INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
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P INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS “Prototipo a escala de estacionamiento automatizado para bicicletas” Trabajo Terminal Que para obtener el título de “Ingeniero en mecatrónica” Presentan: Castro Acosta Thomas Alberto Durán Paredes Héctor Asesores: M. en C. Fonseca Ruíz Leonardo Dr. Martínez Martínez Rafael Dr. Silva Lomelí José de Jesús P II Contenido General Contenido General ................................................................................................. III Índice de Figuras ..................................................................................................... V Resumen ................................................................................................................. X Palabras clave ......................................................................................................... X Abstract .................................................................................................................. XI Keywords................................................................................................................ XI Capítulo I: Generalidades .................................................................................... - 2 1.1. Objetivos ................................................................................................ - 3 1.1.1. Objetivo general............................................................................... - 3 1.1.2. Objetivos particulares ...................................................................... - 3 1.2. Planteamiento del problema ................................................................... - 4 1.3. Justificación............................................................................................ - 5 Capítulo II: Estado del arte .................................................................................. - 6 2.1. Sistema de transporte urbano ECOBICI ................................................ - 6 2.2. Sistema de estacionamiento ECO Cycle................................................ - 7 2.3. Bigloo ..................................................................................................... - 9 2.4. Otros conceptos ................................................................................... - 10 2.4.1. Matriz ............................................................................................. - 11 2.4.2. Carrusel ......................................................................................... - 11 2.4.3. Rueda de la fortuna ....................................................................... - 12 Capítulo III: Descripción del proyecto ................................................................ - 13 3.1 Información sobre el modelo a escala .................................................. - 13 - 3.2 Forma y funcionamiento del estacionamiento ...................................... - 14 - 3.3 Consideraciones para la selección del concepto ................................. - 17 - 3.4 Áreas funcionales ................................................................................. - 17 - 3.5 Diseño de componentes....................................................................... - 20 - 3.5.1 Gripper........................................................................................... - 20 - 3.5.2 Plataforma móvil ............................................................................ - 23 - 3.5.3 Elevador ........................................................................................ - 28 - 3.5.4 Base rotativa .................................................................................. - 37 III 3.5.5 Estructura del estacionamiento...................................................... - 41 - 3.5.6 Automatización del sistema ........................................................... - 42 - 3.5.7 Interfaz de usuario ......................................................................... - 44 - Capítulo IV: Manufactura e implementación del sistema ................................... - 46 4.1 Gripper ................................................................................................. - 46 - 4.2 Plataforma móvil .................................................................................. - 49 - 4.3 Elevador ............................................................................................... - 53 - 4.4 Base rotativa ........................................................................................ - 55 - 4.5 Estructura ............................................................................................. - 57 - 4.6 Interfaz de usuario................................................................................ - 58 - Conclusiones ..................................................................................................... - 62 Glosario ............................................................................................................. - 65 Bibliografía ........................................................................................................ - 68 Anexo A: ............................................................................................................ - 69 Hojas de especificaciones ................................................................................. - 69 Microcontrolador Microchip® PIC16F628A .................................................... - 69 Puente H L293D STMicroelectronics® ......................................................... - 70 C.I. puente H matrícula L298 STMicroelectronics® ...................................... - 72 Micromotores Pololu® ................................................................................... - 73 Motores 37D mm Pololu® .............................................................................. - 74 Impresora 3D MakerBot® Replicator ™ 2 ..................................................... - 75 Sinfín-corona catálogo Martin® ..................................................................... - 76 Tubo cuadrado CUPRUM® ........................................................................... - 77 Ángulo CUPRUM® ........................................................................................ - 78 Canal CUPRUM® .......................................................................................... - 79 Aluminio 6061-T6........................................................................................... - 80 Aluminio 6063-T5........................................................................................... - 81 Acero AISI-SAE 1018 (UNS G10180) ............................................................ - 82 Módulo de comunicación Bluetooth HC-05 .................................................... - 83 Circuito integrado FTDI .................................................................................. - 84 Interruptor Óptico de ranura H21A1/2/3 ......................................................... - 85 Anexo B: Hojas de diseño ................................................................................. - 86 - IV Índice de Figuras Figura 1: Gráfica histórica de la población en la Ciudad de México. ................... - 4 Figura 2: a) Estacionamiento ECOBICI en la calle. ............................................ - 6 Figura 2: b) Estacionamiento ECOBICI en una banqueta. ................................. - 6 Figura 2: c) Estacionamiento ECOBICI en una calle peatonal. .......................... - 6 Figura 3: Diseño de bicicleta ECOBICI. .............................................................. - 7 Figura 4: Chip identificador de bicicleta en el sistema ECO Cycle. ..................... - 8 Figura 5: Sistema de estacionamiento en Japón de forma cilíndrica. (las medidas están dadas en metros). ...................................................................................... - 8 Figura 6: Estacionamiento Bigloo, que comprende una estructura circular, en donde al rotar se ubica una vacante en la entrada que tiene acceso el usuario. ......... - 10 Figura 7: Interfaz RFID del Bigloo. .................................................................... - 10 Figura 8: Estructura de forma de un arreglo de filas y columnas semejante al de una matriz. ............................................................................................................... - 11 Figura 9: Colocación de las bicicletas en el concepto de carrusel. ................... - 11 Figura 10: Concepto de rueda de la fortuna. ..................................................... - 12 Figura 11: Medidas (metros) de una bicicleta escala 1:1 de rodada 28. ........... - 13 Figura 12: Fotografía del modelo de bicicleta a escala. .................................... - 14 Figura 13: Vista isométrica del estacionamiento automatizado de bicicletas. No se muestra el tercer piso con fin de apreciar de mejor forma la distribución del estacionamiento. ............................................................................................... - 15 Figura 14 Bosquejo del funcionamiento gral.del estacionamiento de bicicletas.- 16 Figura 15: Diagrama general de las áreas funcionales del estacionamiento. ... - 17 Figura 16: Esquema de áreas funcionales. Los elementos en naranja indican subsistemas y los elementos en magenta señalan dispositivos. ....................... - 18 Figura 17: Gripper del sistema de estacionamiento. ......................................... - 20 Figura 18: Movimiento de las mordazas del gripper. ........................................ - 21 Figura 19: Se muestran las piezas con la malla hecha por el software SolidWorks® con su estudio de movimiento. La calidad de la malla es alta, con elementos con un tamaño de 1.512 mm que suman un total de 17,147. ....................................... - 21 Figura 20: Análisis de tensiones de Von-Mises. ................................................ - 22 Figura 21: Análisis de desplazamiento URES. .................................................. - 22 Figura 22: Esquema de la plataforma móvil. ..................................................... - 23 Figura 23: Mecanismo de mov. para un inyector de tinta en una impresora. .... - 24 Figura 24: Movimiento de longitudinal del gripper. ............................................ - 24 Figura 25: Malla generada para el análisis de elemento finito en la plataforma. Tiene 18,223 elementos de 3.25 mm de tamaño. ....................................................... - 25 Figura 26: Análisis de elemento finito, esfuerzos Von-Mises. ........................... - 26 Figura 27: Análisis de elemento finito, desplazamientos. .................................. - 27 Figura 28 Diagrama eléctrico diseñado para implementar el sensor HC21A .... - 28 V Figura 29: Esquema de elementos en el elevador. ........................................... - 29 Figura 30: Cabrestante del elevador. ................................................................ - 30 Figura 31: Poleas para carga (Machine-history.com, 2014) .............................. - 30 Figura 32: Armazón que compone el elevador. ................................................. - 31 Figura 33: Malla formada en el techo del elevador (20,908 elementos triangulares) con un tamaño de 2.52mm, teniendo así una calidad alta de mallado. ............. - 33 Figura 34: Esfuerzo de Von-Mises propio de la pieza, muy alejado al esfuerzo de fluencia. ............................................................................................................. - 33 Figura 35: Deformación sufrida por el techo en el estudio estático. .................. - 34 Figura 36: Malla de la base del polipasto con 19,443 elementos triangulares, de 0.867 mm de lado.............................................................................................. - 34 Figura 37: Análisis de esfuerzos con Von-Mises. .............................................. - 35 Figura 38: Análisis de desplazamiento. ............................................................. - 35 Figura 39 a) Diagrama de conexión para el limit switch…………………………. - 36 Figura 39 b) Fotografía de un limit switch. ……………………………………….. - 33 Figura 40 Diagrama de conexión para el Microcontrolador 1. ........................... - 37 Figura 41: Esquema de elementos de la base rotativa. .................................... - 38 Figura 42: Rodamiento cónico de rodillos. ........................................................ - 41 Figura 43: Elementos en la estructura del estacionamiento de bicicletas. ........ - 42 Figura 44 Arquitectura general del estacionamiento. ........................................ - 43 Figura 45 Circuito eléctrico para el Microcontrolador 2. .................................... - 43 Figura 46 Esquema que representa como se conecta el puente H L293D. ..... - 44 Figura 47: Primera versión de la interfaz de usuario del estacionamiento. ....... - 45 Figura 48: Vista frontal del ensamble del gripper completo. .............................. - 46 Figura 49: Mordazas manufacturadas para el gripper. ...................................... - 47 Figura 50: Flexión durante el proceso de torneado. .......................................... - 47 Figura 51: Vista que muestra el buje que une a la flecha y el eje que esta acoplado al engrane. ........................................................................................................ - 48 Figura 52: Pruebas de soldadura en aluminio (placas). .................................... - 49 Figura 53: Pruebas de unión en aluminio (elementos más gruesos). ................ - 49 Figura 54: Primeros ensambles del armazón con la plataforma móvil. ............. - 49 Figura 55 Captura de pantalla de simulación del maquinado para la plataforma en el software de MasterCAM®. ............................................................................ - 50 Figura 56: Vista frontal de la plataforma móvil ensamblada .............................. - 50 Figura 57: a) Medición de peso de la bicicleta a escala.. .................................. - 51 Figura 57 b) Medición de peso de la bicicleta con la plataforma y gripper. …....- 48 Figura 57 c) Medición del peso con el armazón, plataforma, gripper y bicicleta...-48Figura 58: a) Diseño del circuito impreso a doble cara en el software de diseño EAGLE. ............................................................................................................. - 52 Figura 58 b) Circuitos integrados puestos en la placa……………………………- 49 Figura 58 c) Placa montada en la base del gripper. ……………………………...- 49 Figura 59: a) Circuito impreso diseñado.. .......................................................... - 52 VI Figura 59 b) PCV finalizado, con el sensor "tipo herradura" montado…………..- 49 Figura 59 c) Implementación de circuitos en el extremo de la plataforma.. - 49 Figura 60: Subsistema del elevador, compuesto por el armazón que sostiene a la plataforma, las guías, el motor y el polipasto………………………………………- 53 Figura 61 a) Vista isométrica del armazón para el elevador……………………..- 54 Figura 61 b) Rodamientos utilizados para las guías. ……………………………..- 51Figura 62: Detalle de las poleas presentes en el mecanismo de polipasto. ...... - 54 Figura 63: Sensor óptico del segundo nivel del elevador. ................................. - 55 Figura 64: Transmisión sinfín-corona. ............................................................... - 55 Figura 65: Diagrama de control propuesto. ....................................................... - 56 Figura 66: Se observan los pulsos cuadrados que brinda el sensor, con un desfase de 90⁰ ................................................................................................................ - 56 Figura 67: Localidades distribuidas alrededor del elevador. ............................. - 57 Figura 68: Remache atorado durante el proceso de unión. 69: Mediciones en las localidades cortadas. ......................................................................................... - 58 Figura 70: Trazos guía para las localidades……………………………………….- 55 Figura 71: Proceso de remachado en la estructura. .......................................... - 58 Figura 72: Puesta a prueba del envío de datos con la GUI. .............................. - 59 Figura 73: Ambiente de desarrollo del MatLab® para el diseño de una GUI. ... - 60 Figura 74: Primera versión de la interfaz en ejecución. ..................................... - 60 Figura 75: Placa de circuito impreso con el encapsulado FTDI......................... - 61 Figura 76: a) Diseño del PCB para el MCU 1.. .................................................. - 61 Figura 76 b) Placa realizada con el método de fotograbado……………………..- 61 Figura 76 c) Circuito implementado……………………………………..................- 61 - VII Agradecimientos de Thomas Castro Al pueblo de México: Cuya contribución hace posible la existencia de las escuelas públicas, forjando el futuro de nuestro país. Al Instituto Politécnico Nacional: Por darme las herramientas, habilidades y valores para formar una carrera, y en cuya comunidad encontré mi lugar. A mi madre: Que siempre está ahí para apoyarme y verme feliz. A mi padre: Quien a pesar de la distancia, incansablemente me da soporte para progresar. A mis hermanos Adán y Aarón: Con quienes crecí y dejaron en mí parte de su visión del mundo. A mis abuelos Guadalupe y Rafael: Cuya confianza en mí dio pie para el inicio de esta carrera. A mi familia: Quienes no escatimaron en darme apoyo y aliento para que esta culminación fuera posible, de diversas formas y cantidades. A Ricardo y a la familia Alexander Hidalgo: Mi segunda familia, cuyos miembros siempre me dieron la bienvenida y son parte de mis logros. A mis profesores: Por mostrarme el camino del conocimiento, dejando una parte de ellos en mi mente para toda la vida. A mis asesores de proyecto: Su respaldo nos mantuvo en pie durante este trabajo, gracias por la oportunidad de ser parte del mismo equipo. A mi compañero y amigo Héctor Durán: Por mantener la motivación y determinación en el transcurso de este proyecto, eres un ejemplo a seguir. VIII Agradecimientos de Héctor Durán Estos 5 años que tuve la grandiosa oportunidad de pertenecer al Instituto Politécnico Nacional, crecí y me desarrollé en todos los aspectos de mi vida. Estos cambios crearon al ingeniero mecatrónico íntegro que soy: una persona rodeada por gente que quiere y un ciudadano orgulloso y comprometido por la gran nación a la que pertenece. Agradezco a todas las personas que integran la comunidad de UPIITA y que tuve el placer de compartir momentos durante este tiempo: alumnos, profesores y personal técnico, de limpieza y de mantenimiento. El trabajar día y noche, de lunes a domingo con todos ellos ayudó a la culminación de un gran proyecto de titulación. De por vida estaré en deuda con esta gran institución, mi alma máter, mi casa en la que nací como ingeniero. Dedicó el presente trabajo a mis abuelos Rolando y Coco. Gracias por todo el apoyo, por todo lo que me han enseñado directa e indirectamente. Lo logramos. “Now this is not the end. It is not even the beginning of the end. But it is, perhaps, the end of the beginning.” —Winston Churchill— IX Resumen “Prototipo a escala de estacionamiento automatizado para bicicletas” El objetivo de este trabajo terminal es realizar el diseño mecatrónico de un estacionamiento automatizado para bicicletas a escala 1:10, así como adquirir, manufacturar y ensamblar las diferentes piezas que lo componen, resolviendo la tarea de estacionar una bicicleta al presentarla en la entrada del estacionamiento. En la primera parte se documenta la investigación desarrollada con base en el estado del arte de estacionamientos de bicicletas. Se continúa con el planteamiento de problema, definición de objetivos y justificación en donde se delimitan los alcances del proyecto y demuestran las razones por las cuales se decide llevarlo a cabo. Después se muestra la metodología de diseño mecatrónico por áreas funcionales, caracterizando el estacionamiento para el desarrollo del proceso que comprende el estacionar una bicicleta. Se hace la selección de elementos a utilizar, con base en fundamentos teóricos que comprenden cálculos y simulaciones con herramientas CAD y CAE. Además, se muestra el proceso de manufactura y ensamble que tuvo el estacionamiento para presentarlo físicamente. Por último se hace una retroalimentación sobre los resultados a los que se llegó, analizando las pruebas hechas y contemplando los aspectos que pueden ser corregidos o mejorados, definiendo el posible trabajo futuro con el diseño del estacionamiento. Palabras clave Bicicleta, estacionamiento, prototipo. X Abstract The fundamental goal of this final project is to develop a mechatronic design of an automated parking system for bicycles scale 1:10, as well as acquire, manufacture and assemble the different component parts, giving a solution to the problem of parking a bicycle by just placing it at the entrance of the system. In the first part of this report, the developed documentation is shown referred to the state of art in bicycle parking systems. Next it continues with the approach of the problem, the setting of the general and particular purpose and the justification where the authors establish the limits and goals of the project, and to demonstrate their motivations and reasons for doing it. After this, the methodology of mechatronic design by functional areas is exposed, showing the different stages that are necessarily for parking a bicycle in an automatized system. The selection of the different elements to be use is done making each decision based in calculus and simulations using tools as CAD and CAE. Moreover, it is shown the evidence of the manufacture and assembly process which was done. At the end, conclusions are presented in relation with the results given, perceiving the characteristics of the project, analyzing which can be eliminated or improved. Defining with this the possible future work of the parking system. Keywords Bicycle, parking system, prototype. XI Capítulo I: Generalidades El trabajo presentado contiene el diseño de un sistema automatizado de estacionamiento para bicicletas, desde las investigaciones previas en proyectos construidos hasta dibujos, simulaciones, manufactura y puesta a prueba de los elementos que componen la nueva solución. De diversos conceptos para estacionar bicicletas, el presente procura abarcar espacio de suelo mínimo con un máximo de bicicletas en alojamiento. También son tomados en cuenta criterios de diseño con elementos de manufactura con una complejidad relativamente baja, un mínimo de ensambles entre los componentes y materiales aptos para cada pieza. El proyecto se realiza con una escala 1:10, con base en una bicicleta comercial de pista a escala que respeta las dimensiones de una rodada 28. Los motivos para hacer el modelo a escala y no en tamaño real son los siguientes: Costo de realización: Los elementos y materiales que componen el proyecto en tamaño real tienen un presupuesto que excede el poder adquisitivo de los realizadores de este trabajo, y no hay patrocinadores externos. Espacio de trabajo: Para llevar a cabo la manufactura del proyecto en escala 1:1 se necesita la disponibilidad de un espacio de trabajo que pueda cubrir las dimensiones del estacionamiento. En el modelo a escala la problemática se reduce, además de los costos de transportación y construcción se ven reducidos. Mano de obra: Dado que la meta de realización del Trabajo Terminal es de un año, los integrantes del equipo por sí solos no podrían alcanzar a cubrir en tiempo y forma el proyecto, sin mencionar las maniobras que implican los ensambles requeridos. Grado de validez: Los modelos estructurales han sido usados por varios años como auxiliares en los conceptos estructurales de mecánica, en investigación y desarrollo, y como diseño directo para darse cuenta del desempeño de las estructuras o partes estructurales (Harris, 1980). -2- 1.1. Objetivos 1.1.1. Objetivo general Diseñar y ensamblar el prototipo a escala de un sistema mecatrónico de estacionamiento para organizar y gestionar las bicicletas que un usuario deposite. 