El documento describe los elementos mecánicos de un robot, incluyendo la historia de las máquinas CNC y sus características, la clasificación de los CNC, los sistemas de lazo cerrado y abierto, los motores paso a paso de diferentes tipos, y los servomotores. Explica cómo los servomotores usan modulación por ancho de pulsos para controlar la posición de los motores de corriente continua.

1. ELEMENTOS MECANICOS DE UN ROBOT
PORTAFOLIO DE EVIDENCIA
23 DE SEPTIEMBRE DE 2015
MIGUEL ANGEL MIRANDA COLIS
MECATRONICA 5°C

2.  Historia de máquinas CNC y características.
El control numérico o control decimal numérico (CN) es un sistema
de automatización de máquinas herramienta que son operadas mediante
comandos programados en un medio de almacenamiento, en comparación
con el mando manual mediante volantes o palancas.
Las primeras máquinas de control remoto numéricos se construyeron en los
años 40y 50, basadasen las máquinas existentes con motoresdesmodificados
cuyos números se relacionan manualmente siguiendo las instrucciones dadas
en un microscopio de tarjeta perforada. Estos servomecanismos iniciales se
desarrollaron rápidamente con los equipos analógicos y digitales. El
abaratamiento y miniaturización de los procesadores ha generalizado
la electrónica digital en los toros herramienta, lo que dio lugar a la
denominación control decimal numérico, control numérico por
computadora , control numérico por computador o control numérico
computarizado (CNC), para diferenciarlas de las máquinas que no
tenían computadora. En la actualidad se usa el término control numérico para
referirsea este tipo de sistemas, con o sin computadora.
 Clasificación de los CNC
PROCESOS DEMANUFACTURA POR ARRANQUEDE VIRUTA La aplicación del
control numérico abarca gran variedad de procesos. Aquíse dividen las
aplicaciones en dos categorías: (1) aplicaciones con máquina herramienta,
tales como el taladrado, laminado, torneado, etc., y (2) aplicaciones sin
máquina herramienta, tales como el ensamblaje, trazado e inspección. El
principio de operación común de todas las aplicaciones del control numérico
es el controlde la posición relativa de una herramienta o elemento de
procesado con respecto al objeto a procesar.

3.  Sistemas de lazo cerrado y lazo abierto
Sistemas enlazocerrado:
DEFINICIONYCARACTERÍSTICAS
Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas de
control de lazo cerrado. En la práctica, los términos controlrealimentado y
control en lazo cerrado se usan indistintamente.
En un sistema de control en lazo cerrado, sealimenta al controlador la señal
de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la
salida de realimentación (que puede ser la señalde salida misma o una
función de la señal de salida y sus derivadas o/y integrales) a fin de reducir el
error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El término control
en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control
realimentando para reducir el error del sistema.
ELEMENTOS BÁSICOS
1. Elemento de comparación: Este elemento compara el valor requerido o de
referencia de la variablepor controlar con el valor medido de lo que se
obtiene a la salida, y produceuna señalde error la cual indica la diferencia
del valor obtenido a la salida y el valor requerido.
2. Elemento de control: Este elemento decide que acción tomar cuando se
recibe una señal de error.
3. Elemento de corrección: Este elemento se utiliza para producir un cambio
en el proceso al eliminar el error.
4. Elemento de proceso: El proceso o planta, es el sistema dónde se va a
controlar la variable.
5. Elemento de medición: Este elemento produceuna señalrelacionada con
la condición de la variable controlada, y proporciona la señal de
realimentación al elemento de comparación para determinar si hay o no
error.

4. Sistemas enlazoabierto:
DEFINICIÓNYCARACTERÍSTICAS
Son los sistemas en los cuales la salida no afecta la acción de control. En un
sistema en lazo abierto no semide la salida ni serealimenta para compararla
con la entrada.
En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no secompara con
la entrada de referencia. Por tanto a cada entrada de referencia le
correspondeuna condición operativa fija; como resultado, la precisión del
sistema depende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un
sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada. En la práctica,
el controlen lazo abierto sólo se utiliza si se conoce la relación entre la
entrada y la salida y si no hay perturbaciones internas ni externas. Es
evidente que estos sistemas no son de control realimentado.
ELEMENTOS BÁSICOS
1. Elemento de control: Este elemento determina qué acción se va a tomar
dada una entrada al sistema de control.
2. Elemento de corrección: Este elemento respondea la entrada que viene
del elemento de control e inicia la acción para producir el cambio en la
variable controlada al valor requerido.
3. Proceso: El proceso o planta en el sistema en el que seva a controlar la
variable.

