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Oct 12, 2023

Construyendo un recipiente de recogida de agua desde cero

Opensource.com Mi equipo del Politécnico de Singapur fabricó un recipiente de recolección de agua para el módulo Ingeniería y Diseño, como parte del programa de la Academia de Ingeniería. El equipo estaba formado por cuatro miembros.

Fuente abierta.com

Mi equipo del Politécnico de Singapur fabricó un recipiente de recogida de agua para el módulo Ingeniería y Diseño, como parte del programa de la Academia de Ingeniería. El equipo estaba formado por cuatro miembros de diferentes disciplinas: Thomas y Ryan del Diplomado en Ingeniería Mecánica, y Hwee Peng y yo, Ajay, del Diplomado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica. El proyecto tardó varios meses en completarse, desde diciembre de 2015 hasta febrero de 2016.

El programa de la Academia de Ingeniería se ofrece a los mejores estudiantes de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, así como a la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeronáutica del Politécnico de Singapur. El programa tiene como objetivo impartir habilidades de una multitud de disciplinas: eléctrica, electrónica, mecánica, química, diseño y negocios.

El enunciado del proyecto que nos presentaron a principios de semestre fue: "Diseñar un vehículo que pueda tomar dos muestras de agua, a un metro y dos metros bajo el agua". Esto nos planteó un desafío ya que había muchas complejidades del vehículo en las que teníamos que pensar y era una tarea enorme.

Sin embargo, acogimos el desafío con los brazos abiertos. Sabíamos que pondría a prueba todos nuestros conocimientos y requeriría la búsqueda de aún más información por nuestra cuenta. Este artículo describirá el proceso iterativo de planificación y creación de prototipos, y mostrará el fruto de nuestro trabajo.

Se nos ocurrieron muchas ideas después de ejercitar nuestra previsión al enumerar todos los desafíos que probablemente enfrentaríamos y luego proponer las soluciones correspondientes. Después de todo, iba a ser un vehículo que estaría flotando o sumergiéndose en el agua. Una vez que el agua entra en escena cuando se trata de dispositivos electrónicos, la impermeabilización es imperativa. En retrospectiva, es divertido que incluso consideráramos la idea de un vehículo sumergible en lugar de una simple embarcación flotante, dada la cantidad de limitaciones que teníamos en términos de tiempo, materiales y métodos de fabricación.

Para el cuerpo principal del recipiente, decidimos emplear tubos de cloruro de polivinilo (PVC) para la base del recipiente y acrílico para formar la estructura de soporte principal. Descubrimos que el PVC era un material relativamente barato pero flotante, y en una red de tuberías cerrada atrapaba el aire en su interior, lo que ayuda aún más a la flotabilidad. Queríamos utilizar piezas acrílicas porque eran fáciles de fabricar y proporcionaban un soporte estructural adecuado. Todo lo que necesitábamos era un dibujo esquemático en 2D y la cortadora láser podía hacer el resto del trabajo.

Inicialmente, planeamos utilizar válvulas solenoides de 12 V para regular la entrada de agua a los contenedores. Sin embargo, descubrimos que las válvulas que nos proporcionaron nuestros profesores no funcionaban según lo previsto por una razón peculiar. Todos los componentes parecían funcionar bien, sin embargo, las válvulas no permitían que el agua fluyera libremente a pesar de que realizamos pruebas exhaustivas. Sospechábamos que tenía algo que ver con la fuerza del solenoide dentro de ellos, o tal vez se debía a un defecto de diseño importante desde el principio.

Como comprar válvulas nuevas estaba fuera de nuestro presupuesto y habría introducido una multitud de otros problemas, volvimos a la mesa de dibujo e investigamos más sobre los muestreadores de agua.

Descubrimos el muestreador de agua Van Dorn, que es un método ingenioso de recolección de agua que trabaja con la elasticidad y un mecanismo de liberación rápida. Simplificamos aún más el diseño para adaptarlo a nuestra embarcación.

Muestrario de furgonetas.

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El siguiente gráfico muestra cómo se opera el contenedor. Se baja con una cuerda de nailon y, al alcanzar la profundidad deseada, se envía un mensajero (un peso) que cae a lo largo de la cuerda para golpear la palanca que se liberaría de su posición de cuña y provocaría que el contenedor se cerrara, atrapando el agua dentro. él.

Nos decidimos por la idea de bajar contenedores al agua a las profundidades respectivas y recolectar muestras de agua mientras el cuerpo principal del barco permanecía flotando. Primero pensamos en usar un brazo para bajar el contenedor y luego volver a subirlo. Sin embargo, esto sólo habría sido posible si hubiéramos utilizado la válvula solenoide como parte del recipiente de agua.

Como la idea de la válvula solenoide tuvo que ser archivada, tuvimos que idear una nueva forma de bajar los contenedores. Decidimos usar una cuerda y un motor para bajar y subir los contenedores de agua, ya que este era el diseño más simple para complementar el diseño del contenedor de agua.

