Construcción e implementación de un sistema de control para el corte laser de plantillas para pie diabético Jose Heriberto Alvarez Cuta¹ Ingeniería en control Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas “Facultad Tecnológica” Abstract--- En este trabajo se muestra la revisión del estado del arte de la implementación de procesos de corte con tecnología láser, los tipos de tecnología que operan en las maquinas automatizadas, sus parámetros de operación, así como el tipo de programación que establecen la comunicación e interpretación de comandos entre el PC y los drivers de los actuadores, luego se define pie diabético, y como las plantillas diseñadas por el sistema de control, contribuyen al cuidado y prevención de cortaduras o llagas en los pies para los pacientes con esta patología Palabras claves-- Corte Láser, Control Numérico Computarizado CAD/CAM, Plantillas, Pie diabético, Presión plantar 1. INTRODUCCIÓN El corte de materiales para la fabricación de prendas, calzado y demás materiales indispensables en la industria, se ha caracterizado por ser de tipo manual, en principio la utilización de un molde y luego un trazo sobre el material, era la forma de fabricación de plantillas más adecuada, inicialmente los cortes de material se dieron mediante las cuchillas, tijeras y demás herramientas de accionamiento manual o mecánico, por lo tanto la tecnología que se visualizaba para el corte y la fabricación eran de cortadoras que mediante un proceso secuencial y automático, lograban dar forma a muchos objetos dando paso a las plantillas para calzado, que tenían como único objetivo evitar cortaduras en el pie con las costuras internas del calzado, en contraste la aparición del láser y sus ventajas para realizar cortes en varios materiales, así como las demás funciones que se pueden llegar a realizar, se convierten en un camino viable para la fabricación de plantillas, a partir de sus características, como los avances tecnológicos, por consiguiente aparecen las maquinas CNC (control numérico computarizado), que cumplen varias funciones con esta herramienta, corte, grabado de piezas y demás procesos de control que están conformados por ejes de trayectorias lineales, en los cuales se tiene libre desplazamiento en el plano de dos dimensiones X,Y. Dentro de la investigación de las formas de contribuir a la detección de la presión plantar, existen varias tecnologías, las cuales tienen como función principal obtener datos reales de la presión plantar, para posteriormente diseñar una plantilla acorde con las necesidades pertinentes del paciente. [1] [9] 2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE PROTOTIPOS CON SISTEMAS CONTROLADOS, PARA EL DEZPLAZAMIENTO LIBRE EN UN PLANO MEDIANTE EJES LINEALES En cuanto a aplicaciones implementadas se toma como referencia un control de posición en lazo cerrado a una máquina de tres grados de libertad (X, Y, Z), también llamadas mesas posicionadoras este prototipo tiene como función ubicar una herramienta para determinado trabajo que se desea ejecutar, como perforación, corte o grabado de piezas, el control de posicionamiento de la herramienta se hace mediante Control Numérico Computarizado, este sistema se realiza mediante una tarjeta de adquisición, un PC para la adquisición de datos y el sistema cuenta con realimentación para tener mejor respuesta y disminuir el error, luego de enviar los comandos hacia el sistema, se realiza un acondicionamiento de la señal y luego pasa por el driver que es quien opera sobre el motor paso a paso, a su vez este cuenta con un encoder que permite saber cuánto fue el desplazamiento con respecto a su giro, y así corregir la posición de la herramienta dentro de la mesa [2]. movimientos lineales y la plataforma de trabajo (5) Fig. 2. Prototipo tomado de [2] Componentes de un sistema de control en una máquina CNC (control numérico computarizado), donde es relevante una tarjeta madre con sistema operativo Linux [2]. Fig. 2. Diagrama de bloques de la Estructura física del sistema [2] Fig. 1. Esquema del proyecto tomado de [2] A continuación se muestra el prototipo desarrollado para el sistema de posicionamiento con sus respectivos soportes para los motores paso a paso (1, 2, 3) y el soporte para la herramienta (4), así como los ejes para generar los Por lo tanto el objetivo principal es obtener procesos bastante rápidos y en tiempo real, permitiendo precisión en los movimientos y calidad en el corte, la tarjeta debe establecer una comunicación robusta en tiempo real con el sistema y debe almacenar diseños, también generar los comandos para los driver de los motores y cuenta con una interfaz para la correspondiente interacción (Humanomaquina). 