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Sistema de Medición indirecta y control de una Máquina para
realización de pruebas mecánicas
Ing. Jaime Alberto Aguilar Zambrano, MSc, Ing. Joaquín Diaz Candelo, Ing. Alexander Martinez
MSc, Ing. Jorge Quintero MSc, Francisco Erazo Checa ,Diego Escobar, William Sánchez y Juan
Camilo Zorrilla.
Grupo de Automática y Robótica
Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Javeriana Cali
Sumario
Este documento presenta los aspectos
relacionados con el modelamiento y control del
sistema electro-mecánico construido para una
máquina, que permite la aplicación de esfuerzos
mecánicos, hasta de 30 toneladas, que sirven
para la medición de la resistencia de materiales.
En el documento se encuentra la determinación
matemática de la relación entre la corriente de un
motor de corriente continua y el esfuerzo
mecánico aplicado a la probeta de ensayo y se
presentan los criterios tenidos en cuenta para la
selección del equipo de instrumentación y de
administración del hardware para el proceso de
medición. Se presenta también el hardware del
sistema de control y medida, basado en un
sistema de procesamiento digital de señales
DSP, como también
el software de
administración del sistema que puede ser local o
remoto vía Internet.
Abstract
This document shows the modeling and
control of an Electromechanical System of a
strength machine to prove test??? materials with
a capacity of 35 Tons. In this document you can
find the mathematical determination of the ratio
between a dc-current motor and the force applied
to the probe tested????? material and it also
shows the criteria that was used for the selection
of the instrumentation equipment and the
hardware administration for the measurement
process. Also it shows the hardware of the
control and measurement system, based on a
digital signal processor DSP, and also the
software of administration of the system which
can be local or remote via Internet.
Key Words: Máquina Universal para aplicación y
medición de esfuerzos, Normas ASTM,
medición indirecta, encoder lineal, encoder
Angular, Procesador Digital de Señales,
Tracción, compresión, flexión, torsión,
conversor análogo digitales, control de motores
de corriente continua.
1. INTRODUCCIÓN
Las pruebas mecánicas de resistencias de
materiales son un procedimiento cotidiano para
verificar la calidad de los materiales utilizados
en la industria, mientras que en los centros
académicos son un elemento indispensable para
la caracterización de los materiales y el análisis
de comportamientos bajo ciertos requerimientos
de carga. Las pruebas que regularmente se
aplican para la caracterización mecánica de
materiales son: tracción, compresión, flexión y
torsión.
Las máquinas de realización de esfuerzos que
se consiguen en el mercado solo llevan a cabo en
un solo equipo hasta tres de las pruebas
mecánicas referidas anteriormente. La máquina
que se ha construido permite realizar las cuatro
pruebas en un solo equipo.
El Grupo de Automática y Robótica de la
Pontificia Universidad Javeriana-Cali ha
trabajado en el modelamiento de sistemas
mecánicos y en procesos de instrumentación y
Aguilar 1 de 7
medición indirecta anteriormente1, utilizando
para la determinación de la fuerza la medición de
corriente en motores de inducción de Corriente
Alterna. En el presente trabajo se realiza la
determinación de la fuerza aplicada a la probeta
bajo ensayo a partir de la medición de corriente
de un motor de corriente continua, que es el
elemento actuador de la máquina y para la
determinación de la deformación, variable que se
utiliza para la caracterización del material
sometido a prueba, se utilizan instrumentos
ópticos de alta resolución que garantizan el
cumplimiento de la normas ASTM: E74-91,
E83-90 y E-689 que están referidas tanto a la
selección de sensores de fuerza y de
deformación como a la caracterización de la
prueba respectivamente.
Para la administración del sistema de manera
interna en el control del sistema mecánico y de
medida, como para la comunicación hacia el
exterior con un computador, se ha utilizado un
sistema con un Procesador Digital de Señales, el
DSP56F807 de MOTOROLA, el cual brinda una
alta capacidad de manejo de periféricos en un
solo sistema. Esta característica permite que no
haya necesidad de utilizar hardware adicional
para los procesos de conversión y comunicación
que se requieren en este sistema de medición.