1.1.2. Objetivos particulares Para Trabajo Terminal I Diseñar estructura mecánica en donde se almacenan las bicicletas. Diseñar dispositivo de transporte para las bicicletas. Diseñar circuito de potencia para la alimentación del actuador de transporte de bicicletas. Diseñar interfaz para realizar la interacción con el usuario del sistema. Para Trabajo Terminal II Manufacturar y ensamblar la estructura para el soporte de bicicletas. Manufacturar y ensamblar dispositivo de transporte de bicicletas. Implementar el dispositivo de transporte con la estructura para el soporte de bicicletas. Implementar un controlador, circuitos eléctricos e interfaz. Realizar pruebas de funcionamiento y ajustes para validar el funcionamiento del estacionamiento de bicicletas. -3- 1.2. Planteamiento del problema La existencia de los estacionamientos de vehículos en el mundo reside en la necesidad de espacio para un conjunto de vehículos que concurren en un lugar determinado. Como se muestra en la Figura 1, el volumen creciente de población en la Ciudad de México, así como el de automóviles que hay en las ciudades en general, tiene como consecuencia la necesidad de crear espacios correspondientes al número de vehículos existentes (INEGI, 2012). Figura 1: Gráfica histórica de la población en la Ciudad de México. El Gobierno de la Ciudad de México ha implementado soluciones para disminuir el conflicto de tráfico, creando redes de transporte público masivo como el STC Metro y el Metrobús entre algunos otros (Gobierno del Distrito Federal, 2013), (Sistema de Corredores deTransporte Público de Pasajeros del D.F., Metrobús, 2013). Dado que el transporte público no es la única opción para desplazarse por la Ciudad, las personas también optan por hacer uso de la bicicleta para moverse a distancias que no les tomen mucho tiempo (Pucher & Buehler, 2012). Sumado a esto el gobierno del D.F. creo el proyecto de “ECOBICI” que se describirá más adelante (Sistema de Transporte Individual ECOBICI, 2013). Es así como de las bicicletas, surge la necesidad de un espacio para éstas, y por la problemática de espacio ya mencionada, también es menester aprovechar el área con la que se cuenta para construir un estacionamiento. -4- 1.3. Justificación El propósito de la realización del proyecto es automatizar la tarea de estacionar bicicletas, aprovechando el uso de suelo, organizando el almacenamiento de estos vehículos, y que con el desarrollo del proyecto se impulse el uso de las bicicletas con todas las ventajas que esto conlleva. Una necesidad para evitar los gases de efecto invernadero es el uso de la bicicleta a nivel masivo, ya que este vehículo no consume combustibles y ayuda a mantener una buena salud en la sociedad. Consecuencia de lo mencionado es la apertura de varios programas incentivos, como Ecobici, bicitaxi, paseos dominicales y nocturnos en bicicleta, etc. La necesidad de estacionamiento se encuentra en lugares de alta concurrencia, como centros comerciales, plazas, escuelas, oficinas, por mencionar algunos. Asimismo, al asignar un lugar específico para el estacionamiento de bicicletas se reducen las posibilidades de delincuencia sobre éstas, a comparación de estacionarlas en lugares expuestos como postes de alumbrado público, casetas telefónicas, etc. Como también, los espacios específicos ayudan a evitar la invasión de lugares para vehículos de emergencia, rampas para personas discapacitadas y obstrucción del tránsito peatonal. La inversión en infraestructura para bicicletas invita a la población a hacer uso de ésta, incentivando la actividad física, reducir la emisión de gases contaminantes, disminuir el tráfico vehicular (Pucher & Buehler, 2012). En el aspecto económico la bicicleta no genera el pago de impuestos (tenencia, verificación vehicular, etc.) ni el consumo de combustibles, además, su adquisición y mantenimiento es menor a la de un vehículo motorizado. Por último la motivación por parte de los autores es que el desarrollo de tecnología en México adquiera la independencia gradual respecto a los países líderes internacionales, relacionado esto con los fundamentos en que esta cimentado el Instituto Politécnico Nacional. -5- Capítulo II: Estado del arte Se presentan trabajos previos realizados en diversas ciudades del mundo, recabando información que describe las características de formas de identificación de usuario, espacio disponible, ubicación, número de bicicletas, distribución de vacantes, estructura, entre otras; cuya función es servir de soporte teórico para desarrollar el proyecto. 2.1. Sistema de transporte urbano ECOBICI ECOBICI es un programa del gobierno del Distrito Federal que inició en 2009 en zonas residenciales de la Ciudad de México. El aumento de usuarios año con año ha provocado el crecimiento de estaciones, logrando abarcar mayor número de colonias en la Ciudad. (Sistema de Transporte Individual ECOBICI, 2013) La red de bicicletas ECOBICI es de interés e importancia para el proyecto en relación al sistema de identificación del usuario, así como también las características que se pueden observar en cuestión de diseño de las estaciones de bicicletas. El usuario paga una anualidad y así se le otorga una membresía. Se le entrega una tarjeta RFID con la cual es posible su identificación en un lector ubicado en cualquiera de las estaciones de bicicletas como se muestra en la Figura 2 incisos a, b y c (Sistema de Transporte Individual ECOBICI, 2013). Figura 2: a) Estacionamiento ECOBICI en la calle. b) Estacionamiento ECOBICI en una banqueta. c) Estacionamiento ECOBICI en una calle peatonal. -6- En la Figura 2 incisos a, b y c se muestran aparcamientos del sistema ECOBICI, tanto en el Centro Histórico de la Ciudad de México como en la zona residencial de Polanco. Las bicicletas ocupan espacio en banquetas o en tramos del pavimento. Las estaciones contienen de 15 a 30 localidades para bicicletas acomodadas en forma paralela una respecto a otra, ancladas a una barra con un seguro magnético. El número varía según el espacio que se tiene para dar cabida a bicicletas. Entre una bicicleta y otra se tiene un espacio alrededor de 80 cm, que facilita la manipulación de la bicicleta para su uso. En ECOBICI se tiene un mismo diseño de bicicleta como el que se muestra en la Figura 3, implicando que el usuario no requiere de una bicicleta en específico. Figura 3: Diseño de bicicleta ECOBICI. 2.2. Sistema de estacionamiento ECO Cycle ECO Cycle es un estacionamiento automatizado subterráneo de bicicletas implementado en Shinagawa, Japón, por la compañía Giken; encargada del desarrollo de construcciones amigables con el ambiente, manufactura y venta de máquinas industriales. (Giken Seisakusho Co., Ltd., 2013). El sistema consiste en una estación que cuenta con una interfaz de usuario, donde el ciclista debe identificarse y posteriormente depositar su bicicleta en un riel de admisión. Un actuador lleva la bicicleta por el riel y ésta ingresa a la estación. Una vez dentro, un elevador la lleva a una localidad vacía y ahí queda almacenada hasta que el usuario la solicite de nuevo. Las bicicletas deben tener un chip de identificación para que puedan ingresar al estacionamiento (Figura 4). -7- Chip identificador Figura 4: Chip identificador de bicicleta en el sistema ECO Cycle. En la Figura 5 se aprecia que dimensionalmente el estacionamiento tiene forma cilíndrica, llega hasta los 11.5 m aproximadamente de profundidad, con un diámetro de 8 m. El arreglo de localidades permite un cupo para 204 bicicletas y el tiempo promedio en la entrega de una bicicleta es de 13 seg (a partir de que la puerta de admisión se abre) (Giken Seisakusho Co., Ltd., 2013). Figura 5: Sistema de estacionamiento en Japón de forma cilíndrica (medidas están dadas en metros). -8- Adicionalmente el estacionamiento admite diversos tipos de bicicletas que cumplan con cierto rango de especificaciones, como una longitud de 1.4 m a 1.9 m, anchura de 0.65 m, un peso máximo de 30 Kg y una rodada de 18 in a 24 in. (Giken Seisakusho Co., Ltd., 2013). El sistema muestra varias ventajas, entre ellas está el aprovechamiento de espacio, que al ser subterráneo y tener un arreglo octagonal la densidad de bicicletas acomodadas es grande; admite diversos tipos de bicicletas; el tiempo de espera para la operación es significativamente menor comparado con un estacionamiento manual y aísla a las bicicletas del entorno, protegiéndolas de la delincuencia y la intemperie. Entre las posibles desventajas está el tiempo de fabricación y el costo de ésta, además, se requiere encontrar un espacio disponible, y concurrido por los ciclistas para que se haga uso de éste. 2.3. Bigloo Para utilizar el sistema, ya sea para depositar o retirar la bicicleta, se utilizan tarjetas RFID donde se tiene grabada la información sobre el usuario, permisos y restricciones. (Bigloo, 2014). En la Figura 6 se observa la interfaz con el usuario, teniendo diferentes pantallas, un teclado y el lector de la tarjeta RFID. El Bigloo es un concepto desarrollado en España, para almacenar 24 bicicletas en una estructura. El estacionamiento tiene una forma circular de 7 m de diámetro y 1.80 m de alto como se observa en la Figura 7 A). Cuenta con un actuador en el centro de la estructura que hace rotar las localidades que se encuentran a su alrededor, terminando su movimiento cuando la vacante se encuentre alineada a la entrada del sistema (Bigloo, 2014). El estacionamiento permite estacionar bicicletas de hasta 1,20 m de altura y ancho determinado por la longitud del manubrio, aproximadamente 80 cm. Algo distinto en comparación a los demás sistemas vistos, (apreciando la Figura 7 b), es que además de la bicicleta, el usuario puede depositar los accesorios, como pueden ser casco, mochila, bolsas, y demás en el módulo (Bigloo, 2014). -9- Figura 6: Interfaz RFID del Bigloo. a) b) Figura 7: Estacionamiento Bigloo, que comprende una estructura circular, en donde al rotar se ubica una vacante en la entrada que tiene acceso el usuario. 2.4. Otros conceptos A continuación se muestran otras ideas que sirvieron para el desarrollo de diseños conceptuales. El nombre con el que se presentan están dados por los autores de esta tesis, describiendo la característica principal en el arreglo de su estructura, o en qué principio de están basados. Cabe mencionar que los siguientes sistemas son presentados para su uso con automóviles (matriz, elevador), el concepto aplicado en un sistema que traslada ropa colgada (carrusel) y el de una atracción en un parque de diversiones para bicicletas (rueda de la fortuna), pero su aplicación hacia las bicicletas es clara. - 10 - 2.4.1. Matriz En este concepto los vehículos son alojados en una especie de estante en forma de matriz, como se aprecia en la Figura 8. Un elevador capaz de desplazarse por las filas y columnas de la matriz coloca los vehículos en su lugar. Figura 6: Estructura de forma de un arreglo de filas y columnas semejante al de una matriz. 2.4.2. Carrusel Aquí las bicicletas están colgadas por el rin delantero en ganchos. Los ganchos contenedores de las bicicletas se desplazan en una trayectoria dada por un riel, similarmente a los sistemas implementados en las tintorerías (Figura 9). Figura 7: Colocación de las bicicletas en el concepto de carrusel. - 11 - 2.4.3. Rueda de la fortuna En este concepto las bicicletas se colocan en plataformas movibles, distribuidas como los asientos en el juego mecánico de la rueda de la fortuna. Un usuario puede depositar su bicicleta cuando la plataforma esté al nivel del piso (Figura 10). Figura 8: Concepto de rueda de la fortuna. - 12 - Capítulo III: Descripción del proyecto 3.1 Información sobre el modelo a escala La realización de este proyecto se tratará a una escala 1:10, basándose en el tamaño de una bicicleta comercial. Las dimensiones de una bicicleta de rodada 28 promedio se muestran en la Figura 11, información obtenida del Manual de Aparcamientos de bicicletas. El modelo a escala asequible para los autores es de marca RACING BIKE que respeta las dimensiones de una bicicleta de carrera rodada 28 y se observa en la Figura 12. Figura 9: Medidas (en metros) de una bicicleta escala 1:1 de carrera de rodada 28. - 13 - Figura 10: Fotografía del modelo de bicicleta a escala. El modelo a escala respetará el aspecto de un estacionamiento de bicicletas en tamaño real, sin embargo, las cargas y esfuerzos presentes varían sin el factor de escalamiento, debido a las características inherentes de los materiales, como el momento de inercia. Si bien los modelos mecánicos a escala pueden reproducir el comportamiento de una estructura obedeciendo ciertas leyes, no todas las propiedades mecánicas pueden representarse fielmente1. Es por éste y otros motivos (como cambios en los valores de alimentación en los circuitos eléctricos de un modelo real a un modelo a escala, condiciones ambientales, condiciones de operación, entre otros) que los fines del proyecto actual van en relación al funcionamiento y desempeño del proceso de automatizar las acciones de depósito y entrega de bicicletas. 