Atendiendo a tu petición Agucasta, cuelgo el texto y fotos completos del tema.
MINI-TORNO DE VELOCIDAD ESTABILIZADA Y PAR MECÁNICO REGULABLE
Llevaba ya algún tiempo queriendo construir un mini-torno horizontal de velocidad estabilizada y par mecánico regulable. Aunque debo precisar que no es un torno en el sentido estricto de la palabra, es decir, no es un dispositivo para tornear piezas por arrancamiento de viruta mediante una herramienta de corte, aunque bajo ciertas circunstancias podría servir para hacerlo con madera, materiales plásticos o latón, siempre que el diámetro fuera pequeño y preferiblemente por abrasión con herramientas giratorias de vidia. La idea inicial es otra: la de disponer de un eje horizontal capaz de girar en un margen bastante amplio de revoluciones, con la velocidad estabilizada y pudiendo variar a voluntad la fuerza que ejerce sobre el eje de salida.
Las utilidades que puedo darle a un sistema semejante son muchas, para empezar, ha de ser el punto de partida de una bobinadora, primeramente semiautomática y más adelante totalmente automática, pero deberá servir además para un futuro torno de soplado de vidrio, el cual tiene como característica el disponer de dos ejes enfrentados que giran de forma sincronizada, mientras uno de ellos es desplazable en el plano horizontal.
Para empezar hago una evaluación de la potencia mecánica necesaria. Para estas funciones no necesito un motor de 1/2 CV (368 W.), sino que me basta con algo mucho más pequeño, de alrededor de unos 50 W. Las revoluciones, además, no han de ser altas, diría que me sobra con un tope superior de 300 R.P.M, pero en cambio, en el margen inferior sí debería poder funcionar a 60 RPM o incluso menos, y conservar a la vez un par o torqué considerable.
Buscando entre las posibles soluciones, descarto los motores de corriente alterna monofásicos a condensador, por ser difíciles de regular, de igual forma tampoco puedo utilizar los llamados de "espira de sombra", por su habitual baja potencia, ni los síncronos, que precisarían de un variador de frecuencia y donde tampoco veo la manera sencilla de ajustar el par.
Al final me decanto por un motor de corriente continua, a ser posible con desmultiplicación mecánica de salida, configuración que podemos encontrar a punto de utilizar en uno de esos taladros de mano de bajo precio. En la ferretería de un centro comercial localizo un taladro-atornillador Powerplus cuyo portabrocas es capaz de llevar ejes de 10 mm. con un margen de revoluciones que va de 0 a 550. Es muy posible que su calidad de construcción no tenga nada que ver con un taladro profesional como el DeWald o el Metabo, pero en la misma tienda hago una pequeña prueba de carga mecánica y pese a que las baterías están muy descargadas, compruebo que el par es considerable, superior al que necesito.
La herramienta se vende además en un estuche de plástico tipo maleta, con dos baterías de 18 Volts, un cargador conmutado y un surtido de brocas y destornilladores... y todo por la irrisoria cantidad de 29 €, IVA incluido. A veces pienso cuánto debe costar realmente fabricar estas cosas en China o Indonesia, con la de materiales diversos, circuitos, baterías y moldes que se necesitan para iniciar una producción en serie y transportarlo después mediante intermediarios hasta España. Por el precio final estoy seguro que de fábrica no debe debe salir por más de 4 ó 5 €.
Taladro-atornillador Powerplus, de 29 €, punto de partida del proyecto
Abriendo el aparato podemos distinguir el conjunto motor-reductor. El motor es un RS-550-S de 18 volts y aspecto sólido, escobillas consistentes y sistema de refrigeración interna mediante una corona de paletas. El reductor mecánico es del tipo coaxial, a engranajes planetarios con una relación de 32:1, es decir que por cada 32 vueltas del motor, el portabrocas da sólo una, pero multiplicando por 32 la fuerza inicial del eje motor.
Disposición interna de los componentes electromecánicos
Detalle del motor y del regulador de velocidad PWM
Debajo del motor está el sistema electrónico de regulación de velocidad, formado por un gatillo que controla un circuito PWM a Mosfet. El tipo de regulación es por contactos colocados de forma lineal y que son cerrados sucesivamente al pulsar el gatillo. Estos contactos están a su vez asociados a un divisor de tensión que controla el chip generador de señales moduladas en duración. El Mosfet de potencia es el BA7U1Y, conectado al circuito mediante tres cortos hilos y con su parte metálica sujeta a una pieza de aluminio que le sirve de radiador.
