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trabajo de residencias profesionales, ingenieria electronica.
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TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE IXTAPALUCA
Organismo Público Descentralizado del Estado de México
PROYECTO DE RESIDENCIAS PROFESIONALES
“MÁQUINA RECICLADORA DE PILAS”
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
PRESENTA:
HIGUERA GONZÁLEZ ROGELIO MANUEL
ESQUIVEL MONTES CARLOS ENRIQUE
SÁNCHEZ GUERRERO OSCAR ARTURO
I NG. ENRIQUE PERÉZ RAZO LIC. RAQUEL REYES GALICIA
ASESOR TÉCNICO ASESOR METODOLÓGICO
LIC. ANTONIO ALEXANDER CORDERO TREJO
SUBDIRECTOR ACADÉMICO
IXTAPALUCA ESTADO DE MÉXICO A 26 DE FEBRERO DE 2013
Dedicatorias
Carlos:
Este trabajo se lo dedico, con todo mi cariño y afecto a mis distinguidos y cariñosos padres,
a mis hermanos por darme la oportunidad de estudiar una carrera, me dieron compresión,
cariño y sustento, en especial a mi madre que toda la vida estuvo motivándome a continuar
con mis estudios.
Rogelio:
Este proyecto se lo dedico a mi padre, por brindarme su apoyo incondicional y darme la
oportunidad de estudiar una carrera, a mi madre, por enseñarme que todos los sueños se
pueden hacer realidad y que aun en su ausencia siempre llevo sus consejos conmigo, a mi
hermana, por ser un ejemplo de profesionalismo y esfuerzo.
Oscar:
Se lo dedico a mi entrenador de kick boxing José Aldo y a mi peluquero personal.
Agradecimientos
Le agradecemos a la vida, por la fortuna de tener la oportunidad de conocer y tratar al Ing.
Enrique Pérez Razo. Quién en su calidad de asesor supo motivarnos y guiarnos para poder
alcanzar nuestras metas.
Queremos manifestar nuestro agradecimiento a nuestros distinguidos maestros del
Tecnológico de Estudios de Ixtapaluca, por sus sabias enseñanzas que han sido la base de
nuestra educación y formación como hombres.
Hacemos público y patente nuestro reconocimiento al jefe de carrera de ingeniería electrónica el Ing. Luis Jorge Ramírez Velázquez por sus atinadas observaciones en la propuesta del proyecto, en relación al trabajo planteado. Igualmente agradecemos al subdirector académico el Lic. Antonio Alexander Cordero Trejo por el apoyo para elaboración de este proyecto.
GRACIAS A TODOS
INDICE
I. Introducción ...................................................................................................................... I
II. Planteamiento de problema ............................................................................................ II
III. Objetivo general ........................................................................................................... III
IIIA. Objetivos específicos .............................................................................................. III
IV. Justificación ................................................................................................................ IV
V. Metodología de la investigación .................................................................................... V
Capítulo 1 ................................................................................................................................. I
1.1. Potencia ...................................................................................................................... 1
1.2. La ley de ohm ............................................................................................................. 1
1.3. Absorción de potencia .............................................................................................. 1
1.4. Leyes de Kirchhoff .................................................................................................... 1
1.5. Rectificadores de onda completa ............................................................................. 2
1.6. Filtro de capacitor ...................................................................................................... 3
1.7. Reguladores de voltaje ajustable ............................................................................. 3
1.8. Modulación ASK ........................................................................................................ 4
1.9. Conceptos .................................................................................................................. 4
Capítulo 2 ................................................................................................................................ 5
2.1. Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca ............................................... 6
2.1.1. Misión:.................................................................................................................. 6
2.1.2. Visión: .................................................................................................................. 6
2.1.3. Valores: ................................................................................................................ 6
2.2. ingeniería electrónica ................................................................................................ 7
2.2.1. Objetivo de la carrera: ........................................................................................ 7
2.2.2. Especialidad en Mecatrónica ............................................................................. 7
2.3. Historia de la mecatrónica ........................................................................................ 7
2.4. Antecedentes de maquinas recicladoras de pilas. ................................................. 8
Capítulo 3 .............................................................................................................................. 11
3.1. Electrónica ............................................................................................................... 12
3.1.1. interfaz USB y trasmisión por radio frecuencia ............................................. 12
3.1.2. Recepción de radiofrecuencia y Optoaislamiento ......................................... 19
3.1.3. Automatización mediante PLC ......................................................................... 21
3.1.4. Controlador para cambio de giro y activación motores ............................... 24
3.1.5. Fuentes de alimentación .................................................................................. 27
3.1.6. Simulación de circuitos y procesos ................................................................ 27
3.2. Mecánica .................................................................................................................. 36
3.2.1. Aleaciones de aluminio .................................................................................... 36
3.2.2. Estructura de la banda transportadora .......................................................... 38
3.2.3. Estructura “A” ................................................................................................... 40
3.2.4. Estructura “B” ................................................................................................... 41
3.2.5. Soldadura con arco ........................................................................................... 45
3.2.6. Sujetadores roscados y sin rosca. .................................................................. 48
3.3. Aplicación para PC .................................................................................................. 52
3.3.1. Lenguaje C# ....................................................................................................... 52
3.3.2. EasyHID.cs ......................................................................................................... 53
3.3.3. Programa principal ........................................................................................... 54
3.3.4. Interfaz de usuario ............................................................................................ 57
3.4. Memoria técnica ....................................................................................................... 57
3.5. Resultados ............................................................................................................... 60
Conclusiones ........................................................................................................................ 61
Anexos ................................................................................................................................... 62
Figura 78. Hoja de especificación del HT12D ..................................................................... 71
Bibliografía ............................................................................................................................ 71
Índice de figuras
Figura 1: Grafica del consumo de pilas de carbono-zinc en México………………………….IV
Figura 2: Puente rectificador de onda completa ……………………………………………….. 2
Figura 3: Funcionamiento del puente de diodos………………………………………………... 2
Figura 4: Operaciones del filtro del capacitor…………………………………………………… 3
Figura 5: Conexión del regulador de voltaje ajustable LM317………………………………... 3
Figura 6: Comportamiento de la modulación ASK………………………………………………4
Figura 7: Maquina utilizada por recupyl……………………………………………………........10
Figura 8: Proceso de hidrometalurgia…………………………………………………………….10
Figura 9: Maquina utilizada por Batery Solutions Smart……………………………………….11
Figura 10: Sistemas electrónicos……………………………………………………………… 12
Figura 11: Configuración del PIC 18f2550……………………………………………………… 13
Figura 12: Diagrama interno del puerto USB ………………………………………………… 14
Figura 13: Diagrama de flujo del programa para la interfaz USB…………………………… 15
Figura 14: Configuración del HT12E y el TWS-434……………………………………………..18
Figura 15: Diagrama de la interfaz USB y trasmisión RF. ……………………………………. 19
Figura 16: Configuración del HT12D y el RWS-434. ………………………………………… 19
Figura 17: Configuración del CNY-74-4. …………………………………………………………20
Figura 18: Diagrama de la etapa de recepción de RF, Optoaislamiento y conexión al PLC.21
Figura 19: Programa en lenguaje escalera grabado a nuestro PLC. …………………………25
Figura 20: Configuración de los controladores L293B y L293D. ………………………...……26
Figura 21: Motorreductores utilizados. ……………………………………………….…………...27
Figura 22: Diagrama de conexión de motores. ………………………………………………….28
Figura 23: Diagrama de las fuentes realizados. …………………………………………………29
Figura 24: Simulación de la interfaz USB y visualización de transición en proteus. ………...30
Figura 25: Simulación entre la interfaz gráfica y el PIC. ………………………………………..30
Figura 26: Simulación de sistemas con automation studio. …………………………………….31
Figura 27: Simulación del programa en lenguaje escalera. ……………………………………32
Figura 28: Simulación de la activación de motores mediante gráficas. ……………………….32
Figura 29: Pruebas en protoboard. ………………………………………………………………. 33
Figura 30: Diseño en PCB de la interfaz USB y radiofrecuencia. ……………………………...33
Figura 31: Diseño en PCB de la recepción de radiofrecuencia. ………………………………. 34
Figura 32: Diseño en PCB de la etapa de Optoaislamiento. ……………………………………34
Figura 33: Diseño en PCB de la etapa de cambio de giro del motor de 5v. …………………..34
Figura 34: Diseño en PCB de la etapa de cambio de giro del motor de 24v. …………………34
Figura 35: Diseño en PCB de la fuente de alimentación de 1.3 a 9v a 1. ……………………..35
Figura 36: Diseño de la fuente de alimentación de 1.3 a 24v a 3. ……………………………..35
Figura 37: Medidas del PLC. ……………………………………………………………………….36
Figura 38: Conexión de los circuitos de entrada con el PLC. …………………………………. 36
Figura 39: Conexión de los circuitos encargados del cambio de giro. ……………………….. 37
Figura 40: Pruebas de la etapa de radiofrecuencia y Optoaislamiento. ……………………… 37
Figura 41: Montaje de circuitos en la caja de montaje. ………………………………………….38
Figura 42: Banda transportadora reforzada. …………………………………………………….. 40
Figura 43: Dimensiones de la banda transportadora. ………………………………………….. 40
Figura 44: Estructura de soporte de la banda transportadora. …………………………………41
Figura 45: Contenedor de imanes. ………………………………………………………………..41
Figura 46: Estructura del proceso de trituración. ………………………………………………..42
Figura 47: Puntos de soporte de la estructura “B”. …………………………………………… 43
Figura 48: Contenedor dispensador de pilas. ……………………………………………………43
Figura 49: Posicionamiento del motor cortador. …………………………………………………44
Figura 50: Ensamblaje de la estructura “A” y la “B”. …………………………………………….44
Figura 51: Soporte de corte de las pilas. …………………………………………………………45
Figura 52: Ensamblaje de la rueda. ……………………………………………………………….45
Figura 53: Proceso de trituración de pilas “AA”. …………………………………………………46
Figura 54: Vaciado de pilas a la triturado. ………………………………………………………..46
Figura 55: Vaciado del contenido triturado a la banda transportadora. ……………………….47
Figura 56: Proceso de separación metálica con imanes.…………………………………..……47
Figura 57: Proceso de soldadura entre metales. ……………………………………………… 48
Figura 58: Circuito básico para soldadura con arco. …………………………………………….49
Figura 59: Puntos de unión de la estructura “B”. ………………………………………………...50
Figura 60: Tipo de tornillo utilizado. ………………………………………………………………. 51
Figura 61: Especificaciones de las tuercas utilizadas. …………………………………………..52
Figura 62: Tipos de remaches utilizados. …………………………………………………………53
Figura 63: Entorno de trabajo de visual C#. ………………………………………………………55
Figura 64: Interfaz de usuario. ……………………………………………………………………..62
Figura 65: Diseño de una fuente con filtro capacitivo. …………………………………………..63
Figura 66: Impresión de PCB para la fuente de alimentación de 24v…………………………..62
Figura 67: Impresión de PCB para cambio de giro para motor de 24v. ……………………….62
Figura 68: Impresión del PCB para cambio de giro para motor de 5v. ………………………..63
Figura 69: Impresión del PCB para fuente de 5v. ………………………………………………..63
Figura 70: Impresión del PCB para optoaislamiento. ……………………………………………63
Figura 71: Impresión del PCB para la receptor de radiofrecuencia. …………………………...64
Figura 72: Impresión del PCB para la interfaz USB. …………………………………………….64
Figura 73: Hojas de especificación del CNY 74-4. ……………………………………………….66
Figura 74: Se muestra la hoja de especificación TWS-434. …………………………………….67
Figura 75: Hoja de especificación del L293D. ……………………………………………………68
Figura 76: Hoja de especificaciones del RWS-434. ……………………………………………..69
Figura 77: Hoja de especificaciones del HT12E. …………………………………………………70
Figura 78: Hoja de especificación del HT12D. ……………………………………………………71
I
I. Introducción
En México el consumo de baterías se ha incrementado, por ello cada vez se desechan un
mayor número de ellas en basureros al aire libre y con ello incrementa la contaminación de
suelos, agua y aire.