La interacción con los usuarios de la máquina
se realiza en forma local para la realización del
ensayo y en forma remota para la transferencia
de datos obtenidos en la prueba. El computador
permite realizar procesos de almacenamiento,
manejo gráfico de la medida obtenida y de
impresión de los resultados. Para la operación en
forma remota, el sistema cuenta con una tarjeta
de red que permite la conexión a través de
INTERNET, mediante una dirección IP asignada
a la máquina.
2. Modelamiento del sistema de realización
de pruebas mecánicas.
La máquina para la realización de esfuerzos
mecánicos consta de un sistema eléctrico
conformado por un motor de corriente continua
de 3 HP, un sistema de transmisión de potencia
conformado por una serie de engranajes, un
sistema de guías para la producción del
movimiento lineal o circular y un sistema final
de aseguramiento de la probeta.
El sistema electrónico implementado utiliza
sensores de efecto Hall para la medición de
corriente en el motor y presenta un diseño de
administración de la medida que posibilita la
medición en varias escalas de los esfuerzos
mecánicos. Esta última propiedad es de gran
importancia en el ámbito académico puesto que
permite la exploración de nuevos materiales bajo
sistemas de medición que estén acordes a sus
necesidades. A su vez, el sistema electrónico
que se ha implementado permite la visualización
local de resultados mediante una graficación de
la respuesta, en la forma de esfuerzo vs
deformación, en un Despliegue de Cristal
Líquido (LCD) que se encuentra en el panel de
control de la máquina.
1
Automatización de la fuerza de frenado de Vehículos.
Aguilar Z, Jaime A., Jaramillo Leonardo, Alvis Juan
Carlos. Revista Epiciclos. Pontificia Universidad
Javeriana Cali
Ilustración 1Esquema básico del sistema mecánico
desarrollado.
Aguilar 2 de 7
El sistema de control para la realización de las
pruebas mecánicas ofrece una baja velocidad
constante, para garantizar una característica de
esfuerzo muy similar a una carga estática. Este
sistema de control está basado en una estrategia
de control clásica tipo PI, diseñada e
implementada en forma análoga, con lo cual se
obtiene el control de la velocidad del motor de
corriente continua.
Para el diseño del controlador se obtuvo el
modelo matemático del motor a controlar, con lo
cual será posible la definición del esfuerzo
aplicado en función de la corriente eléctrica
medida. Este modelo se observa en la ilustración
2.
Ilustración 3 Esquema básico del sistema mecánico
desarrollado.
Selección de la instrumentación del sistema
Para la selección del sistema de instrumentación
se consideraron las siguientes características que
regulan las normas para la realización de
ensayos mecánicos: Variables a medir, velocidad
de la prueba, características de los dispositivos a
medir y tipos de mediciones que se van a
realizar, según el tipo de prueba. A su vez, otras
características, de especial importancia para la
selección de los sensores, fueron las relacionadas
con los puntos de interés en la realización de las
pruebas, estos son: Punto de fluencia, punto de
ruptura, módulo de elasticidad y el esfuerzo
máximo realizado.
Las normas que fueron analizadas para los
criterios mencionados se muestran en la tabla 1
con su correspondiente descripción:
PRUEBA
General
Norma
NOMBRE
A370-90 Métodos estándares
para pruebas de
aceros
Tensión
B557-84 Métodos para la
prueba de tensión en
aluminio fundido y
aleaciones
de
magnesio
Puntos que E6-89
Términos estándares
marcan
la
relacionados
con
característica
pruebas mecánicas
mecánica de
cada material
Tensión
E8-90ª
Métodos estándares
para la prueba de
tensión en materiales
metálicos
Compresión E9-89A Métodos estándares
para la prueba de
compresión
en
materiales metálicos
Selección de E74-91
Prácticas estándares
sensores
para la calibración de
instrumentos
medidores de fuerza
Selección de E83-90
Prácticas estándares
sensores
para la verificación y
clasificación
de
extensómetros
Torsión
E143-87 Métodos estándares
para el módulo de
torsión.
