1 diseño de un sistema de medición y de administración de una

DISEÑO DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN Y DE ADMINISTRACIÓN DE UNA
MÁQUINA PARA REALIZACIÓN DE ESFUERZOS MECÁNICOS CON BASE
EN NORMAS INTERNACIONALES DE LA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA – CALI
Diego Fernando Escobar
Aspirante al título de: Ingeniero Electrónico
E-mail: diego_fdo_escobar@hotmail.com
William Antonio Sanchez
Aspirante al título de: Ingeniero Electrónico
E-mail: wsanchez99@hotmail.com
Jaime Aguilar
Ingeniero Eléctrico
Director de Tesis
jaguilar@puj.edu.co
Este trabajo presenta el diseño y la construcción del sistema de instrumentación y
medida de un equipo electromecánico que permite determinar las características
mecánicas de los materiales. El diseño permite la administración de datos mediante
medidas indirectas con sensores de corriente para medir el esfuerzo y sensores ópticos
de gran resolución que garantizan el cumplimiento de las normas ASTM para medir la
deformación de los materiales. El sistema esta en la capacidad de medir en un solo
equipo cuatro tipos de prueba que las máquinas existentes no poseen, tracción,
compresión, flexión y torsión.
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This project shows the design and the construction of a measurement machine and
electronic equipment that allows the discovery of the main mechanic characteristics of
metallic materials. The Design also allows the administration of the data through
indirect measurements with electrical current measurement to measure stress and with
optic sensors to measure strength with high resolution which guarantee fulfillment of
the ASTM standards. The system has the capability to measure in just one equipment
four of the most important tests that the current machines do not have, these are torsion,
compression, tension and Flexion.
Key words: ASTM, Tensión, Compresión, Torsión,AMRF, CNE and FMS
1
INTRODUCCIÓN
Las pruebas mecánicas de resistencias de materiales son un procedimiento cotidiano
para verificar la calidad de los materiales utilizados en la industria, mientras que en los
centros académicos son un elemento indispensable para la caracterización de los
materiales y el análisis de comportamientos bajo ciertos requerimientos de carga. Las
pruebas que regularmente se aplican para la caracterización mecánica de materiales son:
tracción, compresión, flexión y torsión.
El Grupo de Automática y Robótica de la Pontificia Universidad Javeriana Cali ha
trabajado en el modelamiento de sistemas mecánicos y en procesos de instrumentación
y medición indirecta anteriormente, utilizando para la determinación de la fuerza la
medición de corriente en motores de inducción de Corriente Alterna. En el presente
trabajo se realiza la determinación de la fuerza aplicada a la probeta bajo ensayo a partir
de la medición de corriente de un motor de corriente continua, que es el elemento
actuador de la máquina y para la determinación de la deformación, variable que se
utiliza para la caracterización del material sometido a prueba, se utilizan instrumentos
ópticos de alta resolución que garantizan el cumplimiento de la normas ASTM: E74-91,
E83-90 y E-689 que están referidas tanto a la selección de sensores de fuerza y de
deformación como a la caracterización de la prueba respectivamente.
Para la administración del sistema de manera interna en el control del sistema mecánico
y de medida, como para la comunicación hacia el exterior con un computador, se ha
utilizado un sistema con un Procesador Digital de Señales, el DSP56F807 de
MOTOROLA, el cual brinda una alta capacidad de manejo de periféricos en un solo
sistema.
Esta característica permite que no haya necesidad de utilizar hardware
2
adicional para los procesos de conversión y comunicación que se requieren en este
sistema de medición.
El sistema electrónico implementado utiliza sensores de efecto Hall para la medición de
corriente en el motor y presenta un diseño de administración de la medida que posibilita
la medición en varias escalas de los esfuerzos mecánicos. Esta última propiedad es de
gran importancia en el ámbito académico puesto que permite la exploración de nuevos
materiales bajo sistemas de medición que estén acordes a sus necesidades. A su vez, el
sistema electrónico que se ha implementado permite la visualización local de resultados
mediante una graficación de la respuesta, en la forma de esfuerzo vs. deformación, en
un Despliegue de Cristal Líquido (LCD) que se encuentra en el panel de control de la
máquina.