5. Sistemas de controllazo cerrado vs sistemas de control lazo abierto:
Las ventajas de tener una trayectoria de realimentación y, por lo tanto, un
sistema en lazo cerrado en lugar de un sistema en lazo abierto son:
1. Más exacto en la igualación de los valores real y requerido para la variable.
2. Menos sensiblea las perturbaciones.
3. Menos sensiblea cambios en las características de los componentes.
4. La velocidad de respuesta seincrementa y, por lo tanto, el ancho de banda
es mayor, es decir, el intervalo de frecuencias en los que el sistema
responderá.
Pero hay algunas desventajas:
1. Hay una pérdida en la ganancia en cuanto a que la función de transferencia
de un sistema en lazo abierto, sereduce de G a G/(1+GH) por una trayectoria
de realimentación con una función de transferencia H.
2. Existe una gran posibilidad de inestabilidad.
3. El sistema es más complejo y, por lo tanto, no sólo más caro, sino más
propenso a descomposturas.
4. Propiedad de retroalimentación

6.  Motores paso a paso
El motor a paso es un dispositivo electromecánico que convierteuna serie
de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que
significa que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo
de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma
manera que un conversor digital-analógico (D/A) y puede ser gobernado
por impulsos procedentes de sistemas lógicos.
Este motor presenta las ventajas de tener precisión y repetitividad en cuanto
al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como motor
de frecuencia variable, motor de corriente
continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente.
Tipos de motorespaso a paso:
Los motores paso a paso se dividen en dos categorías principales: de imán
permanente y de reluctancia variable. También existe una combinación de
ambos, a los que seles llama híbridos.
Los de imán permanente son los que más conocemos, utilizados, por
ejemplo, en el avancede papel y del cabezal de impresión de las impresoras,
en el movimiento del cabezal de las disketteras, etc. Como su nombreindica,
poseen un imán que aporta el campo magnético para la operación.
Los motores del tipo de reluctancia variable, en cambio, poseen un rotor de
hierro dulce que en condiciones de excitación del estator, y bajo la acción de
su campo magnético, ofrece menor resistencia a ser atravesado por su flujo
en la posición de equilibrio. Su mecanización es similar a los de imán
permanente y su principal inconveniente radica en que en condiciones de
reposo (sin excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por lo tanto, su
posicionamiento de régimen de carga dependerá de su inercia y no será
posible predecir el punto exacto de reposo. El tipo de motor de reluctancia
variable consisteen un rotor y un estator cada uno con un número diferente
de dientes. Ya que el rotor no disponede un imán permanente, gira
libremente si no tiene corriente alimentándolo, o sea que no tiene torque de
detención.

7. Los motores híbridos combinan las mejores características de los de
reluctancia variable y de imán permanente. Se construyen con estatores
multidentados y un rotor de imán permanente. Los motores híbridos
estándar tienen 200 dientes en el rotor y giran en pasos de 1,8 grados.
Existen motores híbridos con configuraciones de 0,9°y 3,6°. Dado que
poseen alto torque estático y dinámico y semueven a muy altas velocidades
de pulso, se los utiliza en una amplia variedad de aplicaciones industriales.
Motores pasoa paso de imán permanente:
Los motores paso a paso de imán permanente sedividen a su vez en distintos
tipos, diferenciados por el tipo de bobinado. Existen entonces motores paso
a paso de imán permanente unipolares (también llamados
"unifilares"), bipolares (también llamados "bifilares") y multifase.
Motores pasoa paso unipolares:
Los motores unipolares son relativamente fáciles de controlar, gracias a que
poseen devanados duplicados. Aunquepara facilitar el esquema sedibuja
este devanado como una bobina con punto medio, en realidad tienen dos
bobinas en cada eje del estator, que están unidas por extremos opuestos, de
tal modo que al ser alimentada una u otra, generan cada una un campo
magnético inverso al de la otra. Nuncase energizan juntas: por eso lo
correcto es decir que tienen una doble bobina, en lugar de decir (como se
hace habitualmente) que es una bobina con punto medio. Esta duplicación se
hace para facilitar el diseño del circuito de manejo, ya que permite el uso, en
la parte de potencia, de un transistor único por cada uno de los bobinados.
La secuencia de pulsos de un motor unipolar se puede controlar con un
contador binario de dos bits con un decodificador, como por ejemplo el
integrado CD 4017. La parte de potencia puede ser implementada con un
único transistor en cada bobinado.

