CONSTRUCCION DE UNA MAQUINA PARA EMBUTIDOS …
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CONSTRUCCION DE UNA MAQUINA PARA EMBUTIDOS PEQUEÑOS GUSTAVO ADOLFO AGUIRRE SALAZAR FERNANDO MELÉNDEZ LOZADA Proyecto de grado para optar al titulo de Ingeniero Mecatrónico Director JULIÁN PORTOCARRERO HERMANN Ingeniero Mecánico UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIAS PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA SANTIAGO DE CALI 2003
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CONSTRUCCION DE UNA MAQUINA PARA EMBUTIDOS PEQUEÑOS
GUSTAVO ADOLFO AGUIRRE SALAZAR
FERNANDO MELÉNDEZ LOZADA
Proyecto de grado para optar al titulo de Ingeniero Mecatrónico
Director
JULIÁN PORTOCARRERO HERMANN
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
SANTIAGO DE CALI
2003
Nota de aceptación:
Trabajo aprobado por el comité de grado en cumplimiento de los requisitos
exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al Titulo de
Ingeniero Mecatrónico.
ANDRES FELIPE NAVAS Jurado
HECTOR JARAMILLO Jurado
Santiago de Cali, Diciembre 12 de 2003
Dedico este logro a mi familia, amigos, compañeros y profesores que apoyaron de alguna
u otra manera este paso a la ciencia. También dedico este avance a la empresa
CARVAJAL S.A. por su apoyo económico.
FERNANDO MELÉNDEZ LOZADA
Este logro esta dedicado en especial a mi madre quien me apoyo durante toda mi
formación académica a mis amigos, compañeros y profesores quienes con sus ideas y
críticas ayudaron que fuera adquiriendo mayor conocimientos y a Liliana Ortiz por su
incondicional apoyo.
GUSTAVO ADOLFO AGUIRRE SALAZAR
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su agradecimiento a las personas que estuvieron pendientes del
desarrollo del proyecto.
A Vicerrectoría de investigaciones y Desarrollo Tecnológico por apoyar económica y
logísticamente el proyecto, en especial Julio Cesar Montoya y las secretarias por su
incondicional apoyo a la investigación.
A Ingeniería de Producción por aportar conocimientos, apoyo económico, disponibilidad
de equipos y personal; en especial al Dr. Waldo Duque y al Ing. Faber Correa quienes
creyeron en la importancia y viabilidad del proyecto.
A los profesores, y administradores de la Universidad Autónoma de Occidente que
permitieron el correcto desarrollo de proyecto.
SIMALABSistema de Manufactura
CONTENIDO
Pág. RESUMEN 14 INTRODUCCIÓN 15 1. OBJETIVOS 16
1.1. OBJETIVO GENERAL 16
1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 16
2. JUSTIFICACIÓN 17 3. PLANIFICACIÓN 18
3.1. DESCRIPCION DEL PROBLEMA 18
3.2. DESCRIPCION DE CLIENTES 18
3.2.1 Listado de necesidades planteadas por los clientes 19
3.2.2 Jerarquización de las necesidades 20
3.2.3 Especificaciones de ingeniería 20
4. DESARROLLO CONCEPTUAL 22
4.1. ANALISIS FUNCIONAL DEL PRODUCTO 22
4.1.1 Descripción de la función general del producto 22
4.1.2 Descomposición funcional 22
4.1.3 Generación de conceptos 26
4.1.4 Selección y prueba de conceptos 29
4.1.5 Especificaciones técnicas 30
4.1.6 Descripción de conceptos del proyecto 32
4.2. CALCULOS DE INGENIERIA 34
4.2.1. Sistema hidráulico 34
4.2.2 Sistema mecánico 43
5. DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA 62
5.1. ARQUITECTURA DEL PROYECTO 62
5.1.1 Análisis de interacciones 62
5.1.2 Arquitectura del sistema electrónico 64
7
5.2. DISEÑO INDUSTRIAL 64
5.2.1 Valoración de las necesidades del diseño industrial 66
5.2.2 Naturaleza del producto 68
5.2.3 Evaluación del diseño industrial 68
5.3. DISEÑO PARA MANUFACTURA Y ENSAMBLE 70
5.3.1 Partes estándares 71
5.3.2 Partes propias 73
5.3.3 Descripción de los procesos de manufactura utilizados 73
5.3.4 Diseño para ensamble 77
6. DISEÑO DETALLADO 80
6.1. SISTEMA MECÁNICO 80
6.1.1 Estructura de soporte 80
6.1.2 Sistema de embutición 81
6.1.3 Sistema de reposicionamiento 83
6.1.4 Sistema hidráulico 84
6.1.5 Sistema electrónico 91
6.2 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE 104
6.2.1 Manejo del software 108