La construcción del prototipo surge de la necesidad de poder reutilizar la lámina que recubre
las pilas “AA” ya que en México y en Latinoamérica no existen este tipo de máquinas y sólo
existen lugares de confinamiento de pilas.
En Europa y Estados Unidos de América existen empresas que se encargan de reciclar pilas
de carbono y zinc entre ellas se encuentran:
Recupyl: la cual se encarga en aplastar la pilas “AA” para recuperar el acero, papel y
plástico, y luego el polvo de zinc y manganeso se somete a un proceso hidrometalúrgico para
recuperar los metales de valor.
Battery Solutions Smart Recycling Made Easy: esta empresa especializada en el proceso de
separación mecánica, donde los componentes de las pilas son separados en a) Zinc y
concentrado de manganeso, b) Acero, c) Papel y Plástico. Todos estos productos se ponen
de nuevo en el lugar de mercado para su reutilización en productos nuevos. Estas baterías
son 100% recicladas.
Investigando algunos de los procesos de estas empresas se elaboró y diseñó un prototipo
mecatrónico el cual se encargará de la separación de la lámina que recubre las pilas “AA” de
carbono y zinc.
En este trabajo se explicará detalladamente cada uno de los procesos con los que cuenta el
proyecto.
Se abordará y aplicará las dos ramas de la especialidad en mecatrónica:
Electrónica
Se utilizó la electrónica para el control y automatización del prototipo.
Mecánica
La mecánica fue fundamental se utilizó desde el diseño de la estructura y el armado de la
misma.
II
II. Planteamiento de problema
Las pilas son dispositivos energéticos electroquímicos que emplean cada vez con mayor
demanda para alimentar a los diversos equipos electrónicos, sin embargo cuando las pilas se
desechan se convierten en residuos peligrosos.
En México las pilas usadas se acumulan en los basureros de forma alarmante causando
contaminación a los suelos, diferentes autores afirman que la disposición de pilas usadas en
un vertedero a cielo abierto puede aumentar el contenido de metales pesados.
Los riesgos sanitarios más graves por un mal manejo en el desecho y residuos de pilas y
baterías están posibles daños:
En cerebro y riñones
En el sistema nervioso
En el sistema reproductivo
Parálisis estomacal
Anemia
Cambios en los niveles de colesterol.
Las pilas de carbono-zinc puede causar daños, uno de sus componentes es el manganeso el
cual provoca perturbaciones mentales y emocionales, esta serie de síntomas constituye una
enfermedad llamada manganismo.
A diferencia de la Unión Europea, donde existen leyes para el tratamiento de los desechos
de estos productos, en México vamos muy retrasados en la materia a pesar de que su
consumo se sigue incrementando.
En México solo se encuentran lugares de confinamiento de pilas y no así un lugar donde se
puedan reciclar y volver a reutilizar.
En el mundo las máquinas que se encargan de reciclar pilas tienen un costo muy elevado y
se cuentan con pocas maquinarias, solo lo países subdesarrollados cuentan con estas
maquinarias.
III
III. Objetivo general
Crear una máquina la cual separe la lámina que recubre a las pilas “AA” de los siguientes
componentes (carbono, zinc, manganeso, plástico y papel), por medio de un control
electrónico y mecánico, para lograr un proceso automático dando una mayor eficiencia.
IIIA. Objetivos específicos
Implementar un sistema de seguridad por medio de radiofrecuencia para poder
manipular nuestro prototipo desde nuestra PC.
Realizar una etapa para triturar las pilas y así extraer los materiales internos de las
pilas.
Realizar una etapa para la separación del metal y así captar la lámina de los otros
materiales.
Diseñar, simular y construir los circuitos electrónicos que se encargaran de manipular
nuestro prototipo.
Diseñar y simular por medio de software sketchup las estructuras de nuestro prototipo.
Implementar un paro automático por medio de un circuito electromecánico.
IV
IV. Justificación
En México sólo se cuenta con lugares de confinamiento de pilas y no así un lugar que capte
los materiales de las pilas para su reutilización. Se eligieron las pilas de carbono-zinc porque
son las más utilizadas en México, según la Secretaria del Medio Ambiente, el 65% de las
pilas que se desechan son de estos materiales que equivale a 930,689 millones de pilas al
año. En la figura 1 se muestra una gráfica del consumo de pilas en México en los últimos
años.
Figura 1. Gráfica del consumo de pilas de carbono-zinc en México.
Se recolectará la lámina ya que equivale al 25% de las pilas “AA” y es el material mejor
pagado además su proceso de separación es más sencillo.
Este proyecto nos ayudará aplicar los conocimientos en las siguientes ramas:
Mecánica
Electrónica
Control
Software
Logística
Se realizo el proyecto en el Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca ya que cuenta
con la línea de investigación de automatización de procesos.
V
V. Metodología de la investigación
Investigación descriptiva
Muchas investigaciones tienen un objetivo descriptivo. Cuando no existe información sobre
algún tema, la investigación descriptiva es útil. El primer paso consiste en presentar la
información tal cual es. El objetivo de este tipo de investigación es exclusivamente describir;
en otras palabras, indicar cuál es la situación en el momento de la investigación1.
Investigación de diseño
El diseño de cualquier programa, equipo o sistema es un proyecto de desarrollo. La
investigación se realiza después de que se hace el diseño, cuando se aplica para validarlo.
Este tipo de trabajo se utiliza mucho por ingenieros que, como la palabra lo indica, emplean
su ingenio para diseñar un sistema, máquina, mecanismo o artefacto.
Aplicando esto al proyecto se explicará detalladamente cómo se diseño, construyo e
implemento el prototipo.
Se dividió y explico el diseño en tres procesos importantes:
Mecánica
Electrónica
Software
Cada uno de los procesos realiza funciones diferentes y cada uno tiene una función en
específico para la manipulación del prototipo.
Se aplico la investigación de diseño porque se construyo un prototipo innovador y todo este
trabajo valida la construcción del prototipo.
1 Libro: Manual para la presentación de anteproyectos e informes de investigación, autoras: Corina Schmelkes/Nora
Elizondo Schmelks, tercera edición.
Capítulo 1
1
Capítulo 1 Marco teórico conceptual
1.1. Potencia
Se representará por medio de . Si un joule de energía se gasta en transferir un coulomb
de carga a través del dispositivo en un segundo, la tasa de transferencia de energía es un
watt. La potencia absorbida debe ser proporcional al número de coulombs transferidos por
segundo (corriente) y a la energía necesaria para transferir un coulomb a través del elemento
(tensión). De tal modo se tiene:
1.2. La ley de ohm
Establece que la tensión entre los extremos de materiales conductores es directamente
proporcional a la corriente que fluye a través del material, o:
Donde la constante de proporcionalidad recibe el nombre de resistencia, la unidad de
resistencia es el ohm, que corresponde a y suele abreviarse mediante un omega
mayúscula.
1.3. Absorción de potencia
Aparece físicamente como calor y/o luz y siempre es positiva; una resistencia (positiva) es un
elemento pasivo que no puede entregar potencia o almacenar energía. Una variante de
expresiones de la potencia absorbida es:
1.4. Leyes de Kirchhoff
Ley de corriente de Kirchhoff la cual establece simplemente que: La suma algebraica de
las corrientes que entran a cualquier nodo es cero. Una expresión compacta de la ley de
Kirchhoff de corriente es:
Ley de tensiones de Kirchhoff (abreviada LKT) la cual establece que: La suma
algebraica de las tensiones alrededor de cualquier trayectoria cerrada es cero. De manera
más compacta.2
Libro: Análisis de circuitos, autores: William H. Haryt, Jr. Jack E. Kemmerly, Steven M. Durbin, séptima edición.
2
1.5. Rectificadores de onda completa
Puente de diodos
El nivel de dc obtenido de una entrada senoidal se puede mejorar un 100% mediante la
utilización de un proceso llamado rectificación de onda completa. La red más familiar para
desarrollar tal función aparece en la figura 2 con los cuatro diodos en configuración de
puente.
Figura 2. Puente rectificador de onda completa.
Cuando el y están conduciendo, mientras que y se encuentra en el estado
“apagado”. El resultado neto es la configuración de la figura 3a, con su corriente y la
polaridad indicadas a través de R. Dado que los diodos son ideales, el voltaje de carga es
. Para la región negativa de la entrada, los diodos conductores son , con lo que
se produce la configuración de la figura 3b3.
Figura 3. Funcionamiento del puente de diodos, a) D2 y D3 activados, b) D1 y D4 activados.
3 Libro: Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, autor: Boylestad Nashelsky, octava edición.
3
1.6. Filtro de capacitor
Un circuito de filtro muy popular es el de capacitor en el cual un capacitor se conecta a la
salida del rectificador y se obtiene un voltaje de dc a través del capacitor. La figura 4(a) indica
el voltaje de salida de un rectificador de onda completa antes de que la señal sea filtrada,
mientras que la figura 4(b) muestra la forma de onda resultante después de que el filtro de
capacitor se conecte a la salida del rectificador. Observe que la forma de onda filtrada es
esencialmente un voltaje de dc con cierto rizo (o variación de ac).
Figura 4. Operaciones del filtro de capacitor: (a) voltaje rectificado de onda completa, (b) voltaje de salida
filtrado.
1.7. Reguladores de voltaje ajustable
Los reguladores de voltaje también se encuentran disponibles en configuraciones de circuitos
que permiten que el usuario establezca el voltaje de salida en un valor regulado deseado. La
unidad LM317, por ejemplo, puede operarse con el voltaje de salida regulado en cualquier
valor dentro del rango de voltajes de 1.2 a 37v. La figura 5 muestra la forma en la que es
posible establecer el voltaje de salida regulado de un LM3174.
Los resistores y fijan la salida en cualquier voltaje deseado dentro del rango de ajuste
(1.2 a 37V). El voltaje de salida deseado puede calcularse mediante:
Figura 5. Conexión del regulador de voltaje ajustable LM317.
4 Libro: Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, autor: Boylestad Nashelsky, octava edición.
4
1.8. Modulación ASK
La modulación ASK (Amplitude Shift Keying) consiste en variar el parámetro de amplitud de
la portadora (señal a modular) en función de la señal original (moduladora) como se muestra
en la figura 6. Los otros dos parámetros, frecuencia y fase, permanecen constantes5.
Figura 6. Comportamiento de la modulación ASK.
1.9. Conceptos
PIC 18f2550: con la gama alta (PIC18), Microchip Mantiene la arquitectura básica, los PIC18
tienen una arquitectura RISC avanzada Harvard con 16 bits de bus de programa y 8 bits de
bus de datos.
Optoaislador: la principal ventaja de un optoaislador es el aislamiento eléctrico entre el
circuito del led y el circuito del fotodiodo. El único contacto entre los circuitos de entrada y
salida es el haz luminoso.
Optoacoplador 4N25: es un popular optoacoplador, en cuya capsula se encierra 4
fotodiodos y 4 fototransistores.
Aleaciones de aluminio: las aleaciones ligeras de aluminio son especialmente apropiadas
para usos en que se desee reducir las fuerzas de inercia de las partes móviles y en general
cuando la reducción de peso es una ventaja esencial.
Cadena de trasmisión: es un elemento de transmisión de potencia formado por una serie de
eslabones unidos con pernos. Este diseño permite tener flexibilidad, y permite además que la
cadena transmita grandes fuerzas de tensión.
Cuando se transmite potencia entre los ejes giratorios, la cadena entra en ruedas dentadas
correspondientes llamadas catarinas.