3.2 Forma y funcionamiento del estacionamiento El estacionamiento que se muestra en la Figura 13, es una vista de corte del estacionamiento de tres pisos con forma octagonal —viéndolo desde arriba—, y tiene localidades en cada uno de estos niveles. Al centro del edificio se encuentra un elevador, que va desde la parte más baja hasta la más alta del estacionamiento, y es capaz de girar sobre su propio eje 360⁰. 1 Para más información, consulte Full-Scale Load Testing of Structures, ASTM International. - 14 - Figura 11: Vista isométrica del estacionamiento automatizado de bicicletas. No se muestra el tercer piso con fin de apreciar de mejor forma la distribución del estacionamiento. El siguiente diagrama de flujo representa la mecánica del sistema para estacionar una bicicleta (Figura 14): - 15 - Figura 12 Bosquejo del funcionamiento general del estacionamiento de bicicletas. - 16 - 3.3 Consideraciones para la selección del concepto La selección de este concepto fue decidida debido a diversos aspectos, entre los más importantes se encuentra la distribución de espacio para las localidades, ya que este concepto aprovecha espacio vertical, y tiene una relativa simplicidad de uso con el usuario, ya que únicamente debe depositarse la bicicleta a la entrada del estacionamiento, sin necesidad de hacer maniobras laboriosas. Es un concepto que puede alojar a más de un tipo de bicicleta y posee un grado de seguridad y estética, además de proteger a los vehículos alojados contra la intemperie. 3.4 Áreas funcionales A continuación se presenta el esquema en áreas funcionales del proyecto, divididas en sistemas, subsistemas y dispositivos mecatrónicos que lo conforman, con el fin de ilustrar las acciones que tomará el sistema y los elementos incluidos para realizarlas. 1.- Entregar/recibir bicicleta: El usuario entrega o recibe la bicicleta en la bahía de admisión. *Transportar bicicleta a localidad: El mecanismo de transporte mueve la bicicleta desde la admisión del sistema a una localidad para estacionarla en caso de que el usuario entrega o viceversa, si el usuario recibe la bicicleta. 2.- Almacenar bicicleta: La bicicleta se queda en una localidad, está ahí hasta que el usuario solicite. Figura 13: Diagrama general de las áreas funcionales del estacionamiento. - 17 - Se desglosa cada área funcional para discernir los diferentes elementos que componen el proyecto, siendo éstos sistemas, subsistemas y dispositivos mecatrónicos. Figura 14: Esquema de áreas funcionales. Los elementos en naranja indican subsistemas y los elementos en magenta señalan dispositivos. Interfaz: Es el subsistema que se encarga de la interacción entre el usuario y el sistema. Es aquí donde el usuario puede solicitar estacionarse o reclamar una bicicleta que estaba previamente estacionada, además de hacer otras operaciones como consultar el número de vacantes o solicitar orientación para el uso del estacionamiento. Controladores dedicados: Para llevar a cabo las operaciones lógicas en un circuito electrónico digital, se planea la utilización de controladores para cada área funcional que gestionen las acciones de cada elemento. Admisión/Entrega: Este subsistema abarca el área donde el usuario debe depositar o recoger su vehículo, ahí se alberga la interfaz. El lugar debe proporcionar aislamiento para que una persona no pueda ingresar al estacionamiento pudiendo lastimarse o provocar un accidente con las máquinas. Sensores: Con el fin de retroalimentar las acciones que necesiten llevarse a cabo, diversos sensores de presencia se encontrarán en el estacionamiento. - 18 - Elevador: Este subsistema es el conjunto de elementos encargados de elevar la plata-forma que contiene la bicicleta a estacionar o devolver. Está compuesto por poleas, cables, engranes, ejes, elementos estructurales, etc. Base rotativa: Se refiere a la plataforma que contiene a la bicicleta a transportar. Compuesta por los mecanismos que permitan el giro a 360⁰. Efector: Para realizar la sujeción de la bicicleta al tomarla de la admisión y llevarla a la localidad de estacionamiento se propone un gripper que abrace la tijera2 de la llanta delantera de la bicicleta y un mecanismo que pueda trasladar la bicicleta, tanto al centro de la plataforma como al fondo de una localidad en el estacionamiento. 2 Términos como tijera están definidos en la sección de glosario, en el Capítulo VI - 19 - 3.5 Diseño de componentes A continuación se desglosa el diseño en los principales subsistemas, que integran el estacionamiento. 3.5.1 Gripper El primer subsistema a desarrollar es el gripper, Figura 17, cuyo propósito es sujetar a la bicicleta para colocarla en una localidad o en la bahía de entrada/salida del estacionamiento. Figura 15: Gripper del sistema de estacionamiento. Existen dos actuadores que son micromotores eléctricos, uno de éstos sirve para efectuar la acción de apretar la tijera de la bicicleta por medio de las mordazas y el otro de desplazar el gripper a lo largo de la plataforma. La flecha del primer micromotor está acoplada un engrane y a una mordaza. Se realiza la transmisión de movimiento a un segundo engrane que también tiene un eje de acero que lo cruza y también sostiene una mordaza. Con esto se logra el movimiento que se ilustra en la Figura 18, de manera que se abre o cierra el gripper. - 20 - 1 2 Figura 16: Movimiento de las mordazas del gripper. Debido a que la sujeción de la bicicleta es por la tijera delantera, las mordazas están provistas de paletas con caucho para amortiguar el contacto con la bicicleta, y evitar el derrape y maltrato. Además que este material tiene mayor coeficiente de fricción, haciendo que la tijera de la bicicleta no se deslice. Para validar la resistencia mecánica de las mordazas se hace uso del software SolidWorks® 2014 y su herramienta de análisis por elemento finito (FEM, por sus siglas en inglés). El primer paso es realizar la malla, de calidad alta con elementos de forma triangular, como se muestra en la Figura 19. Figura 17: Se muestran las piezas con la malla hecha por el software SolidWorks® con su estudio de movimiento. La calidad de la malla es alta, con elementos con un tamaño de 1.512 mm que suman un total de 17,147. - 21 - Las cargas a las que se someten las mordazas están ubicadas en las paletas, con un valor de 5 N, que es 1.5 veces al valor promedio estimado. Las sujeciones para el análisis se encuentran ubicadas en los extremos opuestos a las paletas, donde van ensambladas las mordazas con los ejes del engranaje. El material es aluminio 1100. Los resultados mostrados en la Figura 20 son los esfuerzos Von-Mises y la deformación el milímetros en la Figura 21. Figura 18: Análisis de tensiones de Von-Mises. Figura 19: Análisis de desplazamiento URES3. 3 Consultar el glosario. - 22 - Los ensambles en el subsistema son diferentes de acuerdo a permanencia que tendrán. En las partes donde se necesita una fijación temporal, pero firme, se utilizan tornillos metálicos, como en las paletas, mordazas o cajas de rodamientos. En aquellos ensambles en donde la unión es permanente se utiliza soldadura, pero debido a las dificultades en la manufactura en su escala se plantea usar adhesivo epoxy, que es una resina capaz de pegar varios materiales permanentemente, incluyendo al aluminio; en los bloques de soporte del gripper se usa este tipo de unión. Los análisis de las Figura 20 y la Figura 21 muestran que las piezas planteadas soportarán las cargas, ya que en el caso del esfuerzo equivalente de Von-Mises los valores no alcanzan 24.2% del esfuerzo de fluencia, donde el valor máximo está presente en los orificios del elemento mecánico. Las deformaciones más grandes están ubicadas en las paletas, pero se consideran despreciables. 3.5.2 Plataforma móvil El mecanismo encargado de transportar a la bicicleta del área de recepción a una localidad del estacionamiento, además del gripper, es el compuesto de una plataforma móvil y un elevador. La plataforma móvil cumple la tarea de desplazar linealmente el gripper por ambos sentidos a lo largo de ésta. Para lograrlo, una transmisión de engrane-cadena está presente. La transmisión de movimiento funciona con los elementos que aparecen en la Figura 22, éstos son dos engranes y una cadena. Figura 20: Esquema de la plataforma móvil. La idea de la transmisión presentada se encuentra comúnmente en impresoras para computadora. En el caso de éstas un inyector de tinta está acoplado a una - 23 - banda de caucho, y cuando la banda está en movimiento también lo está el inyector, como se ilustra en la Figura 23. Figura 21: Mecanismo de movimiento para un inyector de tinta en una impresora. Para mantener definida la trayectoria del gripper, un par de rieles cilíndricos y paralelos se mantienen longitudinalmente en la plataforma, acoplándose con la base del gripper (Figura 24). En los extremos de la plataforma se encuentran sensores que indican a un microcontrolador el final de carrera del gripper. 1 2 Figura 22: Movimiento de longitudinal del gripper. El elemento actuador es un micromotor con una multiplicación en su caja de engranes de 100:1 con un par de torsión pico de 12 oz∙in (unos 0.864 kg∙cm). En su - 24 - eje se coloca un engrane con ángulo de presión de 20°, 12 dientes y 5 mm de espesor. La cadena propuesta es parte de un juego de construcción alemán marca FischerTechnik®, cuyo material es plástico ABS. En el otro extremo se encuentra un engrane con las mismas características, solo que en vez de ser atravesado por la flecha del motor, tiene una maza con espesor de 5.1 mm que se apoya en un rodamiento de bolas de diámetro externo 11 mm y un diámetro interno de 5 mm. Cabe mencionar que para la plataforma se contemplaba usar un bloque sólido de aluminio, pero se observó que la masa de la pieza en el software CAD era considerablemente mayor respecto a las demás piezas que la conforman, por lo que se propuso hacer dos ranuras paralelas a la canaleta con un cortador vertical de 3/8’’. Se realizaron análisis de esfuerzo y desplazamiento con el asistente de FEM de SolidWorks® con las cargas a las que se iba a someter originalmente la pieza antes de la remoción de material. Como primer paso se realizó una malla de alta calidad con elementos triangulares, donde las condiciones de frontera son cuatro vectores fuerza ubicados en las esquinas de la plataforma, con una magnitud de 2 N y un vector fuerza en el canal de 3 N. En la Figura 25 se aprecian de color morado. Por el otro lado de la plataforma, se restringe la pieza con una condición sin movimiento, que presenta un color verde. Figura 23: Malla generada para el análisis de elemento finito en la plataforma. Tiene 18,223 elementos de 3.25 mm de tamaño. - 25 - Se procede a hacer el estudio con la teoría de esfuerzos de Von-Mises y de desplazamiento que se muestran en las Figuras 26 y 27. Con la teoría de esfuerzos combinados se presenta un máximo de 1.363 MPa en la zona más crítica. Comparado con el esfuerzo de falla propio del material, que es de 50 MPa, se considera aprobada la remoción del material. Figura 24: Análisis de elemento finito, esfuerzos Von-Mises. El segundo análisis presenta una deformación máxima de 8.35 x10-3 mm, siendo éste un valor despreciable para que la pieza realice su función, por lo que se aprueba este criterio y se decide manufacturar la pieza con las características realizadas. - 26 - Figura 25: Análisis de elemento finito, desplazamientos. Se utiliza un circuito integrado para invertir el giro del motor del gripper. Con el mismo elemento se realiza la misma tarea, para el motor de la plataforma. Se agregan dos sensores H21A4, se sirven para indicar cuando terminó el recorrido para adelante o para atrás de la plataforma móvil, y con esto apagar el micromotor. En la Figura 28 a) se muestra la representación del circuito eléctrico en donde se observa el LED infrarrojo que excita la base del opto transistor, dejando fluir corriente de colector a emisor, y teniendo así un cambio a la salida en el nivel de tensión. La resistencia R1 es para limitar la corriente que fluye en el LED, mientras que R2 sirve de resistencia pull-down para definir en qué estado se encuentra la señal, evitando así ruido u otro comportamiento no deseado. 4 Hoja de especificaciones en el Anexo 15 del capítulo VIII. - 27 - Figura 26 a) Diagrama eléctrico diseñado para implementar el sensor HC21A b) Encapsulado del circuito, en forma de herradura. 