Plataforma de posicionamiento modular para impresión 3D, fresado y otras aplicaciones

313 Pages·2015·41.74 MB·Spanish

Universidad de la Repu´blica
Facultad de Ingenier´ıa
Plataforma de posicionamiento
modular para impresio´n 3D, fresado y
otras aplicaciones
Memoria de proyecto presentada a la Facultad de
Ingenier´ıa de la Universidad de la Repu´blica por
Guillermo Airaldi, Guillermo Antu´nez, Nicol´as Lamath
en cumplimiento parcial de los requerimientos
para la obtencio´n del t´ıtulo de
Ingeniero Electricista.
Tutor
Gabriel Eirea ......................... Universidad de la Repu´blica
Rafael Canetti........................ Universidad de la Repu´blica
Tribunal
Gabriel Eirea ......................... Universidad de la Repu´blica
Rafael Canetti........................ Universidad de la Repu´blica
´
Alvaro Go´mez ........................ Universidad de la Repu´blica
Julia´n Oreggioni...................... Universidad de la Repu´blica
Montevideo
jueves 14 mayo, 2015
Plataforma de posicionamiento modular para impresi´on 3D, fresado y otras apli-
caciones, Guillermo Airaldi, Guillermo Antu´nez, Nicol´as Lamath.
Esta tesis fue preparada en LATEX usando la clase iietesis (v1.1).
Contiene un total de 305 p´aginas.
Compilada el jueves 14 mayo, 2015.
http://iie.fing.edu.uy/
Agradecimientos
Nuestro principal agradecimiento es a nuestras familias, novias y amigos que
nos apoyaron a lo largo del todo el proyecto.
Tambi´en queremos darles las gracias a los funcionarios del instituto que nos
ayudaron,principalmenteaSergio(SergioBeheregaray)yTito(RobertoRodr´ıguez)
por la gran ayuda brindada con el trabajo en el taller.
Por u´ltimo agradecer a Jos´e Basualdo por el trabajo hecho en el proyecto de
SISEM, a Celmar Moreira por los trabajos de torner´ıa y a Carlos Briozzo por ser
un apoyo moral en todo momento.
Esta p´agina ha sido intencionalmente dejada en blanco.
Resumen
El presente proyecto trata sobre el disen˜o, implementaci´on y testeo de una
plataforma posicionadora de coordenadas cartesianas que pueda cumplir funciones
de impresi´on 3D y fresado. Las tem´aticas involucradas en el mismo involucran
conocimientos de mec´anica, electr´onica y software.
En particular, se realiz´o el disen˜o y montaje de la estructura del posicionador
yseseleccionaronlosactuadoresmec´anicos.Seeligi´oelhardwarenecesarioysedi-
sen˜aron e implementaron aquellos circuitos necesarios para completar el diagrama
de la soluci´on general a nivel f´ısico.
Aniveldesoftware,sedisen˜´oyprogram´ounaarquitecturadesoftwareparaob-
tenerunfirmware paracontrolarelprototipoyadem´asseresolvi´olacomunicaci´on
con el usuario.
Como adelanto de los resultados, se puede mencionar que se logr´o cumplir con
las especificaciones de “performance”, en el posicionamiento, control de tempera-
tura y volumen de trabajo.
Se realizaron simulaciones de impresi´on donde se verific´o que la geometr´ıa del
modelo resultante se correspond´ıa con la del modelo esperado.
Posteriormente, en cuanto a las aplicaciones del posicionador: se realizaron
tareasdecalibraci´oneimpresi´on.Secomprob´ounacorrespondenciaentreelpatr´on
obtenidoenlaimpresi´ondelmodelodeuncubo,conelresultadodeunasimulaci´on
previa del mismo. No se alcanzaron a realizar pruebas sobre la funci´on de fresado.
Lasleccionesaprendidasalafechahanenriquecidoalosintegrantesdelequipo
en el conocimiento en varias ´areas, como tambi´en en el actuar en grupo sorteando
constantementedistintasdificultadessurgidas;conloqueseesperaquelosalumnos
encargados de realizar este proyecto se desempen˜en muy bien como profesionales.
Esta p´agina ha sido intencionalmente dejada en blanco.
