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Diseño de los sistemas eléctrico y de control para una mesa cartesiana XYZ 01 Junio 2012
DISEÑO DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICO Y DE CONTROL
PARA UNA MESA CARTESIANA XYZ
Johnn A. ARANGO, Carlos A. ZULUAGA
Universidad Pontificia Bolivariana, Cir. 1 #70-01, of. 11-308, Medellín Colombia.
john.arango87@gmail.com
Resumen: Este artículo está basado en el diseño de los sistemas eléctrico y de control para una mesa cartesiana XYZ
la cual se encuentra en el laboratorio de manipuladores robóticos de la Universidad Pontificia Bolivariana seccional
Medellín. El laboratorio tiene la idea de desarrollar una mesa automatizada para corte con plasma, en este articulo se
explicará el proceso de diseño y los resultados obtenidos de un estudio de compatibilidad electromagnética realizado
en el bloque 8 en el cual se encuentra el laboratorio de manipuladores robóticos. Copyright © 2012 UPB
Abstract: This article is based on the design of electrical and control systems for XYZ cartesian table which is in the
laboratory of robotic manipulators of the Universidad Pontificia Bolivariana in Medellín, This is the idea of
developing an automated plasma cutting table, this paper will explain the design process of those systems and the
results of an electromagnetic compatibility study undertaken in the 8th building of the Universidad Pontificia
Bolivariana in which the robotic manipulators laboratory is.
Keywords: electrical, control, cartesian, design, electromagnetic
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad el laboratorio de manipuladores robóticos de la
Universidad Pontificia Bolivariana seccional Medellín tiene la
idea para desarrollar una mesa automatizada para corte con
plasma, la cual está en la fase de exploratoria.
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Universidad Pontificia Bolivariana

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Aunque se cuenta con la estructura mecánica de la mesa y los
elementos para su funcionamiento, se debe diseñar e integrar cada
una de estas partes para llegar a un funcionamiento óptimo.
Este proyecto busca tomar los avances que se han obtenido en
estudios anteriores sobre la estructura y funcionamiento de la
mesa, para lograr el objetivo primordial de este trabajo el cual es
el diseño del sistema eléctrico y de control de la mesa XYZ.
Además de los diseños de la mesa cartesiana, es de suma
importancia tener en cuenta la compatibilidad electromagnética
del entorno en que va a estar la mesa, es por esto que se requiere
realizar un estudio completo y detallado de todos los factores que
puedan repercutir en el buen funcionamiento de está.
2. ESTADO DEL ARTE
La mesa XYZ consiste de un sistema que cuenta con un programa
de posicionamiento electrónico, el cual es programando
previamente para realizar los movimientos deseados por el
operador de la máquina. Este sistema permite a las máquinas
movimientos sobre sus ejes obteniendo de esta manera grados de
libertad adicionales.
En la actualidad la mesa XYZ se construye basada en control
numérico (CN) el cual es un sistema de automatización de
máquinas que son operadas mediante comandos programados en
un medio de almacenamiento (LASHERAS, 1996), lo cual hace
más óptima la manipulación, programación y desarrollo.
La integración del control numérico en los procesos industriales
en la actualidad ha visto creciendo a pasos agigantados debido al
abaratamiento de los microprocesadores, a la simplificación de la
programación de las máquinas de CN, y a la necesidad de la
industria de obtener su producción en un tiempo más rápido
dando como resultado el crecimiento en el uso de este tipo de
programación en la industria permitiendo desarrollos como
máquinas como robots de montaje, brazos robóticos, tornos CNC,
fresadoras entre muchas otras que se han permitido que las
producciones industriales sean más eficientes (LARBÁBURU,
2004).
3. MATERIALES
Los materiales usados para este proyecto fueron:
3.1. Para el área electrónica.
Servomotores de AC tipo brushles: Son los encargados de
proporcionar el movimiento de la mesa a través de sus ejes.
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MicroFlex e100 ETHERNET Powerlink Servo Drive: Son los
encargados del manejo de los servomotores los cuales son los
encargados de controlar y darle precisión a los movimientos.
NextMove e100: Este se encarga de controlar todos los elementos
del sistema integrado, como los drivers del manejo de los
servomotores, resistencias dinámicas y es el medio de
comunicación entre el usuario y la maquina.
Filtros CE: Los cuales son utilizados para eliminar el ruido
generado por los servomotores y los generados por la fuente
Fuentes de alimentación
Resistencia de frenado dinámico
3.2. Para el área eléctrica.
Fluke 435 Trifásico Clase A
AEMC Trifásico Clase B
4. METODOLOGÍA
El proyecto se realizó en 4 etapas diferentes:
La primera etapa se basó en el estudio de compatibilidad
electromagnética debido a que este era el que requería más tiempo
para su puesta en marcha.
En esta etapa, las pruebas se realizaron en los laboratorios del
bloque 8 de la Universidad pontificia Bolivariana seccional
Medellín, en el cual, se ubicaron los equipos de medición en el
laboratorio de fabricación digital el cual comparte los
transformadores con el laboratorio de manipuladores robóticos.