6.3 CONTROL 114
7 PROTOTIPADO 117 8 CONCLUSIONES 121 9. POSIBLES MEJORAS DEL PROYECTO 122 BIBLIOGRAFÍA 126 ANEXOS 127
8
LISTA DE TABLAS
Pág. Tabla 1. Listado de necesidades 19
Tabla 2. Nivel de jerarquía 20
Tabla 3. Especificaciones técnicas 21
Tabla 4. Especificaciones finales 31
Tabla 5. Valoración de las necesidades ergonómicas 66
Tabla 6. Valoración de las necesidades estéticas. 67
Tabla 7. Valoración del diseño industrial. 68
Tabla 8. Elementos estándares utilizados 72
Tabla 9. Elementos propios 73
Tabla 10. Lista de elementos propios 76
Tabla 11. Descripción de elementos del juego matriz-punzón 82
Tabla 12. Descripción de elementos del sistema de sujeción 83
Tabla 13. Especificaciones del cilindro de embutición 87
Tabla 14. Especificaciones del cilindro de sujeción 87
Tabla 15. Especificaciones de las válvulas direccionales 88
Tabla 16. Especificaciones de las válvulas reguladoras de caudal 88
Tabla 17. Especificaciones de las válvulas reguladoras de presión 89
Tabla 18. Especificaciones de la unidad hidráulica 89
Tabla 19. Especificaciones del manifold 90
Tabla 20. Especificaciones del motoreductor 90
Tabla 21. Listado de los elementos de la tarjeta principal 93
Tabla 21. Listado de los elementos de la tarjeta principal 94
Tabla 22. Especificaciones del microcontrolador 95
Tabla 23. Listado de elementos de las tarjetas PWM 97
Tabla 24. Especificaciones del microcontrolador 98
Tabla 25. Listado de elementos de la tarjeta de Relés 99
Tabla 26. Listado de elementos de la tarjeta fuente de poder 100
Tabla 27. Listado de elementos del arranque 103
9
Tabla 28. Listado de otros elementos 103
Tabla 29. Especificaciones técnicas del transductor de presión 116
Tabla 30. Especificaciones del sensor de posición lineal 116
Tabla 31. Especificaciones del sistema de alimentación 124
10
LISTA DE FIGURAS
Pág. Figura 1. Proceso de embutición 14
Figura 2. Etapas de desarrollo 15
Figura 3. Representación general del producto 22
Figura 4. Descomposición funcional del producto 23
Figura 5. Combinación de subfunciones 27
Figura 6. Esquema del concepto A 28
Figura 7. Esquema del concepto B 28
Figura 8. Concepto seleccionado 29
Figura 9. Esquema de forma a embutir 43
Figura 10. Distribución de vigas y columnas 47
Figura 11. Esquema de fuerzas en ALGOR 48
Figura 12. Resultado del análisis realizado en ALGOR 49
Figura 13. Cordones de soldadura en la estructura de soporte 52
Figura 14. Dimensiones de la junta a cortante. 53
Figura 15. Esquema del sistema de sujeción 58
Figura 16. Diagrama de cuerpo libre de la viga AB de sujeción 59
Figura 17.- Esquema en conjuntos del sistema 63
Figura 18. Interacciones incidentales 64
Figura 19.- Esquema arquitectural del sistema electrónico 65
Figura 20. Ubicación de la naturaleza del producto 68
Figura 21. Apariencia deseada 70
Figura 22. Elementos del costo de manufactura 71
Figura 23. Vista explosionada del sistema de embutición 79
Figura 24. Vista explosionada de la estructura 79
Figura 25. Estructura de soporte 81
Figura 26. Isométrico del sistema de reposicionamiento 84
Figura 27. Esquema arquitectural del sistema hidráulico 86
11
Figura 28. Esquema de la caja principal 92
Figura 29. Esquema de la tarjeta principal 93
Figura 30. Esquema del Sistema PWM 96
Figura 31. Esquema de la placa portadora del Relé 99
Figura 32. Esquema de la fuente de poder 100
Figura 33. (a) Diagrama de arranque estrella-triangulo, (b) Cableado 102
Figura 34. Diagrama de casos de uso 106
Figura 35. Diagrama conceptual 107
Figura 36. Ventana de acceso 108
Figura 37. Selección del modo de operación 108
Figura 38. Barra de herramientas de la ventana principal 109
Figura 39. Panel de configuración del proceso 109
Figura 40. Ventana de animación 3D 110
Figura 41. Barra de herramientas después de aplicar la configuración 110
Figura 42. Ventana de monitoreo 111
Figura 43. Diagrama de objetos del sistema 113
Figura 44. Esquema del lazo de control general 114
Figura 45. Esquema de lazo de control en cascada 115
