Sirp motores de corriente continua afg
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Este documento describe actuadores utilizados en robótica, específicamente motores de corriente continua. Explica que los actuadores convierten órdenes en acciones mediante la conversión de energía. Describe los componentes básicos de un actuador y clasifica los actuadores según el tipo de energía utilizada. Luego, se enfoca en los motores de corriente continua, su uso común en robótica debido a su facilidad de control, y cómo se pueden usar cajas reductoras y engranajes para modificar su velocidad y torque. Finalmente,
Sirp motores de corriente continua afg
- 1. ACTUADORES EN ROBÓTICA Grupo SIRP (Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción) Departamento de Electrónica – Pontificia Universidad Javeriana – Bogotá Contacto: velasco-a@javeriana.edu.co, gruposirp@gmail.com
- 2. INTRODUCCIÓN Las actividades que se presentarán a través de este medio, son desarrolladas por el grupo de investigación Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción -SIRP- del Departamento de Electrónica de la Pontificia Universidad Javeriana. El objetivo principal del proyecto que se realiza en conjunto con la Fundación Telefónica es acercar a los usuarios a la robótica a través de prácticas sencillas que se puedan replicar. Este proyecto está dirigido a todas las personas interesadas en la robótica y la tecnología, especialmente a niños y jóvenes en edad escolar, para motivar el aprendizaje tradicional a través del uso de la robótica.
- 3. CONTENIDO • ACTUADORES – DEFINICIÓN – ELEMENTOS QUE COMPONEN UN ACTUADOR – CLASIFICACIÓN DE LOS ACTUADORES SEGÚN EL TIPO DE ENERGÍA EMPLEADA – VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA TIPO DE ACTUADOR
- 4. • MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA. – USO EN LA ROBÓTICA – CAJA REDUCTORA – CONTROL DE VELOCIDAD – ESPECIFICACIONES – MOTOR DC SIMPLE VS MOTOR DC CON CAJA REDUCTORA – ENGRANAJES – LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN
- 5. • TALLERES – VELOCIDAD DEL MOTOR VS VOLTAJE – TORQUE – RELACIÓN DE TRANSMISIÓN • CONCLUSIONES • BIBLIOGRAFÍA
- 6. DEFINICIÓN DE ACTUADORES • Los actuadores son dispositivos que convierten órdenes en acciones. Para el caso del motor, la orden puede ser “avanzar” y la acción que realiza el actuador, en este caso un motor, es girar. • Los actuadores pueden verse como transductores; por ejemplo, el motor convierte energía eléctrica (se conecta a una fuente de alimentación) en energía mecánica rotacional (movimiento) • Un transductor es cualquier elemento que convierte una forma de energía en otra forma de energía. • Existen diferentes tipos de actuadores: eléctricos, neumáticos, etc. Definición tomada de: Somolinos Sánchez, José Andrés. Avances en robótica y visión por computador. Universidad de Castilla-La Mancha, Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha, España, 2002, p. 84
- 7. ELEMENTOS QUE COMPONEN UN ACTUADOR Entrada: Fuente de Conversión Salida energía • En un actuador eléctrico, para robótica se tiene: – Entrada: Un tipo de energía a través de dispositivos de conexión. Por ejemplo, un motor se conecta a una fuente de energía eléctrica a través de cables – Conversión: Aquí ocurre la transformación de energía. En el caso del motor, se transforma la energía eléctrica a energía mecánica, con base en principios físicos – Salida: Otro tipo de energía. En el caso del motor es el movimiento rotacional • En un caso más complejo, se pueden acoplar otros elementos al actuador, tales como un sistema de engranajes para la transmisión de movimiento, reducción o multiplicación de velocidades.
- 8. CLASIFICACIÓN DE LOS ACTUADORES SEGÚN EL TIPO DE ENERGÍA EMPLEADA Se dividen en Por ejemplo Por ejemplo Por ejemplo Figura 1. Clasificación de los actuadores según el tipo de energía empleada.