Los equipos que fueron instalados para la adquisición de los datos
se dejaron por 10 días, en los cuales almacenaron toda la
información para luego ser analizada posteriormente.
Los instrumentos de medición utilizados como fueron listados
anteriormente fueron el Fluke 435 Trifásico Clase A y el AEMC
Trifásico Clase B se utilizaron estos dos debido a su algoritmo
utilizado para calcular el PST (Perceptibility Short Time) y PLT
(Perceptibility Long Time). Adicionalmente, los datos
recolectados son almacenados en tablas de Excel, el cuales son
analizados de manera minuciosa para obtener un muy buen
resultado MARKIEWICZ (1999).
Además de los análisis de PST y PLT se realizaron análisis de
magnitud de tensión, corriente, potencia aparente máxima, factor
de potencia, distorsión armónica total. (THDv) (HARTMANN,
1992), consumo de energía y porcentaje de cargabilidad,
arrojando resultados dentro del rango permisible según las normas
RETIE y NTC2050.
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A continuación se presentan algunas de las gráficas (Fig. 1, Fig. 2,
Fig. 3, Fig. 4) que arrojó el análisis de resultados obtenidos.
Fig 1.Tensión RMS en Estado Estable
La segunda etapa se basó en la identificación del problema de la
parte de control requerido para la mesa cartesiana XYZ.
Fig 2. Frecuencia
Fig 3 Distorsión Armónica Individual de tensión (5º Armónico)
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Fig.4. Factor de potencia por fase
En esta segunda etapa, se inicio con el estudio de la plataforma de
programación Baldor, y seguidamente el estudio de LabVIEW.
Al momento de iniciar el diseño del controlador fue entregado una
plataforma de programación la cual es llamada Mint Machine
Center (Fig. 5 y Fig. 6) siendo esta propiedad de Baldor, teniendo
lenguaje propio de programación, estructurado de una manera
básica y especializada en la programación de controladores de
movimiento. Esta tiene una estructura definida y la cual es una
manera agradable y asequible.
En el caso de LabVIEW se utilizó para diseñar la interfaz gráfica
(Fig. 7.) y hacer el puente de control requerido para poner en
movimiento todo el sistema de servomotores.
Fig. 5. Plataforma de programación MINT
La tercera etapa se basó en el diseño eléctrico de la mesa
cartesiana XYZ
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Fig. 6. Resultado de la simulación
Esta etapa, fue una etapa de puro diseño y de implementación de
lo aprendido durante toda la carrera, ya que en esta se puso en
practica todo lo aprendido en el proceso académico, teniendo en
cuenta cada una de las especificaciones requeridas por los
docentes en el laboratorio y salvaguardando siempre la integridad
de los usuarios.
Fig. 7. Interfaz gráfica
En este diseño había que tener en cuenta las especificaciones del
RETIE y del reglamento eléctrico Colombiano (NTC 2050),
utilizando todas las herramientas para un buen diseño y
escogencia de los elementos.
Adicionalmente se hizo el diseño físico de los gabinetes,
mostrando la distribución física de los elementos.
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La cuarta y última etapa del proyecto fue la síntesis de todo el
trabajo realizado, este arrojo como resultado un informe escrito en
el cual queda registrado paso a paso todo el proceso de diseño de
cada uno de los elementos a utilizar.
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En el proceso de diseño de la interfaz gráfica, se realizó de
manera satisfactoria cumpliendo los objetivos planteados desde
un principio. Haciendo esta una interfaz agradable a la vista del
usuario y manteniendo simplicidad en su parte visual y un
correcto funcionamiento en la parte de control.
Se diseñó una mesa eléctricamente acorde a las normas RETIE y
NTC2050 teniendo unas protecciones y un cableado adecuado y
que cumplen con la objetiva principal de las normas eléctrica y de
esta manera prevé, minimizando o eliminando los riesgos de
origen eléctrico.
En el momento que se fue a realizar el montaje y se hizo el
análisis de conexiones, de tuvo un problema de elementos, debido
a que en la fase I del proyecto no se hicieron las compras
completas de los equipos requeridos, es por esto que fue necesario
hacer el complemento de los equipos faltantes.
En el estudio de compatibilidad electromagnético se recomienda
revisar si el bajo FP registrado ayuda a generar sobrecostos en la
empresa por exceso de reactivos, o si de alguna forma estos son
contrarrestados por otras cargas de la planta. De todas formas,
cualquier diseño de condensadores que se considere hacer en un
futuro, debe contemplar un estudio de resonancia armónica que
evite sobretensiones en el sistema. Adicionalmente se recomienda
revisar la posibilidad de dimensionar nuevamente los
transformadores evaluados en el presente informe a una capacidad
mucho menor de la que se tiene actualmente; lo anterior es para
minimizar las pérdidas originadas en éste. Es claro que un
transformador sobredimensionado acrecienta las pérdidas
eléctricas y en consecuencia las pérdidas económicas
Como último resultado se obtuvo el informe final donde se mostró
paso a paso el proceso de diseño eléctrico y de control de la mesa
cartesiana XYZ. Este inicia mostrando los elementos básicos
necesarios para el montaje, se explica y muestra los resultados del
estudio de compatibilidad electromagnética del bloque 8 de la
Universidad Pontificia Bolivariana, seccional Medellín, con la
mesa cartesiana XYZ, pasando por el diseño eléctrico y las
conclusiones respectivas.