3. MAQUINAS CNC Las maquinas CNC (Control Numérico Computarizado), poseen una característica de control entre las herramientas y la máquina, desde un computador u ordenador y mediante el control numérico, como se encuentran basados en el código G estos controladores, son bastante utilizados para la generación de trayectorias; Luego es indispensable la realización de diseños mediante programas CAD o DXL, los cuales se utilizan para la conversión final en archivos en código G mediante el software CAM [4] [8]. Fig. Diseño de piezas para el corte, archivo tipo CAD [8] Las máquinas CNC se caracterizan por su precisión de movimiento, por lo tanto los prototipos que se encuentran en el mercado permiten estimar velocidades de operación de 356mm/min hasta 60000mm/min, depende de las condiciones de trabajo, por ende se deben especificar los parámetros específicos de la máquina, como velocidades máximas y mínimas, aceleraciones del motor, características mecánicas de la máquina, área de trabajo, entre otras Las ventajas de éstas, consta en la generación de trayectorias de algún grado de dificultad, en tiempo real, los datos de la generación están conformados por datos de velocidad, aceleración y las coordenadas de posición. Este tipo de máquinas deben tener control de la intensidad del láser, se realiza mediante el software CAM [8] Una maquina CNC se divide en tres partes: Procesador: Es necesario trabajar con un sistema operativo, encargado de realizar todos los cálculos de las trayectorias Tarjeta PCI de alta velocidad: mediante la comunicación establecida con el procesador debe controlar los driver de los actuadores, se encarga de comandos Máquina Herramienta: esta determina la aplicación a desempeñar, que para el caso es la cortadora laser Para la precisión en el movimiento dentro de las trayectorias, es indispensable establecer el motor que se desea utilizar, dentro de estas aplicaciones para mantener precisión considerable como de un paso menor a un grado, se tienen los MPP de reluctancia variable y los MPP de imán permanente Fig. Motor Paso a Paso tomado de [3] Como se mencionaba anteriormente las maquinas CNC deben contar con un sistema operativo de características específicas para permitir que el sistema ejecute las tareas en Tiempo Real, por tanto el Sistema Operativo (SO) de TR posee los siguientes requisitos: Determinismo: operaciones en Realización de instantes fijos y predeterminados, correspondientes en los intervalos Sensibilidad: cantidad de tiempo que el SO consume en reconocer una nueva interrupción Control de usuario: Prioridad por procesos en particular Fiabilidad: El control de sucesos que se están produciendo a igual velocidad Tolerancia de fallos: corrección y minimización de fallos antes de continuar con la ejecución [3] Para la óptima comunicación entre el procesador y los drivers de los actuadores, es necesario el uso de las Tarjetas PCI (Interconexión de Componentes Periféricos) Fig. Tarjeta Bus PCI, tomada de [3] Fundamentadas en el protocolo de comunicación Bus PCI, cuenta con un puerto paralelo y un puerto de patillas, donde se conectan los drivers de los sensores, actuadores y el láser, su transmisión es síncrona, para cumplir con las tareas o funciones en Tiempo Real.[3] 4. LÁSER, TIPOS Y SISTEMAS DE CORTE Es un elemento que a partir de la radiación estimulada de energía eléctrica, realiza incidencia en forma de átomos sobre partículas que se encuentran en excitación, desplazándolas hasta el punto de operación. [11] Dentro de las tecnologías asociadas a la producción, corte y grabado de piezas, los sistemas de tecnología láser muestran versatilidad para la relación máquina y herramienta, haciendo uso de sistemas automatizados, realizando el control sobre este tipo de máquinas, y permitiendo que dentro de las características de los prototipos, se ajusten las condiciones de operación, regulando el grabado de la pieza o el corte de la misma. [12] Es clave la definición de los colores que se encuentran presentes en el rayo láser, el color rojo se considera como el factor de distancia, esto se refiere a el alcance que posee el rayo láser, mientras el color violeta se interpreta como el nivel de energía que tiene dicho elemento, dentro de las aplicaciones se refieren tres tipos de laser que se convierten en los más utilizados en estas aplicaciones. [9] Los tipos de Laser se caracterizan por el medio activo, rango espectral de la longitud del rayo, forma de excitación, número de niveles de energía y características de la radiación emitida Laser Gaseoso son bastante utilizados y se caracterizan por la facilidad de manipulación, además el láser es diseñado según su aplicación y deben contar con renovación de gas si su potencia supera los 50W, también es relevante definir la dirección de flujo para el correcto funcionamiento; El láser de CO2, se caracteriza por su variada gama de potencias hasta los 10KW, se bombea energía que excita las moléculas de N2 y la molécula de CO2 alcanza un nivel superior, consiguiendo la transmisión del fotón.[11] El corte laser se define como la extracción de material por medio de la vaporización del mismo a lo largo de toda la zona de operación. [11] A continuación se muestra una tabla donde se especifican las aplicaciones del láser de CO2 con respecto a materiales no metálicos Fig. Corte Laser, tomada de [8] El sistema de corte y grabado laser se conforma por un haz o rayo láser, un lente o acoplamiento de focalización, un circuito amplificador de corriente y un flujo de gas dependiendo del tipo de laser que se desea utilizar; Para realizar el corte mediante el rayo láser, este se sitúa de forma perpendicular al plano de trabajo, así realiza la incidencia del rayo sobre el punto de corte o grabado, y hace posible la regulación de la intensidad, además se debe tener en cuenta el tipo de material a cortar, por lo tanto es necesario conocer el material y su espesor [6] Las ventajas resultantes de estas implementaciones es el no contacto de la herramienta con el material en el momento de operación, mayor velocidad en el proceso, reducción de costos a futuros Fig. Prototipo de cortadora láser, planos de corte y modelo constructivo, tomado de [4] Fig. Aplicaciones Láser CO2, tomada de [11] Algunas aplicaciones de corte láser además permiten el corte sobre materiales de mayor robustez, como aluminios, aceros inoxidables, entre otros tipos de metales [6]; por lo tanto estos sistemas se caracterizan inicialmente por contar con un instructivo o manual de usuario para evitar mal funcionamiento y daños a la maquinaria o al operario [7]. 