Este proyecto consiste en la creación de una maqueta a escala de una grúa pórtico con fines didácticos. La grúa pórtico, una estructura metálica alta y robusta diseñada para mover cargas pesadas en puertos y terminales de carga, es esencial para las operaciones logísticas modernas. La maqueta reproduce las características principales de una grúa pórtico real, incluyendo su capacidad de desplazamiento sobre rieles y su mecanismo de elevación. El objetivo del proyecto es facilitar la comprensión de las operaciones de manejo de carga y las principios de ingeniería que rigen las grúas pórtico, proporcionando una herramienta interactiva y visual para la educación
Este proyecto hace énfasis en los siguientes campos:
Este proyecto demuestra la aplicación práctica de la electrónica a través de la maqueta ya que utiliza Arduino para el control de movimientos. Al coordinar las acciones mecánicas con instrucciones electrónicas precisas, la maqueta resalta la importancia del control electrónico en sistemas automatizados, ofreciendo una introducción clara y directa a estos conceptos.
La maqueta de grúa pórtico de este proyecto destaca los fundamentos de la mecánica, desde el diseño estructural hasta la realización de cálculos de carga y momento. Es una herramienta didáctica que permite visualizar y comprender la transferencia de fuerzas y la mecánica de los mecanismos, fomentando un aprendizaje práctico de la mecánica aplicada.
El uso del diseño 3D en este proyecto es esencial para modelar con precisión la grúa pórtico, fundamental para comprender su funcionamiento mecánico. Permite perfeccionar el diseño virtualmente, identificando y corrigiendo errores previo a la construcción. Además, el software de diseño utilizado ofrece la posibilidad de realizar diversas simulaciones, lo que enriquece la maqueta como herramienta educativa al permitir la exploración de diferentes escenarios y su impacto en la estructura.
Un diagrama de Gantt es una herramienta de gestión de proyectos que se utiliza para planificar y programar tareas a lo largo de un periodo de tiempo. Representa visualmente el cronograma de un proyecto, mostrando el inicio y la finalización de las distintas tareas que lo componen. Los diagramas de Gantt ayudan a los gestores de proyectos a ver qué tareas se deben realizar, cuándo deben comenzar y terminar, y cómo se superponen en el tiempo. Facilitan la coordinación de las tareas, la asignación de recursos y la visualización del progreso del proyecto.
La grúa pórtico es un tipo especial de grúa que eleva la carga mediante un polipasto instalado sobre una viga puente, que a su vez es rígidamente sostenida mediante dos o más patas.
El polipasto tiene la misión de transportar la carga, y a su vez este, elevar la misma.
Para lograr el movimiento del polipasto se recurre al uso de poleas y de un motor paso a paso, el cual estará encargado del movimiento del eje que mueve 2 de las 4 ruedas de este.
Para lograr la elevación de la carga se recurrió a un motor de CC, el cual mueve un eje donde el cable que lleva la carga es enrollado
Manejo de Cargas Pesadas: El polipasto levanta objetos pesados, como contenedores, materiales de construcción o maquinaria. Su capacidad de carga puede variar desde unas pocas toneladas hasta cientos de toneladas.
Movimiento Vertical y Horizontal: Además de subir y bajar cargas, el polipasto se mueve a lo largo de la grúa pórtico, permitiendo el transporte de objetos en un plano horizontal.
Operaciones Eficientes: En entornos como puertos y almacenes, el polipasto de la grúa pórtico facilita la carga y descarga rápida y segura de mercancías, mejorando la eficiencia operativa.
Seguridad en el Manejo de Materiales: Los polipastos están equipados con dispositivos de seguridad para garantizar un manejo seguro de las cargas, minimizando el riesgo de accidentes.
Flexibilidad en Aplicaciones: Pueden ser utilizados en una variedad de aplicaciones, desde la construcción de edificios hasta la manipulación de contenedores en puertos.
Soporte de Carga: Proporciona el soporte necesario para levantar y sostener cargas pesadas. Está diseñada para manejar las fuerzas de tensión y compresión generadas durante la elevación y el movimiento de la carga.