- 9. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA TIPO DE ACTUADOR TIPO DE ACTUADOR VENTAJAS DESVENTAJAS Neumático •Bajo costo • Requieren de instalaciones •Rapidez, especiales • Sencillos •Ruidosos •Robustos Hidráulico •Rápidos •Requieren instalaciones •Alta capacidad de carga especiales. •Presentan estabilidad •Son de difícil mantenimiento. frente a cargas estáticas. •Resultan poco económicos. Eléctrico •Precisos y fiables. • Potencia limitada •Silenciosos. •Su control es sencillo •Son de una fácil instalación Figura 2. Cuadro comparativo de las ventajas y desventajas de cada tipo de actuador La construcción del mapa conceptual y el cuadro comparativo fue basada en el tema de actuadores del libro Somolinos Sánchez, José Andrés. Avances en robótica y visión por computador. Universidad de Castilla-La Mancha, Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha, España, 2002, p. 84
- 10. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA • En robótica se utilizan frecuentemente los motores de corriente continua (motor DC) por la facilidad de controlarlos y su fácil interconexión. Figura 3. Motores de corriente continua.
- 11. USO DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA EN LA ROBÓTICA En robótica, los motores de corriente continua (motores DC) se usan comúnmente en: • Aplicaciones de velocidad variable. – El motor DC se alimenta con una fuente de voltaje variable. • Aplicaciones que requieran un control de posición. – Para medir la posición, el motor tiene un sensor de posición
- 12. VELOCIDAD DE GIRO • La velocidad de giro de un motor se mide en rpm (revoluciones por minuto). Esto significa cuántas vueltas da el eje del motor en un minuto. Para comprender mejor este concepto, se pueden revisar las siguientes animaciones: http://www.fisica-basica.net/David- Harrison/castellano/ClassMechanics/RollingDisc/ RollingDisc.html http://www.fisica-basica.net/David- Harrison/castellano/ClassMechanics/RotatingWh eel/RotateWithOmega.html
- 13. TORQUE • El torque indica la fuerza que puede ejercer un motor para levantar o mover un objeto a una distancia determinada Motor Objeto Figura 4. Motor que ejerce un torque.
- 14. VELOCIDAD DE GIRO Y TORQUE EN UN MOTOR DC • Una desventaja de los motores DC, comúnmente empleados en la construcción de robots, es que su velocidad está entre 2000 y 7000 rpm y su torque es pequeño. • Los robots trabajan adecuadamente a 200 rpm aproximadamente. Imagine que se le pone a un carrito (a control remoto) motores que dan 2000 vueltas en un minuto, si quiere alcanzarlo tiene que correr detrás de él. Con una menor velocidad, es posible tenerlo a la vista y para alcanzarlo solo debe caminar tras él.
- 15. LOS ENGRANAJES Los engranajes son piezas mecánicas que consisten en un disco con dientes en las orillas. Permiten transmitir torque de un eje a otro, modificar la velocidad de rotación, invertir la dirección de rotación, convertir el movimiento rotacional a un desplazamiento lineal y sincronizar el movimiento de dos ejes.
- 16. CAJA REDUCTORA • Para disminuir la velocidad de giro de un motor, se hace necesario emplear cajas reductoras. Al mismo tiempo, con una caja reductora se soluciona el problema del bajo torque, incrementándolo. • Las cajas reductoras son un sistema de engranajes conectados al eje del motor Figura 5. Tren de engranajes Figura 7. Motor de corriente Figura 6. Caja reductora continua con caja reductora. Tomado de http://www.cruiserheads.com/site/tecnica_mecanico/tips_winches/winch_03.jpg
- 17. CONTROL DE VELOCIDAD • Una forma de controlar la velocidad de un motor de corriente continua es variando el valor de la fuente de alimentación del motor. • La fuente de alimentación le provee energía eléctrica (voltaje) que es transformada en energía mecánica (movimiento) • Mientras mayor es el voltaje, el motor se mueve más rápido, su velocidad de giro es mayor y viceversa. VIDEO • Se debe tener cuidado de no exceder el voltaje límite (nominal) del motor, que lo especifica el fabricante y generalmente viene marcado en el empaque del motor.