3
1. DESCRIPCION DE LAS PRUEBAS MECANICAS Y LAS NORMAS ASTM
QUE RIGEN LAS PRUEBAS MECANICAS DE MATERIALES
Las pruebas que realiza la máquina se rigen bajo las siguientes formulas, las cuales
modelan el comportamiento del material sometido a ensayo. Para las pruebas de
tensión, compresión y flexión se tiene:
F
A
∆L
ε=
L
σ=
Donde,
σ : Esfuerzo
ε : Deformación
F : Fuerza
A : Area
∆L : Variación _ de _ longitud
Lo : Longitud _ inicial
Y para la prueba de torsión se tiene:
γ =
θ ×r
L
16τ
G= 3
πd
Donde,
γ : Deformación _ Angular
θ : Desplazamiento _ Angular
r : Radio
L : Longitud
G : Esfuerzo _ cor tan te _ Máximo
τ : Torque
d : Diámetro
4
1.1 PRUEBA DE COMPRESION
La prueba de compresión permite determinar la resistencia de materiales ante una fuerza
de compresión. La figura 1 ilustra la prueba, donde las flechas indican el sentido de la
fuerza aplicada.
Figura 1. Comportamiento de la prueba de Compresión
Fuente Ing. Joaquín Díaz
1.2 PRUEBA DE TENSION
La prueba de tensión permitirá detectar la resistencia a la tracción de los materiales. La
figura 2 ilustra la prueba donde las flechas P indican el sentido de la fuerza aplicada por
el sistema mecánico.
Figura 2. Comportamiento de la prueba de Tensión
Fuente. Ing. Joaquín Díaz
5
1.3 PRUEBA DE FLEXION
Permite determinar la resistencia de los materiales ante una fuerza puntual que genera
una flexión en el material. La figura 3 ilustra la prueba de flexión, donde la flecha indica
el sentido en que se aplica la carga a la probeta.
Figura 3. Comportamiento de la Prueba de Flexión
Fuente. Ing. Joaquín Díaz
1.4 PRUEBA DE TORSION
La prueba de torsión permite determinar la resistencia de materiales ante una fuerza
rotacional, no es una prueba tan común como las anteriormente mencionadas pero de
igual forma es importante al momento de realizar diseños de cargas sobre estructuras.
La siguiente figura describe la prueba, donde las flechas describen el sentido en que se
aplican las cargas para someter una probeta a la prueba de torsión.
Figura 4. Comportamiento de la Prueba de Torsión
Fuente. Ing. Joaquín Díaz
6
1.5 NORMAS QUE RIGEN LAS PRUEBAS MECANICAS
El proyecto se ajusta a las normas ASTM (American Society for Testing Materials) ya
que estas son las comúnmente utilizadas para regular la realización de la pruebas
mecánicas. Además de especificar estándares en cuanto a dimensionamiento, también
regula los métodos y los procedimientos analíticos de cada una de las pruebas. Las
principales normas para el desarrollo de pruebas en materiales metálicos contempladas
se muestran en la tabla 1.
PRUEBA
NORMA
NOMBRE
General
A370-90
Métodos estándares para pruebas de aceros
Tensión
B557-84
Métodos para la prueba de tensión en aluminio
fundido y aleaciones de magnesio
Puntos que marcan la
mecánica de cada material
característica E6-89
Términos estándares relacionados con pruebas
mecánicas
Tensión
E8-90 A
Métodos estándares para la prueba de tensión
en materiales metálicos
Compresión
E9-89ª
Métodos estándares para la prueba
compresión en materiales metálicos
Selección de sensores
E74-91
Prácticas estándares para la calibración de
instrumentos medidores de fuerza
Selección de sensores
E83-90
Prácticas estándares para la verificación y
clasificación de extensómetros
Torsión
E143-87
Métodos estándares para el módulo de torsión.