Flexión
E855-90 Métodos estándares
para la prueba de
flexión de metales
planos con cargas
estáticas.
Tabla 1Normas que regulan las pruebas mecánicas de
materiales
Para el sensor de desplazamiento lineal se
tuvieron
en
cuenta
las
siguientes
consideraciones:
El instrumento debe tener una precisión menor o
igual a 1% y una resolución de una micra.
El sistema que va a administrar el sensor debe
estar en capacidad de determinar claramente un
conjunto de zonas, como se muestra en la figura
Aguilar 3 de 7
1: (OA) Zona lineal, (AB)zona no lineal con
tendencia a supresión de pendiente, (BC) zona
de considerable alargamiento sin aplicación de
esfuerzo, (CD) zona de endurecimiento por
cristalización, (D) punto de esfuerzo último y
(DE) zona de alargamiento sin esfuerzo.
Esfuerzo
D
B
C
E
A
Tabla 3 Comparación de sensores para la medición del
desplazamiento lineal
Para la determinación de la fuerza,
tradicionalmente se ha utilizado la celda de carga
como elemento de medición de esfuerzos; puesto
que el sistema busca la aplicación de la medición
indirecta de la fuerza en función de la corriente
aplicada al motor, se utilizó el sensor de efecto
Hall para tal propósito. Existe en el Grupo de
Automática y Robótica una experiencia en la
LE 18
deformación
O
Ilustración 4 Zonas de interés en la prueba de tracción
de los materiales
Los sistemas que se analizaron para alcanzar las
exigencias del sistema fueron: Potenciómetros,
LVDTs, galgas extensiométricas y encoders. En
la Tabla 2 se muestra la comparación de los
diferentes elementos sensores de desplazamiento
de los cuales fue seleccionado el encoder por su
construcción física adecuada para el sistema
mecánico diseñado y la capacidad de interfaz
con un sistema digital de procesamiento.
Las características principales del encoder óptico
lineal seleccionado, el LE18 de Gurley, se
muestran en la Tabla 3. Para la medición
angular en la prueba de torsión fue seleccionado
un encoder angular óptico con características
adecuadas según las exigencias dadas por las
normas.
Tipo de Sensor Resolución
Ventajas
Desventajas
Linealidad
Baja resolución con
Potenciometro
Bajo Costo, facil
0,00005"
lo especificado,
1%
lineal
consecución
anclaje
Facilidad de uso
y de anclaje al
Alto costo (+/LVDT
Infinita
0,25%
sistema
$1300)
mecánico
Alta resolución,
Encoder Lineal 0,1 a 10um
facilidad de
Alto costo
-------------anclaje
Facilidad de uso Alto costo, perdida
Encoder
0,766 x 10-3" y anclaje, no
de precisión en la -------------Incremental
tiene limites
medida
Potenciometro
Uso común, bajo
Infinita
Perdida de precisión 0,10%
angular
costo
Resolución
0,1 um
Precisión
+/- 3um/m
Histéresis
0,5um
Voltaje de entrada
+5 @180mA
Señal de Salida
RS-422
Velocidad máxima
1m/s
Fuerza
1,5 N
Peso
0,4 kg
Temperatura de
operación
0 a 50ºC
Tabla 2 Características del
Encoder Lineal
utilización de estos dispositivos que los hacen
adecuados para esta medida y con la ventaja
adicional de que no son invasivos circuitalmente
por su principio de funcionamiento2.
La Tabla 4 presenta las características del sensor
de efecto Hall en comparación con la celda de
carga.
Rango
Pequeño (0,5" a 6")
Hasta 18,5"
Hasta 48"
2
Sensores de Efecto Hall. Honeywell.
-------------360º
Aguilar 4 de 7
Tipo
de
Resolución Precisión Ventajas Desventajas Linealidad
Sensor
Sensor
de
0,4% a
Medida
0,1% --------Costo
Efecto
0,8%
indirecta
0,2%
Hall
Celda
Medida
de
Infinita
Alta
Alto costo
0,03%
directa
Carga
Tabla 4 Comparación de la celda de carga y el sensor
de efecto Hall
4. CONTROL DE LA VELOCIDAD DE UN
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
El control de velocidad del motor de corriente
continua requiere para su implementación
considerar las siguientes etapas: la etapa de
alimentación
del
sistema,
la
etapa
microcontrolada, la etapa de control, la etapa de
accionamientos, la etapa de seguridad eléctrica y
la etapa de potencia.