5 Libro: fundamentos de telemática, autor: Jorge Lazaro Laporta, Marcel Miralles Aguiñiga.
5
Bandas planas: las transmisiones de banda plana ofrecen flexibilidad, absorción de
vibraciones, transmisión eficiente de potencia altas velocidades, resistencia a atmosferas
abrasivas y costo comparativamente bajo.
Hidrometalurgia: es una rama de la metalurgia extractiva en el que los metales se tratan con
una solución acuosa.
Control on-off: En un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo
tiene dos posiciones fijas, que, en muchos casos, son simplemente encendido y apagado. El
control de dos posiciones o encendido y apagado es relativamente simple y barato, razón por
la cual su uso es extendido en sistemas de control tanto industriales como domésticos.
C#: el nuevo lenguaje presentado en .NET framework. Procede de C++. Sin embargo C# es
un lenguaje orientado a objetos, moderno y seguro.
El Controlador host: Decide todas las acciones, incluyendo el número asignado a cada
dispositivo, ancho de banda, etc. Cuando se detecta un nuevo dispositivo él host es el
encargado de cargar los drivers sin la intervención del usuario.
PLC: un controlador lógico programable es un dispositivo electrónico-digital que usa una
memoria programable para guardar instrucciones.
Host: se define como el dispositivo maestro que inicializa la comunicación.
Capítulo 2
6
Capítulo 2 Marco Histórico
2.1. Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca
El Tecnológico de Estudio Superiores de Ixtapaluca (TESI) es un Organismo Público
Descentralizado del Estado de México, iniciando actividades operativas el 13 de Septiembre
de 1999.
2.1.1. Misión: Contribuir a elevar el nivel educativo de la zona Oriente del Estado de México, mediante la diversificación de la oferta educativa, con el propósito de ofrecer servicios de educación superior de calidad, de carácter tecnológico en beneficio de los estudiantes de la región; para proveer al sector productivo de bienes y servicios de personal altamente calificado, capaz de fortalecer sus cuadros profesionales; así como, constituirse en un polo de desarrollo integral en beneficio de la colectividad circundante. 2.1.2. Visión: Ser la primera opción educativa de nivel superior para los egresados de bachillerato, por estar posicionada como una institución reconocida por su nivel académico; generadora de egresados vanguardistas, capaces de solucionar problemas del sector productivo, reforzar los cuerpos directivos de las empresas y ser generadores de empleo; así mismo, lograr la consolidación institucional mediante la certificación del proceso educativo, la acreditación de las carreras y la incorporación de estudios de posgrado y programas de educación continua6. 2.1.3. Valores:
A fin de guiar y orientar las acciones cotidianas de todo su personal, el Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca define los siguientes valores institucionales:
• Compromiso
El compromiso implica una obligación contraída con la voluntad de cumplir, por lo que se establece un compromiso con los principios, la visión la misión las políticas y las normas del TESI.
• Respeto
El respeto implica marcar los límites de las posibilidades de hacer o no hacer de cada uno y donde comienzan las posibilidades de acción de los demás. Es la base de la convivencia en sociedad.
6 Sitio web: http://qacontent.edomex.gob.mx/tesi/index.htm
7
• Responsabilidad
Es cumplir con el propio deber. Se manifiesta en una actitud de constante solicitud y diligencia a todos los actos de la vida y del trabajo. Implica compromiso y da confianza, requiere de esfuerzo y fortalece la voluntad y la responsabilidad, es el motor de todos los valores. Es responsable quien prevé el impacto en las decisiones que se toman, colabora en políticas que normen la conducta y asumiendo las consecuencias de los propios actos.
• Solidaridad
Es la inclinación del hombre a sentirse unido a sus semejantes y a cooperar con ellos en el bien común. Significa salirse de sí mismo y pensar en el bienestar del otro. Es la colaboración y ayuda mutua que debe existir entre las personas. Es solidario quien participa en acciones de servicio y agradece acciones de servicio que lo beneficien.
2.2. ingeniería electrónica
En el 2004 se recibe la autorización para impartir la carrera de Ingeniería en Electrónica en el Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca.
2.2.1. Objetivo de la carrera:
Formar profesionistas con competencias profesionales para diseñar, modelar, implementar, operar, integrar, mantener, instalar, administrar, innovar y transferir tecnología electrónica existente y emergente en proyectos interdisciplinarios, a nivel nacional e internacional, para resolver problemas y atender las necesidades de su entorno con ética, actitud emprendedora, creativa, analítica y comprometidos con el desarrollo sustentable. 2.2.2. Especialidad en Mecatrónica El objetivo de la especialidad en mecatrónica es crear ingenieros que puedan resolver problemas de diseño, construcción, mantenimiento, programación y control de sistemas mecatrónicos aplicando nueva tecnología. Por esto se realizo el prototipo en el Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca ya que cuenta con la especialidad en mecatrónica además tiene una línea de investigación en automatización de procesos industriales.
2.3. Historia de la mecatrónica
La mecatrónica es una disciplina que surgió en los años 70. Mecatrónica (Mechatronics) es una palabra de la combinación de “mecha” de mechanisms y “tronics” de electronics. El nombre mecatrónica se origino en 1969 por el ingeniero Tetsura Mori7.
El proceso de Evolución de la mecatrónica ha pasado a través de varias etapas que son definidas en términos de:
7 Libro: Mecatrónica, sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica, autor: W. Bolton, cuarta
edición.
8
Primera etapa de la Mecatrónica: En sus primeros días los productos mecatrónicos estuvieron en su nivel primario. Este nivel abarca dispositivos de entrada y salida tales como sensores y actuadores que integraban señalización eléctrica con acción mecánica a un nivel de control básico. Válvulas de líquido controladas eléctricamente e interruptores de relé son dos ejemplos.
Segunda Etapa: En este nivel, se integraba la microelectrónica a los dispositivos controlados Eléctricamente. En 1980, se integra el uso de la tecnología computacional, permitiendo elaborar una gran variedad de productos de alta calidad y relativamente de bajo costo. Algunas veces, estos productos eran autónomos. Un ejemplo era el reproductor de cassettes. Tercera Etapa: Éste Nivel mejora aun más la calidad en términos de sofisticación incorporando funciones avanzadas de retroalimentación en la estrategia de control. A este nivel, los sistemas mecatrónicos son llamados sistemas inteligentes. La estrategia de control usa microelectrónica, microprocesadores y otros circuitos integrados con aplicaciones específicas. Un motor eléctrico basado en un microprocesador usado en robots industriales típicos puede ser considerado como un ejemplo de un sistema mecatronico correspondiente a la tercera etapa. Cuarta Etapa: El control inteligente es una parte importante de la mecatrónica hoy en día. En la modernidad, la detección y la toma de decisiones es algo necesario para hacer las cosas de la manera correcta. La inteligencia en el control de las máquinas, está cambiando para ser parecida a la de los humanos, aunque en una manera muy limitada. Este nivel intenta llevar la inteligencia más allá, introduciendo inteligencia y la capacidad de Detección de Fallas y Aislamiento (FDI) en los sistemas. A este nivel, la mecatrónica significa muchas cosas para muchas personas. Dentro de los sistemas mecatrónicos se encuentran algunos procesos que se encargan de reciclar pilas de carbono y zinc. 2.4. Antecedentes de maquinas recicladoras de pilas.
Empresa recupyl
La rápida expansión del mercado de pilas global exige un nuevo enfoque para la gestión de
las pilas gastadas. En el pasado, la mayoría de las pilas alcalinas y de zinc-carbono
simplemente se enterraban en vertederos o se incineraban. Hoy día, en cambio, tenemos
opciones más ecológicas para la recuperación de materias primas de valor y el aislamiento
de metales pesados que puedan ser dañinos para nuestro ecosistema.
Recupyl ha desarrollado y patentado un proceso de reciclado que acata las
reglamentaciones medioambientales más exigentes y que ha demostrado alcanzar altas
cotas de recuperación. Durante la primera fase del proceso, las pilas se aplastan para
recuperar el acero, papel y plástico, y luego el polvo de zinc y manganeso se somete a un
proceso hidrometalúrgico para recuperar los metales de valor.
9
Las baterías mixtas se envían a la planta Recupyl España, donde la clasificación y el
tratamiento posterior tendrán lugar.
Con operaciones en Francia, Polonia, Italia, España, Singapur y los EE.UU., Recupyl ha labrado una posición de liderazgo en el mercado global y la batería Acumulador de reciclaje. La compañía también está activa en el reciclaje de baterías de vehículos híbridos y eléctricos, y trabaja con los principales fabricantes de automóviles para desarrollar una tecnología innovadora para el reciclaje de baterías de automóviles eléctricos. En la figura 7 se muestra uno de los procesos con los que cuenta Recupyl.
Figura 7. Máquina utilizada por Recupyl.
Hidrometalurgia es una rama de la metalurgia extractiva en el que los metales se tratan con
una solución acuosa.
Proceso patentado Recupyl consiste en la recuperación de los metales en baterías eléctricas
por trituración de las baterías y la inmersión de los componentes en una solución acuosa. En
la figura 8 se muestra el poceso hidrometalurgico utilizado por Recupyl.
Figura 8. Proceso de hidrometalurgia.
Los principales pasos en nuestro proceso son:
Lixiviación (donde los metales se sumergen en una solución)
10
La purificación (principalmente para eliminar los metales pesados) por cementación o
reducción electroquímica
La separación de los diferentes metales
La lixiviación se realiza con un ácido o una base dependiendo de la fase que se está
tratando, y un agente oxidante se añade si es necesario. Los metales en solución están en
forma iónica.
Las etapas de purificación y separación se realizan mediante cementación o precipitación,
dependiendo del material a ser separado, la cantidad del material, y el proceso químico.
El efluente líquido se recicla después de ser tratado con los métodos actualmente disponibles
en el mercado.
Procesos hidrometalúrgicos no sólo dar una pureza metálica de alta, pero también son
energéticamente eficientes, tienen una huella de carbono pequeña, y no emiten dioxinas.
Pueden ser utilizados para recuperar zinc, manganeso, cobalto y litio, y el níquel de las
baterías.
Proceso patentado Recupyl es particularmente eficaz para los productos químicos utilizados
en las baterías de hoy en día, y es muy adecuado para manejar las tecnologías más
avanzadas que están en el horizonte.
Recupyl es accionista mayoritario en una empresa conjunta llamada Recupac, que recicla el
polvo de horno eléctrico de arco (EAFD), una industria siderúrgica producto de desecho
que contienen principalmente hierro y zinc. Recupac ha desarrollado un proceso patentado
para extraer el reciclaje de hierro comercializable y compuestos de zinc de EAFD con
probada tecnología hidrometalúrgica de Recupyl. El zinc y el hierro se recuperan y el óxido
de hierro se utiliza para hacer pigmentos industriales8.
Battery Solutions Smart Recycling Made Easy
Alcalinas / Zinc Carbón / Zinc Air Pilas
Estas baterías se reciclan en una "temperatura ambiente", especializado proceso de
separación mecánica, donde los componentes de la batería están separados en 3 productos
finales. Estos artículos son un Zinc) y concentrado de manganeso, b) Acero, c) Papel y
Plástico. Todos estos productos se ponen de nuevo en el lugar de mercado para su
reutilización en productos nuevos. Estas baterías son 100% reciclado. En la figura 9 se
muestra la maquinaria utilizada por Battery Solutions Smart Recycling Made Easy. Ensta
empresa tiene operaciones en Estados Unidos de América9.
8 Sitio web: http://www.recupyl.com/ .
9 Sitio web: http://www.batteryrecycling.com.
11
Figura 9. Maquina utilizada por Battery Solutions Smart Recycling Made Easy.
Capítulo 3
12
Capítulo 3 desarrollo del prototipo
3.1. Electrónica
Utilizamos el campo de electrónica para diseñar y aplicar los diferentes dispositivos
electrónicos para manipular y controlar nuestro prototipo.