Base de Movimiento: Sirve como la base sobre la cual se mueven otros componentes de la grúa, como el polipasto. Permite el desplazamiento longitudinal para la cobertura de un área amplia.
Estabilidad: Asegura la estabilidad de la grúa durante las operaciones. Su diseño triangular contrarresta el riesgo de vuelco o desplazamiento debido al peso de las cargas elevadas.
Marco de Trabajo: Actúa como el marco de trabajo principal que integra los sistemas mecánicos y eléctricos, como los rieles para el movimiento del polipasto y las conexiones para la distribución de la energía y las señales de control.
Altura de Trabajo: Provee la altura necesaria para que el polipasto pueda levantar cargas por encima de obstáculos en el suelo y permitir el paso de vehículos de transporte por debajo.
Polipasto
Estructura
La densidad es la masa por unidad de volumen; en este caso, es de 7.150E-06 kg por milímetro cúbico, lo que indica cuán pesado es el material por cada unidad de volumen.
El Módulo de Young de 90000 MPa mide la rigidez del material, es decir, cuánto se resistirá a deformarse bajo tensión o compresión.
El Coeficiente de Poisson de 0.30 es una medida de la contracción o expansión que experimenta un material en direcciones perpendiculares a la dirección de la fuerza aplicada.
El Límite de elasticidad de 119 MPa es la máxima tensión que el material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes.
La Resistencia máxima a tracción de 276 MPa es la máxima tensión que el material puede resistir siendo estirado antes de romperse.
En las simulaciones se utilizaron 2 cargas iguales, una en cada vía del puente grúa.
A continuación las características de estas:
Un factor de seguridad mayor a 1 indica que el componente es capaz de soportar la carga real sin fallar, mientras que un factor de seguridad menor a 1 indica que el componente no es lo suficientemente resistente para soportar la carga real y puede fallar.
Estrés de von Mises: Muestra la distribución de esfuerzos en la estructura, utilizando la escala de colores para indicar la magnitud de estos esfuerzos. El rango va de 0.00 a 196.006 MPa (megapascales).
Colores de la escala de esfuerzos:
Rojo: Indica las áreas con el mayor esfuerzo, cercano a 196.006 MPa.
Verde a Azul: Representan esfuerzos de menor magnitud.
Estrés:
Estrés= Modulo elástico x Tensión
Modulo elástico:
Modulo Elástico= Tensión/Deformación
La estructura del polipasto es la encargada de llevar todas las partes del mismo. Cumple el rol mas importante de este, y para un funcionamiento exitoso se optó por un material resistente para evitar deformaciones/daños en la misma al momento de tener que soportar con las cargas a elevar. Por lo tanto el material que se optó para construir la misma es hierro.
Son los encargados de permitir el movimiento rotatorio encargado de transportar el polipasto a lo largo de la grúa.
Las ruedas están fijas al eje, por lo tanto giran junto a el.
Alta reducción de velocidad en un espacio compacto.
Autobloqueo para mayor seguridad.
Operación suave y silenciosa.
Transmisión de potencia a ángulos rectos, ideal para espacios limitados.
Buena resistencia al desgaste, lo que prolonga la vida útil.
Flexibilidad en el diseño para adaptarse a diversas necesidades.
Capacidad para manejar cargas pesadas.
Un tornillo sin fin es un dispositivo mecánico que se utiliza para cambiar la dirección y reducir la velocidad de rotación entre ejes perpendiculares, aumentando al mismo tiempo el torque. Consiste en un tornillo (sinfín) que encaja en los dientes de un engranaje (corona), permitiendo relaciones de reducción altas en un espacio compacto. Es eficaz para aplicaciones que requieren movimiento suave, precisión y la capacidad de autobloqueo para prevenir el movimiento inverso.
Un motor de corriente continua (CC) convierte la energía eléctrica en energía mecánica a través de la interacción de campos magnéticos. Aquí está el principio básico de su funcionamiento:
Estructura básica: Un motor de CC típico tiene dos componentes principales: el estator, que es la parte estacionaria que produce un campo magnético fijo, y el rotor o armadura, que es la parte giratoria dentro del estator.