3.5.3 Elevador Para poder transportar la bicicleta de un nivel a otro del estacionamiento, se propone el diseño de un elevador. En general, los requerimientos para el elevador son los siguientes: Soportar la plataforma, con carga crítica. Mantener un movimiento totalmente lineal. Detectar los 3 niveles presentes en el estacionamiento. Detenerse con precisión y sin cambios bruscos de velocidad. - 28 - Los elementos que componen el mecanismo de elevación son ilustrados en la Figura 29. Figura 27: Esquema de elementos en el elevador. - 29 - El mecanismo de elevación es similar al de un cabestrante, por medio de un polipasto que carga a la plataforma del elevador y reduce el par de torsión ejercido por el motor que enrolla la cuerda, como puede observarse en la Figura 30. Figura 28: Cabrestante del elevador. A diferencia de un elevador convencional, que utiliza cables de acero para soportar grandes cargas (elevadores de personas, o elevadores de carga de hasta 10 ton), el proyecto funciona con una cuerda para pesca, que se ajusta a las necesidades de carga y ofrece propiedades con menores restricciones que los cables de acero, como límite de flexión, tolerancia a la distorsión y fragilidad. En general, un elevador para personas contempla aproximadamente 80 kg por pasajero (Larrodé, 2007), normalmente unos 800 kg para 10 personas. Los cables que sostienen a la cabina varían mucho en su construcción, pero dentro de los menos resistentes, la resistencia a la ruptura va de las 4 a 9 toneladas métricas (DeAcero, 2014). En el proyecto, la resistencia de la cuerda es de unos 18 kg, mientras que la cabina pesa aproximadamente 0.5 kg. A diferencia de la polea simple, que solamente ayuda a cambiar de dirección la fuerza aplicada, el arreglo de dos poleas reduce a la mitad la carga que se debe aplicar para levantar un objeto (Figura 31). Así, teniendo 2 puntos de apoyo y una polea móvil, como ilustra la Figura 31, la Figura 29: Poleas para carga carga soportada por el extremo libre será la mitad del (Machine-history.com, 2014) objeto a levantar. - 30 - Para que la plataforma no oscile como un péndulo al momento que es elevada por el polipasto, se tienen dos columnas cuadradas que sirven de guías para el recorrido de la plataforma y cuatro ruedas libres ubicadas en el armazón del elevador, que deslizan y limitan cualquier desvío. Se puede apreciar dicho armazón en la Figura 32. Figura 30: Armazón que compone el elevador. Un requerimiento sobresaliente en el diseño del elevador es utilizar el menor material posible, siendo la consecuencia inmediata reducir la carga que tiene que elevar el motor. Semejante a lo que se hizo con la plataforma, se procede a analizar el techo con el software SolidWorks® y la herramienta FEM. La manufactura de la pieza se llevará a cabo en una máquina fresadora. Debido a que se requiere precisión para hacer coincidir las columnas del armazón y respetar el espacio en donde se ubican las ruedas con las guías del elevador. Se propone entonces utilizar una fresadora CNC para obtener una precisión mayor. - 31 - - 32 - Figura 31: Malla formada en el techo del elevador contiene 20,908 elementos triangulares con un tamaño de 2.52mm, teniendo así una calidad alta de mallado. La condición de frontera que se aplica se ubica en el centro del techo, con una magnitud de 10 N, que es el peso aproximado de la plataforma, el gripper y la bicicleta. La sujeción se está en los cuatro extremos de la pieza que están en contacto con las columnas del armazón. Se muestran los resultados con la teoría de esfuerzos de Von-Mises y deformación: para ambos estudios se obtiene un valor crítico mínimo, por lo que los cambios en el diseño son aceptados. Figura 32: Esfuerzo de Von-Mises propio de la pieza, muy alejado al esfuerzo de fluencia. - 33 - Figura 33: Deformación sufrida por el techo en el estudio estático. Figura 34: Malla de la base del polipasto con 19,443 elementos triangulares, de 0.867 mm de lado. . - 34 - Figura 35: Análisis de esfuerzos con Von-Mises. Figura 36: Análisis de desplazamiento. Por otra parte, el recorrido del elevador cuenta con tres sensores de presencia que indican a un microcontrolador en dónde se encuentra la plataforma. Están ubicados a lo largo de las guías en las distancias correspondientes a cada nivel. Los sensores son de dos tipos. Para el nivel 1 y nivel 3 son fin de carrera (limit switch) y del nivel 2 es un opto sensor HC21A como los usados para la plataforma. Se utiliza un sensor diferente a los de los niveles 1 y 3 debido a la forma de sujetar el sensor con respecto a la guía del elevador. - 35 - Los limit switch están conectados de tal forma que cuando la plataforma llegue al nivel deseado, el armazón tocará el gatillo del interruptor, cerrando el circuito, poniendo en alto así una terminal del Microcontrolador 2. En la Figura 39 a) se observa el diagrama eléctrico implementado para el interruptor. Figura 37 a) Diagrama de conexión para el limit switch. b) Fotografía de un limit switch. Para la inversión de giro necesaria para subir o bajar la plataforma con el elevador, se utiliza un circuito encapsulado L2985, que está montado en una placa que se adquirió comercialmente. Para el PCB donde se monta el Microcontrolador 1 en una placa diseñada, pudiendo observarse en la Figura 40. Se observa que el circuito contiene los tres sensores para cada nivel, el Bluetooth, un circuito integrado para comunicar vía serie con la PC, las salidas para el puente H, y las necesarias para utilizar el encoder de la base rotativa. 5 Hoja de especificaciones del Puente H L298 en Anexo 2. - 36 - Figura 38 Diagrama de conexión para el Microcontrolador 1. 3.5.4 Base rotativa Con la plataforma en un nivel específico de la estructura, la guía del elevador debe poder rotar para así acceder a las distintas localidades que se encuentran a su alrededor. Para proporcionar este grado de libertad, se diseña un mecanismo que se ubica en la base del estacionamiento, debajo de toda la estructura, y consiste en una combinación de transmisión sinfín-corona. Los requerimientos que tiene el mecanismo de rotación son soportar las cargas que se oponen al movimiento giratorio, lograr rotar con una velocidad promedio que no provoque vibraciones excesivas o saque a la bicicleta de la plataforma, detenerse con precisión en el ángulo adecuado para depositar o retirar una bicicleta de una localidad, y capacidad de girar en ambos sentidos de las manecillas del reloj con un dominio de 0⁰ a 360⁰. El mecanismo sinfín-corona ofrece ventajas en la reducción de velocidad ganando gran torque, habilitando así la posibilidad de usar un motor eléctrico para su funcionamiento en el estacionamiento a escala, y con ayuda de un control electrónico de velocidad para el motor, se puede regular la velocidad angular con la que la plataforma se mueve y así posicionar la plataforma móvil de forma perpendicular a la localidad. La disposición de los elementos de la base rotativa está ilustrada en la Figura 41. - 37 - Figura 39: Esquema de elementos de la base rotativa. La transmisión de la base rotativa diseñada forma un ángulo de 90° entre el tornillo sinfín que esta acoplado al eje del motor y hace contacto con la corona, que esta ensamblada a la guía del elevador. Con esto la ubicación del motor es sencilla ya que se posiciona a nivel de planta, si necesidad de poner de forma vertical al motor. El motor es de CD de imanes permanentes marca Pololu® que tiene una transmisión de engranes acoplado a su flecha de 100:1. Con una alimentación de 12 V, el motor provee de 220 oz∙in de par de torsión pico (unos 15.842 kg∙cm), a una velocidad de 100 RPM. Se adquirieron los elementos que conforman la transmisión sinfín-corona del catálogo Martin®. El tornillo sinfín es de cuerda doble mano derecha de acero endurecido con un ángulo de hélice de 11.19°. La corona es de bronce con paso 16, un ancho de cara de 5/16” y un ángulo de presión de 14.5° (como un engrane helicoidal) con 20 dientes. La ventaja que ofrece el ángulo de presión a un engrane que no tuviera ángulo es que los elementos no requieren una gran alineación y no es crítica la distancia entre centros. Como desventaja es que se ve reducido el punto de contacto, teniendo como consecuencia una capacidad menor de transmisión de potencia así como la reducción de velocidades. (Mott, 2006). El diámetro de paso del engrane (𝐷𝐺 ) es la distancia de un punto en un diente al punto correspondiente en el siguiente diente. - 38 - 𝐷𝐺 = 𝑁𝐺 … … … … (1) 𝑃𝑑 Donde: 𝑃𝑑 = 𝑃𝑎𝑠𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑁𝐺 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑔𝑟𝑎𝑛𝑒 Sustituyendo los valores del engrane (corona) en (1): 𝐷𝐺 = 20 = 1.25 16 El paso axial del sinfín (𝑃𝑥 ) debe ser igual al paso circular de la corona para que engranen. Se define como la distancia desde un punto en la rosca del sinfín hasta el punto correspondiente en la siguiente rosca, medido en dirección axial sobre el cilindro de paso. 𝑃𝑥 = 𝜋 𝐷𝐺 𝜋 ∙ 1.25 = = 0.196 𝑖𝑛 … … … … (2) 𝑛𝐺 20 El número de roscas del tornillo sinfín es el equivalente al número de dientes por lo que: 𝑁𝑤 = 2 … … … … (3) El avance (𝐿) es la distancia axial que recorrerá un punto del sinfín cuando esté girando una revolución 𝐿 = 𝑁𝑊 𝑃𝑥 = 0.392 𝑖𝑛 … … … … (4) El ángulo de desplazamiento (ℷ) es el ángulo entre la tangente hacia la cuerda del gusano y la línea perpendicular al eje del gusano. ℷ = tan−1 𝐿 0.392 = = 0.16332° … … … … (5) 𝜋 𝐷𝑤 𝜋 ∙ 0.75 La velocidad de línea de paso (𝑉𝑡 ) es la velocidad lineal de un punto en la línea de paso para el gusano o el mecanismo de tornillo sinfín. Para el gusano que tiene un diámetro de paso 𝐷𝑤 en pulgadas, que gira a 𝑛𝑤 𝑟𝑝𝑚. 𝑉𝑡 𝑤 = 𝜋 𝐷𝑤 𝑛𝑤 𝜋 ∙ 0.75 ∙ 2 𝑓𝑡 = = 0.3927 [ ] … … … … (6) 12 12 𝑚𝑖𝑛 Para el mecanismo de tornillo sinfín que tiene un diámetro de paso 𝐷𝐺′′ , que gira a 𝑛𝐺 𝑟𝑝𝑚 - 39 - 𝑉𝑡𝐺 = 𝜋 𝐷𝐺 𝑛𝐺 𝜋 ∙ 1.25 ∙ 20 𝑓𝑡 = = 6.545 [ ] … … … … (7) 12 12 𝑚𝑖𝑛 Relación de velocidad (𝑉𝑅) de un conjunto sinfín y corona con la relación de la velocidad angular de la entrada y la velocidad angular de salida. 𝑉𝑅 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑛𝑓í𝑛 𝑛𝑤 2 = = = 0.1 … … … … (8) 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 𝑛𝐺 20 Otra cualidad que ayuda y por el cual fue elegida esta transmisión es que se tiene la característica de autobloqueo, que es la condición en que el sinfín impulsa a la corona, pero la corona no puede impulsar al sinfín. Esto se produce en la fuerza de fricción presente entre las roscas del sinfín y los dientes de la corona. Parte fundamental que comprende este sub-ensamble es un rodamiento que sirve de contacto con las guías del elevador, haciendo que estas descansen y puedan rotar. De acuerdo a los requerimientos del rodamiento en el proyecto, se consideran los criterios de selección del catálogo NSK® (Tabla 1). Tabla 1: Selección de rodamiento para el elevador (0.- Imposible 1.- Pobre 2.- Correcta 3.- Buena 4.- Excelente). Cargas radiales Cargas axiales Cargas combinadas Alta velocidad Precisión Rigidez Rodamiento de bolas de una hilera Rodamiento de rodillos cilíndricos Rodamientos de agujas Rodamientos de bolas de contacto angular de hilera doble Rodamientos de rodillos cónicos 2 3 3 3 3 2 2 0 0 0 0 3 3 3 3 4 4 N/A 4 4 3 3 N/A 3 2 N/A 3 2 3 3 - 40 - De acuerdo a los aspectos considerados, se opta por implementar el rodamiento cónico de rodillos (Figura 42). Figura 40: Rodamiento cónico de rodillos. 3.5.5 Estructura del estacionamiento La estructura es el subsistema que rodea a los sub-ensambles previamente analizados, el cual soporta las 46 localidades que conforman el estacionamiento, siendo los lugares posibles donde el gripper puede colocar las bicicletas. El subsistema se observa en la Figura compuesto por los siguientes elementos: 8 columnas de tubo cuadrado (lado 12.7mm, espesor 1.27 mm). 32 vigas con un perfil de ángulo (lado 12.7mm, espesor 1.6 mm). Localidades del perfil canal (ancho 9.54mm, alto 9.54 mm, espesor de 1 mm). La estructura que soporta a las localidades para bicicleta está diseñada con elementos rectos, de aluminio, por su fácil adquisición, ligereza y manufactura para este modelo a escala. Cuenta con 3 niveles de estacionamiento, alojando 16 bicicletas por cada nivel, a excepción del nivel en la planta baja, que tiene cabida para 14 bicicletas, dejando un espacio para la admisión y salida de bicicletas del sistema de estacionamiento. Considerando una circunferencia en la que se inscribe un octágono, el estacionamiento tendrá un diámetro de 75 cm aproximadamente y una altura de 50 cm. - 41 - Figura 41: Elementos presentes en la estructura del estacionamiento de bicicletas. 