Se realizaron dos sistemas electrónicos que constan de arreglos de dispositivos y
componentes electrónicos los cuales tienen un conjunto de entradas y salidas. En la figura
10(a) se muestra el diagrama de bloques que se encarga de controlar el prototipo a larga
distancia desde la computadora. El puerto USB actúa como elemento de entrada el cual
trasmite los datos al sistema electrónico que se encarga de decodificar y trasmitir la señal
por radiofrecuencia por medio de la antena que es el elemento de salida. En la figura 10(b)
se muestra el diagrama de bloques que se encarga de la recepción y la manipulación del
prototipo. La antena actúa como elemento de entrada la cual recibe la señal y envía al
sistema electrónico que se encarga de decodificar la señal y controlar el accionamiento de
los motores los cuales actúan como elementos de salida. Los sistemas electrónicos se
comunican con los dispositivos de entrada y salida.
Figura 10. Sistemas electrónicos, (a) control a larga distancia desde la computadora, (b) recepción y control de
activación de motores.
En este capítulo se explicará los dos sistemas electrónicos a detalle desde su simulación,
diseño y construcción.
3.1.1. interfaz USB y trasmisión por radio frecuencia
Una de las ideas principales era poder manipular el prototipo a través de nuestra laptop y a
una distancia considerable para que el operario no entrara en contacto con el prototipo.
Para eso realizamos un circuito que integra una interfaz humana y a su vez trasmite los bits
por radiofrecuencia.
13
Interfaz USB
El bus serial universal (USB) fue creado en los años 90 para mejorar las técnicas plug-and-
play es decir permitir a los dispositivos conectarse y desconectarse sin necesidad de reiniciar
la PC.
Para realizar la interfaz USB se utilizó un PIC18f2550 (figura 11) con el cual realizamos la
comunicación entre el PIC y la computadora mediante una interfaz humana (HID) la cual es
de baja velocidad (1.0).
Figura 11. Configuración del PIC 18f2550.
La gama alta (PIC18), tiene una arquitectura RISC avanzada Harvard con 16 bits de bus de
programa y 8 bits de bus de datos. La memoria RAM puede llegar hasta 4Kbytes y hasta
1Kbytes de EEPROM. Incluye periféricos de comunicación avanzados (CAN y USB) 10.
Universal serial bus (USB) El PIC 18f2550 contiene una USB interfaz serial engine (SIE) que permite comunicaciones rápidas entre cualquier host USB y el microcontrolador PIC. En la figura 12 Se muestra un panorama general del puerto USB, sus puertos y características de un PIC 18f2550.
10
Libro: Compilador C CCS y simulador proteus para microcontroladores PIC, autor: Eduardo García Breijo, primera edición.
14
Figura 12. Diagrama interno del puerto USB del PIC 18f2550.
Cuando se conecta un dispositivo al HOST se produce la enumeración en la cual el HOST
interroga al dispositivo sobre sus características principales, asignándole una dirección y
permitiendo la transferencia de datos.
Los dispositivos suministran la información necesaria al sistema USB a través de los
descriptores; estos contienen unos campos que permiten al sistema clasificar al dispositivo y
asignarle un driver. La primera información que necesita es la del fabricante y producto (USB
vendor ID-VIP y el product ID-PID). Microchip suministra su VIP y los PID para cada familia
de PIC con USB.
Físicamente, los datos del USB se transmiten por un par trenzado D+ (RC5) y D-(RC4)
además de la tierra y alimentación.
Se realizó un diagrama de flujo para ver detalladamente los pasos del proceso y así poder
realizar con mayor facilidad el programa. Además el diagrama de flujo nos ayudo a la
comprensión del proceso.
En la figura 13 se muestra el diagrama de flujo que se realizo para la programación de
nuestro PIC.
15
Figura 13. Diagrama de flujo del programa para la interfaz USB.
La programación del microcontrolador se realizo en lenguaje C con el compilador CCSC.
Se eligió el compilador CCSC porque fue desarrollado específicamente para PIC MCU,
además dispone de una amplia librería de funciones predefinidas, comandos de
preprocesado y suministra los controladores para diversos dispositivos como el USB.
Este compilador convierte el lenguaje de alto nivel a instrucciones en código maquina. Los
programas son editados y compilados a instrucciones maquina en el entorno de trabajo del
PC.
El programa que se realizo en CCSC fue:
#include <18F2550.h> #fuses NOMCLR,HSPLL,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,NODEBUG,USBDIV,PLL5,CPUDIV1,VREGEN,NOPBADEN
16
#use delay(clock=48000000) #include <pic18_usb.h> #include <Descriptor_easyHID.h> #include <USB.c> #use fast_io(b) #use fast_io(c) #define LED_VERDE PIN_C6 #define LED_ROJO PIN_C7 #define USB_CONFIG_HID_TX_SIZE 32 #define USB_CONFIG_HID_RX_SIZE 32 #define Activa_salidas 0x0A #define Activar_Maquina 0x10 #define Paro_automatico 0x20 #define Corte_de_pilas 0x30 #define Trituracion 0x40 #define Banda 0x50 #define Separacion 0x60 #define Led_On output_high #define Led_Off output_low void USB_debug() Led_On(LED_ROJO); Led_Off(LED_VERDE); usb_wait_for_enumeration(); Led_On(LED_VERDE); Led_Off(LED_ROJO); void main (void) int8 recibe [USB_EP1_RX_SIZE]; int8 envia [USB_EP1_TX_SIZE]; set_tris_b(0xF0); output_b(0x00); set_tris_c(0b00111000); usb_init(); usb_task(); USB_debug(); while(TRUE) if(usb_enumerated()) usb_put_packet(1,envia,USB_CONFIG_HID_TX_SIZE,USB_DTS_TOGGLE); if(usb_kbhit(1)) usb_get_packet(1,recibe,USB_CONFIG_HID_RX_SIZE); if(recibe[0]==Activa_salidas) switch(recibe[1]) case Activar_Maquina: output_toggle(PIN_B0);
17
break; case Paro_automatico: output_toggle(PIN_B1); break; case Corte_de_pilas: output_toggle(PIN_B2); break; case Trituracion: output_toggle(PIN_B3); break; case Banda: output_toggle(PIN_B4); break; case Separacion: output_toggle(PIN_B5); break;
CCS suministra un gran número de librería para la comunicación USB como:
-pic_18usb.h: driver de la capa hardware de la familia PIC18.
-Descriptor_easyHID.h: es una librería suministrada por mecanique, genera un programa
base, tanto para el PIC como para PC.
-usb.c: el driver stack, que maneja las interrupciones USB y el USB setup request en
Endpoint 0.
-usb_init(): inicializa el hardware USB. Espera en un bucle infinito hasta que el periférico
USB es conectado al bus.
-usb_task(): si se utiliza una detección de conexión para la inicialización, entonces se debe llamar periódicamente a esta función para controlar el pin de detención de conexión. Cuando el PIC es conectado o desconectado del bus, esta función inicializa el periférico USB o resetea el USB stack y el periférico, -usb_enumerated(): devuelve un TRUE si el dispositivo ha sido enumerado por el PC y, en este caso, el dispositivo entra en modo de operación normal y puede enviar y recibir paquetes de datos.
18
-clock=48000000: debemos tener en cuenta que la frecuencia debe de ser de 48Mhz pero que utilizando el bit de configuración PLL5se puede emplear un cristal de cuarzo exterior de 20Mhz11. Básicamente se manda una serie de datos de la PC al PIC, al apretar un botón de la interfaz grafica manda los datos al PIC este los decodifica y activa un pin del puerto B. El portb activa una de las cuatro entradas del codificador.
Transmisión de radiofrecuencia
Se realizó una comunicación a través de radiofrecuencia con lo cual la ventaja principal es
que tenemos un margen de 100m para poder manipular nuestro prototipo. Para esto se
utilizaron módulos de radiofrecuencia.
Para codificar los datos que llegan del PIC se utilizo el HT12E (figura 3.1.5(a)), son de la
serie CMOS y son utilizados para aplicación de sistemas de control remoto. Son capaces de
codificar información que consiste en 8 bits de direcciones y 4 bits de datos. Cada entrada y
salida puede tener uno de los dos estados lógicos (1 o 0). Tanto la direcciones y datos
seleccionados se trasmiten por medio de radiofrecuencia o por medio de una trasmisión de
infrarrojo tras la recepción de una señal de disparo.
Para enviar los datos por radiofrecuencia se utilizo el TWS-434 el cual trabaja en la
frecuencia de los 433.92 MHz y con modulación ASK, tiene alcance de 120m en exterior y
60m en interior aproximadamente en la figura 14 (b) se muestra la configuración del modulo
tws-434. El trasmisor acepta entradas lineales y digitales.
Figura 14. (a) Configuración del HT12E, (b) configuración del TWS-434.
El circuito final combina la interfaz USB y la trasmisión mediante radiofrecuencia en la figura
15 se muestra el circuito realizado.
11
Libro: Compilador C CCS y simulador proteus para microcontroladores PIC, autor: Eduardo García Breijo, primera edición.
19
Figura 15. Diagrama de la interfaz USB y trasmisión de radiofrecuencia.
3.1.2. Recepción de radiofrecuencia y Optoaislamiento
Para la recepción de datos se utilizó el receptor RWS-434 el cual se muestra en la figura
16(a), funciona en una frecuencia de 433.92Mhz, trabaja por medio de modulación ASK.
Para la decodificación de los datos se utilizo el decodificador HT12D (figura 16 (b)) es de la
serie Cmos y su aplicación es para sistemas de control remoto.
Figura 16. (a) configuración del RWS-434. (b) configuración del receptor HT12D.
Después de captar la señal el RWS-434 el circuito HT12D decodifica la señal y activa sus
algunas de sus salidas, estas están conectadas a la parte del Optoaislamiento.
Optoaislamiento
En esta parte las salidas del decodificador pasan por una parte de Optoaislamiento para
elevar su voltaje y corriente para poder activar las entradas del PLC.
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-/CVREF4
RA3/AN3/VREF+5
RA4/T0CKI/C1OUT/RCV6
RA5/AN4/SS/LVDIN/C2OUT7
RA6/OSC2/CLKO10
OSC1/CLKI9
RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA21
RB1/AN10/INT1/SCK/SCL22
RB2/AN8/INT2/VMO23
RB3/AN9/CCP2/VPO24
RB4/AN11/KBI0/CSSPP25
RB5/KBI1/PGM26
RB6/KBI2/PGC27
RB7/KBI3/PGD28
RC0/T1OSO/T1CKI11
RC1/T1OSI/CCP2/UOE12
RC2/CCP113
VUSB14
RC4/D-/VM15
RC5/D+/VP16
RC6/TX/CK17
RC7/RX/DT/SDO18
RE3/MCLR/VPP1
C1
470n
VCC1
D+3
D-2
GND4
J1
USBCONN
J1(VCC)
C2
100n
U1(RE3/MCLR/VPP)
D5LED-GREEN
D6LED-RED
HT12E
a0a1a2a3a4a5a6a7vssad1
ad2ad3ad4TE
osc1osc2doutvdd
R110k
R210k
R310k
R410k
R510k
TWS-434
118
?
20
La principal ventaja del optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre el circuito del LED y el
circuito del fototransistor. El único contacto entre los circuitos de entrada y salida es el haz
luminoso.
Un optoaislador con transistor da una corriente de salida más pequeña que la de entrada y
una razón de transferencia quizá de 30% con un valor máximo de corriente de 7mA12.
Se utilizó el optoacoplador CNY 74-4(figura 17) El cual consiste en un fototransistor
acoplado ópticamente a un diodo emisor de infrarrojo de arseniuro de galio. Proporciona una
distancia fija entre entrada y salida para los requisitos de seguridad más altos.
Figura 17 .Configuración del CNY-74-4.
Después de pasar por la etapa de Optoaislamiento las salidas del optoacoplador van
conectadas a las dos primeras entradas del PLC. En la figura 18 se muestra la etapa de
recepción de radiofrecuencia, Optoaislamiento y conexión al PLC.