Figura 46. Prototipo analítico de la estructura de soporte 118
Figura 47. Prototipo analítico del sistema hidráulico 119
Figura 48. Prototipo físico 120
Figura 49. Explosión del Sistema de Troquelado 122
Figura 50. Esquema del sistema con el brazo alimentador 123
Figura 51. Interacción del usuario en un ambiente industrial 125
Figura 52. Brazo manipulador de láminas embutidas 125
12
TABLA DE ANEXOS
Pág. ANEXO A . Tabla de factores de esfuerzo para cilindros 127
ANEXO B. Dimensiones normalizadas de cilindros 128
ANEXO C. Diagrama de fuerza de embutición según siebel y oehler 129
ANEXO D. Determinación de la presión de sujeción 130
ANEXO E. Formas de la lamina embutida 131
ANEXO F. Tabla de selección del cono morse 132
ANEXO F. Tabla de selección del cono morse 132
ANEXO H. Plano del casquete 134
ANEXO I. Plano del pisador 135
ANEXO J. Plano del cono – punzón 136
ANEXO K. Plano cono - punzón detalle 137
ANEXO L. Plano acople 138
ANEXO M. Plano guía punzón 139
ANEXO N. Plano eje guia 140
ANEXO O. Plano de bujes 141
13
GLOSARIO
CONFORMADO EN FRÍO: Es un proceso de manufactura que consiste en dar forma a
una lamina metálica la cual se encuentra a temperatura ambiente.
MANIFOLD: Es un elemento hidráulico usado para ser utilizado como soporte de las
válvulas direccionales y reguladoras de presión, permitiendo un fácil montaje.
MICROCONTROLADOR: Es un dispositivo electrónico que cuentan con módulos de
entrada y salida los cuales permiten recibir señales del entorno y transmitir señales de
control.
PUENTE H: Arreglo de transistores de potencia Mosfet’s encargado de dar el sentido de
giro a los motores.
PUNZÓN-MATRIZ: Es un juego de piezas mecánicas por el cual se logra dar forma a una
lamina (en este caso aluminio) que se encuentra a temperatura ambiente.
PWM: (Pulse Width Modulation) Técnica de potencia aplicado al control de motores que
consiste en modular el voltaje de alimentación de ellos
SOLENOIDE: Es una bobina electromagnética que acciona las válvulas direccionales.
SUJETADOR: Elemento mecánico encargado de ejercer la presión necesaria para que la
lamina fluya libremente por la matriz durante el proceso.
VÁLVULAS: Son dispositivos mecánicos o electromecánicos que permiten regular o
controlar dirección de fluidos, en nuestro caso el fluido usado es aceite hidráulico.
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RESUMEN
Este proyecto consiste en construir una máquina de embutición de Aluminio que sea
didáctico debido a que será utilizado por los estudiantes de la Universidad Autónoma de
Occidente para realizar las prácticas del proceso de conformado en frió conocido como
embutición (ver Figura 1). Figura 1. Proceso de embutición
Este proceso consta de dar forma a una chapa (lamina) mediante un alargamiento y un
recalcado que se presenta sobre esta; el proceso se puede realizar de diversas formas
pero en este caso se realiza una embutición de simple efecto con prensachapa (pisador) y
además se puede realizar en una o varias etapas.1
El proyecto esta compuesto por varios subsistemas los cuales son:
El sistema de embutición que se compone por el sistema de matriz-punzón y el sistema de
sujeción fue diseñado y construido a través de maquinas CNC, la estructura de la máquina
fue diseñada y construida para soportar las fuerzas involucradas en el proceso y esta hecha
en perfiles de acero estructural A-36, el sistema hidráulico fue diseñado y ensamblado para
proporcionar la potencia que requieren los actuadores que brindan la fuerza de embutición
y sujeción, el sistema de control es el responsable de regular el voltaje suministrado a las
correspondientes válvulas encargadas de las etapas de embutición y sujeción teniendo como
unidad central microcontrolador que permite trabajar un sistema de tiempo real y un
software de monitoreo diseñado para lograr una interacción entre la máquina y el
estudiante, visualizando y configurando las variables principales del proceso.