Campo Magnético: El estator utiliza imanes o bobinas de alambre (electroimanes) para crear un campo magnético.
Corriente en el Rotor: Cuando la corriente eléctrica pasa a través de las bobinas en el rotor, se crea otro campo magnético. La interacción entre el campo magnético del estator y el campo magnético inducido en el rotor produce una fuerza.
Fuerza y Movimiento: La fuerza actúa sobre el rotor de tal manera que se opone a la dirección del campo magnético del estator, lo que hace que el rotor gire.
Conmutación: Para mantener el movimiento giratorio, es necesario cambiar constantemente la dirección de la corriente en el rotor. Esto se logra mediante un conmutador y escobillas, que invierten periódicamente la corriente para que el rotor siga girando en una dirección.
El motor de CC es eficiente y tiene un buen control de velocidad, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde se requiere control preciso del movimiento y la velocidad.
Un motor de corriente continua convierte la energía eléctrica en mecánica mediante campos magnéticos que interactúan para girar el rotor, con un conmutador que invierte la corriente y mantiene el movimiento rotatorio.
Uno de estos esta encargado de mover el polipasto a lo largo del puente grúa, el otro de levantar y bajar la carga.
Caracteristicas:
Vn=12v
Cn=100mA
rpm=1500
El Arduino Uno es una placa de microcontrolador de código abierto basada en el ATmega328P. Se utiliza principalmente para crear proyectos de electrónica y robótica. Funciona al cargar programas (llamados "sketches") escritos en el lenguaje de programación de Arduino, una variante de C++, a través de un software en una computadora. Estos programas controlan cómo interactúa la placa con sensores, actuadores y otros dispositivos. Su diseño sencillo y su entorno de programación fácil de usar lo hacen ideal para principiantes, así como para proyectos más complejos.
El potenciómetro es un componente electrónico que funciona como una resistencia variable (Sensor resistivo). Se usa comúnmente para ajustar niveles como el volumen en equipos de sonido o la intensidad de luz. Al girar su perilla, cambia la resistencia interna, permitiendo controlar la cantidad de corriente que pasa a través de él, modificando así la señal en el circuito donde está instalado.
Los potenciómetros son dispositivos que permiten ajustar manualmente el nivel de resistencia en un circuito. Funcionan como resistencias variables y se utilizan para controlar diferentes aspectos de un circuito, como el volumen en equipos de audio o la intensidad de la luz en una lámpara. Al girar el eje del potenciómetro, se cambia la cantidad de resistencia, lo que a su vez modifica la corriente o el voltaje en el circuito al que está conectado.
Usado para controlar los motores de cc.
Un puente H es un circuito electrónico que se utiliza principalmente para controlar motores de corriente continua. Permite a un motor girar en ambas direcciones, hacia adelante y hacia atrás. Está compuesto por una serie de interruptores o transistores que pueden ser controlados para cambiar la dirección de la corriente que fluye a través del motor, lo que a su vez cambia la dirección de rotación del motor
El IDE de Arduino es un software que facilita escribir, compilar y subir programas a las placas Arduino, siendo amigable para principiantes y adaptable para expertos.
Este código Arduino controla dos motores DC utilizando pines digitales para la dirección y PWM para la velocidad. Además, se usan botones para controlar el comportamiento de los motores y potenciómetros para ajustar su velocidad.
Definición de Pines:
Se asignan pines específicos para controlar la dirección y velocidad de dos motores, y se definen pines para tres botones y dos potenciómetros.
Variables y Debouncing:
Se inicializan variables para las velocidades de los motores, el estado del tercer botón y variables para manejar el "debouncing" del botón.
Configuración Inicial (setup):
Se establecen los pines de los motores como salidas y los pines de los botones como entradas con resistencias pull-up.
Bucle Principal (loop):
Las velocidades de los motores se ajustan leyendo los valores de los potenciómetros.
Motor 1: Se controla con los botones conectados a buttonPin1 y buttonPin2. Al presionar uno, el motor gira en una dirección; al presionar el otro, cambia de dirección. Si no se presiona ninguno, el motor se detiene.