12
Libro: Mecatrónica, sistemas de control electrónico en la ingenieria mecánica y eléctrica, autor: W. Bolton, cuarta edición
21
Figura 18. Diagrama de la etapa de recepción de RF, optoaislamiento y conexión al PLC.
3.1.3. Automatización mediante PLC
Para automatizar el prototipo se utilizó un PLC (circuito lógico programable) puesto que se
tenían activar salidas de corriente alterna así como de corriente directa a 3A.
Se utilizó el PLC SR3 B261BD el cual cuenta con 10 entradas digitales y con 6 entradas
analógicas, para activar las entradas se debe de aplicar una tensión de 24VDC. Cuenta con
10 salidas tipo relevador13.
Se utilizó el lenguaje escalera para la programación, en el cual cada tarea de programación
se especifica como un escalón este puede especificar los estados a resolver las operaciones
lógicas abarcando esas entradas. En la tabla 1 se muestra las variables de entrada y salida
de la programación.
Tabla1. Variables de entrada y salida.
Entradas Salidas
IN1 Activar Q1 Motor 5v izquierda
IN2 Paro automático Q2 Motor 5v derecha
IN3 Readme Q3 Banda
IN4 Paro automático 2 Q4 Motor 24v izquierda
IN5 Fin de carrera 1 Q5 Motor 24v derecha
IN6 Fin de carrera 2 Q6 Motor trituración
13
Manual para PLC SR3 B261BD.
6
5
4
1
2
U1
OPTOCOUPLER-NPN
6
5
4
1
2
U2
OPTOCOUPLER-NPN
6
5
4
1
2
U3
OPTOCOUPLER-NPN
6
5
4
1
2
U4
OPTOCOUPLER-NPN
R1
820
R2
820
R3
820
R4
820
U1(C)
R510k
R610k
R710k
R810k
HT12D
a0a1a3a4a5a6a7
a2a3a4a5a6a7vss out1
out2out3out4
inosc1osc2
vtvdd
1 18
RWS-434
R110k
?
?
2
1
SR
3-B
26
1B
D
+-
PARO
ACTIVAR
22
IN7 Fin de carrera 3 Q7 Motor corte
IN8 Fin de carrera 4 Q8 Motor 24v corte
Relevadores internos de memoria Timer
M1 M2 M3 M4 M5 M6 T1 T2
M7 M8 M9 MA MB MC MD T3 T4 T5
El software utilizado fue Zelio Soft en el cual puede programarse en lenguaje escalera. Con
este tipo de programación puede desempeñar funciones lógicas combinatorias.
En la figura 19 se muestra el programa realizado en Zelio Soft y fue con el grabamos nuestro
PLC.
23
24
Figura 19. Programa en lenguaje escalera grabado a nuestro PLC.
3.1.4. Controlador para cambio de giro y activación motores
En dos etapas del prototipo se requería que el motor girara en ambos sentidos para esto se
utilizaron los controladores L293B (motor de 5v 800mA) y L293D (para el motor 24v a 1.5 A).
La configuración de ambos controladores es igual como se puede observar en la figura 20. El
L293B y el L293D son controladores H cuádruples de alta corriente media. Estos
dispositivos están diseñados para manejar cargas inductivas tales como los motores
utilizados.
Figura 20.Configuración del los controladores L293B y L293D.
25
Se utilizó las salidas del PLC para la activación del driver, la lógica se muestra en las
siguientes tablas.
Tabla 2. Muestra la lógica para la activación del controlador L293B
Q1 Q2 Acción
0 0 Desactivado
0 EN2 Giro a la
izquierda
EN1 0 Giro a la
derecha
EN1 EN2 Desactivado
Tabla 3. Muestra la lógica para la activación del controlador L293D
Q4 Q5 Acción
0 0 Desactivado
0 EN2 Giro a la
izquierda
EN1 0 Giro a la
derecha
EN1 EN2 Desactivado
Motores
En el prototipo se usaron 6 motores los cuales realizan todos los movimientos de nuestro
prototipo. Se ocuparon 4 motorreductores y 2 de corriente alterna.
Los motorreductores son elementos mecánicos muy adecuados para el accionamiento de
todo tipo de máquinas y aparatos de uso industrial en los cuales se necesite reducir su
velocidad de forma eficiente, constante y segura.
Las ventajas de usar motorreductores son:
-alta eficiencia de transmisión de potencia del motor.
-alta regularidad en cuanto a potencia y par transmitido.
Se utilizaron 3 motorreductores de cabeza de engranes modelo Gc-2200-mbe:
24 v dc
24 rpm
Torque: 9 kg/cm
Corriente máxima 2 A
También se utilizó un motorreductor modelo B01 1120:
26
5 v dc
54 rpm
Torque: 2kg/cm
Consumo de corriente sin carga: 75mA
Consumo de corriente atrancado: 670 mA
Peso 32 gr.
En la figura 21 se muestra los 2 tipos de motorreductores utilizados.
Figura 21. Motorreductores utilizados, a) Motorreductor B01 1120, b) motorreductor Gc-2200-mbe.
Para la trituración se utilizó un potente motor 1HP (750w) el cual requiere una tensión de
127V 60Hz. Para cortar las pilas se utilizó un motor de 400w a 25000 RPM y requiere una
tensión de 127 60Hz. En la figura 3.1.13 se muestra la conexión de los motores utilizados en
el prototipo. En la figura 22 se muestra la conexión de las salidas del PLC con cada motor del
prototipo.
Figura 22. Diagrama de conexión de motores.
SR
3-B
26
1B
D
IN12
OUT13
OUT26
OUT311
OUT414
IN27
IN310
IN415
EN11
EN29
VS
8
VSS
16
GND GND
U1
L293B
IN12
OUT13
OUT26
OUT311
OUT414
IN27
IN310
IN415
EN11
EN29
VS
8
VSS
16
GND GND
U2
L293D
U1(VSS)
?
R110k
R210k
?
BANDA
SEPARACION
U2(VSS)
U2(VS)
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
C
M2 TRITURACION
TRITURADORA
CORTE
?
M2 CORTE
R310k
R410k
27
3.1.5. Fuentes de alimentación
Fuentes de DC con entrada de transformador: este tipo de fuente de alimentación utiliza un
transformador para reducir el voltaje de AC de la línea. El transformador puede ser de tipo
“montado en muro” (externo) o montado en el chasis (interno).
Se utiliza un rectificador a la salida del transformador, seguido de un filtro de capacitor y un
regulador. El regulador se vuelve un problema cuando los requerimientos de potencia se
incrementan.
En el prototipo se utilizan 4 fuentes de alimentación. La primera se utilizó para alimentar la
recepción de radiofrecuencia y activación del fotodiodo del optoaislador, la fuente
proporciona un voltaje de 5v a 800mA, la segunda fuente se utilizó para la alimentación del
PLC y la activación de cada entrada del mismo y proporciona un voltaje de 24v a 800mA, ya
se contaba con estas dos fuentes.
Se tuvieron que construir dos fuentes, en la figura 23(a) se muestra la fuente que alimenta a
los motorreductores Gc-2200-mbe, la fuente proporciona un voltaje variable de 1.3v a 24v
con una corriente de 3A. Para alimentar el motorreductor se construyó la fuente de la figura
23 (b) la cual proporciona un voltaje variable de 1.3 a 9v con una corriente de 1A.
Figura 23. Diagrama de las fuentes construidas, (a) Fuente variable de 1.3 a 24v a 3A, (b) fuente variable de 1.3
a 9v a 1A.
3.1.6. Simulación de circuitos y procesos
Un simulador es una máquina que reproduce el comportamiento de un sistema en ciertas
condiciones, lo que permite que la persona que debe manejar dicho sistema pueda ver y
observar el funcionamiento antes de realizarlo de forma real.
28
Para observar si la programación del PIC había sido correcta se utilizó el simulador proteus
7.8.
El entorno de diseño electrónico PROTEUS VSM de LABCENTER ELECTRONICS ofrece la
posibilidad de simular código microcontrolador de alto y bajo nivel y, simultáneamente, con la
simulación en modo mixto de SPICE. Esto permite el diseño tanto a nivel de hardware como
software y realiza la simulación en un mismo y único entorno. Para ello suministra tres
potentes subentornos como son el ISIS para el diseño gráfico, VSM (virtual system
modelling) para la simulación y el ARES para el diseño de placas.
ISIS es un potente programa de diseño electrónico que permite realizar esquemas que
pueden ser simulados en el entorno VSM. Posee una muy buena colección de librerías de
modelos tanto para dibujar, simular o para placas14.
Entre las herramientas de proteus se encuentran:
USBCONN: el cual permite conectar y desconectar el bus.
Analizador de transiciones USB: es el visualizador de USB.
En la figura 24 se muestra la simulación de la interfaz USB y el analizador de transiciones
USB y en la figura 25 se muestra la simulación de la interfaz del software creado y el PIC.
Figura 24. simulacion de la interfaz USB y visualizacion de transiciones en proteus.
14
Libro: Compilador C CCS y simulador proteus para microcontroladores PIC.
29
Figura 25. Simulación entre la interfaz gráfica y el PIC.
Para simular cada uno de los procesos que iba a realizar nuestro prototipo utilizamos el
programa automation studio 5.0. simulación
Automation studio esta provisto de bibliotecas completas. Cuenta con una biblioteca para
PLC con la cual puedes crear y sumular el control de un sistema automatizado en la figura 26
se muestra la simulación de nuestro sistema y en la figura 27 se muestra la utilizando la
biblioteca para los circuitos lógicos programables (PLC).
Automation nos permite modificar la configuración de las valvulas, pistones, motores, etc. La
simulación en Automation Studio™ implementa técnicas de modelación fiables basadas en el
teorema de Bernoulli y el método de gradiente. Permite reproducir escrupulosamente el
comportamiento de los sistemas de modo dinámico y visual. En el momento de la simulación,
los componentes se animan y los conductos cambian de color según su estado. Así, la
simulación permite explicar el funcionamiento de los circuitos en todos los niveles15.
La simulación de parámetros de curvas realiza el trazado de las curvas para un análisis
detallado, es posible establecer un histograma de cualquier parámetro o variable
simplemente efectuando un deslizar y poner. Los resultados pueden fácilmente ser
15
Sitio web: http://automationstudio.com/educ/esp/.
30
trasladados en una hoja de cálculo o un software de base de datos para un análisis
completo. En la figura 28 se muestra el trazdo de las curvas de la activacion de cada uno de
los motores.
Figura 26. Simulación del sistema con automation studio.
Figura 27. Simulación del programa en lenguaje escalera.
31
Figura 28. Simulación de la activación de motores mediante graficas.
3.1.7 Diseño de circuitos y especificaciones
Después de simular cada circuito, se realizaron pruebas en protoboard para observar el
funcionamiento y así corregir fallas. En la figura 29 se muestra la prueba en protoboard de la
fuente de alimentación.
Figura 29. Pruebas en protoboard.
Después de comprobar que cada circuito funcionaba se diseñaron los PCB, con el software
Circuit Wizard se escogió este programa porque tiene una amplia lista de librerías además tu
puedes simular cada PCB antes de realizar el circuito. Para la automatización del prototipo
se crearon con circuit wizard los siguientes diseños:
Interfaz USB y trasmisión por radiofrecuencia (figura 30).
Recepción de radiofrecuencia (figura 31).
Optoaislamiento (figura 32).
32
Cambio de giro para motor de 24v (figura 33).
Cambio de giro para motor de 5v (figura 34).
Fuente de alimentación 1.3 a 9v a 1A (figura 35).
Fuente de alimentación 1.3 a 24v a 3A (figura 36).