- 18. ESPECIFICACIONES Los motores cuentan con especificaciones que deben ser tomadas en cuenta al momento de adquirirlos. Entre las características más importantes están: voltaje (de alimentación), torque, velocidad. • Voltaje: se refiere a la energía eléctrica necesaria para mover el motor. Los motores pequeños operan generalmente en un rango de 1.6 a 6 voltios. Algunos motores de alta calidad son diseñados para un voltaje específico que normalmente es de 12 V ó 24 V
- 19. MOTOR DC CON CAJA REDUCTORA VS MOTOR DC SIMPLE MOTOR DE CORRIENTE • Mayor torque CONTINUA CON CAJA • Velocidad 200 rpm ( según la relación de los REDUCTORA CARACTERÍSTICA engranajes de la caja reductora) • Se pueden conseguir en tiendas especializadas. COSTOS • Son costosos. MOTOR DE CORRIENTE • Bajo torque CONTINUA SIMPLE características • Velocidades entre 2000 y 7000 rpm • Se pueden conseguir en cualquier ferretería. COSTOS • Son económicos.
- 20. LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN Es la relación entre las velocidades de rotación de dos engranajes conectados entre sí, debida a la diferencia de radios de las dos ruedas. R1 es el radio del engranaje de entrada. R1 R2 es el radio del engranaje de salida. ω1 es la velocidad angular de Engranaje 1 entrada ω1 R2 ω2 es la velocidad angular de salida transmitida ω2 Engranaje 2 Figura 8. Sistema de dos engranajes circulares
- 21. LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN • Esta relación implica una diferencia entre las velocidades de rotación de ambos ejes y se puede verificar mediante el concepto de velocidad angular. • Si la relación entre el radio del engranaje 1 y el del engranaje 2 es mayor que 1, la velocidad angular aumenta, si la relación de transmisión es menor que 1, la velocidad angular disminuye
- 22. TALLER 1: VELOCIDAD DEL MOTOR VS VOLTAJE • Se tiene un disco de colores, acoplado al eje de un motor. En este caso, se varía el voltaje de alimentación del motor, con el fin de observar el efecto respecto a la velocidad de rotación. Motor con Disco con caja franjas de reductora diferente color Figura 18. Material para el desarrollo de la actividad
- 23. Montaje Acoplamos el disco de colores al eje del motor DC con caja reductora. Conectamos los cables de alimentación del motor a una fuente de voltaje variable. Figura 19. Material para el desarrollo de la actividad
- 25. ANÁLISIS • Como se puede ver en los videos, tenemos un disco en cartón, con varios colores y un motor con caja reductora. El máximo voltaje con el que se puede alimentar este motor es de 6 Vdc. Al variar el voltaje desde 1Vdc hasta 6Vdc, se puede ver que el disco gira más rápido.
- 26. • Si ahora cambiamos el motor, a uno sin caja reductora, tenemos varios fenómenos. En primer lugar, este motor se puede alimentar hasta con 12 Vdc, sin embargo, presenta una gran inercia y por tanto es más difícil apreciar la relación entre la variación del voltaje y la variación de velocidad. Una vez este motor arranca adquiere cierta velocidad, mayor a la que se tenía con el motor con caja reductora. Además, aparte de las observaciones que se tienen en cuanto al comportamiento de los motores, se observa que mientras más rápido gira el disco, se tiende a ver un solo color que se acerca al blanco. Esto se debe a que el ojo capta los colores con cierta longitud de onda, mientras el motor gira más rápido, ocurre una superposición de las ondas que se aprecian.
- 27. CONCLUSIONES • La intención de la actividad realizada es ilustrar los conceptos de actuador y caja reductora puesto que luego se utilizarán en otros proyectos relacionados con robótica. • Si se desea realizar en casa un montaje como este para comprobar los resultados aquí presentados, se puede construir una estructura con material reciclado para fijar los motores. Por ejemplo, se puede utilizar madera o algunos pedazos de aluminio (rieles de cortina), los engranajes se pueden obtener de equipos dañados, tales como equipos de música, que ya no funcionen más. Las fuentes de alimentación pueden ser pilas del voltaje deseado o transformadores (cargadores de celular u otros).
