimiento siempre es recto, no pueden girar por lo que forman ángulos rectos. Son más simples, pues su programación y configuración trabaja con menos parámetros, y económicos ya que están más limitados en sus funciones que otros robots industriales,  pero dependiendo del trabajo a realizar son una buena opción como por ejemplo para realizar dibujos o recoger diversos materiales, en estos casos de denominan robots pórtico debido a su tamaño y forma similar a la de los pórticos.

 Figura 1: Esquema del robot cartesiano

4.1.1. Las coordenadas cartesianas

Son básicamente las descritas en la coordenada de abscisa X y la coordenada vertical Y del plano y se utilizan para ubicar un punto en el plano.

La forma en la que trabajan los robots cartesianos es la siguiente, mediante el sistema de coordenadas propuestas se trazan los puntos donde debe realizar el movimiento. El ordenador o mejor dicho el programa controla los movimientos optimizándolos. Los movimientos lineales se realizan en los ejes por servomotores y dependiendo del tipo de movimiento serán operados por el eje portal o por el eje de extensión o por el eje telescópico.

Diferenciamos

tres zonas

de

trabajo dentro

de

los

robots

 Zona de producción, donde operan los movimientos para su posición.  Zona eléctrica, donde se sitúan los aparatos eléctricos y de

control.

 Zona de supervisión, donde trabaja el operario.

Descripción de las diferentes partes que conforman un robot cartesiano: Guía de movimiento: •

Por rodillos, si el movimiento debe ser rápido.

•

Por bolas, si la carga es pesada.

 La trasmisión del robot cartesiano se realiza mediante: •

Correa dentada para mayores distancias y rapidez.

•

Husillo, más lentas que las anteriores.

cartesianos:

4.1.2. Motores para el accionamiento del movimiento de los ejes del robot cartesiano:

•

Servomotores, Un servomotor es un tipo especial de motor que permite controlar la posición del eje en un momento dado. Esta diseñado para moverse determinada cantidad de grados y luego mantenerse fijo en una posición.

 Figura 2: Servomotor

•

Motor paso a paso, Los motores paso a paso (P-P) pueden verse como motores eléctricos sin sistema de conmutación. Típicamente, todas las bobinas del motor están en el estator y el rotor es, o un imán permanente o, en el caso de motores de reluctancia variables, un bloque de algún material magnéticamente  blando. Toda la conmutación debe ser manejada externamente por el controlador del motor y, habitualmente, los motores y controladores están diseñados para que el motor pueda ser mantenido en una posición o rotar en uno u otro sentido. La mayoría de estos motores pueden ser manejados a frecuencias de audio permitiendo un giro rápido y, con un controlador apropiado, pueden ser arrancados y parados en posiciones controladas.

 Figura 3: Motor a pasos

4.2.Impresora 3D Una impresora 3D es una máquina capaz de imprimir figuras con volumen a partir de un diseño hecho por ordenador. Con volumen quiere decir que tiene ancho, largo y alto. Una impresora 3D lo que realmente hace es producir un diseño 3D creado con el ordenador en un modelo 3D físico (real). Es decir, si hemos diseñado en nuestro ordenador, por ejemplo, una simple taza de café por medio de cualquier programa CAD (Diseño Asistido por Computador), podremos imprimirla en la realidad por medio de la impresora 3D y obtener un producto físico que sería la propia taza de café.

Una impresora 3D tiene el principio de movimiento en el plano cartesiano de un robot cartesiano propiamente, con la diferencia que tiene inyectores de material que por medio de programación en código G se logra tener diseños de CAD’s 3D.

 Figura 4: Impresora 3D.

4.3. Arduino Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.

 Figura 5: Arduino.

5. Descripción El proyecto consiste en el diseño e implementación de un prototipo de un robot cartesiano de 3 ejes, en este caso una impresora 3D, con el fin de comprender el funcionamiento de la misma. Además, la impresora tendrá una estructura de aluminio, ya que es un material ligero, resistente a la corrosión y a agentes externos, maleable y duradero.