Material:
1. Entrada USB
2. 4 capacitores 22
3. Cristal 20
4. 2 led 3mm rojo y verde
5. PIC 18f2550
6. 2 resistencias 330Ω
7. 4 resistencias 10
8. 1 resistencia 680
9. Trasmisor tws-434
A. Antena
B. Codificador HT12E
Figura 30. Diseño en PCB de la interfaz USB y Radiofrecuencia.
Materiales:
1. TWS-434
2. HT12D
3. 3 bornes dobles
4. Antena
5. Resistencia de 4.7k
Figura 31. Diseño en PCB de la recepcion de radiofrecuencia.
Materiales:
1. Un borne triple
2. 4 resistencia 820Ω
3. Optocoplador CNY74-4
4. 5 bornes dobles
5. 4 resistencias 10kΩ
6. 4 leds rojos de 5mm
7. 4 resistencias 15kΩ
Figura 32. Diseño en PCB de la etapa de optoaislamiento.
33
Materiales:
1. 4 resistencias de 10kΩ
2. 1 controlador L293B
3. 5 bornes dobles
Figura 33. Diseño en PCB de la etapa de cambio de giro del motor de 5v.
Materiales:
1. Controlador L293D
2. 4 resistencias de 10kΩ
3. 6 bornes dobles
Figura 34. Diseño en PCB de la etapa de cambio de giro del motor de 24v.
Material:
1. Transformador 127 a 9 v a 1A
2. 4 diodos 1N4007
3. Capacitor electrolitico 1000µf
4. Capacitor ceramico 100ɳf
5. Regulador LM317
6. Resistencia 330Ω
7. Potenciometro 5kΩ
Figura 35. Diseño en PCB de la fuente de alimentacion de 5v. 8. 2 bornes dobles
Figura 36. Diseño de la fuente de alimentacion de 24v a 3A.
34
Materiales
1. Entrada a.c.
2. Apagador on-off
3. Portafusible
4. Transformador 127 a 24v a 3A
5. 3 bornes dobles
6. 4 diodos
7. Capacitor electrolitico
8. Capacitor ceramico
9. Disipador de aluminio
A. Regulador LM317
B. Potenciometro 5kΩ
C. Capacitor electrolitico 470
D. Fusible a 3A
E. Transistor 2N3055
En la figura 37 se muestra las medidas del PLC utlizado.
Figura 37. Medidas del PLC utilizado.
En la figura 38 se muestra la conexión de cada circuito de entrada con el PLC y en la figura
39 se muestra la conexión del PLC con los circuitos de salida.
35
Figura 38. Conexión de los circuitos de entrada con el PLC.
Figura 39. Conexión de los circuitos encargados del cambio de giro.
36
Después de realizar cada una de las conexiones de los circuitos con el PLC se realizaron
pruebas para observar el funcionamiento de los circuitos, realizar mediciones y corregir
errores. En la figura 39 se muestra la prueba de los circuitos de entrada y el PLC.
Figura 40. Pruebas de la etapa de radiofrecuencia y optoaislamiento.
Comprobando que cada etapa funcionaba perfectamente se montaron los circuitos
electrónicos en dos cajas de montaje esto para proteger a los circuitos electrónicos de algún
daño. En la figura 40(a) se muestra el montaje de los circuitos electrónicos. En la figura 40(b)
se muestra la caja ya montada.
Figura 41. (a) Montaje de circuitos en la caja de montaje, (b) circuitos ya montados en sus cajas de montaje.
3.2. Mecánica
3.2.1. Aleaciones de aluminio
Las aleaciones de aluminio son aleaciones obtenidas a partir de aluminio y otros elementos
(generalmente cobre, zinc, manganeso, magnesio o silicio). Forman parte de las
37
llamadas aleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que los aceros, pero no tan
resistentes a la corrosión como el aluminio puro, que forma en su superficie una capa de
óxido de aluminio (alúmina). Las aleaciones de aluminio tienen como principal objetivo
mejorar la dureza y resistencia del aluminio, que es en estado puro un metal muy blando.
La corrosión galvánica se produce rápidamente en las aleaciones de aluminio cuando entran
en contacto eléctrico con acero inoxidable u otras aleaciones con
mayor electronegatividad en un ambiente húmedo, por lo que si se usan conjuntamente
deben ser adecuadamente aisladas.
Las aleaciones de aluminio son aleaciones obtenidas a partir de aluminio y otros
elementos(generalmente cobre, zinc, manganeso, magnesio o silicio). Forman parte de las
llamadas aleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que los aceros, pero no tan
resistentes a la corrosión como el aluminio puro, que forma en su superficie una capa de
óxido de aluminio (alúmina). Las aleaciones de aluminio tienen como principal objetivo
mejorar la dureza y resistencia del aluminio, que es en estado puro un metal muy blando.
La corrosión galvánica se produce rápidamente en las aleaciones de aluminio cuando entran
en contacto eléctrico con acero inoxidable u otras aleaciones con
mayor electronegatividad en un ambiente húmedo, por lo que si se usan conjuntamente
deben ser adecuadamente aisladas16.
Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento térmico
Algunas aleaciones pueden reforzarse mediante tratamiento térmico en un proceso de
precipitación. El nivel de tratamiento térmico de una aleación se representa mediante la letra
T seguida de un número por ejemplo T5. Hay tres grupos principales de este tipo de
aleaciones.
Aleaciones 2xxx: El principal aleante de este grupo de aleaciones es el cobre (Cu),
aunque también contienen magnesio Mg. Estas aleaciones con un tratamiento T6 tiene
una resistencia a la tracción aproximada de 64ksi (442 MPa) (pascales metro cuadrado) y
se utiliza en la fabricación de estructuras de aviones, concretamente en la parte inferior y
en el fuselaje donde se precisa de una gran tenacidad a fractura además de buena
resistencia.
Aleaciones 6xxx. Los principales elementos aleantes de este grupo son magnesio y
silicio. Con unas condiciones de tratamiento térmico T6 alcanza una resistencia a la
tracción de 42 ksi (290MPa) y es utilizada para perfiles y estructuras en general.
Aleaciones 7xxx. Los principales aleantes de este grupo de aleaciones son zinc,
magnesio y cobre. Con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción aproximada
de 73ksi (504MPa) y se utiliza para fabricar estructuras de aviones, concretamente la
parte superior de las alas en las que se precisa una gran resistencia.
16
Libro: Diseño de elementos de maquinas, autor: V.M. Faires.
38
Aleaciones de aluminio forjado sin tratamiento térmico
Las aleaciones que no reciben tratamiento térmico solamente pueden ser trabajadas en frío
para aumentar su resistencia. Hay tres grupos principales de estas aleaciones según la
norma AISI-SAE que son los siguientes:
Aleaciones 1xxx. Son aleaciones de aluminio técnicamente puro, al 99,9% siendo sus
principales impurezas el hierro y el silicio como elemento aleante. Se les aporta un 0.1%
de cobre para aumentar su resistencia. Tienen una resistencia aproximada de 90 MPa.
Se utilizan principalmente para trabajos de laminados en frío.
Aleaciones 3 xxx. El elemento aleante principal de este grupo de aleaciones es el
manganeso (Mn) que está presente en un 1,2% y tiene como objetivo reforzar al aluminio.
Tienen una resistencia aproximada de 16 ksi (110MPa) en condiciones de recocido. Se
utilizan en componentes que exijan buena maquinabilidad.
Aleaciones 5xxx. En este grupo de aleaciones es el magnesio es el principal
componente aleante su aporte varía del 2 al 5%. Esta aleación se utiliza cuando para
conseguir reforzamiento en solución sólida. Tiene una resistencia aproximada de 28 ksi
(193MPa) en condiciones de recocido.
3.2.2. Estructura de la banda transportadora
Aleación utilizada: 1xxx. Son aleaciones de aluminio técnicamente puro, al 99,9%
siendo sus principales impurezas el hierro y el silicio como elemento aleante. Se les
aporta un 0.1% de cobre para aumentar su resistencia. Tienen una resistencia
aproximada de 90 MPa. Se utilizan principalmente para trabajos de laminados en frío.
Esta banda transportadora es de tipo recta con rodamientos y reforzada con un tercer
rodamiento en su parte inferior. En la figura 41 se puede ver el diseño de la banda
transportadora.
Figura 42. Banda transportadora reforzada.
39
En la figura 43 se muestra las medidas de la estructura de la banda transportadora.
Figura 43. Dimensiones de la banda transportadora.
La banda se soporta con una estructura de aluminio de aleación 1xxx la cual aparte de tener
el propósito de ser el soporte mecánico, sostiene el cableado y swiches de fin de carrera. En
la figura 43 se muestra la estructura que sostiene a la banda transportadora.
Figura 44. Estructura de soporte de la banda transportadora.
Dentro de la estructura de la banda transportadora, en la parte superior hemos colocado un
mecanismo retráctil con imanes (figura 44) los cuales separan la lámina que recubre a las
pilas “AA” después de que hayan sido trituradas.
40
Figura 45. Contenedor de imanes.
3.2.3. Estructura “A”
La estructura de la máquina de trituración de pilas está compuesta por dos tipos de
estructura, la estructura “A” es la que da soporte a todo el complejo, principalmente la
estructura “A” está hecha de fierro (ángulo de 2.5cm) en la figura 45 se muestra esta
estructura.
Este material fue elegido por su resistencia y peso mayor al fierro, ya que es necesario un
material más fuerte para soportar el peso y vibraciones de toda la estructura.
Figura 46. Estructura del proceso de trituración.
41
3.2.4. Estructura “B”
La estructura “B” es aquella donde van situados los dispositivos de corte y el dispensador de
pilas, esta estructura está formada completamente por aluminio (ángulo de 3cm) aquí se ha
utilizado un ángulo de mayor tamaño, ya que por la cantidad de vibraciones es necesario
tener una estructura más fuerte que este a la altura de los requerimientos.
El color azul en la figura 46 representa los puntos de refuerzo, los cuales su función es
ofrecer resistencia extra a la estructura para que no se deforme
Figura 47. Puntos de soporte de la estructura “B”.
En la figura 48 se muestra en contenedor el cual su función principal es proporcionar pilas a
la etapa de corte.
Figura 48. Contenedor dispensador de pilas.
42
En la figura 49 se muestra la estructura donde se coloco el motor que se encarga del corte
de la pilas.
Figura 49. Posicionamiento del motor cortador.
La estructura “B” está situada en la parte superior de la estructura “A”, ya que contamos con
un motor triturador después de que las pilas son cortadas para así deshacer el sólido y
poder separar su composición. En la figura 49 se muestra el ensamblaje de la estructura “A”
y la estructura “B”.
Figura 50. Ensamblaje de la estructura “A” y la “B”.
43
Dentro de esta misma estructura tenemos la rueda que contiene los soportes donde se
colocan las pilas, estos soportes pasan por el motor que se encarga del corte de las pilas,
estos soportes están hechos de aluminio, en la figura 50 se muestra las medidas de cada
soporte.
Figura 51. Soporte de corte de las pilas.
La rueda (figura 51) antes mencionada sostiene estos soportes, girando en sentido contrario
a las manecillas del reloj para que los discos de carburo de silicio situados en la parte
posterior de la estructura “B” corten la pila en 4 partes esto no ayuda para disminuir la
resistencia del sólido.
Figura 52. Ensamblaje de la rueda.
44
Esto es logrado con un motor de altas revoluciones para acelerar el corte y así se pueda
disminuir el empuje generado por el motor que impulsa la rueda.
La unidad trituradora está situada en la estructura “A” donde tienen que caer las pilas ya
previamente cortadas para que inicie el proceso de trituración. Este motor es especializado
para triturar sólidos de dureza media y cuenta con un caballo de potencia
Figura 53. Proceso de trituración de pilas “AA”.
Una vez que el motor ha realizado su función de triturar los componentes, este tendrá que
girar 100 grados en sentido contrario a las manecillas del reloj para depositar los
componentes triturados en la banda transportadora e inicie el proceso de separación. En la
figura 54 se muestra la caída de la pila al proceso de trituración.