3.5.6 Automatización del sistema El estacionamiento de bicicletas utiliza dos microcontroladores matrícula PIC16F6887 y PIC16F628A, de la empresa Microchip®. Al primero se le designa como Microcontrolador 1, encargado de interactuar con la interfaz, base rotativa y el elevador, mientras que el segundo (Microcontrolador 2), interactúa con la plataforma móvil y el gripper. En la Figura 44 se observa la arquitectura general del estacionamiento. Debido a que el gripper que se encuentra en la plataforma móvil no está sujeta a una estructura anclada, se propone utilizar un sistema de alimentación portátil, como una pila de 9V. Además, para comunicar ambos microcontroladores se propone una comunicación inalámbrica por medio de un módulo Bluetooth®. - 42 - Figura 42 Arquitectura general del estacionamiento. Detallando las funciones del Microcontrolador 2, se muestra el diagrama de la Figura 45 en donde se tiene el encapsulado de puente H con matrícula L293D y el módulo Bluetooth HC-05. Figura 43 Circuito eléctrico para el Microcontrolador 2. Se utiliza un encapsulado de puente H matrícula L293D por diferentes razones, una de éstas es aislar al Microcontrolador 2 de corrientes mayores a las que puede soportar, funcionando así como etapa de potencia. Además de contar con la configuración bidireccional que se adapta a las necesidades del proyecto. El circuito integrado es capaz de funcionar con una corriente de trabajo de 600 mA por canal. Cada motor que se conecta, consume una corriente eléctrica de 150 mA con carga, cumpliendo así lo necesario en el uso del circuito integrado. - 43 - Se diseña el circuito en placa, en donde se encuentra el microcontrolador, el puente H, una bornera de alimentación y neutro. En la Figura 46 se observa el diagrama de conexión, donde RA0, RA1, RA2, y RA3 son las entradas donde el microcontrolador ingresa los pulsos para energizar el actuador. Se observa que el integrado tiene dos puentes H, siendo el otro usado para la plataforma móvil que se explica en el siguiente apartado. Figura 44 Esquema que representa como se va a conectar el puente H L293D. El módulo Bluetooth HC-05 es un puente inalámbrico que existe entre ambos microcontroladores. El Microcontrolador 1, se configura como master (maestro), ya que es el encargado de la interfaz con el usuario, siendo este el que define que función desea ejecutar: si recoger o entregar una bicicleta. El Microcontrolador 2 solo espera a ser avisado por su master, y ejecuta la tarea. Es importante que exista la comunicación entre los dos dispositivos, para tener la certeza cuando iniciar y terminar alguna etapa del proceso. 3.5.7 Interfaz de usuario A lo largo del diseño realizado de los elementos anteriormente desarrollados, se consideran los elementos que en su conjunto forma la arquitectura del sistema, pudiéndola observar en la Figura 47. Para desarrollar la interfaz gráfica se utiliza el software MATLAB® con su apartado de GUI (Graphic User Interface). La razón para llevarlo a cabo es la experiencia previa con el software, además de su relativamente rápida implementación, alcance y la información accesible para el uso del software. La interfaz gráfica está contemplada para que un administrador pueda hacer uso del sistema de estacionamiento, permitiéndole al primero especificar en qué localidad del sistema quiere estacionar su bicicleta. - 44 - Figura 45: Primera versión de la interfaz de usuario del sistema de estacionamiento. En los paneles izquierdos de la interfaz se indican las ubicaciones de localidades, nivel de estacionamiento y operación - 45 - Capítulo IV: Manufactura e implementación del sistema Para la elaboración de los elementos que constituyen el estacionamiento, se llevó a cabo la manufactura y ensamble por módulos que componen al sistema, comenzando desde el gripper, que es lo que tiene un primer contacto con la bicicleta, para seguir con la plataforma, el elevador, armazón del elevador, las guías, la base rotativa y la estructura del estacionamiento. 4.1 Gripper En la Figura 48 se presenta el gripper completado. Se inicia la manufactura utilizando el diseño CAD realizado en el Trabajo Terminal I, incluyendo los circuitos eléctricos, cables y batería en la parte posterior del bloque del micromotor. Figura 46: Vista frontal del ensamble del gripper completo. Para este sub-ensamble fue principalmente requerida la operación de fresado, desbastando los bloques de material y formando barrenos en ellos. En los elementos que presentan formas más complicadas se hizo uso de la fresadora por control numérico (CNC), caso de las piezas como las mordazas. La característica del ángulo requerido en ellas fue dada para que cumpliera la tarea de sujetar la bicicleta por la tijera. Se aprecian las mordazas apretadas en la Figura 49. - 46 - Figura 47: Mordazas manufacturadas para el gripper. El proceso de torneado de los ejes para los engranes de trasmisión de las mordazas, dio lugar a fallas, pues durante el maquinado se flexionó el elemento (Figura 50) debido principalmente a las pequeñas dimensiones de las piezas (3 mm). Para solucionar el problema se optó por hacer la manufactura de estas piezas por encargo en un taller particular que contará con una máquina y herramienta de corte adecuada. Figura 48: Flexión durante el proceso de torneado. Como se mencionó en el capítulo anterior, se imprimieron los engranes en impresora 3D, con material PLA (PolyLactic Acid). Los ejes maquinados atravesaron dichos elementos por el cubo (hub), teniendo así un ajuste por presión. Se considera la resolución de la impresora (0.3 mm en calidad baja) y debido a que el PLA es blando (módulo elástico de 2 MPa), se unieron los engranes a los ejes por medio de una prensa. Cabe mencionar que los dos pernos tienen una ligera diferencia de diámetro de 1 mm en un segmento de su longitud, sirviendo así esta superficie repose en un rodamiento de bolas ubicado en la base del gripper. Las dimensiones de los rodamientos de bolas son de diámetro exterior de 10 mm y de interior de 3 mm. - 47 - Para el acoplamiento con la flecha del motor, Figura 51, se maquinó un buje de aluminio 6061-T6. Su ensamble entre la flecha del motor y el eje unido al engrane requirió de dos opresores de 1/8” de diámetro por 1/8” de largo, para así fijar ambos elementos. Figura 49: Vista que muestra el buje que une a la flecha y el eje que esta acoplado al engrane. Se presentó un movimiento no deseado, ya que cuando se energizó el micromotor para apretar las mordazas del gripper, el eje conductor desplazaba el eje de acción del engrane conducido. El ensamble entre los bloques superior e inferior —sobre los que residen los elementos del gripper— se planteó para que fuera hecho por medio de soldadura de arco eléctrico, con gas inerte y electrodo de tungsteno (TIG, por sus siglas en inglés). Las razones para utilizar este proceso de soldadura son que al fundirse las piezas forman un único sólido, asegurando una buena sujeción, además de ser una solución al alcance encontrada en el taller de máquinas y herramientas de la UPIITA. Llevando el plan a la práctica se logró satisfactoriamente la unión de placas de aluminio sin aporte de material (Figura 53), sin embargo, al hacer pruebas en la unión de piezas con un espesor más grande se encontraron dificultades, debido a que mientras más sea el espesor del material a unir se requiere más corriente eléctrica en la planta de soldar y los materiales a unir deben someterse a un tratamiento de limpieza y precalentamiento para asegurar una mayor facilidad en la formación del cordón de soldadura. Después de varios ensayos se lograron mejoras en la unión de diversas piezas de aluminio con espesor de 3/8”, —aproximadamente el espesor de los bloques incluidos en el gripper— (Figura 54). - 48 - Figura 51: Pruebas de soldadura en aluminio (placas). Figura 50: Pruebas de unión en aluminio (elementos más gruesos). Aunque los resultados mejoraron, la opción de soldar por fundición se descartó para estos elementos para no comprometer su integridad. En su lugar se optó por aplicar adhesivo epoxy en las superficies de contacto y manteniendo los bloques fijados durante el secado de la mezcla de las dos resinas que forman el compuesto. 4.2 Plataforma móvil El subsistema gripper se encuentra apoyado en la plataforma móvil que se muestra en la Figura 55. Está formado por una placa de 3/8” de aluminio, donde una ranura sirve para trasladar a la bicicleta que es tomada por el gripper. Figura 52: Primeros ensambles del armazón con la plataforma móvil. Para estos ensambles, las operaciones de fresado convencional y por control numérico fueron básicas, exceptuando los rieles de la plataforma móvil, que fueron elaborados con ayuda de un torno paralelo. - 49 - La plataforma fue manufacturada en una fresadora CNC que utiliza el código FANUC® para definir parámetros como velocidad de giro, de corte, herramienta, y las coordenadas de x, y, y z. Dicho código fue generado en el software MasterCAM®, como se muestra en la Figura 56. Figura 53 Captura de pantalla de simulación del maquinado para la plataforma en el software de MasterCAM®. Para la transmisión, se ocupa una cadena de plástico ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) adquirida de un juego de partes de la marca FischerTechnik®, así como engranes de material PLA elaborados en una impresora 3D. La Figura 56 muestra una captura frontal de la plataforma móvil, con el mecanismo de transmisión de movimiento de lado derecho. Figura 54: Vista frontal de la plataforma móvil ensamblada Con ayuda de una báscula digital con resolución de 10 g se pesaron los elementos que están de por medio para cargar a la bicicleta, para saber la carga a la que el motor del elevador se someterá (Figura 57). - 50 - b) a) c) Figura 55: a) Medición de peso de la bicicleta a escala. b) Medición de peso de la bicicleta con la plataforma y gripper. c) Medición del peso con el armazón, plataforma, gripper y bicicleta. Las simulaciones realizadas previeron aproximadamente una carga de tal magnitud (10 N aproximadamente), lo que permite a los elementos del elevador ser implementados con el resto del sistema. En la parte de automatizar las funciones de sujeción del gripper así como desplazar este subsistema a lo largo de la plataforma con la bicicleta, se realizaron tres placas de circuitos impresos. Un PCB (por sus siglas en inglés “Printed Circuit Board”) tiene el Microcontrolador 2, junto al puente H matrícula L293D y el módulo Bluetooth®. Para energizar estos elementos se utiliza una pila de 9 volts, y un regulador matrícula 7805 para obtener una tensión de 5 volts, requerida por el microcontrolador. Se muestra en la Figura 58 incisos a, b y c el diseño en el freeware EAGLE®, la placa soldada y finalmente la placa montada en el gripper respectivamente. - 51 - Figura 56: a) Diseño del circuito impreso a doble cara en el software de diseño EAGLE. b) Circuitos integrados puestos en la placa. c) Placa montada en la base del gripper. El sistema funciona de la siguiente manera. El microcontrolador 1 (MCU 1) —el que está en la parte baja del estacionamiento— da la orden para que el microcontrolador 2 haga la rutina de estacionar o entregar la bicicleta, esta información es enviada al microcontrolador 2 (MCU 2) a través del módulo Bluetooth. El MCU2 conmuta los motores del gripper o la plataforma móvil, según sea el caso. En este segundo actuador, es necesario conocer la posición en la que se encuentra el gripper, si es en el inicio o fin de la plataforma. Para obtener esta información, se implementan dos opto sensores de “tipo herradura” en los extremos de la plataforma. Cuando el gripper pasa por arriba de estos transductores, se interrumpe la luz que exista al opto transistor, mandando un nivel alto a la entrada digital del microcontrolador, avisando así al sistema donde se sitúa el gripper. En la Figura 59 incisos a, b y c muestra el diseño del PCB, la placa realizada y finalmente en que parte de la plataforma fue montada. Figura 57: a) Circuito impreso diseñado b) PCB finalizado, con el sensor "tipo herradura" montado. c) Implementación de la placa de circuitos en el extremo de la plataforma. - 52 - 4.3 Elevador Para esta sección, fue necesaria la elaboración del marco del elevador para dar soporte a los elementos que están de por medio como la plataforma móvil. Las uniones en los ensambles fueron atornilladas para que fueran removibles cuando se requiera. Posteriormente se procedió a acoplar el armazón con las guías del elevador y maquinar el soporte del polipasto (Figura 60) con ayuda de una fresadora universal. Figura 58: Subsistema del elevador, compuesto por el armazón que sostiene a la plataforma, las guías, el motor y el polipasto. El armazón, que es similar a la cabina de un elevador convencional para personas, es el conjunto de elementos que soportan a la plataforma móvil. Se observa en la Figura 61 a que está compuesto por perfiles de barra cuadrada de 3/8”, soleras de 1/2”, y una placa de 3/8” de aluminio. Debido a que en la plataforma móvil no tiene ubicado su centro de masa en la mitad de su longitud, genera un momento que crea un efecto péndulo en el armazón. Para evitar esto, se utilizan 8 rodamientos de 1/2” que se fijan con tornillos a una solera (Figura 61 b). Se ubican de manera que la guía del elevador se encuentra en medio de estos, teniendo así una obstrucción mecánica, limitando el posible movimiento tipo péndulo de la plataforma. - 53 - Figura 59 a) Vista isométrica del armazón para el elevador. b) Rodamientos utilizados para las guías. La cuerda utilizada para levantar la carga es un hilo de pesca, capaz de soportar hasta 18 kg. Para el modelo a escala bastó con hacer uso de esta cuerda y no de un cable de acero debido a que la primera presenta mayores ventajas en cuanto a precios, flexión (enrollamiento) y demás propiedades mecánicas suficientes para cumplir la tarea. Figura 60: Detalle de las poleas presentes en el mecanismo de polipasto. Tres sensores están ubicados a lo largo de las guías del elevador, para ubicar cada uno de los niveles del estacionamiento. En la parte más alta y más baja están presentes sensores de fin de carrera, mientras que en medio de la trayectoria está un sensor óptico H21A1. En la Figura 63 se muestra el armazón del elevador que con una lámina obstruye la luz del sensor, avisando así al controlador en qué nivel se encuentra la plataforma. - 54 - Figura 61: Sensor óptico del segundo nivel del elevador. 