Diseño e implementación de un sistema de instrumentación para medición y monitoreo del coeficiente de fricción en ensayos de rayado de materiales metálicos en los laboratorios de ingeniería mecánica
El presente trabajo aborda la reactivación de una máquina de ensayos de rayado (basada en la norma ASTM G171), la cual quedó inoperativa tras la pérdida de su software de control original. Esta situación impedía la operación del motor, además, el equipo carecía de un sistema de instrumentación para...
- Autores:
-
Esquivel Matiz, Sthefania
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2025
- Institución:
- Universidad de Ibagué
- Repositorio:
- Repositorio Universidad de Ibagué
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.unibague.edu.co:20.500.12313/5510
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/20.500.12313/5510
- Palabra clave:
- Sistema de instrumentacion - Medicion y monitoreo
Ensayos de rayado en materiales metalicos
Laboratorios de ingeniería mecánica -Diseño e implementación
Coeficiente de fricción
Propiedades
Rayado
ASTM G171
Sistema de instrumentación
Friction coefficient
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ASTM G171
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Sistema de instrumentacion - Medicion y monitoreo Ensayos de rayado en materiales metalicos Laboratorios de ingeniería mecánica -Diseño e implementación Coeficiente de fricción Propiedades Rayado ASTM G171 Sistema de instrumentación Friction coefficient Propieties scratch ASTM G171 Instrumentation system |
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El presente trabajo aborda la reactivación de una máquina de ensayos de rayado (basada en la norma ASTM G171), la cual quedó inoperativa tras la pérdida de su software de control original. Esta situación impedía la operación del motor, además, el equipo carecía de un sistema de instrumentación para la medición del coeficiente de fricción. Acorde a esto, el objetivo principal fue diseñar e implementar un sistema de instrumentación para medir y monitorear el coeficiente de fricción en los ensayos de rayado. Para lograrlo, fue fundamental restaurar primero la operatividad de la máquina, lo que implicó el desarrollo de un nuevo sistema de control para el motor y una interfaz gráfica (GUI). El sistema de medición se implementó utilizando una celda de carga. La validación se realizó mediante 32 pruebas de rayado sobre acero bajo en carbono (A36). El posterior análisis de 92 imágenes de los surcos resultantes (un promedio de tres por ensayo), junto con los datos de fuerza, confirmaron la completa operatividad del equipo y la fiabilidad del sistema de instrumentación. Se logró un control adecuado de los parámetros y una alta consistencia en las mediciones, con un coeficiente de variación para el coeficiente de fricción de entre el 3 % y el 5 %, cumpliendo así con los objetivos del proyecto. |
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El sistema de medición se implementó utilizando una celda de carga. La validación se realizó mediante 32 pruebas de rayado sobre acero bajo en carbono (A36). El posterior análisis de 92 imágenes de los surcos resultantes (un promedio de tres por ensayo), junto con los datos de fuerza, confirmaron la completa operatividad del equipo y la fiabilidad del sistema de instrumentación. Se logró un control adecuado de los parámetros y una alta consistencia en las mediciones, con un coeficiente de variación para el coeficiente de fricción de entre el 3 % y el 5 %, cumpliendo así con los objetivos del proyecto.This work addresses the reactivation of a scratch testing machine (based on ASTM G171), which had become inoperative after the loss of its original control software. This issue prevented the operation of the motor, and additionally, the equipment lacked an instrumentation system for measuring the coefficient of friction. Accordingly, the main objective was to design and implement an instrumentation system to measure and monitor the coefficient of friction during scratch tests. To achieve this, it was first essential to restore the machine’s operability, which involved developing a new motor control system and a graphical user interface (GUI). The measurement system was implemented using a load cell. Validation was carried out through 32 scratch tests on low-carbon steel (A36). The subsequent analysis of 92 images of the resulting grooves (an average of three per test), along with the force data, confirmed the full operability of the equipment and the reliability of the instrumentation system. Proper control of parameters and high consistency in measurements were achieved, with a coefficient of variation for the coefficient of friction between 3% and 5%, thus meeting the objectives of the