La técnica PWM, cuyas iniciales significan Pulse Width Modulation (Modulación por ancho de pulso) es capaz de controlar la tensión eficaz de una onda de tensión "reduciendo" el tiempo en que ésta está activa con respecto al tiempo que está inactiva. A diferencia de un sistema regulación analógico tradicional, la tensión aplicada a la carga nunca tiene valores intermedios, siempre será a todo o nada. Si por ejemplo tenemos un motor de un taladro alimentado a baterías de 12 volts y queremos reducir sus revoluciones y por tanto la potencia mecánica que entrega, un regulador analógico intercalaría una resistencia variable entre el motor y la fuente. El problema es que tal resistencia disipará en forma de calor una buena parte de la energía que se absorbe de la batería, con la consiguiente disminución de la autonomía y el problema adicional de disipar tal calor.
En un regulador PWM, en cambio, la tensión de 12 volts es aplicada al motor, por ejemplo, durante sólo el 50% del tiempo, 500 milisegundos de cada 1.000, y es cortada en los siguientes 500. El resultado es que la tensión eficaz, la que es capaz de producir un trabajo, será entonces de la mitad, pero al no haber resistencia disipadora, de la batería durará casi el doble que en un sistema analógico.
Despiece de la circuitería de control de velocidad mediante impulsos PWM modulados en duración
En este montaje, nosotros no tendremos el problema del consumo de batería, y por tanto, ahora no nos vamos a decantar por uno u otro sistema. De momento aparquemos este asunto y volvamos a los aspectos mecánicos del proyecto.
Al comenzar tenía la idea de utilizar la propia carcasa del taladro como pedestal de sujeción. Como muestra la siguiente imagen, atornillando su parte baja, sin la batería, a un rectángulo de tablero DM que deberá servir de base para todo el conjunto. Fabrico una cuña de fibra de vidrio para efectuar la adaptación y que el ángulo de salida del portabrocas sea perfectamente horizontal, quedando en la siguiente disposición:
Primera idea para sujetar el conjunto a la base de DM, mediante una cuña de fibra de vidrio
Disposición de cómo quedaría con la forma central de una bobina de Tesla a punto de ser devanada de forma semimanual
Pero resulta que una vez montado no acaba de gustarme. Observo que la propia carcasa plástica del taladro no tiene la necesaria rigidez, y el portabrocas se mueve algunos milímetros en cualquier dirección que lo fuerces. Para algunos trabajos podría ser tolerable, pero para otros no. Pienso que tal vez pueda mejorar con un soporte fijo cerca del portabrocas. Construyo dicho soporte de madera, con un cojinete de bronce, y la cosa mejora muchísimo. Por otra parte, dicho soporte sería necesario de cualquier manera, porque en él van a tener que instalarse futuros mecanismos electromecánicos de control de giro y desplazamiento. La configuración queda como muestra la siguiente imagen:
Disposición con un soporte adicional cerca del portabrocas, para darle rigidez
Sin embargo, sigo sin verlo bien. El taladro ocupa mucho espacio horizontal y cuando se fuerza la carga del eje, la carcasa se retuerce de forma visible. Por otra parte, también deberé construir algún tipo de caja para albergar la electrónica de control, quitando más espacio aún a la base de DM. Decido descartar la carcasa original del taladro. Tal vez me lleve un poco de trabajo, pero estoy seguro que construyendo un pedestal de tablero DM de 2 cm. la rigidez será mucho mayor.
El motor y la reductora montados en un pedestal de tablero DM de 2 cm, de mucha mayor rigidez
La imagen anterior muestra el nuevo pedestal. El motor se introduce con cuidado en un orificio circular del soporte trasero y es sujetado en el delantero con una mordaza de tablero DM, la cual está a su vez atornillada por dos espárragos de 5 mm que posteriormente se cortarán a ras de las tuercas. Durante las pruebas, el conjunto no se mueve ni se torsiona de forma apreciable. Una vez atornillada a la base de madera, creo que conseguiré la rigidez que quería.
Ahora vamos a meternos con la parte electrónica. En primer lugar llevo a cabo una prueba de regulación de velocidad utilizando el propio circuito impreso y el Mosfet que venía con el taladro. Funciona, naturalmente, pero al no tener ningún sistema de realimentación de giro, el par disminuye de forma rápida al bajar las revoluciones. Pienso que será bastante complejo adaptar este circuito a mis necesidades, y por ello desarrollo un circuito propio, aunque el principal problema reside en cómo medir las revoluciones del motor.
La primera prueba de control de velocidad, utilizando el circuito original del taladro con un potenciómetro de regulación añadido
El motor no tiene ejes que sobresalgan por la parte trasera, y la frontal, en donde está el engranaje que se acopla a la reductora mecánica, está totalmente cerrado y sin espacio para introducir ningún tipo de sensor. Por suerte, en la parte trasera de la carcasa metálica tiene dos ventanitas de aireación, y a través de ellas puedo ver como las paletas de refrigeración, en su giro, abren y cierran de forma alternativa un conducto de luz de un lado al otro del motor. De seguida pienso en colocarle una barrera fotoeléctrica de transmisión, siempre más efectiva que los sistemas basados en reflexión y más sencilla que otros tipos de sensores, como los magnéticos de efecto Hall.