Flexión
E855-90
Métodos estándares para la prueba de flexión
de metales planos con cargas estáticas.
de
Tabla 1. Pruebas ASTM utilizadas
Fuente: Annual book of ASTM Standards
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2 ESQUEMA GENERAL DEL PROYECTO
En la figura 5 se ilustra el esquema general del proyecto.
ENTRADA A.C
MÓDULO DE
POTENCIA
+
MÓDULO DE
COMUNICACION
-
MÓDULO DE
ALARMAS Y
PARADA DE
EMERGENCIA
MÓDULO DE CONTROL
DEL SISTEMA
-
MÓDULO DE
INTERFAZ CON
EL USUARIO
MÓDULO DE
MEDIDA
FUENTES DE ALIMENTACIÓN
SEÑALES DE CONTROL
Figura 5. Esquema General del Sistema
Fuente. Los autores
2.1. MODULO DE MEDIDA
Es el módulo encargado de la toma de muestras representativas de fuerza y
desplazamiento en el momento que el sistema se encuentre realizando una prueba de
materiales. Estas medidas son las que posibilitan caracterizar el comportamiento de los
materiales sometidos a esfuerzos. A pesar de que el sistema muestra el comportamiento
de los materiales ante pruebas mecánicas, el sistema solo necesita conocer dos variables
físicas para determinar estos comportamientos. Estas variables son F (Fuerza o Carga) y
D (Desplazamiento).
Con base en el modelamiento realizado por el grupo de control del sistema1 se obtiene
la siguiente fórmula que caracteriza la fuerza aplicada directamente sobre la probeta en
el momento de realizar una prueba de tensión, compresión o flexión.
1
Sistema de Control Digital para un Motor DC de la Máquina de Esfuerzos de Materiales. Autores
Carlos Salguero y Rosana Llinás
8
F = 17143
N
×I
A
Donde I es la corriente de armadura obtenida con las lecturas del sensor de efecto hall.
Para los materiales que son sometidos a pruebas de torsión y con base en el
modelamiento realizado por el grupo de control2 se obtiene la siguiente fórmula que
representa el torque que se aplica directamente sobre la probeta cuando es sometida a
una prueba de torsión.
τ = 42.79
N
×I
A
Donde I es la corriente de armadura tomada de las lecturas del sensor de efecto hall.
2.2. MODULO DE POTENCIA
Este módulo suministra la alimentación de voltaje y corriente DC al sistema, para esto
se diseñaron tres fuentes de alimentación de 1.5 amperios cada una. Las tres fuentes son
de +5, +15 y -15 voltios
2.3. MODULO DE CONTROL DEL SISTEMA
Este módulo se encuentra dividido en el subsistema hardware y el subsistema software.
El subsistema hardware hace referencia al sistema de desarrollo que tiene como
plataforma el DSP 56F807 de Motorola, el subsistema software se refiere a todos los
módulos de programación que están encargados del proceso de recepción y envío de las
señales lógicas hacia los módulos hardware para realizar tareas específicas.
2
Sistema de Control Digital para un Motor DC de la Máquina de Esfuerzos de Materiales. Autores
Carlos Salguero y Rosana Llinás
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2.4. MODULO DE COMUNICACIONES
Esta etapa le permite al sistema comunicarse con un PC para almacenar en una base
de datos los resultados de la prueba y además presentar un reporte para el usuario. Por
otra parte se comunica con el módulo de hardware que permite que el motor presente
movimiento ya sea para ajustar las probetas ó para iniciar una prueba.
2.5. MODULO DE INTERFAZ CON EL USUARIO
Este módulo permite que el usuario interactué con el sistema mediante un teclado y una
pantalla de cristal liquido, es mediante este módulo que el sistema inicia tareas para
realizar una prueba especificada por el usuario.
2.6. MODULO DE ALARMAS Y PARADA DE EMERGENCIA
Es la etapa encargada de generar señales de alarma a partir de interruptores colocados
estratégicamente en la máquina que mediante un circuito acondicionador de señales le
informa al sistema de control que ha ocurrido una alarma. Las señales son atendidas por
el subsistema software que se encarga de tomar decisiones adecuadas para un correcto
funcionamiento de la máquina.