project.PregradoIngeniera ElectrónicaLista de Figuras.....9 Introducción.....11 Capítulo 1. Descripción del problema.....13 1.1. Definición del problema.....13 1.1.1. Antecedentes del problema.....13 1.1.2. Descripción del problema.....15 1.1.3. Formulación del problema.....16 1.2. Objetivos.....17 1.2.1. Objetivo general.....17 1.2.2. Objetivos específicos.....17 1.3. Justificación.....18 1.4. Consideraciones éticas y sociales.....19 1.4.1 Normatividad profesional.....20 1.5 Metodología.....21 1.6 Diagrama de bloques.....22 Capítulo 2: Marco teórico.....23 2.1 Conceptos Básicos de Instrumentación.....23 2.1.1 Definición de instrumentación.....23 2.1.2 Importancia en el monitoreo y control de procesos.....23 2.1.3 Tipos de sistemas de instrumentación.....23 2.1.3.1 Sistemas de instrumentación analógicos.....23 2.1.3.2 Sistemas de instrumentación digitales.....24 2.1.3.3 Sistemas de instrumentación Híbridos.....24 2.2 Motor paso a paso.....24 2.2.1 Ventajas y desventajas de los motores paso a paso.....25 2.3 ¿Que es un controlador para motores?.....25 2.4 Sensores para determinar la fricción de un material.....25 2.5 Arduino.....27 2.5.1 Arduino uno.....27 2.5.2 Arduino DUE.....27 2.5.3 Arduino leonardo.....27 2.5.4 Arduino mega 2560.....28 2.5.5 Arduino mega ADK.....28 2.5.6 Arduino micro.....28 2.5.7 Arduino nano.....28 2.6 Comunicación serial.....28 2.7 Variables físicas del ensayo.....29 2.7.1 Velocidad.....29 2.7.2 Desplazamiento.....29 2.7.3 Fuerza de fricción.....30 2.7.4 Coeficiente de fricción.....30 2.8 Lenguaje de programación C++.....30 2.9 Visual Studio.....30 2.10 Norma ASTM- G171.....31 Capítulo 3: Diseño de sistema de instrumentación.....33 3.1 Diagnóstico para la Mejora de la Máquina de Ensayos de Rayado en Materiales Metálicos.....33 3.2 Requisitos técnicos para prueba.....34 3.2.1 Velocidad.....34 3.2.2 Desplazamiento.....34 3.2.3 Peso muerto.....34 3.2.4 Sistema óptico de medición.....34 3.2.5 Sistema de carga.....34 3.2.6 Identador.....34 3.3 Arquitectura del Sistema y Selección de Componentes.....34 3.3.1 Componentes del Sistema de Movimiento.....34 3.3.2 Selección del Microcontrolador.....35 3.3.3 Sistema de Medición de Fuerza: Celda de Carga y driver HX711.....35 3.4 Implementación del Hardware y Conexiones.....36 3.4.1 Arquitectura general del sistema.....36 3.4.2 Esquema de conexiones y control (DM860H - Motor).....37 3.5 Desarrollo del Software.....38 3.5.1 Módulo de Control de Movimiento.....38 3.5.1.1 Funcionamiento del motor.....38 3.5.2.1 Conversión a Desplazamiento Lineal (mm/paso).....38 3.5.2.2 Conversión de la velocidad (pasos/s).....39 3.5.2.3 Conversión a Tiempo por Paso.....39 3.5.2.4 conversión de paso a desplazamiento en cm.....39 3.5.3 Configuración del Driver y Lógica de Micro pasos.....40 3.5.4 Implementación del Código de Control.....41 3.5.5 Adquisición de Datos (Instrumentación).....41 3.5.5.1 Lectura de la Celda de Carga con el controlador HX711.....41 3.5.5.2 Proceso de Calibración del Sensor.....42 3.6 Desarrollo de la Interfaz de Usuario (GUI).....42 3.6.1 Funcionamiento general de la interfaz.....42 3.6.2 Control de Parámetros del Ensayo.....45 3.6.2.1 Control de Motor con Arduino y Visual Studio.....45 3.6.2.2 Comunicación y Control de Velocidad entre Visual Studio y Arduino.....46 3.6.2.3 Comunicación y Control de desplazamiento entre Visual Studio y Arduino.....47 3.6.3 Calibración celda de carga.....48 3.6.4 Gestión de datos.....49 3.6.4.1 Visualización de Datos en Tiempo Real.....49 3.6.4.2 Coeficiente de fricción.....49 3.6.4.3 Almacenamiento de datos.....50 3.7 Diseño de piezas que se encontraban en mal estado.....52 3.8 Ajustes finales.....53 Capítulo 4: Análisis de resultados.....54 4.1 Método y parámetros para realizar la prueba.....54 4.2 Resultados.....56 4.3 Análisis de los resultados.....60 4.3.1 Coeficiente de fricción.....60 4.3.2. Dureza de material.....61 Conclusiones.....62 Referencias:.....63 Anexos.....68 Anexo 1. Análisis del rayado en acero (A36).....68 Anexo 2. Imágenes microscópicas con mediciones de surcos.....68 Anexo 3. Análisis estadístico del comportamiento del coeficiente de fricción.....68 Anexo 4. Tablas con coeficiente de fricción y dureza del material por surco.....68 Anexo 5. Tablas con estudio estadístico del comportamiento del coeficiente de fricción.....68 Anexo 6. Análisis estadístico del comportamiento de la dureza del material.....68 Anexo 7. Manual de usuario.....68 Anexo 8. Video de funcionamiento de la máquina.....6868 páginasapplication/pdfEsquivel Matiz, S. (2025). Diseño e implementación de un sistema de instrumentación para medición y monitoreo del coeficiente de fricción en ensayos de rayado de materiales metálicos en los laboratorios de Ingeniería Mecánica. 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