La etapa de alimentación tiene como propósito
suministrar la alimentación a todo el sistema
electrónico digital y de control. Consta de cuatro
fuentes reguladas de valor constante en valores
de +5V, +24V, +12 V y -12V.
La etapa microcontrolada: Es la encargada de la
administración del sistema para el accionamiento
del motor en cuanto a arranque, parada y sentido
de giro, control de disparo de los dispositivos
electrónicos de potencia (tiristores)
y la
seguridad del motor. El sistema consta de 2
microcontroladores ATMEL AT90S8535 y el
ATMEL ATMEGA163L para la sincronización
del disparo del puente de tiristores el primero y
para la administración del sistema motor y de
comunicaciones para el segundo. La Ilustración
3 muestra las señales de control y comunicación
de la etapa microcontrolada .
Ilustración 5 Señales de control y comunicación de la
etapa microcontrolada
La etapa de control: La función de esta etapa es
garantizar la velocidad constante del motor. La
implementación se ha realizado mediante un
sistema
PI
análogo
conformado
por
amplificadores operacionales. Se utiliza una
referencia de velocidad proveniente del
microcontrolador a través de un conversor
Digital-Análogo y la realimentación proveniente
del motor a través de un tacogenerador. La
ilustración 4 muestra el diagrama general del
control de velocidad.
Ilustración 6 Diagrama de control de velocidad del
motor
La etapa de seguridad eléctrica: Es la encargada
de preservar la integridad del motor y considera
protecciones de sobretensión y de sobrecorriente.
Para la protección de sobrecorriente se
implementó un limitador de corriente mediante
medición de esta variable con dispositivos de
efecto Hall, adicionales a los dispositivos de
interrupción de corriente mediante fusibles y
breakers en la acometida eléctrica. Para la
protección de sobretensión fue utilizada una red
snubber y varistores.
La etapa de potencia: A través de esta etapa se
provee la alimentación controlada al motor. El
motor consta de dos circuitos, el de campo y el
Aguilar 5 de 7
de armadura. El circuito de campo se alimenta
con 120 V de señal alterna rectificada. El
circuito de armadura es alimentado con una
señal rectificada de 220V a través de un puente
de tiristores.
El control del motor para
garantizar la velocidad constante bajo los
requerimientos de la prueba, se realiza a través
del circuito de armadura. La Ilustración 5
muestra la alimentación del circuito de campo y
la Ilustración 6 muestra la configuración del
circuito de armadura.
Industrial un teclado de membrana de tipo
industrial y se seleccionó un despliegue gráfico
que permite representar con adecuada fidelidad
los resultados de esfuerzo vs. Deformación del
ensayo mecánico.
El control del motor tiene como propósito
realizar el mando para funciones de sentido de
giro, la selección de velocidad, el arranque y la
parada del motor. Estas labores se realizan
mediante un protocolo de comunicaciones entre
el DSP y el microcontrolador del Sistema de
control de velocidad del motor.
Ilustración 7 Circuito de campo del motor
Para las labores de medida se utilizan algunos
puertos especiales del DSP que permiten
conectar el encoder óptico lineal y el rotacional.
El protocolo de comunicaciones para la
medición es el RS422 y se operan cuatro señales
que permiten determinar la medida. Para la
determinación de la fuerza mediante la medida
de la corriente se utiliza un conversor AnálogoDigital de 12 bits que posee el DSP, el cual
recibe la señal de un sensor de efecto Hall.
Ilustración 8 Circuito de Armadura del motor DC
Utilizando dos puertos seriales del sistema de
desarrollo
DSP
se
administran
las
comunicaciones con el computador para la
transmisión de los datos obtenidos y para
proveer acceso remoto a través de una tarjeta de
red bajo el protocolo IP.
