Universidad de San Carlos de GuatemalaFacultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería MecánicaProyecto de Laboratorio de Vibraciones

Sistema de Balanceo por Tanteo

1. INTRODUCCIÓN

La electrónica digital es la rama de la electrónica más moderna y que evoluciona más rápidamente. Se encarga de sistemas electrónicos en los que la información está codificada en estados discretos, a diferencia de los sistemas analógicos donde la información toma un rango continuo de valores.

En la mayoría de sistemas digitales, el número de estados discretos es tan solo de dos y se les denomina niveles lógicos. Estos niveles se representan por un par de valores de voltaje, uno cercano al valor de referencia del circuito (normalmente 0 voltios, tierra o "GND"), y otro cercano al valor dado por la fuente de alimentación del circuito. Estos dos estados discretos reciben muchas parejas de nombres en libros de electrónica y otros textos especializados, siendo los más comunes "0" y "1", "false" y "true", "off" y "on" o "bajo" y "alto" entre otros. Tener solo estos dos valores nos permite usar el Álgebra Booleana y códigos binarios, los que nos proporciona herramientas muy potentes para realizar cálculo sobre las señales de entrada.

2. MARCO TEÓRICO

Vibraciones Mecánicas

Movimiento vibratorio o vibración es la variación o cambio de configuración de un sistema en relación al tiempo, en torno a una posición de equilibrio estable, su característica fundamental es que es periódico, siendo frecuente el movimiento armónico simple, por lo que este movimiento adquiere una singular importancia en los estudios vibratorios.

Actualmente, el estudio y análisis de las vibraciones mecánicas ha adquirido gran importancia en la supervisión de los sistemas mecánicos, sobre todo de elementos de tipo rotativo. Independientemente de los planes de mantenimiento correctivo y preventivo, el plan de mantenimiento predictivo se basa, principalmente, en el estudio de las vibraciones mediante la instalación de sensores que permiten detectar vibraciones fuera de rango.

Clasificación de las Vibraciones

Las vibraciones son libres cuando no existen fuerzas o acciones exteriores

directamente aplicadas al sistema a lo largo del tiempo. Las vibraciones son forzadas cuando existen acciones o excitaciones directamente aplicadas al sistema a lo largo del tiempo, además de las fuerzas o momentos internos. Tanto las vibraciones libres como las forzadas pueden subdividirse, dependiendo de la existencia o no de fuerzas resistentes que amortiguan el movimiento vibratorio, en:

-Sin amortiguamiento: No existe resistencia pasiva al movimiento del sistema.

-Con amortiguamiento: Existen resistencias pasivas al movimiento del sistema, es decir, fuerzas o momentos disipativos que amortiguan el movimiento vibracional.

Generalmente, la causa de la vibración reside en problemas mecánicos como son: desequilibrio de elementos rotativos; desalineación en acoplamientos; engranajes desgastados o dañados; rodamientos deteriorados; fuerzas aerodinámicas o hidráulicas, y problemas eléctricos. Estas causas como se puede suponer son fuerzas que cambian de dirección o de intensidad, estas fuerzas son debidas al movimiento rotativo de las piezas de la máquina, aunque cada uno de los problemas se detecta estudiando las características de vibración. Las características más importantes son: frecuencia, desplazamiento,

velocidad, aceleración, spike energy (energía de impulsos).

Identificación de Causas de Vibraciones

Una vez obtenidos de una forma metódica y precisa los datos de vibraciones de una máquina donde se ha detectado un problema, es necesario identificar cual ha sido su causa y así buscar la forma y momento de reparación más eficiente, es decir, que elimine el fallo y su coste económico sea el mínimo posible. Un defecto puede localizarse al comparar las amplitudes de las vibraciones tomadas. Normalmente una máquina que funciona correctamente tiene valores que suelen seguir una línea con tendencia ligeramente ascendente o constante. Cuando en algún momento los valores aumentan o la tendencia asciende de una forma inesperada, se puede pensar en la presencia de algún problema.

Generalmente la máxima amplitud de vibración se da en los puntos donde se localiza el problema, aunque muchas veces la vibración es transmitida a otros puntos de la máquina aunque en ellos no se encuentre el problema. El análisis de las gráficas puede indicar el tipo de defecto existente, pero muy pocas veces aparecen problemas únicos y por tanto espectros donde se refleje un defecto claramente. La experiencia y el conocimiento de la máquina son dos factores

fundamentales a la hora de identificar la causa que produce una vibración importante.