Figura 54. Vaciado de pilas a la trituradora.
45
En la figura 55 se muestra la caída del material triturado a la etapa de separación de lámina.
Figura 55. Vaciado del contenido triturado a la banda transportadora.
En esta parte del proceso el motor de trituración gira 100 grados para depositar todo el
material triturado a la banda transportadora que posteriormente los llevara hacia el proceso
de separación de metales (figura 56).
Figura 56. Proceso de separación metálica con imanes.
En esta etapa los residuos llegan al contenedor de imanes para separar la lámina del resto
de los componentes.
3.2.5. Soldadura con arco
Soldadura: la soldadura es uno de los diversos procesos de fusión para unir metales. Con la
aplicación de un calor intenso, el metal en la unión entre las dos piezas se funde e integra en
forma directa o, lo más común, con un metal de aporte intermedio fundido. En la figura 56 se
muestra el proceso para soldar.
46
Figura 57. Proceso de soldadura entre metales.
Cuando se enfría y se solidifica se tiene un enlace metalúrgico. Debido a que la unión es por
la incorporación de la sustancia de una parte con la sustancia de otra parte con o sin
sustancia intermedia similar, la soldadura final tendrá en la unión las mismas propiedades de
resistencia que el metal de las piezas:
1- metal de base
2- cordón de soldadura
3- fuente de energía (plasma, arco eléctrico, flama, etc.)
4- metal de aporte (alambre, varilla.)
En el proceso para soldar hemos utilizado el tipo soldadura eléctrica de arco de C.A. sus
características y elementos son:
Plasma: está compuesto por electrones que transportan la corriente y que van del polo
negativo al positivo, de iones metálicos que van del polo positivo al negativo,
de átomos gaseosos que se van ionizando y estabilizándose conforme pierden o ganan
electrones, y de productos de la fusión tales como vapores que ayudarán a la formación
de una atmósfera protectora. Esta misma alcanza la mayor temperatura del proceso.
Llama: es la zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que éste,
formada por átomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor por la
combustión del revestimiento del electrodo. Otorga al arco eléctrico su forma cónica.
Baño de fusión: la acción calorífica del arco provoca la fusión del material, donde parte de
éste se mezcla con el material de aportación del electrodo, provocando la soldadura de
las piezas una vez solidificado17.
17
Libro: Fundamento de diseño mecánico, autores: Joseph E. Shigley, Charles R. Mischke, tomo dos.
47
Cráter: surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y profundidad vendrán
dadas por el poder de penetración del electrodo.
Cordón de soldadura: está constituido por el metal base y el material de aportación del
electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la escoria, compuesta por impurezas que
son segregadas durante la solidificación y que posteriormente son eliminadas, y sobre el
espesor, formado por la parte útil del material de aportación y parte del metal base, la
soldadura en sí.
Electrodo: son varillas metálicas preparadas para servir como polo del circuito; en su
extremo se genera el arco eléctrico. En algunos casos, sirven también como material
fundente. La varilla metálica a menudo va recubierta por una combinación de materiales
que varían de un electrodo a otro. El recubrimiento en los electrodos tiene diversa
funciones, éstas pueden resumirse en las siguientes:
Función eléctrica del recubrimiento
Función física de la escoria
Función metalúrgica del recubrimiento
En la figura 57 se muestra los elementos que necesitamos para soldar.
Figura 58. Circuito básico para soldadura con arco.
Materiales de consumo
Los materiales de consumo son los que se utilizan durante la soldadura como electrodos,
barras de aporte, fundetes y gases protectores aplicados desde el exterior.
Con excepción de los gases, todos los consumibles están incluidos en las especificaciones
de la American Welding Society (asociación americana de soldadura), en la serie AWS 5.X
se estipulan los requerimientos para los electrodos.
48
En el trabajo de soldeo hemos utilizado el electrodo de tipo E6020 de acero de baja aleación
con 60 000 psi de resistencia mínima a la tracción. En la figura 58 se muestran los puntos de
unión de la estructura “B”
Figura 59. Puntos de unión de la estructura “B”.
3.2.6. Sujetadores roscados y sin rosca.
Tornillos y remaches:
Tornillo: Se denomina tornillo a un elemento u operador mecánico cilíndrico con una cabeza,
generalmente metálico, aunque pueden ser de madera o plástico, utilizado en la fijación
temporal de unas piezas con otras, que está dotado de una caña roscada con rosca
triangular, que mediante una fuerza de torsión ejercida en su cabeza con una llave adecuada
49
o con un destornillador, se puede introducir en un agujero roscado a su medida o atravesar
las piezas y acoplarse a una tuerca
Los tornillos los definen las siguientes características:
Diámetro exterior de la caña: en el sistema métrico se expresa en mm y en el sistema
inglés en fracciones de pulgada.
Tipo de rosca: métrica, Whitworth, trapecial, redonda, en diente de sierra, eléctrica,
etc. Las roscas pueden ser exteriores o machos (tornillos) o bien interiores o hembras
(tuercas), debiendo ser sus magnitudes coherentes para que ambos elementos
puedan enroscarse.
Sentido de la hélice de la rosca: a derechas o a izquierdas. Prácticamente casi toda la
tornillería tiene rosca a derechas, pero algunos ejes de máquinas tienen alguna vez
rosca a izquierda. Los tornillos de las ruedas de los vehículos industriales tienen
roscas de diferente sentido en los tornillos de las ruedas de la derecha (a derechas)
que en los de la izquierda (a izquierdas). Esto se debe a que de esta forma los
tornillos tienden a apretarse cuando las ruedas giran en el sentido de la marcha.
Asimismo, la combinación de roscas a derechas y a izquierdas es utilizada en
tensores roscados.
Material constituyente y resistencia mecánica que tienen: salvo excepciones la mayor
parte de tornillos son de acero de diferentes aleaciones y resistencia mecánica. Para
madera se utilizan mucho los tornillos de latón.
Longitud de la caña: es variable.
Tipo de cabeza: en estrella o phillips, bristol, de pala y algunos otros especiales.
Tolerancia y calidad de la rosca18.
En la figura 60 se muestra el tipo de tornillo utilizado.
Figura 60. Tipo de tornillo utilizado.
18
Fundamento de diseño mecánico, autores: Joseph E. Shigley, Charles R. Mischke, tomo dos.
50
El tipo de tornillo utilizado en el ensamblaje es del tipo autorroscante de 3,9mm de diámetro
x ¾ de pulgada de largo, cabeza redonda y zanja plana, de aleación de acero por su bajo
valor comercial y alta disponibilidad para conseguirlos.
Los autorroscantes tienen la mayor parte de su caña cilíndrica y el extremo en forma
cónica. De cabeza plana, oval, redondeada o chata. La rosca es delgada, con su fondo
plano, para que la plancha se aloje en él. Se usan en láminas o perfiles metálicos, porque
permiten unir metal con madera, metal con metal, metal con plástico o con otros materiales.
Estos tornillos son completamente tratados (desde la punta hasta la cabeza) y sus bordes
son más afilados que el de los tornillos para madera.
Tuerca: es una pieza con un orificio central, el cual presenta una rosca, que se utiliza para
acoplar a un tornillo en forma fija o deslizante. La tuerca permite sujetar y fijar uniones de
elementos desmontables. En ocasiones puede agregarse una arandela para que la unión
cierre mejor y quede fija. Las tuercas se fabrican en grandes producciones con máquinas y
procesos muy automatizados.
Existen 4 características básicas para identificar una tuerca:
El número de caras. En la mayoría de las tuercas suele ser 6 (tuerca hexagonal) ó 4
(tuerca cuadrada). Sobre estos modelos básicos se pueden introducir diversas
variaciones. Un modelo de tuerca muy empleado es la palomilla (rueda de las
bicicletas, tendederos de ropa, etc.), que contiene dos planos salientes para facilitar el
giro de la tuerca empleando solamente las manos.
El grosor de la tuerca.
El diámetro del tornillo que encaja en ella, que no es el del agujero sino el que aparece
entre los fondos de la rosca.
El tipo de rosca que tiene que coincidir con el del tornillo al que se acopla.
El figura se muestra las especificación de las tuercas utilizadas.
Figura 61. Especificaciones de las tuercas utilizadas.
51
Las tuercas se aprietan generalmente con llaves de boca fija, adaptadas a las dimensiones
de sus caras. Cuando se requiere un par de apriete muy exacto se utiliza una llave
dinamométrica. En los montajes industriales se utilizan para el apriete rápido herramientas
neumáticas. Para apretar tuercas no es aconsejable utilizar tubos o palancas porque se
puede romper el tornillo o deteriorarse la rosca. El tipo de tuerca utilizada fue hexagonal de
aleación de acero con el mismo diámetro del tornillo que fue de 3.9 mm del cilindro.
Remache: Un remache es un elemento de fijación que se emplea para unir de forma
permanente dos o más piezas. Consiste en un tubo cilíndrico (el vástago) que en su fin
dispone de una cabeza. Las cabezas tienen un diámetro mayor que el resto del remache, así
al introducir éste en un agujero pueda ser encajado. El uso que se le da es para unir dos
piezas distintas, sean o no del mismo material.
Aunque se trata de uno de los métodos de unión más antiguos que hay, hoy en día su
importancia como técnica de montaje es mayor que nunca. Esto es debido, en parte, por el
desarrollo de técnicas de automatización que consiguen abaratar el proceso de unión. Los
campos en los que más se usa el remachado como método de fijación son: automotriz,
electrodomésticos, muebles, hardware, industria militar, metales laminados, entre otros
muchos.
Clasificación:
Remaches de compresión
Remaches ciegos
Remache ciego con mandril de estiramiento
Con pasador guiado
Roscados
Expandidos químicamente.
En la figura 62 se muestra el tipo de remaches utilizados.
Figura 62. Tipos de remaches utilizados.
52
El tipo de remache utilizado es de compresión de 3.9mm de diámetro con un máximo agarre
de 9.5mm y cabeza de aluminio.
Este tipo de remache fue elegido por su bajo costo, tiene el agarre máximo necesario y
principalmente está hecho para propósitos similares al nuestro.
3.3. Aplicación para PC
Se realizo una aplicación para nuestra PC en visual C# 2010, con ella manipulamos nuestro
prototipo desde la computadora a través del puerto USB.
3.3.1. Lenguaje C#
C# es un lenguaje de programación que se ha diseñado para compilar diversas aplicaciones
que se ejecutan en .NET Framework. C# es simple, eficaz, con seguridad de tipos y
orientado a objetos. Las numerosas innovaciones de C# permiten desarrollar aplicaciones
rápidamente y mantener la expresividad y elegancia de los lenguajes de estilo de C.
El proceso de compilación de C# es simple en comparación con el de C y C++, y es más
flexible que en Java. No hay archivos de encabezado independientes, ni se requiere que los
métodos y los tipos se declaren en un orden determinado. Un archivo de código fuente de C#
puede definir cualquier número de clases, structs, interfaces y eventos.
Visual C# es una implementación del lenguaje de C# de Microsoft. Visual Studio ofrece
compatibilidad con Visual C# con un completo editor de código, un compilador, plantillas de
proyecto, diseñadores, asistentes para código, un depurador eficaz y de fácil uso y otras
herramientas. La biblioteca de clases de .NET Framework ofrece acceso a numerosos
servicios de sistema operativo y a otras clases útiles y adecuadamente diseñadas que
aceleran el ciclo de desarrollo de manera significativa. En la figura 63 se muestra el entorno
de trabajo de visual C#19.
Figura 63. Entorno de trabajo de visual C#.
19
Sitio web: http://msdn.microsoft.com/es-es/library/kx37x362(v=vs.100).aspx.