6. CONCLUSIONES
El diseño realizado en este trabajo de grado es la segunda etapa de
un prototipo de mesa cartesiana la cual será construida e
implementada para el corte con plasma a nivel de laboratorio en la
Universidad Pontificia Bolivariana seccional Medellín. Por medio
de este trabajo de grado es la etapa inicial del proceso de
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construcción de la mesa XYZ la cual permitirá la implementación
a nivel de laboratorio del corte con plasma y servirá como
herramienta didáctica a los estudiantes de ingeniaría mecánica.
Esta mesa aplica el concepto del control numérico computarizado
(CNC) y por lo tanto ayudará en la implementación de la teoría en
la práctica para las materias de afines de ingeniería mecánica.
Se diseño la interfaz gráfica y el controlador necesario utilizando
LabView y Mint WorkBench lo cual permite manipular la mesa
XYZ y la interacción usuario-máquina. Este requerimiento
cumple con las necesidades que se plantean en el grupo de
investigación y las cuales incluyen el desplazamiento de la mecha
de plasma en los tres ejes cartesianos. El control automático
realizado en este trabajo de grado también permite que el usuario
manipule la posición de la mecha con precisión y por lo tanto
optimizar corte con plasma.
Mediante el seguimiento del reglamento técnico de instalaciones
eléctricas (RETIE) se diseñó el tablero de control para la mesa
XYZ el cual contiene todas las conexiones y protecciones
requeridas y necesarias para automatizar la mesa XYZ. Estas
protecciones incluyen las borneras, fusibles, breakers entre otros.
De esta manera se garantizará las medidas tendientes la seguridad
de las personas, de la vida animal y vegetal y la preservación del
medio ambiente; previniendo, minimizando o eliminando los
riesgos de origen eléctrico. Salvaguardando la integridad y el
buen funcionamiento de la mesa cartesiana. Este trabajo de grado
aportó el diseño del tablero cumpliendo con los reglamentos y
reglas de seguridad mencionadas anteriormente y los estándares
internacionales.
Se puede concluir que no es necesario diseñar un sistema de
filtrado adicional al implementado en este proyecto debido a que
por medio de el estudio de compatibilidad electromagnética en las
redes eléctricas del laboratorio de controladores robóticos, se
obtuvo que durante el periodo evaluado la tensión de utilización
permaneció dentro de los límites permisibles y exigidos por la
normatividad nacional de acuerdo con lo establecido en la
resolución CREG 025-2005. Los rangos para el sistema de
distribución fueron del orden de ±10 % de la tensión nominal de
suministro (MOYLAN 1993), y apreciando un factor de potencia
por debajo de los límites en cada uno de los puntos medidos.
Por medio de este trabajo de grado se diseñó de manera
satisfactoria el sistema eléctrico y la infraestructura de control, los
cuales permiten la automatización de la mesa cartesiana XYZ para
los laboratorios de manipuladores robóticos de la Universidad
Pontificia Bolivariana seccional Medellín. Este diseño cumple con
el objetivo principal de este trabajo de grado.
7. AGRADECIMIENTO
Se agradece al ingeniero Carlos Alejandro Zuluaga Toro por
permanecer siempre dispuesto a colaborar ante cualquier
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problema que se presentara en el desarrollo del proyecto,
otorgando siempre una pronta y certera solución.
8. REFERENCIAS
HARTMANN David P. (1992), IEEE Std 519-1992. IEEE
Recommended Practices and Requirements for Harmonic
Control in Electrical Power Systems.
LARBÁBURU, Nicolás (2004). Máquinas. Prontuario. Técnicas
máquinas herramientas.. Madrid: Thomson Editores. ISBN 84-
283-1968-5.
LASHERAS, José María. (1996) Tecnología mecánica y
metrotecnia. Octavio y félez, S. A. Pp. 879 y ss. ISBN 84-
7063-087-3.
MARKIEWICZ Henryk (1999), EN 50160 – 1999 (CENELEC).
Voltage characteristics of electricity supplied by public
distribution systems.
MOYLAN William J. (1993), IEEE Std 141-1993, IEEE
Recommended Practice for Electric Power Distribution for
Industrial Plants (Red Book) (ANSI).
AUTORES
Johnn Alexander, ARANGO URIBE.
Egresado de la Fundación Colegio Bilingüe
de Valledupar en el año 2005. Actualmente
se encuentra en calidad de egresado próximo
a graduarse de los programas de ingeniería
eléctrica y electrónica de la Universidad
Pontificia Bolivariana. Hace
aproximadamente dos años ejerce el cargo de Auxiliar de
Investigación, como apoyo para el grupo de investigación de
automática y diseño A+D en la UPB seccional Medellín.
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