Al tener un diseño satisfactorio, se procedió a construir el cuerpo principal de la embarcación utilizando piezas acrílicas cortadas con láser junto con tubos de PVC.

Buque principal.

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Sin embargo, encontramos que las piezas de acrílico eran demasiado débiles para soportar el peso de los contenedores junto con sus mensajeros. El acrílico, al tener solo 3 mm (0,12") de espesor, significaba que era demasiado frágil para nuestro diseño. La resolución de las fuerzas habría provocado que se agrietaran o rompieran rápidamente.

Nuestro prototipo inicial duró muy poco ya que hubo que desechar todo el marco acrílico. También descubrimos una complicación con el mecanismo que acciona los contenedores de agua, el mensajero. ¡Ay, es hora de volver a planificar!

Nuestro diseño general tenía sentido tanto física como matemáticamente, sin embargo, tuvimos que idear un marco completamente nuevo para el recipiente, así como una nueva forma de cerrar el contenedor de agua. Conseguimos que la mayor parte del diseño fuera correcto, pero aún teníamos que hacer algunas mejoras importantes.

Necesitábamos un marco más nuevo y más fuerte. Dados los recursos y el tiempo limitados, decidimos fabricar un marco de aluminio utilizando soportes en L de aluminio. Nos llevó bastante tiempo perfeccionarlo, ya que teníamos que asegurarnos de que el aserrado y el fresado fueran precisos, que la perforación se realizara correctamente, que los orificios estuvieran alineados y que nuestra comunicación fuera efectiva.

Usar un mensajero para soltar la palanca del contenedor de agua resultó ser todo un enigma. No fue muy fácil de implementar y habría resultado en una experiencia de usuario bastante torpe. Por lo tanto, tuvimos que pensar en una nueva forma de hacer esto. Nos devanamos los sesos buscando posibles soluciones, y una de las ideas con las que tropezamos fue usar frenos de bicicleta para tirar de la palanca hacia arriba y cerrar el contenedor. ¡Fue maravillosamente sencillo de controlar mediante un servomotor!

Mecanismo contenedor.

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La animación anterior muestra un ejemplo práctico de cómo se accionaron nuestros contenedores, controlados por servomotores.

Una vez que tuvimos una prueba de concepto sólida, tuvimos que unir las piezas del rompecabezas de la manera más elegante posible. Quizás se pregunte: este artículo ha cubierto mucho sobre el aspecto mecánico de Imp Bot (el nombre que con tanto orgullo le otorgamos a nuestra futura obra de arte), ¡pero nada sobre la electrónica!

Imp Bot se controló mediante una aplicación móvil creada con MIT App Inventor y la comunicación se logró a través de un módulo Bluetooth conectado a una placa Arduino Mega. Incluso tenía un sensor GPS a bordo para registrar ubicaciones de muestreo en la aplicación móvil. La energía fue proporcionada por una batería de polímero de iones de litio, que fue capaz de suministrar alta corriente a dos motores de CC responsables de mover el recipiente de 5 kg (11 libras).

¡Gloria diablillo!

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¡Y he aquí, Imp Bot disfrutando de su verdadera gloria! Las pruebas transcurrieron sin problemas y logramos nuestro objetivo de recolectar agua a uno y dos metros bajo el agua.

Para concluir, espero que este artículo haya demostrado la cantidad de trabajo que hay que poner en un proyecto de este calibre. La declaración del proyecto parecía muy simple en la superficie, pero una vez que profundizamos en los detalles del barco, descubrimos muchos obstáculos pequeños pero importantes que tuvimos que superar.

El viaje fue arduo. Pasamos muchas noches diseñando Imp Bot y analizando los números detrás de él. También pasamos muchos días largos en el taller fabricándolo y probándolo. Sin embargo, una cosa es segura: nos aseguramos de divertirnos y de aprender algo al final del día.

Personalmente, disfruté muchísimo a pesar de la increíble cantidad de trabajo que tuvimos que realizar. Al final, me alegra decir que todo valió la pena. Este vídeo proporciona una descripción general rápida del proyecto y del equipo.

Para obtener más información, visite nuestro blog. Documentamos todo nuestro viaje allí si desea explorarlo con mayor profundidad. Todo el código Arduino se puede encontrar aquí. Todos los diagramas esquemáticos y archivos .stl se pueden encontrar en esta carpeta de Google Drive, con la licencia Creative Commons Attribution 4.0 International. Los archivos .stl se pueden abrir con cualquier software de visualización de modelos 3D, como MakerWare o Cura. Los archivos esquemáticos sin formato (.iam y .ipt) se crearon con Autodesk Inventor y se pueden abrir en Autodesk Inventor 2014 o cualquier versión más reciente del software.