8. Motores pasóa paso bipolares:
Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia más
complejos. Pero en la actualidad esto no es problema, ya que estos circuitos
se suelen implementar en un integrado, que soluciona esta complejidad en
un solo componente. Como mucho se deben agregar algunos componentes
de potencia, como transistores y diodos para las contracorrientes, aunque
esto no es necesario en motores pequeños y medianos.
Como no tienen el doble bobinado de los unipolares (recordemos que en
éstos todo el tiempo seestá utilizando sólo una de las bobinas duplicadas,
mientras la otra queda desactivada y sin ninguna utilidad), los motores
bipolares ofrecen una mejor relación entre torque y tamaño/peso.
La configuración de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban
corriente en uno y otro sentido, y no solamente un encendido-apagado como
en los unipolares. Esto hace necesario el uso de un Puente H (un circuito
compuesto por al menos seis transistores) sobrecada uno de los bobinados.
Motores pasoa paso de reluctanciavariable:
Los motores de reluctancia variable son los motores paso a paso más simples
de manejar. Su secuencia selimita a activar cada bobinado en orden, como lo
indica la figura. Es común que estos motores tengan un cable común que une
todas las bobinas. Estos motores, si selos mueven a mano, no tienen la
sensación "dentada" de los otros motores paso a paso, sino que semueven
libres, como los motores de corriente continua.

9.  Servomotores
Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento
controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al
enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en
la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje.
Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones
cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de
control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones.
Ellos también seusan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.
Los Servos son sumamente útiles en robótica. Los motores son pequeños,
tiene internamente una circuiteria de control interna y es sumamente
poderoso para su tamaño. Un servo normal o Standard como el HS-300 de
Hitec tiene 42 onzas por pulgada o mejor 3kg por cm. De torque que es
bastante fuerte para su tamaño. También potencia proporcionalpara cargas
mecánicas. Un servo, por consiguiente, no
consume mucha energía. La circuiteria de
control, el motor, un juego de piñones, y la caja.
También puede ver los 3 alambres de conexión
externa. Uno es para alimentación Vcc (+5volts),
conexión a tierra GND y el alambre blanco es el
alambre de control.
FUNCIONAMIENTO: El motor del servo tiene algunos circuitos de
control y un potenciómetro (una resistencia variable) esta es conectada al eje
central del servo motor. En la figura sepuede observar allado derecho del
circuito. Este potenciómetro permite a la circuiteria de control, supervisar el
ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces
el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto,
el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje
del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en
algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo
normal seusa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180.

10. Control: Los servomotores hacen uso de la modulación por ancho de
pulsos (PWM) para controlar la dirección o posición de los motores de
corriente continua. La mayoría trabaja en la frecuencia de los
cincuenta hertz, así las señales PWM tendrán un periodo de
veinte milisegundos. La electrónica dentro del servomotor responderá al
ancho de la señal modulada. Si los circuitos dentro del servomotor reciben
una señal de entre 0,5 a 1,4 milisegundos, éste se moverá en sentido horario;
entre 1,6 a 2 milisegundos moverá el servomotor en sentido antihorario; 1,5
milisegundos representa un estado neutro para los servomotores estándares
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Motor en sentido horario (ejemplo 0,7 ms):
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Motor neutral (1,5ms):
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Motor en sentido antihorario (ejemplo 1,8ms):
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11.  Formas de programación (Cotas absolutas eincrementales)