4.4 Base rotativa Los principales componentes en este subsistema son mostrados en la Figura 64, el motor de CD con relación 67:1, el tornillo sinfín y la corona de bronce. Como se vio en el apartado anterior, las dos piezas fueron seleccionadas del catálogo Martin®. Figura 62: Transmisión sinfín-corona. Para asegurar que la flecha del motor estuviera sujeta al tornillo sinfín, así como la corona a la masa de aluminio a la corona, en la fresadora vertical se utilizó el localizador de centros para barrenar y después un machuelo 3/16-24 para crear la cuerda necesaria para un opresor de ese diámetro. Teniendo los elementos necesarios para la transmisión de movimiento, se implementó un control de posición de tipo proporcional, obteniendo así la posición - 55 - donde se sitúa la localidad a la que se requiere estacionar o recoger la bicicleta. Se muestra el siguiente diagrama de control en la Figura 65. Figura 63: Diagrama de control propuesto. Se tiene como entrada la variable u, que es la posición deseada. Esta es la localidad en la que se desea estacionar o recoger una bicicleta. Kp es la ganancia proporcional del sistema. La planta es el actuador y la carga, que en este caso son el motor de CD y la guía elevador. Se retroalimenta el sistema con posición por medio de un encoder (lector óptico) que se ubica en el eje transmisor del motor, antes de su reducción. Este sensor de efecto Hall tiene 16 ventanas que junto al arreglo de transmisor, se realiza el cálculo (ecuación 8) para conocer el número de revoluciones necesarias para hacer girar las guías del elevador. 𝑁 = 𝑁𝑣𝑒𝑛𝑡𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑒𝑛𝑐𝑜𝑑𝑒𝑟 ∙ 𝑁𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 ∙ 𝑁𝐶𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 = 16 ∙ 67 ∙ 10 = 10,720 … … … (8) De la ecuación pasada, se encuentra que por cada 10,720 pulsos proporcionados por el encoder, el sistema logra una vuelta. Además que el sensor proporciona dos señales, en donde una difiere de la otra por un desfase de 90° como se aprecia en la Figura 66. Figura 64: Se observan los pulsos cuadrados que brinda el sensor, con un desfase de 90⁰ El Microcontrolador 1 es el responsable de aplicar el control proporcional. El algoritmo escrito para este circuito integrado es el siguiente: - 56 - 1. Leer la transición de pendiente positiva por medio de la interrupción en RB0 2. Atender la interrupción. Preguntar si la otra señal proporcionada por el encoder está en alto o en bajo. Dependiendo que caso es el que se presenta, se suma o resta una unidad a una variable de contador. 3. Se hace la diferencia del error, que es igual al valor deseado menos el obtenido. 4. Se multiplica el error por una ganancia, llamada kp., esta variable es el ciclo útil de la herramienta PWM. 5. Conmutar el estado activado del puente H por medio del PWM desarrollado por el Microcontrolador 1. Además prender o apagar la terminal correspondiente a la que se desea girar. 4.5 Estructura En la estructura del estacionamiento, fue necesario realizar varios cortes de perfiles de aluminio con longitudes y ángulos determinados. Figura 65: Localidades distribuidas alrededor del elevador. La mayoría de los ensambles fueron efectuados por remachado (Figura 68), entre las localidades y las vigas, y entre vigas y columnas. Entre las principales ventajas de este tipo de unión está la facilidad y rapidez de aplicación, así como la fácil adquisición de los remaches en distintos tamaños, además de la firmeza que se obtiene una vez aplicados. Sin embargo, durante el ensamble se encontraron pro- - 57 - blemas, donde en ocasiones los remaches se quedaban atorados en la remachadora (Figura 69), o donde la remachadora era demasiado grande para los lugares donde se tenía que unir con otras piezas. Figura 66: Proceso de remachado en la estructura. unión Figura 68: Trazos guía para las localidades. 67: Remache atorado durante el proceso de Figura 69: Mediciones en las localidades cortadas. La estructura se apoya en un mueble de madera compactada, es cual es totalmente liso en la cara superior y permite trazar líneas (Figura 70) para las mediciones hechas durante el proceso de ensamble. Para trazar las marcas que dan pauta a la elaboración de las piezas, los instrumentos de medición fueron de gran importancia para la precisión de éstas, como escuadras, flexómetro, calibrador Vernier, etc (Figura 71). La fijación de la estructura está presente gracias a pijas para madera unidas a elementos esquineros de metal. 4.6 Interfaz de usuario En esta sección, el usuario del modelo a escala puede manipular desde una computadora personal las acciones del proyecto de estacionamiento. Una Interfaz Gráfica para el Usuario (GUI, por sus siglas en inglés), elaborada con ayuda del - 58 - software MatLab®, es la encargada de hacer la tarea de conectar al usuario con el prototipo. A diferencia del tipo de programación estructurada, en una GUI la secuencia de comandos se activa por eventos, esto es, cada que se pulsa un botón, o se selecciona una casilla en un formulario, o se desplaza una barra deslizadora, una serie de comandos se ejecutará respondiendo a estas acciones. La interfaz cuenta con distintos botones y campos de selección en donde se indican los números de localidades disponibles, los niveles de altura del estacionamiento y la especificación de la acción a tomar, si se trata de entregar o de recibir una bicicleta. Al finalizar la selección de campos, se debe pulsar el botón “ENVIAR” para ejecutar las instrucciones y enviar la información al MCU 1 (Figura 72, Figura 73 y Figura 74). Figura 70: Puesta a prueba del envío de datos con la GUI. - 59 - Figura 71: Ambiente de desarrollo del MatLab® para el diseño de una GUI. Figura 72: Primera versión de la interfaz en ejecución. - 60 - Para la implementación de la interfaz con el estacionamiento, se utiliza un PCB comercial con el circuito integrado de comunicaciones FTDI (Figura 75) en donde se elevan las tensiones eléctricas para que exista una comunicación UART entre la PC y el Microcontrolador 1. La placa del FTDI (Future Technology Devices International®) se conecta en las terminales TX (transmitir), RX (recibir) y GND (común) en la placa del microcontrolador. Figura 73: Placa de circuito impreso con el encapsulado FTDI. Una vez definidos todos los componentes que interactúan con el Microcontrolador 1, como las salidas al puente H para conmutar los motores del elevador y la base rotativa, los sensores de nivel del elevador, el módulo Bluetooth y el FTDI, se procede a diseñar la placa de circuito impreso con el software EAGLE®. Se observa en la Figura 76 a) el diseño realizado, en la Figura 76 b) la placa realizada con el método de fotograbado y por último la Figura 76 c) donde están los elementos ya conectados. Figura 74: a) Diseño del PCB para el MCU 1. b) Placa realizada con el método de fotograbado. c) Cicuito implementado. - 61 - Conclusiones Al final del proyecto, se lograron concretar la mayoría de los objetivos, obteniendo diseños en donde estribó la manufactura del proyecto, desde la elaboración de los subsistemas hasta los circuitos eléctricos y la interfaz. Los principales obstáculos se dieron al no contemplar en su totalidad las consecuencias de llevar a cabo el modelo a escala, ya que muchos componentes electrónicos y cables impedían el pleno funcionamiento y la capacidad de ensamble de los elementos del estacionamiento. Al momento de acoplar la plataforma móvil con el armazón en la estructura, se tuvo la necesidad de hacer ajustes en las disposiciones de las localidades, ya que la plataforma invadía espacio ocupado de éstas. Esto se explica principalmente por las dimensiones no consideradas de la caja del rodamiento que soporta el engrane conducido en la transmisión por cadena. A su vez, la desalineación de dicha transmisión y la generación de un momento que impedía desplazar al gripper por los rieles de la plataforma, suscitaron más demanda de par de torsión al micromotor, causando problemas también en la estabilidad del rodamiento encontrado en el extremo opuesto de la transmisión de cadena. Para la etapa de pruebas, se tuvieron bastantes problemas con el posicionamiento de la plataforma con referencia a las localidades ubicadas en la estructura. Es inexacto debido a una incorrecta sintonización del controlador P, ya que el microcontrolador atiende varios ciclos al contar los pulsos del lector óptico (encoder). Paralelamente se pudo observar el correcto funcionamiento del sensor óptico para colocar la plataforma en home. Es así como se sugiere utilizar más sensores de la mano de un controlador P, para obtener un mejor resultado en el ajuste de posición. Héctor Durán Paredes: En la realización del estacionamiento hubo una gran evolución en mí, desde un punto de vista personal respecto al perfil de ingeniero mecatrónico que se encuentra en formación. Todo esto en las tres etapas que se tuvieron en el Trabajo Terminal. En la etapa más reciente viví alegrías absolutas, al ver que lo diseñado ya manufacturado y ensamblado funcionaba. Así también las decepciones y angustias al ver detalles que no se habían contemplado. Pero eso no fue motivo de abandonar el proyecto, por lo que el rediseño para ajustar el proyecto fue realizado. - 62 - La manufactura y ensamble de piezas tan pequeñas fue un reto, que considero mi compañero y yo vencimos, con ayuda de los asesores que incentivaron el continuar con el trabajo. Existen detalles como la transmisión de movimiento del gripper, el acoplamiento de piezas en la plataforma, la incapacidad de usar sensores de manera más sencilla por el tamaño desproporcionado con las piezas, así como la rigidez de las localidades en la estructura; errores en el diseño y manufactura, que por el tiempo no se pudieron eliminar por completo. Aun así considero que se tienen las soluciones, quedando seguro que el proyecto es realizable en un prototipo con escala mayor o ya en su forma real. El objetivo del prototipo 1:10 se cumple al ver que cada subsistema ayuda a estacionar una bicicleta. Considero que este proyecto tiene mucho más que dar. La posibilidad de hablar con autoridades del gobierno, buscar un patrocinio para realizar un segundo prototipo a una escala mayor es lo que me propongo buscar una vez terminado el trabajo terminal en UPIITA. Con esto, siendo las motivaciones principales el seguir aprendiendo y aplicando mis conocimientos en ingeniería, así como el pensar en grande: buscar que México compita para un desarrollo sustentable, creando proyectos que igualen o superen a los países potencia como Alemania y Japón, poniendo así en práctica la “Técnica al servicio de la patria”. Thomas Alberto Castro Acosta: El proyecto terminal ha sido visto por mí como la aplicación de los conocimientos obtenidos durante la educación superior, sin embargo, desde las etapas tempranas del concepto del proyecto me di cuenta que había mucho por investigar y temas que estaban más allá