Tomo un optoacoplador de infrarrojos del tipo "final de carrera", que procede del reciclaje de una impresora láser, y separo sus dos partes, el emisor y el receptor. Construyo dos pequeños soportes de hilo de cobre de 1,2 mm y fijo el diodo emisor en un lado del motor y el fototransistor en el opuesto. Polarizando ambos componentes y comprobando la señal resultante con el osciloscopio, observo la señal resultante; es muy definida, pero de poca amplitud, la cual encima disminuye la aumentar la velocidad. Tal vez podría diseñar un circuito discriminador, pero no quiero complicarme la vida más de lo necesario. El mejor sistema sería poder "agrandar" el paso de luz que dejan las paletas, y esto sería posible cortando unas pequeñas puntas que tienen en su parte interna. Sin embargo, el motor no puede abrirse sin romper los cerramientos, ya que la tapa portaescobillas está remachada al resto.
La solución viene de confeccionar una pequeña "hoja de corte" a partir de una sierra de acero, le doy forma con un disco de diamante, doblo la punta en un ángulo de 45 º y la afilo a conciencia. Introduciendo este "útil" a través de las ventanitas de aireación y haciendo girar el motor con la mano puedo cortar con facilidad la parte que me molesta de las paletas.
Herramienta de punta curva y muy afilada, confeccionada a partir de una hoja de sierra, para cortar el extremo interno de las aletas de refrigeración
Ahora la señal es muy fuerte, ha pasado de 1,5 volts a 8 volts de pico, prácticamente va de corte a saturación, y a pesar que disminuye casi un 30% con la velocidad, ya no necesitaré ningún paso amplificador para atacar la entrada del conversor frecuencia/tensión.
Una vez solucionado este problema, monto el siguiente circuito de forma provisional. Ahí sólo hay unos pocos componentes discretos y dos integrados de uso muy común, como son el CMOS 4093 y el operacional LM 741.
Nuevo circuito de regulación, con un diagrama del sensor óptico por infrarrojos de revoluciones del motor
Como el circuito es muy sencillo, puedo explicar de forma resumida como funciona:
1) En primer lugar, tenemos la barrera fotoeléctrica que genera una onda trapezoidal con el giro del motor.
2) La señal se entra en una etapa del 4093, del tipo NAND-SCHMITT, conectada en esta ocasión como si fuera un simple inversor que conserva la característica de histéresis del Schmitt. En la salida tenemos una onda cuadrada perfecta.
3) Esta onda cuadrada es diferenciada por un condensador de 10 nF y una resistencia de 22 k, creando dos picos muy breves, positivo y negativo, coincidiendo con el flanco de subida y de bajada de la onda cuadrada.
4) El pico negativo se pierde, pero el positivo pasa a dos puertas más del tipo inversor-Schmitt, que lo convierten en un pico rectangular de duración muy breve.
5) A continuación este pico va a un filtro paso bajo formado por la resistencia de 47K y el condensador de 0,47 microfaradios, el cual integra la señal y convierte los picos en una tensión continua y proporcional a la frecuencia de las señales trapezoidales de entrada, y por tanto a la velocidad de giro del motor.
6) Esta tensión continua es llevada a la entrada negativa de un amplificador operacional tipo 741, cuya entrada positiva está conectada a un potenciómetro situado entre +8 V y Masa.
7) La diferencia de valor de ambas tensiones continuas será la que controle la excitación del transistor Mosfet de potencia, en este caso un BUK455, de la siguiente manera:
A) Con el potenciómetro P1 nosotros establecemos la velocidad a la que queremos que vaya el motor. La tensión de P1 va a la entrada positiva del operacional.
B) Si el motor está parado, no hay tensión en la entrada negativa, con lo que el 741 subirá el valor de tensión en su salida, polarizando el Mosfet de manera que empieza a conducir, arrancando el motor, el cual acelera su velocidad.
C) Cuando la tensión en la entrada negativa, producto de la velocidad del motor, supera por muy poco a la positiva, el operacional "corta" la excitación al Mosfet, el cual deja de suministrar tensión al motor, que comienza a frenarse, iniciando una pequeña "oscilación" de velocidad alrededor del valor que nosotros hemos especificado.
D) Si el motor trabaja en vacío, será necesario muy poca excitación al Mosfet para mantener las dos tensiones casi igualadas, pero en el momento que una carga mecánica actúe sobre el eje y lo frene, se creará de nuevo el diferencial que aumentará la excitación del transistor para que el motor mantenga su marcha.