- 28. TALLER 2: TORQUE Y FUERZA
- 29. TALLER 3: RELACIÓN DE TRANSMISIÓN Este taller consiste en realizar un montaje con varios motores, para explicar los conceptos de actuador, caja reductora, engranajes y relación de transmisión. Se tienen 3 casos cuyos montajes se muestran a continuación: Montaje 1: Motor acoplado al eje directamente Montaje 2: Motor con un engranajes. Multiplicador Montaje 3: Motor con un engranajes. Reductor
- 30. MONTAJE 1: Motor acoplado al eje directamente • Un peso es Motor DC conectado directamente al Polea motor DC por medio de una polea Peso Figura 9. Montaje 1
- 31. MONTAJE 2: Motor con un engranajes. Multiplicador Motor DC engranaje 2 • El engranaje de mayor diámetro engranaje 1 se acopla al eje del motor • Esta configuración Polea de engranajes multiplica la velocidad angular del motor DC Peso Figura 10. Montaje 2
- 32. MONTAJE 3: Motor con un engranajes. Reductor • El engranaje de engranaje 2 menor diámetro Motor DC se acopla al eje del motor Polea engranaje 1 • Esta configuración de engranajes reduce la velocidad angular del motor DC Peso Figura 11. Montaje 3
- 33. VIDEO • Los experimentos anteriores se pueden verificar en: http://www.youtube.com/watch?v=05ZgeBBTEQY http://www.youtube.com/watch?v=Z-yAdsfe1QU http://www.youtube.com/watch?v=LkGlr7dpyfI
- 34. La construcción de estos montajes se realizó con la plataforma de robótica VEX™. Las fotos del montaje se muestran a continuación: Figura 12. estructura completa Figura 13. Motores
- 35. Figura 14. vista de los engranajes y poleas Figura 15. vista superior de la estructura
- 36. RECOMENDACIONES PRÁCTICAS Para que haya un a transmisión de movimiento por medio de un tren de engranajes es importante que los ejes de los engranajes se encuentren bien alineados y con precisión de modo que todos los engranajes se encuentren acoplados. Y garantizar que el engranaje este alineado con el otro engranaje. Figura 16. Caso en que los ejes de los engranajes Figura 17. caso en que el engranaje no esta alineado no están alineados con el otro engranaje
- 37. ANÁLISIS • Como se puede ver en los videos, aplicando el mismo voltaje a 3 motores idénticos, existen diferencias en cuanto al que sube con mayor rapidez la misma carga. Esto se debe a la relación de las ruedas utilizadas, en los dos primeros y la falta de engranajes en el tercero. Se observa que el motor de la mitad, con el engranaje de mayor radio acoplado directamente en su eje, es el que levanta la carga con mayor rapidez, mientras que al que se le acopla la rueda de menor diámetro, se demora más tiempo en levantar la carga, por la relación de diámetros entre los dos engranajes. En este caso, el motor sin engranajes tarda un tiempo intermedio para llevar a cabo la tarea.
- 38. BIBLIOGRAFÍA • Arreortua Nava, Andrés. Jugador de fútbol. Universidad de las Américas Puebla. Escuela de Ingeniería y Ciencias. Departamento de Computación, Electrónica y Mecatrónica. Tesis profesional. Disponible en: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/arreortua_n_a/capitulo4. pdf. Consultado el 07-03-2010. • Instituto de Investigación Tecnológica. Universidad Pontificia Comillas. Madrid Motores DC en robótica, pp. 27-35. Disponible en: http://www.iit.upcomillas.es/~alvaro/teaching/Clases/Robots/teoria/Sensores%20 y%20actuadores.pdf. Consultado el 07-03-2010. • Automatización y robótica. Elementos motores, p.13. Disponible en: http://blog.artegijon.com/toni/files/2007/11/motores.pdf. Consultado el 07-03- 2010. • Somolinos Sánchez, José Andrés. Avances en robótica y visión por computador. Universidad de Castilla-La Mancha, Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha, España, 2002, p. 84