La impresora 3D tiene una parte electrónica controlada con un Arduino Mega, además, motores a pasos y otros elementos que complementan este prototipo; por otro lado, el  prototipo es capaz de reproducir un objeto sólido tridimensional mediante la adición de material, cuyo diseño se realiza en computadora por medio de un diseño en software CAD donde la materia prima es un tipo de plástico.

6. Selección de los Componentes 6.1.Estructura Cantidad

Elemento

1

Marco de Aluminio

1

Juego de piezas imprimibles Varillas Roscadas

2

Métrica 10 (380mm)

4

Métrica 8 (210mm)

2

Métrica 5 (295mm) Varillas Lisas

2

Métrica 8 (345mm) EJE Y

2

Métrica 8 (320mm) EJE Z

2

Métrica 8 (380mm) EJE X

1

Métrica 8 (20mm)

6.2.Electrónica Cantidad

Elemento

1

Arduino Mega

1

Ramps 1.4

1

HotEnd V6

1

Cama caliente 200x200mm (12v/24V) Electro Store

5

Pololu + disipador

2

Termistor de 100K

1

Fuente de alimentación 12v. (al menos de 20A)

1

Pantalla LCD ("Full Graphic Smart Controller")

3

Finales de carrera

1

Ventilador (Brushless 4020)

1

Juego de cableado

6.3.Mecánicas Cantidad

Elemento

5

Motores a pasos NEMA 17

2

Correas GT2

2

Poleas GT2

10

Rodamiento LM8UU

2

Rodamiento 623zz

3

Rodamiento 608zz

2

Acoples eje Z (no necesario pero recomendable)

1

Tornillo extrusor (hobed bolt)

4

Muelle Cama Caliente

2

Muelles Extrusor

6.4.Tuercas Tornilleras y Arandelas Cantidad

Elemento Tuercas

12

Métrica 10

24

Métrica 8

2

Métrica 5

8

Métrica 4

4

Métrica 3 Tornillería

8

Métrica 4 (25,50mm)

4

Métrica 3 (10, 20, 25, 40mm) Arandelas

8

Métrica 10

4

Métrica 10 de ala ancha (para el marco)

24

Métrica 8

4

Métrica 4

-

Métrica 3

6.5. Varios Cantidad

Elemento

1

Espejo / Cristal 200x200

1

Cable alimentación

1

Cinta Kapton

-

Bridas

7. Conclusiones Para la construcción del robot cartesiano de 3 ejes se toma como base el diseño de impresoras 3D ANET A8. Los materiales de la impresora 3D serán importados a fin de reducir costos y buscar una mejor alternativa para construir un prototipo de mejor calidad.

8. Bibliografía

[1] «Mekkan,» [En línea]. Available: http://www.mekkam.com/roboticaindustrial/robot-cartesiano/. [2] R. Diosdado, «Zona Maker,» 2018. [En línea]. Available: https://www.zonamaker.com/impresion-3d/crea-impresora/1-intro-crea-imp. [3] «Filament2Print,» [En línea]. Available: https://filament2print.com/es/blog/36_tipos-de-extrusores-y-hotend.html. [4] «Static Boards,» [En línea]. Available: https://www.staticboards.es/productos/ramps14sb/. [5] A. G. Gonzáles, «PanamaHitek,» 02 12 2016. [En línea]. Available: http://panamahitek.com/que-es-y-como-funciona-un-servomotor/. [6] Anónimo, «Motores Paso a Paso,» [En línea]. Available: http://platea.pntic.mec.es/vgonzale/cyr_0204/cyr_01/robotica/sistema/motores_p p.htm. [7] Arduino, «Arduino,» 2014. [En línea]. Available: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/09/25/que-es-arduino/. [8] Anónimo, «Área Tecnología,» [En línea]. Available: http://www.areatecnologia.com/informatica/impresoras-3d.html.