Tabla de contenidos
Agradecimientos I
Resumen III
1. Introducci´on 1
1.1. Descripci´on del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1. Motivaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.3. Definici´on del problema y antecedentes . . . . . . . . . . . . 2
1.1.4. Objetivos espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.5. Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.6. Criterios de ´exito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Estructura del Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Antecedentes 5
2.1. Introducci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Tecnolog´ıas de posicionadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3. Tecnolog´ıas de impresi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4. Extrusores de impresi´on 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5. Materiales de construcci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6. Esc´aneres 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7. Motores paso a paso (PAP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7.1. Principio b´asico de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7.2. Modos de operaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.7.3. Par´ametros de los motores paso a paso . . . . . . . . . . . . 17
2.7.4. Ventajas y desventaja de motores paso a paso . . . . . . . . 18
2.8. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.8.1. C´odigo de m´aquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.8.2. Generadores de G-code y firmware . . . . . . . . . . . . . . 22
2.9. Electr´onica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3. Visi´on General del Proyecto 27
3.1. Descripci´on de la soluci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Tabla de contenidos
4. Mec´anica 31
4.1. Introducci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2. Criterios de disen˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3. Dimensionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4. Extrusor de impresi´on 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.5. Armado de un eje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.6. Interconexi´on entre ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.7. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.8. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5. Electr´onica 47
5.1. Introducci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.2. Controlador de los motores paso a paso . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.2. Descripci´on de los integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.3. Funcionamiento general del driver de motores PAP . . . . . 57
5.3. Interfaz con el usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3.1. Elecci´on de los elementos que componen la interfaz . . . . . 72
5.4. Heated Bed Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4.1. Condiciones de uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4.2. Como se implementa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4.3. An´alisis de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4.4. Primer prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4.5. Disen˜o heated bed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.5. Comentarios generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6. Software 79
6.1. Arquitectura general y descripci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2. Raspberry Pi: Configuraci´on red inal´ambrica y comunicaci´on con
Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.1. Comunicaci´on inal´ambrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3. Comunicaci´on Computador-Microcontrolador . . . . . . . . . . . . 84
6.3.1. Descripci´on general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3.2. Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3.3. Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3.4. Robustez de la comunicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4. Software para microcontrolador Arduino . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4.1. Control de bajo nivel de los motores PAP . . . . . . . . . . 87
6.4.2. Control de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4.3. Int´erprete de comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.4.4. Ejecutador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.4.5. Interfaz con el usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.5. Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.5.1. Descripci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.5.2. Funcionamiento l´ogico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
vi
Tabla de contenidos
7. Testeos y medidas 129
7.1. Introducci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2. Posicionador XYZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2.1. Experimento de detecci´on de p´erdida de Pasos 1 . . . . . . 129
7.2.2. Experimento de detecci´on de p´erdida de pasos 2 . . . . . . 131
7.2.3. Cuantificaci´on de la repetibilidad: . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3. Control de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.3.1. Heated Bed Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.3.2. Extrusor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.4. Simulaci´on Software e Impresi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.4.1. Descripci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.4.2. Resultados e interpretaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8. Conclusiones y trabajo a futuro 157
8.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.2. Trabajo a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Ap´endices 163
A. Doxygen de las interfaces del C´odigo 163
B. Selecci´on de los motores paso a paso 243
B.1. Descripci´on del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
B.2. C´alculos te´oricos referentes a la selecci´on del motor . . . . . . . . . 244
B.3. Resultados de la selecci´on de los motores . . . . . . . . . . . . . . . 250
C. Gesti´on de tiempos 253
C.1. Cambios en la planificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
C.2. Dedicaci´on mensual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
D. Gesti´on de gastos 255
D.1. Distintos gastos previstos e imprevistos . . . . . . . . . . . . . . . 255
E. Manuales 257
E.1. Manual de uso y mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
E.1.1. Impresi´on 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
E.1.2. Movimiento Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
E.1.3. Calibraci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
E.1.4. Mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
E.2. Manual de construcci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
E.2.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
E.2.2. Piezas necesarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
E.2.3. Armado de un eje gen´erico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
E.2.4. Diferencias entre los distintos ejes . . . . . . . . . . . . . . 276
E.2.5. Interconexi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
E.2.6. Cabezal de impresi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
E.2.7. Tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
vii
Tabla de contenidos
E.3. Armado de driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Referencias 283
Glosario 289
´Indice de tablas 290
´Indice de figuras 292
Contenido del CD 294
´Indice de temas 296
viii