La Ilustración 7 muestra un diagrama general del
sistema de administración de la máquina
universal mediante el DSP.
5. ADMINISTRACIÓN DEL SISTEMA DE
MEDIDA
El sistema de administración de la medida es el
que permite a un usuario realizar los ensayos
mecánicos a los materiales.
El sistema está implementado electrónicamente
mediante el uso de un sistema de Procesamiento
Digital de Señales, el DSP56F807 de
MOTOROLA, que está encargado de proveer
los mecanismos de interacción con el usuario,
controlar el motor, habilitar la instrumentación y
comunicarse con un computador local o remoto
via ethernet.
La interacción con el usuario se realiza a través
del teclado y del despliegue local. Para este
propósito se elaboró bajo criterios de Diseño
Ilustración 9 Diagrama General del Sistema de
Administración de la Máquina de Esfuerzos
La selección del un sistema DSP para labores de
control surgió por la ventaja comparativa que
Aguilar 6 de 7
presentaba este tipo de dispositivo frente a
sistemas microcontrolados que exigían un
hardware adicional para realizar las mismas
labores.
En la tabla 5 se muestra
una
comparación del DSP con un microcontrolador
típico.
DSP56807
80552
40 MIPS
10 MIPS
Capacidad de
procesamiento
Von
Arquitectura
Harvard
Neumann
Unidad de
Si
Si
FLASH integrada
38K words
Ninguna
RAM integrada
2,5K words
256
ROM integrada
Ninguna
8K
Canales de PWM
6
2
Canales de A/D
8 (1,2us)
8 (50us)
manipulación de bits
Canales seriales
2
Ninguna
1
1
14
40
2
Ninguna
Interfaces CAN
1
Ninguna
Timers
16
2
Interrupciones
64
2
asíncronicos
Canales seriales
sincrónicos
7. PRUEBAS REALIZADAS AL SISTEMA
8.
CONCLUSIONES
Se ha verificado la utilidad de la medición
indirecta de fuerzas en un sistema
electromecánico mediante la determinación de la
corriente aplicada al motor.
El proyecto ha permitido validar la importancia
del uso de procesadores digitales de señal para
labores de administración y control que permiten
optimizar el uso del hardware del sistema.
Se ha flexibilizado el uso de las máquinas de
esfuerzo dada la capacidad de medición de bajos
esfuerzos y la alta resolución para la medida de
nuevos materiales.
Se ha optimizado el control de los motores de
corriente continua bajo un sistema digital de
operación que brinda mayores beneficios en el
control de este tipo de dispositivos.
Se ha realizado un trabajo interdisciplinario con
el concurso de ingenieros electricistas,
mecánicos y diseñadores industriales y la
participación activa de estudiantes de ingeniería
electrónica, en la construcción de este tipo de
equipos de gran utilidad tanto a nivel académico
como industrial.
Bits de entrada /
salida
Encoder de
quadrature
Tabla 5 Comparación del DSP56807 con un
microcontrolador convencional
6. INFORMACIÓN TÉCNICA
REFERENCIAS
[1] Chapman, S. J.. Máquinas eléctricas, Ed.
McGraw-Hill, segunda Edición, 1994.
[3] Dally, Riley and McConell, Instrumentation
for Engineering measurements, Ed. PrenticeHall, second edition, 1993.
[4] 80c51-Based 8 –Bit Microcontroller (1993),
Data HandBook. Phillips
Aguilar 7 de 7
[5] Manual de Programación, Visual Basic 5
Edición Empresarial.
AUTORES
Jaime Alberto Aguilar. Ingeniero Eléctricista y
Magister en Automática de la Universidad del
Valle. Director de Carrera y profesor de la
facultad de Ingeniería de la Pontificia
Universidad Javeriana Cali.
E-mail: [email protected]
Alexander Martínez Alvarez. Ingeniero
Electricista y Magister en Automática de la
Universidad del Valle (Cali - Colombia).
Profesor de la Carrera de Ingeniería Electrónica
de la Pontificia Universidad Javeriana - Cali.
E-mail: [email protected]
Joaquín Diaz Candelo.
Aguilar 8 de 7