1 OEHLER, Gerhard. “Herramientas para Troquelar, Estampar y Embutir”. 6 ed. Barcelona : Gustavo Gili, 1977. pág. 305.
15
INTRODUCCIÓN
El presente documento muestra como desarrollar una máquina de embutición de Aluminio
siguiendo las etapas de desarrollo que se deben de tener en cuenta a la hora de
desarrollar un producto, ver Figura 2.
Figura 2. Etapas de desarrollo
En la etapa de planificación se presenta la descripción del problema de acuerdo a los
requerimientos planteados por los clientes, las especificaciones de ingeniería del diseño
que se hallan después de analizar cada uno de los requerimientos y encontrar las
necesidades que rigen el diseño. Dentro del desarrollo conceptual se realiza el análisis
funcional del producto identificando la función principal y descomponiéndola en
subfunciones para poder generar conceptos que satisfagan las necesidades de los
clientes, además dentro de esta etapa se realizan los cálculos de ingeniería necesarios
para que la generación de conceptos sea la adecuada. Para la etapa de diseño a nivel de
sistema se debe definir la arquitectura que tendrá el producto, como se desarrollará
(manufactura), como se realizará el ensamble y cuales son los prototipos que se van a
desarrollar. La etapa de diseño detallado comprende todo lo referente a la selección de
actuadores, sensores y demás dispositivos necesarios para el óptimo desarrollo del
producto; es la etapa de mayor cuidado en el proceso de desarrollo de un producto ya que
de acuerdo a los elementos seleccionados se podrá o no realizar el proyecto.
Planificación Desarrollo Conceptual
Diseño a nivel de Sistema
Diseño Detallado
Refinamiento y Pruebas
Producción
16
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
Construir una máquina que permita a los estudiantes de la Universidad Autónoma de
Occidente realizar prácticas de laboratorio acerca del conformado por embutido.
1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Rediseñar y construir con base en el diseño realizado por Eiber Oswaldo Sánchez G.
y Alex Armando Viáfara Z. como proyecto de iniciación a la investigación un equipo
didáctico que permita a los estudiantes de la Universidad Autónoma de Occidente
familiarizarse de manera práctica con el proceso de conformación por embutido.
• Dotar a los estudiantes de la Universidad Autónoma de Occidente de una herramienta
de laboratorio que permita a los estudiantes estudiar, controlar y manipular los
parámetros y variables del proceso de embutido.
• Implementar un software didáctico que permita:
Controlar y monitorear todas las variables del proceso de tiempo real
Guardar e imprimir tabla de datos adquiridos durante la prueba de laboratorio
Visualización previa del proceso.
• Realizar embutidos pequeños de materiales delgados en especial de aluminio a
escala de laboratorio para complementar la teoría.
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2. JUSTIFICACIÓN
• En la Universidad Autónoma de Occidente no se cuenta con una máquina de
conformado por embutido para realizar pruebas a escala de laboratorio que permita
consolidar el conocimiento en sus estudiantes y además posibilitar la investigación.
• A nivel de investigación se requiere de un equipo con estas características, la cual es
muy versátil pues se manejaran embutidos a pequeña escala con lo cual los costos de
investigación serán relativamente manejables.
• Los procesos de conformado por embutido son muy utilizados en la industria nacional,
pero el alto grado de empirismo que se maneja en el proceso implica grandes
desperdicios para la pequeña y mediana industria dedicada a este rubro.
• Los cursos de procesos de manufactura y similares en los que se desarrolla los
procesos de conformado por embutición son totalmente teóricos en esta área, dado
que no existen herramientas ni laboratorios que permitan confrontar la teoría con la
práctica.
18
3. PLANIFICACIÓN
3.1. DESCRIPCION DEL PROBLEMA
Actualmente en la Universidad Autónoma de Occidente hay la necesidad de contar con
dispositivos que permitan realizar prácticas de laboratorio en diferentes áreas del
conocimiento; una de estas áreas es el área de procesos de manufactura, es por eso que
se ha planteado el diseño y construcción de un dispositivo mecatrónico que permita
realizar el proceso de conformado en frió conocido como embutición. Este dispositivo se
ha diseñado teniendo en cuenta estándares industriales como la utilización de óleo
hidráulica y perfiles de acero.