El estudio de los datos de vibraciones, de sus espectros es la base para encontrar las causas y la forma de corregir el defecto que ellas indican. Sólo es importante prestar especial atención a las vibraciones que vayan acompañadas de otros efectos como ruido, pérdida de aceite o cualquier fallo, o bien los valores de amplitudes que sean excesivos comparados con otros en funcionamiento correcto, en esos casos se analizará la forma de los espectros que identificarán las causas de los problemas. Los problemas mecánicos más comunes en las máquinas que producen vibraciones son desequilibrio entre ejes, falta de alineación de acoplamientos, defectos en rodamientos y engranajes y problemas eléctricos.

Desaequilibrio

Esta es una de las causas más probable de que exista vibración en las máquinas, en casi todos los elementos es fácil encontrar un pico en el gráfico de amplitud frente a frecuencia, que denote un pequeño desequilibrio.

Desalineación

Es un problema muy común debido a la dificultad que supone alinear dos ejes y sus rodamientos de forma que no se originen fuerzas que produzcan

vibraciones. La forma de vibración de un eje torcido es similar a la de una mala alineación angular. Para reconocer una vibración debida a una desalineación en la gráfica se pueden ver picos a frecuencias iguales a la velocidad de giro del eje, de dos o tres veces esta velocidad en situaciones donde este problema sea grave.

Componentes Electrónicos

Arduino

Arduino es una herramienta para hacer que los ordenadores puedan sentir y controlar el mundo físico a través de tu ordenador personal. Es una plataforma de desarrollo de computación física de código abierto, basada en una placa con un sencillo microcontrolador y un entorno de desarrollo para crear software para la placa. El lenguaje de programación de Arduino es una implementación de Wiring, una plataforma de computación física parecida, que a su vez se basa en Processing, un entorno de programación multimedia.

Arduino se inició en el año 2005 como un proyecto para estudiantes en el Instituto IVREA, en Ivrea, Italia.

En ese tiempo, los estudiantes usaban el microcontrolador BASIC Stamp, cuyo costo era de 100 dolares, lo que se consideraba demasiado costoso para ellos. En ese tiempo, uno de los fundadores de Arduino, Massimo Banzi, daba clases en Ivrea.

Sensor Giroscópico

Un giroscopio es un dispositivo que funciona para miden velocidades angulares basándose en el mantenimiento del impulso de rotación. Si intentamos hacer girar un objeto que está girando sobre un eje que no es el eje sobre el que está rotando, el objeto ejercerá un momento contrario al movimiento con el fin de preservar el impulso de rotación total. El giroscopio muestra el cambio de rango en rotación en sus ejes X, Y y Z.

Acelerómetro

Mide la aceleración, inclinación o vibración y transforma la magnitud física de aceleración en otra magnitud eléctrica que será la que emplearemos en los equipos de adquisición estándar. Los rangos de medida van desde las décimas de g, hasta los miles de g.

MPU-6050

El circuito integrado MPU-6050 contiene un acelerómetro y giroscopio MEMS en un solo empaque. Cuenta con una resolución de 16-bits, lo cual significa que divide el rango dinámico en 65536 fracciones, estos aplican para cada eje X, Y y Z al igual que en la velocidad angular. El sensor es ideal para diseñar control de robótica, medición de vibración, sistemas de medición inercial (IMU), detector de caídas, sensor de distancia y velocidad, y muchas cosas más. El MPU-6050 contiene un giroscópico, un acelerómetro, además de un sensor de temperatura, mediante I2C regresa unos valores conocidos como raw o “crudos” según el registro seleccionado.

IMU

Se trata de un dispositivo capaz de mesurar la fuerza (acceleración) y la velocidad. Genéricamente consta de un Acelerómetro y un Giroscopio. El MPU-6050 es una IMU de 6DOF (se lee “6 Degrees Of Freedom“). Esto significa que lleva unacelerómetro y un giroscopio, ambos de 3 ejes (3+3 = 6DOF). Hay IMUs de 9DOF, en

este caso también llevan un magnetómetro.

El MPU-6050 opera con 3.3 voltios, aunque algunas versiones (como la mía) llevan un regulador que permite conectarla a 5V.

El MPU-6050 utiliza el protocolo de comunicación I2C.