53
3.3.2. EasyHID.cs
Lo primero que tuvimos que hacer fue agregar la clase easyHID.cs a nuestro proyecto. A
través de ella podremos llamar a las diferentes funciones de control que se encuentran en
easyHID.dll, una librería proporcionada por la empresa MecaniqueUK para el control de
dispositivos USB mediante protocolo HID. Para poder agregar la clase tenemos que agregar
al directorio donde se encuentra nuestro proyecto 2 archivos:
mcHID.dll
easyHID.cs
Una vez que anexamos la clase y la librería al proyecto ya podemos trabajar con ellas.
Dentro de la clase easyHID.cs se encuentran funciones de control importantes para la
comunicación USB tales como:
public const UInt32 VENDOR_ID = 6017;
public const UInt32 PRODUCT_ID = 2000;
public const int BUFFER_IN_SIZE = 32;
public const int BUFFER_OUT_SIZE = 32;
Estas 4 funciones son fundamentales en la comunicación con el dispositivo USB, las 2
primeras identifican el dispositivo mediante dos valores VendorID y ProductID. Los cuales
son proporcionados por el fabricante. Y deberán coincidir con el descriptor de dispositivo en
el firmwere para poder entablar la comunicación mediante USB20.
Las otras dos constantes indican el tamaño del buffer del reporte de entrada y del reporte de
salida.
[DllImport("mcHID.dll")]
public static extern bool Connect(IntPtr pHostWin);
Esta función conecta la aplicación al controlador.
[DllImport("mcHID.dll")]
public static extern bool Disconnect();
Esta función desconecta la aplicación del controlador.
20
Artículo: Control de dispositivos mediante el puerto USB, autor: Moyano Jonathan.
54
public static extern UInt32 GetVendorID(UInt32 pHandle);
[DllImport("mcHID.dll")]
public static extern UInt32 GetProductID(UInt32 pHandle);
[DllImport("mcHID.dll")]
A través de estas funciones obtenemos el vendorID y el productID del controlador. Dentro de
esta clase también se encuentra funciones para leer y escribir datos.
3.3.3. Programa principal
El código fuente realizado para nuestra aplicación es el siguiente:
using System; using System.Collections.Generic; using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Drawing; using System.Linq; using System.Text; using System.Windows.Forms; using System.Diagnostics; using System.Runtime.InteropServices; using MecaniqueUK; namespace PILAS public partial class Form2 : Form UInt32 controlador; public Form2() InitializeComponent(); private void button1_Click(object sender, EventArgs e) EasyHID.Disconnect(); this.Close(); private void groupBox1_Enter(object sender, EventArgs e) private void Form2_Load(object sender, EventArgs e) private void Dispositivo_Conectado(UInt32 handle) if (EasyHID.GetVendorID(handle) == EasyHID.VENDOR_ID &&
55
EasyHID.GetProductID(handle) == EasyHID.PRODUCT_ID) EasyHID.SetReadNotify(handle, true); controlador = handle; private void Dispositivo_Desconectado(UInt32 handle) if (EasyHID.GetVendorID(handle) == EasyHID.VENDOR_ID && EasyHID.GetProductID(handle) == EasyHID.PRODUCT_ID) Mensaje.Items.Add("dispositivo desconectado"); button2.BackColor = Color.Red; button2.ForeColor = Color.White; EasyHID.Disconnect(); private void leer_Datos(UInt32 handle) protected override void WndProc(ref Message message) if (message.Msg == EasyHID.WM_HID_EVENT) switch (message.WParam.ToInt32()) case EasyHID.NOTIFY_PLUGGED: Dispositivo_Conectado((UInt32)message.LParam.ToInt32()); break; case EasyHID.NOTIFY_UNPLUGGED: Dispositivo_Desconectado((UInt32)message.LParam.ToInt32()); break; case EasyHID.NOTIFY_READ: leer_Datos((UInt32)message.LParam.ToInt32()); break; base.WndProc(ref message); private void button2_Click(object sender, EventArgs e) try EasyHID.Connect(Handle); if(EasyHID.IsAvailable(EasyHID.VENDOR_ID,EasyHID.PRODUCT_ID)==true) Mensaje.Items.Add("controlador conectado"); button2.Text="controlador conectado"; button2.BackColor=Color.Blue; button2.ForeColor=Color.Green; else Mensaje.Items.Add("dispositivo no encontrado"); button2.Text="USB"; button2.BackColor=Color.GreenYellow; button2.ForeColor=Color.BlueViolet;
56
catchMensaje.Items.Add("imposible"); private void button3_Click(object sender, EventArgs e) byte[] BufferOUT = new byte[EasyHID.BUFFER_OUT_SIZE]; BufferOUT[0] = 0; BufferOUT[1] = 0x0A; BufferOUT[2] = 0x30; EasyHID.Write(controlador, BufferOUT); Mensaje.Items.Add("MAQUINA ACTIVADA"); button3.BackColor = Color.BlueViolet; private void button4_Click(object sender, EventArgs e) byte[] BufferOUT = new byte[EasyHID.BUFFER_OUT_SIZE]; BufferOUT[0] = 0; BufferOUT[1] = 0x0A; BufferOUT[2] = 0x40; EasyHID.Write(controlador, BufferOUT); Mensaje.Items.Add("PARO AUTOMATICO"); button4.BackColor = Color.BlueViolet; private void Mensaje_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e) private void FormMain_FormClosed(object sender, FormClosedEventArgs e) EasyHID.Disconnect(); private void habilita_controles() button3.Enabled = true; button4.Enabled = true; Mensaje.Enabled = true; private void desabilita_controles() button3.Enabled = false; button4.Enabled = false; Mensaje.Enabled = false; private void pictureBox1_Click(object sender, EventArgs e)
Se utilizaron 2 salidas digitales las cuales se activan mediante los dos botones de la interfaz
gráfica.
57
En primera instancia la función crea un buffer llamado “BufferOUT”. El mismo guardará todos
los datos que se enviarán en el reporte de salida. Primero enviamos el comando
correspondiente al control de salidas: 0x0A. Luego enviamos el dato que corresponde al
cambio de estado de la salida del entrenador USB: 0x30 o 0x40.
3.3.4. Interfaz de usuario
Se creó una interfaz usuario mediante visual C# para el control del prototipo, mediante
botones se puede iniciar o parar el proceso realizado por nuestro prototipo, además se puede
visualizar la conexión o desconexión de nuestro dispositivo. En la figura 64 se muestra la
interfaz usuario realizada.
Figura 64. Interfaz de usuario.
Descripción de la interfaz usuario:
1. Botón para conectar el dispositivo USB.
2. Botón para activar proceso.
3. Botón para paro automático del proceso.
4. Visualizador de conexión del dispositivo.
5. Visualizador de procesos.
6. Botón de salida de la interfaz de usuario.
Para activar el proceso primero se tiene que conectar el circuito de la interfaz USB, después
se aprieta el botón para conectar el dispositivo y por último se aprieta el botón para activar el
proceso.
3.4. Memoria técnica
Se realizo los cálculos matemáticos para los diseños de las fuentes de alimentación.
Fuentes de alimentación. En la figura 65 se muestra el diseño de una fuente con un filtro
capacitivo.
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Figura 65. Diseño de una fuente con filtro capacitivo.
Determinación de la capacitancia del filtro:
Para el cálculo de la capacitancia del filtro se utilizó la siguiente fórmula:
Sacando la transformada de Laplace y despejando se obtiene:
Sacando la trasformada inversa de Laplace se determina la corriente de descarga como:
El voltaje del capacitor se determina con:
Sustituyendo la fórmula 3 en la cuatro obtenemos
Calculando el voltaje de rizo, pico a pico se determina como:
Ya que se puede simplificar la ecuación 6 de tal manera que:
El voltaje promedio en la carga es:
D1 D2
D3 D4 C1 RL26.1v
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Sustituyendo la ecuación 7 en la 8 obtenemos:
El voltaje rms de rizo en la salida se puede determinar cómo:
Sustituyendo la ecuación 7 en la 10 obtenemos:
El RF se puede calcular como:
Sustituyendo la ecuación 11 y 9 en la ecuación 12 tenemos:
Despejando C tenemos:
Los valores medidos en los circuitos fueron:
Con estos valores sacamos la potencia del circuito
Teniendo la potencia podemos sacar la resistencia de carga del circuito como:
60
Despejando la :
Sustituyendo los valores en la ecuación 14:
El capacitor calculado para nuestro filtro fue
Calculo para la resistencia de entrada de un optoaislador.
3.5. Resultados
Dentro del proceso de separación de metal se intento implementar un electroimán para
captar la lámina de las pilas, una de las dificultades con el electroimán fue el peso y la
energía que consumía para su activación.
La mayor dificultad de este prototipo fue la parte mecánica, se realizaron varias estructuras
las cuales no funcionaron al 100% ya que en varios casos se utilizaron materiales
reutilizados o se adecuaron piezas acorde a nuestro presupuesto.
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Conclusiones
Gracias al software de simulación, compilación y diseño se logro eficiente la compra de
materiales logrando evitar la compra de materiales no necesarios, con los materiales
utilizados se logro realizar circuitos de alta calidad.
Los circuitos se realizaron con componentes comunes para que tenga un fácil
mantenimiento, además los circuitos se realizaron por separado, por si ocurriera una falla
solo se cambie una tarjeta y no todo el circuito.
Se realizo una etapa de seguridad mediante un botón de paro automático por si ocurre un
accidente se pare el proceso.
Se pudo realizar el control mediante la PC y la automatización del prototipo. Una gran ayuda
fue la simulación mediante los programas simuladores los cuales nos ayudaron a observar
los procesos del prototipo.
Con ayuda del software sketchup se pudo realizar los diseños sobre las estructuras
realizadas y pudo simular los movimientos que realizaría el prototipo.
En la parte mecánica hubo dificultades ya que no se contó con el financiamiento necesario
para mandar a hacer piezas que necesitaban precisión. Además el Tecnológico de Estudios
Superiores de Ixtapaluca no cuenta con algunas herramientas y maquinaria para la creación
de estas piezas.
Otro de nuestros principales inconvenientes fue el tiempo ya que el prototipo cuenta con
varios procesos.
Nos dimos cuenta que se necesita de una etapa para la separación del carbono y zinc, no se
pudo realizar por la falta de conocimientos dentro de la área de química. Se lograra crear
este proceso restante se podría reciclar un mayor porcentaje del material de las pilas.
Las fuentes de información sobre maquinas existentes eran mínimas.
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Anexos
En la figura 66, 67, 68, 69, 70, 71 y 72 se muestran los PCB para realizar los circuitos
electrónicos
Figura 66. Impresión de PCB para la fuente de alimentación de 24v.
Figura 67. Impresión de PCB para cambio de giro para motor de 24v
63
Figura 68. Impresión del PCB para cambio de giro para motor de 5v.
Figura 69. Impresión del PCB para fuente de 5v.
Figura 70. Impresión del PCB para optoaislamiento.
64
Figura 71. Impresión del PCB para la receptor de radiofrecuencia.
Figura 72. Impresión del PCB para la interfaz USB.
En las figuras 73, 74, 75, 76, 77 y78. Se muestra las hojas de especificación para los
componentes utilizados.
65
66
Figura 73. Hojas de especificación del CNY 74-4.
67
Figura 74. Se muestra la hoja de especificación TWS-434.
68
Figura 75. Hoja de especificación del L293D.
69
Figura 76. Hoja de especificaciones del RWS-434.
70
Figura 77. Hoja de especificaciones del HT12E.
71
Figura 78. Hoja de especificación del HT12D
Bibliografía
72
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Un diagnostico ambiental” (SEMARNAT, marzo 2009).
[5]José Castro Díaz, María Luz Díaz Arias, “gaceta ecológica INE-SEMARNAT México”.
[6] Corina Schmelkes/Nora Elizondo Schmelks, “Manual para la presentación de
anteproyectos e informes de investigación”, tercera edición.
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[8] Boylestad Nashelsky, “Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos”, octava
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[14] http://www.recupyl.com/
[15] http://www.batteryrecycling.com