Motor 2: Se controla con el botón en buttonPin3, utilizando una lógica de debouncing para evitar lecturas falsas. Cada vez que se presiona el botón, se cambia el estado del motor alternando entre detenerse y girar en ambas direcciones.
Función controlMotor2:
Controla el estado y la dirección del Motor 2, alternando entre parar, girar hacia adelante y girar hacia atrás cada vez que se activa.
// Definición de pines
const int motor1Pin1 = 2;
const int motor1Pin2 = 3;
const int motor2Pin1 = 4;
const int motor2Pin2 = 5;
const int enableMotor1 = 9;
const int enableMotor2 = 10;
const int buttonPin1 = 6;
const int buttonPin2 = 7;
const int buttonPin3 = 8;
const int potPin1 = A0;
const int potPin2 = A1;
int motorSpeed1 = 0;
int motorSpeed2 = 0;
int motor2State = 0;
bool lastButtonState3 = HIGH;
unsigned long lastDebounceTime3 = 0;
unsigned long debounceDelay = 50;
void setup() {
pinMode(motor1Pin1, OUTPUT);
pinMode(motor1Pin2, OUTPUT);
pinMode(motor2Pin1, OUTPUT);
pinMode(motor2Pin2, OUTPUT);
pinMode(enableMotor1, OUTPUT);
pinMode(enableMotor2, OUTPUT);
// Activar resistencias pull-up internas
pinMode(buttonPin1, INPUT_PULLUP);
pinMode(buttonPin2, INPUT_PULLUP);
pinMode(buttonPin3, INPUT_PULLUP);
}
void loop() {
motorSpeed1 = map(analogRead(potPin1), 0, 1023, 0, 255);
motorSpeed2 = map(analogRead(potPin2), 0, 1023, 0, 255);
// Control de Motor 1
if (digitalRead(buttonPin1) == LOW) { // Cambio en la lógica
digitalWrite(motor1Pin1, HIGH);
digitalWrite(motor1Pin2, LOW);
analogWrite(enableMotor1, motorSpeed1);
} else if (digitalRead(buttonPin2) == LOW) { // Cambio en la lógica
digitalWrite(motor1Pin1, LOW);
digitalWrite(motor1Pin2, HIGH);
analogWrite(enableMotor1, motorSpeed1);
} else {
digitalWrite(motor1Pin1, LOW);
digitalWrite(motor1Pin2, LOW);
analogWrite(enableMotor1, 0);
}
// Control de Motor 2
bool reading = digitalRead(buttonPin3);
if (reading != lastButtonState3) {
lastDebounceTime3 = millis();
}
if ((millis() - lastDebounceTime3) > debounceDelay) {
if (reading != motor2State) {
motor2State = reading;
if (motor2State == LOW) { // Cambio en la lógica
controlMotor2();
}
}
}
lastButtonState3 = reading;
}
void controlMotor2() {
static int state = 0;
state++;
if (state > 3) state = 0;
switch (state) {
case 0:
case 2:
digitalWrite(motor2Pin1, LOW);
digitalWrite(motor2Pin2, LOW);
analogWrite(enableMotor2, 0);
break;
case 1:
digitalWrite(motor2Pin1, HIGH);
digitalWrite(motor2Pin2, LOW);
analogWrite(enableMotor2, motorSpeed2);
break;
case 3:
digitalWrite(motor2Pin1, LOW);
digitalWrite(motor2Pin2, HIGH);
analogWrite(enableMotor2, motorSpeed2);
break;
}
}
El proyecto ha demostrado ser una herramienta educativa valiosa, proporcionando una comprensión práctica de conceptos mecánicos y electrónicos mediante la implementación de una grúa pórtico funcional a pequeña escala. La integración de motores de corriente continua y paso a paso, controlados por un microcontrolador Arduino, ilustra de forma tangible la automatización y el control en sistemas mecánicos, mientras que el diseño estructural óptimo resalta la importancia de la ingeniería en la resolución de problemas reales. Con la habilidad para simular operaciones de manejo de carga, el proyecto ofrece una plataforma interactiva para el aprendizaje, destacando la relevancia de la mecánica y la electrónica en aplicaciones industriales modernas.