3. DESCRIPCION DEL SOFTWARE DEL SISTEMA
La figura 6 muestra el módulo software de todo el sistema
Figura 6. Modularización del Software del Sistema
Fuente. Los Autores
10
3.1 SISTEMA DSP
Los lenguajes de programación escogidos para la implementación fueron:
•
Lenguaje Ensamblador
•
Lenguaje C
El sistema hardware DSP provee periféricos y hardware adicional de fácil
programación, entre los que se encuentra:
•
Memorias Flash y Sram
•
PWM
•
4 canales multiplexados
de conversión análoga digital con 12 bits de
resolución
•
2 decodificadores de cuadratura
•
4 timers de propósito general
•
2 interfaces de comunicación serial SCI
•
1 interfaz de comunicación SPI
•
2 interrupciones externas
•
Watch dog timer
En la figura 7 muestra el sistema DSP con sus periféricos que son utilizados en el
desarrollo del proyecto y requieren de rutinas de manejo implementadas a nivel de
software dentro del DSP.
11
GPIO
Sensor de
Corriente
Interface de
acondicionamiento
Sensor
desplazamiento lineal
QD
4
datos
A/D
Comunicación uc
motor DC
IRQB
GPIO
control
6
GPIO
datos
8
Sensor
desplazamiento
rotacional
LCD
QD
IRQA
2
PC
Interface
RS-232
SCI
Teclado
Alfanúmerico
GPIO
SCI
8
2
Tarjeta de
Red
Figura 7. Diagrama de Bloques de los periféricos utilizados en el Proyecto
Fuente. Los Autores
3.2 SOFTWARE DE INTERFAZ
Con el objetivo de presentar al usuario mayor detalle de cada una de las pruebas se ha
desarrollado una interfaz que permita visualizar los resultados de los ensayos además de
presentar en formato texto los puntos relevantes en una prueba mecánica.
El desarrollo de la interfaz que muestra al usuario un entorno amigable donde puede
acceder a los resultados de las pruebas se implementó utilizando la interfase de
programación Visual Studio® de Microsoft. Para este desarrollo se manejó los
siguientes aspectos:
•
Manejo de Bases de Datos
•
Diseño de interfaz
•
Transmisión serial
El programa para la máquina universal de ensayos fue realizado con el propósito de
almacenar información en una base de datos acerca del resultado de las pruebas
mecánicas de los materiales. El software utilizado para manejar la base de datos fue
Microsoft Access®. Además el software del proyecto permite mostrar la gráfica y los
puntos de interés acerca del comportamiento de los materiales, por otra parte tiene la
posibilidad de generar e imprimir reportes de los resultados.
12
CONCLUSIONES
A través de este proyecto se ha verificado la utilidad de la medición indirecta de fuerzas
en un sistema electromecánico mediante la determinación de la corriente aplicada al
motor, debido a que se obtuvieron resultados esperados de comportamiento del material
sometido a ensayo utilizando las ecuaciones obtenidas por el modelo matemático
realizado por el grupo de control del motor y comparándolos con los datos
suministrados por algunos textos especializados3.
El proyecto ha permitido validar la importancia del uso de procesadores digitales de
señal para labores de administración y control que permiten optimizar el uso del
hardware del sistema. La selección de este sistema se baso principalmente en la rapidez
del procesador, la facilidad de acople a los sensores de medida, las interfaces de
comunicación y la escalabilidad que el sistema permite. Además, el sistema DSP
permite manejar la administración y medición de la máquina universal de manera
centralizada facilitando el diagnóstico y corrección de errores.
Se ha flexibilizado el uso de las máquinas de esfuerzo dada las capacidad de medición
útil para la caracterización de nuevos materiales.
Se ha logrado diseñar e implementar un proyecto innovador ha nivel de ingeniería en
todos los aspectos desde el diseño, construcción y operación.