Almacenamiento: la IMU da los valores en enteros de 16 bits. Como Arduino los guarda en menos bits, hay que declarar las variables que almacenarán los enteros provinientes de la IMU como un tipo de enteros especiales. int16_t AcX, AcY, AcZ, GyX, GyY son, pues, los raw_values de la IMU. Finalmente tenemos tres arrays (Acc[], Gy[], Angle[]) que guardan el ángulo X, Y del Acelerómetro, el Giroscopio y el resultado del Filtro respectivamente. [0] se corresponde a X. [1] a Y.

Protocolo de comunicación del bus I2C

Habiendo varios dispositivos conectados sobre el bus, es lógico que para establecer una comunicación a través de él se deba respetar un protocolo. Digamos, en primer lugar, lo más importante: existen dispositivos maestros y dispositivos esclavos. Sólo los dispositivos maestros pueden iniciar una comunicación. La condición inicial, de bus libre, es cuando ambas señales están en estado lógico alto.

En este estado cualquier dispositivo maestro puede ocuparlo, estableciendo la condición de inicio (start). Esta condición se presenta cuando un dispositivo maestro pone en estado bajo la línea de datos (SDA), pero dejando en alto la línea de reloj (SCL).

Display LCD

Un display LCD (Liquid Crystal Display) es un display alfanumérico de matriz de puntos (dot-matrix) que sirve para mostrar mensajes a través de caracteres como letras, números o símbolos. La placa del display viene equipado con un microcontrolador (normalmente el modelo HD44780) que se encarga de generar los caracteres, polarizar la pantalla, desplazar el cursor… Además, también viene equipado con una memoria ROM donde están almacenados los caracteres a través de una matriz de puntos, y una memoria RAM donde se pueden almacenar caracteres creados por nosotros. Estos displays disponen de unos pins para conectar un microcontrolador (en nuestro caso Arduino) para poder dar instrucciones al display.

Motor DC

El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor DC) es una máquina que convierte la energía eléctrica enmecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción que se genera del campo magnético.

3. METODOLOGÍA

3.1. Parte experimental

Para la realización del sistema de nivelación automática, se utilizará la variable de proceso “ángulo”, la cual se controlará a modo de mantener un set point de referencia y así mantener un control de la inclinación que presente la barra.

3.2. Métodos

Arduino Uno:

Esta es la placa central del proyecto, ya que a través de ella se manejará la recepción de entradas y el envío de datos analógicos o digitales en base al microprocesador que posee. Dicha placa se programará usando el programa Arduino Programming Language y el Arduino Develpment Environment.

Por medio del arduino uno se podrá captar la señal proveniente del acelerómetro y giroscopio, y así gobernar el motor y la LCD de forma automática.

Servomotor:

Este será el elemento motriz de la barra, que con la ayuda de una biela y las señales enviadas por el Arduino Uno realizará un movimiento de rotación para mantener o nivelar la barra siempre al valor del set point asignado.

MPU 6050:

Este acelerómetro y giroscopio servirá para la medición del ángulo al que se encuentre la barra, y al mismo tiempo servirá como una

retroalimentación para la corrección de la inclinación, mandando una señal al arduino uno para que éste último envíe la corrección necesaria para mantener el set point con el motor.

LCD:

Por medio de este ser mostrará de forma visual el valor del ángulo que detecta el giroscopio y el acelerómetro y que es enviado por medio del Arduino.

Además se mostrará una representación gráfica e interactiva de la forma en que se está inclinando la barra.

3.3. Resultados

3.4. Costos-financiamiento

Tabla de Costos

Componente Precio (Q)Arduino 270.00Acelerómetro

80.00

Puente H 69.00Motor 20.00Maderas 50.00Resortes 10.00

4. CONCLUSIONES

Un sistema de nivelación automático es una herramienta muy útil ya que permite a una máquina mantener un nivel previamente establecido, necesario para la realización de determinadas tareas.

En la electrónica digital los sistemas emplean y toman variables conocidas, y eso hace que sean mucho más exactos y fiables en la transmisión de información.

5. BIBLIOGRAFÍA

Royo, J., Rabanaque, G. (2010). Análisis de Vibraciones e Interpretación de Datos. Universidad de Zaragoza. 14P.

Vila Roca, L. J., (1981). Vibraciones Mecánicas. Barcelona, España: Editorial Limusa.

Rao, S. S., (1995) Mecánica de Vibraciones. Pensilvania, Estados Unidos: Addison-Wesley Publishing Company.

Saavedra, P., (1957). Análisis de vibraciones nivel II. Facultad de Ingeniería. Universidad de Concepción. Chile

Thomson, W.T., (1963). Vibraciones Mecánicas. Estados Unidos: Pretince Hall.