5. SISTEMAS CAD/CAM SIMULADORES CNC Y Dentro de la composición del sistema, también es relevante la determinación de cómo será el comportamiento del sistema al momento de operación, para esto se utiliza herramientas computacionales, que permiten determinar el router o posibles trayectorias por donde se efectuara el corte o grabado de la pieza. [10] Iniciando desde la determinación de los puntos de inicio o puntos “0” para la herramienta, para la máquina y para la pieza, los cuales determinan la zona de operación dentro del plano de trabajo, definiendo los puntos de inicio y los límites de seguridad dentro de él, esto con el objetivo de evitar los códigos errados que determinan puntos fuera del rango de operación, también el home que determina el punto de inicio de la herramienta con respecto a la distancia a la que inicia la herramienta (láser) de la pieza. [10] Programación de control numérico Programas de robots industriales Diseño de matrices y moldes para fundición Diseño de matrices complejas Diseño de herramientas Control de calidad e inspección Planificación y programación del proceso Distribución en planta No obstante, con estos sistemas se tiene la posibilidad de simular el corte o grabado de la pieza, por tanto hace que el operario conozca el previo comportamiento de la herramienta y sus trayectorias establecidas para realizar el trabajo, contribuyendo a la verificación de las operaciones y permitiendo ajustes antes del momento de ejecución sobre el material. 6. FINALIDAD Y APLICACIONES DE MAQUINAS CNC Comúnmente se desarrollan sistemas que satisfacen el diseño y la realización de piezas para áreas de trabajo o investigación, que deben cumplir con medidas de alta precisión y prototipos o productos de calidad, de allí su auge dentro de la producción masiva de productos en la industria, incursionando en la producción de micro productos. [13, 14] Fig. Puntos de origen en la zona de trabajo, tomado de [10] La funcionabilidad de estos sistemas CAD/CAM también permiten la incursión de operaciones en algunas aplicaciones muy similares dentro del campo industrial y de automatización, dentro de ellas: Fig. Ejemplo de versatilidad de la herramienta [13] Por lo tanto el corte laser cuenta con variedad de aplicaciones, aunque la finalidad asociada con la producción de prototipos o de accesorios que contribuyen a la prevención de problemas de salud y mejoramiento de la calidad de vida de personas con enfermedades degenerativas, no contempla un porcentaje considerable, si es considerada una herramienta indispensable para la innovación en el área de bioingeniería. PIE DIABÉTICO REFERENCIAS [1]. Posada, J., & Fuentes, N. (2010). Fabricación y automatización de una máquina para cortar cajas de cartón con PLC, 84. [2]. Ángel, L., Coll, M. M., & Jerez, C. a. (2012). Control En Lazo Cerrado De Una Mesa Posicionadora De Tres Grados De Libertad, 11. [3]. Arpi, J., Cabrera, D. (2013). Implementación de un sistema de control para una máquina CNC láser, 146. Se relaciona con síndromes en los que la presencia de neuropatía la cual consta en una complicación micro vascular, esta hace que la persona pierda sensibilidad en sus pies y presente heridas sin saberlo en planta de sus pies, también se presentan infecciones que causan ulceraciones en los pies, debido al adormecimiento de los miembros, estos síntomas son presentes en personas que recientemente son diagnosticados como diabéticos [4]. García Alvarado, Fabricación digital constructivos: análisis procesos. Revista Ingeniería-Universidad (59), 145–157. Cuando la enfermedad avanza las personas pueden presentar deformidades en sus pies y presión plantar anormal, la cual hace que las heridas sigan empeorando [7]. Chávez Vega, S. (2014). Manual de operación y seguridad, para efectividad y calidad en el corte Laser, 56. Las heridas o ulceras en los pies para estas personas puede ser evitada, aplicando una estrategia de cuidado, por lo tanto es necesario el uso de un calzado apropiado para que la presión plantar no se vea afectada R. (2011). de modelos de equipos y Facultad De De Antioquia, [5]. Gabriel, I., & Bertel, P. (2007). Diseño y construcción de una prótesis de miembro superior, 103. [6]. Wesco. (2015). Tecnología del corte laser para chapa metálica,4 [8]. Cote, E. (2011). Instrucciones de operación cortadora laser, 28. [9]. Arrellano Beltrán, J. C. (2011). Automatización de maquina cortadora de latón para forja utilizando un PLC para la fábrica ESACONTROL, 113. [10]. López Martínez, A. Fabricación Industrial, 239. (2013). [11]. Castañeda, D., & Rayo, H. (2007). Emulador para corte de papel con sistema laser, 122. [12]. Flores Camacho, E. R., & Sandoval Tovar, J. A. (2012). 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