de lo tratado en las asignaturas cursadas. Por lo tanto, una de las habilidades más valiosas obtenidas en mi formación es la de investigar y aprender, desbloqueando así el poder y alcance de los recursos de información que hoy se tienen a la mano. Las frustraciones en el proyecto estuvieron muy presentes al ver que el diseño no siempre empataba con las posibilidades (con la soldadura en aluminio, el movimiento obtenido en la transmisión de la plataforma, la precisión en los cortes y uniones de los elementos de la estructura, etc.), y que la experiencia en proyectos es de suma importancia para tener mayor facilidad en alcanzar el éxito en un proyecto, por eso la búsqueda de talento en el mercado laboral frecuentemente pide esa “experiencia”. Me hubiera encantado dedicar más tiempo al proyecto y apoyar más a mi equipo, ya que tuve falta de compromiso aletargando el desarrollo del trabajo, sin embargo el laborar en conjunto me ayudó a ver que uno puede aportar cosas que el otro carece, resanando grietas, y que uno puede también enriquecerse de las habilidades que los demás integrantes del equipo tienen. El prototipo tiene futuro para presentar el concepto a alguien que pueda patrocinarlo para su manufactura en tamaño real y darnos apoyo para corregir errores, - 63 - comprar componentes, mejorar diseño, conseguir personal de construcción y los recursos materiales para hacer realidad esta idea. - 64 - Glosario Autobloqueo: En una transmisión mecánica, se refiere a la capacidad de un elemento de transmitir su movimiento a otro, pero no en viceversa. AISI: American Institute of Steel and Iron, siglas que significan Instituto Americano de Hierro y Acero, organismo que rige nomenclatura y estándares de aleaciones de metales. CAD: Computer Aided Design, se refiere al diseño asistido por computadora, que es el conjunto de software implicado en el desarrollo y diseño de un producto, desde dibujos, análisis de elemento finito, simulaciones de movimiento, etc. Cabrestante: Mecanismo para enrollar una cuerda o un cable, normalmente dispuesto de autobloqueo. CNC: Computer Numerical Control, se refiere al control numérico por computadora, que es la automatización de las herramientas mecánicas para la manufactura de algún producto. Edificio inteligente: Construcciones comúnmente edificios que hacen uso de toda clase de tecnologías para hacer más eficiente su uso y control. Tecnologías como para la seguridad, comunicación, apoyo logístico y automatización de procesos. Efecto Hall: Producción de una diferencia de potencial eléctrico a través de un conductor, transversal a una corriente en el conductor y un campo magnético perpendicular a la corriente. Encoder: Dispositivo de detección de revoluciones en un motor, normalmente compuesto de un disco ranurado y un sensor de presencia. FEM: Finite Element Method, se refiere al método por elemento finito para análisis de esfuerzos y deformaciones en un elemento sólido. Gripper: Sujetador mecánico compuesto de mordazas, controlado por un circuito electrónico. GUI: Graphic User Interface, se refiere a la apariencia del software que está directamente en interacción con el usuario, incluyendo a todos los elementos que aparecen en una pantalla y desde donde se pueden realizar distintas operaciones. Malla: Dentro del FEM, es la representación gráfica de los puntos de muestra en los que se calculan los esfuerzos a los que está expuesto un sólido. - 65 - MCU: Micro-Controller Unit, se refiere al microcontrolador, que es un dispositivo electrónico programable que funge como un “cerebro”, ya que se encarga de recibir y mandar señales e instrucciones Nomenclatura de aleaciones: Dadas por las asociaciones AISI-SAE. Dos letras y cuatro dígitos: Primer digito: elemento dominante Segundo digito: Control de impurezas: o Serie 1: 0 no hay control o Serie 2 a 9: Modificaciones controladas Tercer y cuarto digito: Anotaciones especiales. Nomenclatura de temples: Dadas por las asociaciones por AISI-SAE T Tratado térmicamente para producir temples más estables T 1 Enfriado y envejecido naturalmente. T 2 Recocido (sólo productos fundidos) T 3 Tratamiento en solución y luego trabajado en frío T 4 Tratamiento en solución y envejecido naturalmente T 5 Envejecimiento artificial T 6 Tratamiento en solución y envejecido artificialmente T 7 Tratamiento en solución y estabilizado T 8 mente Tratamiento en solución, trabajado en frío y envejecido artificial- T 9 frío Tratamiento en solución, envejecido artificialmente y trabajado en T Enfriado, envejecido artificialmente y trabajado en frío. 10 Puente H: Este circuito se utiliza para controlar el sentido de giro de un motor de DC. Su nombre es debido a la forma que toma el diagrama eléctrico de los transistores en el circuito. De forma resumida se tienen dos entradas, donde se hace girar el motor en sentido horario o anti-horario dependiendo cual se defina una transición de estado. PCB: Printed Circuit Board, se refiere a un circuito eléctrico impreso en una placa de un material plástico o cerámico que contiene a los componentes del circuito y tiene el propósito de prescindir el uso de cables, compactar el área de uso y sostener mecánicamente al conjunto de elementos. - 66 - PWM: Pulse Modulation Width, se refiere a la modulación de ancho de pulso, en una señal eléctrica. El fin de esta técnica principalmente se aplica en el uso de motores eléctricos, regulando la velocidad de giro de la flecha de éstos. RFID: Radio Frequency IDentification, se refiere a los dispositivos electrónicos de lectura y escritura de datos por medio de señales de radiofrecuencia. Rodada: El tamaño de la bicicleta esta descrito en un lenguaje coloquial de ciclismo por el diámetro de su rueda. Es común que la magnitud de esta sea en pulgadas, por lo que cuando se habla de una bicicleta de rodada 28, se da a entender que el diámetro de su rueda es de 28 pulgadas. SAE: Society of Automotive Engineers. Siglas que significan Sociedad de Ingenieros Automotrices. Junto a AISI, es una organización que rige en sectores de la industria con estándares, normas y nomenclatura. TIG: Tungsten Inert Gas, se refiere al proceso de soldadura por arco eléctrico, utilizando un electrodo de tungsteno para conducir la corriente eléctrica y formar el arco, y gas inerte para proteger el área de soldadura durante el proceso, normalmente argón. Tijera: También llamada horquilla, es la parte de la bicicleta que sujeta la maza de la rueda delantera. Normalmente son dos tubos separados en donde permite que se ubique la llanta. Usualmente se montan en ellas las zapatas o el disco para el freno, así como la suspensión delantera. Teoría de esfuerzos Von-Mises: El esfuerzo de Von-Mises es aquél que a tensión axial generaría la misma energía de distorsión que la que se produciría por la combinación real de los esfuerzos aplicados. URES: Este término que se encuentra en la escala de los resultados (RESults) de deformación realizados, significa que U contempla los vectores unitarios de la pieza 𝑢𝑥 , 𝑢𝑦 y 𝑢𝑥 . - 67 - Bibliografía Bigloo. (17 de Abril de 2014). Obtenido de bigloo aparcamiento automatico para bicicletas: http://www.bigloo.info/es/ Giken Seisakusho Co., Ltd. (13 de Septiembre de 2013). GIKEN - Corporate Profile. Obtenido de http://www.giken.com/en/aboutus/corporate_profile/ Gobierno del Distrito Federal. (13 de Septiembre de 2013). Sistema de Transporte Colectivo Metro. Obtenido de http://www.metro.df.gob.mx/ INEGI. (diciembre de 2012). Perspectiva estadística Distrito Federal. Obtenido de www.inegi.org.mx: http://www.inegi.org.mx/prod_serv/contenidos/espanol/bvinegi/productos/i ntegracion/estd_perspect/df/Pers-df.pdf Machine-history.com. (12 de 10 de 2014). Obtenido de http://www.machinehistory.com/node/309 Mott, R. L. (2006). Diseño de elementos de máquinas. México: Pearson Educación. Pucher, J. R., & Buehler, R. (2012). City Cycling. Massachusetts: MIT Press. Sistema de Corredores deTransporte Público de Pasajeros del D.F., Metrobús. (13 de Septiembre de 2013). Metrobús - Ciudad de México. Obtenido de http://www.metrobus.df.gob.mx/ Sistema de Transporte Individual ECOBICI. (13 de Septiembre de 2013). ECOBICI. Obtenido de http://www.ecobici.df.gob.mx/ - 68 - Anexo A: Hojas de especificaciones Microcontrolador Microchip® PIC16F628A Fuente: - 69 - http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40044G.pdf Puente H L293D STMicroelectronics® Fuente: - 70 - http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000059.pdf - 71 - C.I. puente H matrícula L298 STMicroelectronics® Fuente: http://www.st.com/web/en/catalog/sense_poer/FM142/CL851/SC1790/SS1555/PF63147 - 72 - Micromotores Pololu® Micromotor de la plataforma móvil (relación 100:1) y del gripper (248:1) Fuente: http://www.pololu.com/category/60/micro-metal-gearmotors - 73 - Motores 37D mm Pololu® Motor 37D mm para la base rotativa (relación 67:1) y el elevador (relación 100:1) Fuente: http://www.pololu.com/category/116/37d-mm-gearmotors - 74 - Impresora 3D MakerBot® Replicator ™ 2 Fuente: https://store.makerbot.com/replicator - 75 - Sinfín-corona catálogo Martin® Fuente: http://www.martinsprocket.com/docs/default-source/catalog-gears/engranes-martin-(martin-gears).pdf - 76 - Tubo cuadrado CUPRUM® Fuente: http://www.metalesdiaz.com/Productos/aluminio_perfil - 77 - Ángulo CUPRUM® Fuente: http://www.metalesdiaz.com/Productos/aluminio_perfil - 78 - Canal CUPRUM® Fuente: http://www.metalesdiaz.com/Productos/aluminio_perfil - 79 - Aluminio 6061-T6 Fuente: http://www.methode.com/Documents/TechnicalLibrary/Extrudable_Aluminum_Alloys.pdf - 80 - Aluminio 6063-T5 Fuente: http://www.methode.com/Documents/TechnicalLibrary/Extrudable_Aluminum_Alloys.pdf - 81 - Acero AISI-SAE 1018 (UNS G10180) 1. Descripción: Este acero de bajo - medio carbono tiene buena soldabilidad y ligeramente mejor maquinabilidad que los aceros con grados menores de carbono. Se presenta en condición de calibrado (acabado en frío). Debido a su alta tenacidad y baja resistencia mecánica es adecuado para componentes de maquinaria. 2. Normas involucradas: ASTM A 108 3. Propiedades mecánicas: Dureza 126 HB (71 HRb) Esfuerzo de fluencia 370 MPa (53700 PSI) Esfuerzo máximo 440 MPa (63800 PSI) Elongación máxima 15% (en 50 mm) Reducción de área 40% Módulo de elasticidad 205 GPa (29700 KSI) Maquinabilidad 76% (AISI 1212 = 100%) 4. Propiedades físicas: Densidad 7.87 g/cm3 (0.284 lb/in3) 5. Propiedades químicas: 0.15 – 0.20 % C 0.60 – 0.90 % Mn 0.04 % P máx 0.05 % S máx 5. Usos: Se utiliza en operaciones de deformación plástica como remachado y extrusión. Se utiliza también en componentes de maquinaria debido a su facilidad para conformarlo y soldarlo. Piezas típicas son los pines, cuñas, remaches, rodillos, piñones, pasadores, tornillos y aplicaciones de lámina NOTA: Los valores expresados en las propiedades mecánicas y físicas corresponden a los valores promedio que se espera cumple el material. Tales valores son para orientar a aquella persona que debe diseñar o construir algún componente o estructura pero en ningún momento se deben considerar como valores estrictamente exactos para su uso en el diseño. Fuente: http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201018.pdf - 82 - Módulo de comunicación Bluetooth HC-05 Hardware features Typical -80dBm sensitivity. Up to +4dBm RF transmit power. Low Power 1.8V Operation,1.8 to 3.6V I/O. PIO control. UART interface with programmable baud rate. With integrated antenna. With edge connector. Software features Default Baud rate: 38400. Data bits: 8. Stop bit: 1. Parity: No parity. Data control: has. Supported baud rate: 9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800. Given a rising pulse in PIO0, device will be disconnected. Status instruction port PIO1: low-disconnected, high-connected. PIO10 and PIO11 can be connected to red and blue led separately. When master and slave are paired, red and blue led blinks 1time/2s in interval, while disconnected only blue led blinks 2times/s. Auto-connect to the last device on power as default. Permit pairing device to connect as default. Auto-pairing PINCODE:”0000” as default. Auto-reconnect in 30 min when disconnected as a result of beyond the range of connection. Fuente: http://biblioteca.geekfactory.mx/Bluetooth_Bee_Pro/datasheet_hc-05.pdf - 83 - Circuito integrado FTDI Fuente: http://www.ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT232R.pdf - 84 - Interruptor Óptico de ranura H21A1/2/3 Fuente: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/52736/FAIRCHILD/H21A.html - 85 - Anexo B: Hojas de diseño - 86 -