3
Mecánica de Sólidos, Lardner T.J Archer R.R
13
Dada las características de este proyecto, la universidad brindo total apoyo para su
diseño e implementación viendo en este una posibilidad de mejorar los distintos
laboratorios que los estudiantes realizan con este tipo de Máquinas.
Se logra la implementación de un sistema de medición a materiales sometidos a ensayo
cumpliendo con las normas y estándares internacionales que garantizan la precisión en
la medida y regulan este tipo de procedimientos. Los resultados de los ensayos son
presentados a los usuarios en un formato donde se le indican cuantitativamente el
diámetro inicial de la probeta, longitud entre marcas, módulo de elasticidad, longitud
final, velocidad de la prueba, área de la sección transversal, punto de fluencia, punto de
ruptura, el esfuerzo máximo y la gráfica que caracteriza el material.
REFERENCIAS
[1] LARDNER, T.J; ARCHER, R.R.. Mecánica de sólidos. México: McGraw Hill.
1996.
[2] SANJUÁN, Rubio. Compendio de resistencia de Materiales. Barcelona Madrid.
Editorial Labor S.A. Cuarta edición.
[3] RODRÍGUEZ, Fernando, AZCUNAGA, Avial. Construcciones Metalicas.
Patronato de Publicaciones de la escuela de Ingenieros Industriales. Cuarta edición
Ampliada. 1958.
[4] MALONEY, Timothy. Electrónica Industrial Moderna. Prentice Hall, Tercera
Edición. 1997.
[5] SAVANT, C. J y otros. Diseño Electrónico. Addison Wesley Iberoamericana,
Segunda Edición. 1992.
[6] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARS. Metals Test Methods and Analytical
Procedures volume 3.01.1991
[7] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARS. Métodos estándares para pruebas de
acero, norma A370-90
14
[8] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARS. Métodos para la prueba de tensión en
aluminio fundido y aleaciones de magnesio, norma B557-84.
[9] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARS. Términos estándares relacionados con
pruebas mecánicas. Norma E6-89.
[10] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARS. Métodos estándares para la prueba de
tensión en materiales metálicos. Norma E8-90A.
[11] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARS. Métodos estándares para la prueba de
compresión en materiales metálicos. Norma E9-89A.
[12] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARS.
Prácticas estándares para la
calibración de instrumentos medidores de fuerza. Norma E74-91.
[13] ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARS.
Prácticas estándares para la
verificación y clasificación de extensómetros. Norma E83-90.
[14] Microsoft Press. Manual del Programador Microsoft Visual Basic 5. España:
McGraw Hill. 1998
[15] RESELMAN, Bob; PEASLEY, Richard; PRUNCHNIAK, Wayne.Descubre Visual
basic 6.
[16] User’s Manual.DSP 56f807
[17] ALVIZ, Juan Carlos. JARAMILLO, Leonardo. Automatización en la medición de
un frenómetro para vehículos ligeros. 2000
[18] SEARS, Francis W. ZEMASKY, Mark W. Física general. Editorial Aguilar, cuarta
edición 1957
[19] SELLY, Fred B. SMITH, James O. Resistencia de materiales. Editorial
hispanoamericana cuarta edición 1963
[20] PALLAS, Areny, Ramón. Sensores y acondicionadores de señal 3 edición
[21] BUDEN, Richard L. Análisis Numérico 1998
[22] NAKAMURA, Shoichiro. Métodos Numéricos aplicados con software 1992
[23] HORENSTEIN, Mark N. Microelectrónica Circuitos y dispositivos segunda
edición
[24] GOTTFRIED, Byron, S. Programacion en C McGraw-Hill
15
[25] DEITEL,H.M.,DEITEL P.J.Como programar en C++. Prentice may
Hispanoamericana.México
Páginas de Internet:
URL:htpp://www.cadsoft.de/
URL:http://www.gurley.com
URL:http://www.honeywell.com/sensing
URL:http://www.controlantything.com/
URL:http://www.metrowers.com/
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