E) El control de par se efectúa cambiando la ganancia del operacional, para que responda con más o menos corrección ante la caída de revoluciones. Esta función se efectúa mediante la resistencia variable P2, de 470 K, colocada como realimentación entre la salida del operacional y su entrada negativa. A mayor valor de P2, hay más ganancia, y por tanto más corrección de velocidad, lo que se traduce en un mayor par mecánico. Con valores bajos de P2 hay poca ganancia, poca corrección y por tanto poco par, cediendo las revoluciones con facilidad al aumentar la carga mecánica.
El circuito anterior montado en una placa de pruebas
Durante las primeras pruebas noto oscilaciones irregulares en ciertos puntos de la curva de funcionamiento, para corregirlos voy ajustando algunos valores, con tendencia a disminuir la inercia del circuito y aumentar su velocidad de respuesta. Aunque estos cambios se reducen al filtro paso-bajo de la última puerta Schmitt y al valor del condensador de realimentación en paralelo con P2.
En el circuito definitivo que viene a continuación, aparte las pequeñas diferencias con el anterior, puede verse la totalidad de las dos fuentes de alimentación, tanto la de potencia, capaz de dar unos 5 amperios a 13-14 volts, como la auxiliar simétrica para el circuito de regulación, de sólo 300 mA y tensiones de +/- 8 volts.
La idea, además, es que el pedestal tenga dos botones muy accesibles y de considerable tamaño, para arrancar y para parar el giro del motor. En el circuito, el botón de arranque (Start) polariza un relé, el cual se queda autocebado, dando corriente de potencia al motor. El botón de paro (Stop) cortocircuita la bobina de relé, cuya intensidad está limitada por una resistencia de 22 Ohms. El relé se abre y el motor se queda sin corriente.
A la vez, hay un LED bicolor verde/rojo, que se ilumina con el primero o el segundo dependiendo de que el conjunto esté parado o en marcha.
Otro mando es el que establece el sentido de giro, está formado por un conmutador de dos circuitos, dos posiciones, que simplemente invierte las conexiones de salida del circuito, cambiando por lo tanto la polaridad que le llega al motor.
Circuito definitivo del sistema de regulación, incluyendo el sistema Start-Stop, la fuente de alimentación auxiliar y la de potencia
Los componentes son en su mayor parte procedentes del reciclado: condensadores, resistencias y transformadores. Los integrados también han sido obtenidos al desmontar diversas placas desechadas, así como los botones, que creo recordar estaban en un editor de vídeo VHS que construí hace veinticinco años.
Todo el conjunto está construido con madera, desde el tablero aglomerado DM para los elementos más sólidos, hasta contrachapado de 4 mm. para las tapas, como la frontal, en donde está fijo el circuito impreso principal, sujeto mediante los potenciómetros de velocidad y de par mecánico.
La placa de circuito impreso es del tipo estándar de baquelita, con pequeños cuadraditos soldables y pistas realizadas con hilo de cobre de diversos diámetros.
Montaje práctico del circuito impreso en la parte trasera del frontal. Aquí pueden verse los dos reguladores +/-- de 8 volts, los dos integrados y el transformador de la alimentación auxiliar
Aparte del circuito impreso principal, hay otro situado sobre el motor que contiene los la fuente de alimentación de potencia, el puente rectificador de 6 A. el condensador de filtro de 4.700 microfaradios y el relé de marcha-paro. El transformador de potencia es del tipo que en las instalaciones eléctricas alimenta con 12 volts las bombillas halógenas de 50 W. del tipo dicróico, que se empotran en los techos.
Los principales motivos para elegir este transformador han sido su precio y que son de un tamaño muy pequeño pero capaces de dar 5 amperios, aunque tengan algunas pérdidas en vacío que lo mantengan tibio al tacto.
Parte trasera del pedestal, en que se ve la fuente de alimentación de potencia, con el circuito impreso y el transformador
El montaje es tradicional y sin demasiados secretos. Los mandos están todos en la tapa frontal que cierra el pedestal de soporte, siendo sus funciones (de abajo a arriba) las siguientes.
- Mando de ajuste del par mecánico
- Mando de ajuste de la velocidad
- A la izquierda, el conmutador de sentido de giro (arriba = sentido horario, abajo = sentido antihorario)
- A la derecha el pulsador de arranque (Start)
- Arriba a la izquierda, el LED indicador de paro (verde) o marcha (rojo)
- Arriba a la derecha, el pulsador de paro (Stop)
Una nueva vista de la parte trasera del pedestal, nos muestra las tapas colocadas, así como el radiador al que está sujeto interiormente el transistor de potencia. Durante las pruebas de uso intensivo, este radiador tenía tendencia a calentarse un poco, por este motivo le he incorporado un miniventilador de refrigeración, que ahora lo mantiene con un calentamiento casi inapreciable.
El foro sólo permite 15 imágenes en cada mensaje, por este motivo, continua en el siguiente