3.2. DESCRIPCION DE CLIENTES
Estudiantes de ingeniería: Todos aquellos estudiantes que cursen la asignatura de
Procesos de Manufactura.
Representante de Manufactura: Entidad encargada de fabricar los elementos que
componen el sistema mecánico del dispositivo.
Universidad Autónoma de Occidente: Entidad encargada de la financiación del
proyecto de iniciación a la investigación.
19
3.2.1 Listado de necesidades planteadas por los clientes En la Tabla 1 se
presenta el listado de las necesidades, la calificación asignada es de acuerdo a una
escala personal en la cual 1 es que la necesidad no influye mucho en el diseño y 5 quiere
decir que es la que mas se debe tener en cuenta a la hora de realizar el diseño del
dispositivo.
Tabla 1. Listado de necesidades
# Sistema Necesidad Imp.1 La máquina Es segura 5 2 La máquina Es didáctica 4 3 La máquina Es robusta 4 4 La máquina Es de tamaño adecuado 3 5 La máquina Es fácilmente reparable 4 6 La máquina Es de fácil mantenimiento 4 7 La máquina Es eficiente 3 8 El sistema de embutición Es resistente 5 9 El sistema de embutición Es adaptable 4
10 El sistema de embutición Es de fácil ensamble 3 11 El sistema de sujeción Ejerce la fuerza necesaria 5 12 El sistema de sujeción Es adaptable 3 13 El sistema de sujeción Es rápido 3 14 El sistema de sujeción Es de fácil ensamble 4 15 El soporte estructural Es confiable 5 16 El soporte estructural Es transportable 5 17 El soporte estructural Es resistente 5 18 La Unidad de potencia Proporciona la potencia necesaria 2 19 La interfaz Es agradable 5 20 El software Es didáctico 4 21 El software Es robusto 5 22 El software Es de fácil instalación 3 23 El software Proporciona datos del proceso 4 24 El software Controla la máquina 5 25 El sistema Es confiable 4 26 El sistema Es configurable 4 27 El sistema Es de fácil montaje 3 28 La máquina Es precisa 5
20
3.2.2 Jerarquización de las necesidades En la Tabla 2 se realizará la calificación
de cada uno de los grupos de necesidades con una escala personal. Tabla 2. Nivel de jerarquía
GRUPO DE NECESIDADES NIVEL DE JERARQUÍA La máquina 5 La estructura 5 El sistema de embutición 4 El sistema de sujeción 4 El software 4 La unidad de potencia 2
Calificación de 1-5 donde uno es el menos importante y 5 el más importante.
3.2.3 Especificaciones de ingeniería Las necesidades anteriormente mencionadas
se interpretan en especificaciones técnicas donde se relacionen con unidades de
ingeniería (ver Tabla 3).
El material utilizado para la construcción de la estructura es acero A-36 en perfil, acero A-
36 para la matriz y el sujetador, acero 4140 para el punzón y el acople, acero 1045 para
los ejes, bronce fosforado para los bujes, acero 1020 para el guía de punzón y acero 5160
para el casquete de embutición.
En este diseño se tiene en cuenta la utilización de motores DC que serán controlados
digitalmente con su respectiva etapa de potencia. El software de manejo se subdivide en
dos, uno interno o embebido que se encuentra en el microcontrolador y uno externo que
brinda la interfaz gráfica del sistema y se encuentra intercomunicados.
21
Tabla 3. Especificaciones técnicas
# Métrica Unidad Valor marginal Valor ideal 1 Factor de seguridad Entero (+) >2 >2.5 2 Factor de servicio Entero (+) >1 2 3 Visualización de elementos funcionales Subjetivo Baja media 4 Resistente a perturbaciones Lista Físicas
moderadas Físicas de gran
magnitud 5 Dimensiones (LxWxH) Cm,cm,cm 180,160,60 180,140,50 6 Accesibilidad de elementos Subjetivo Buena buena y fácil 7 Herramientas para ensamble Lista Llaves
hexagonales Llaves hexagonales
8 Tiempo promedio de ensamble Min. <330 <=270 9 Vida útil de los elementos Meses 25 >36
10 Consumo de energía Watts/hora 10000 11600 11 Volumen desperdiciado Cm3 <2.8 <2 12 Limite de fluencia de los elementos MPa >248.21 >248.21 13 Fuerza máx. aplicada por el punzón KN (25 ,30) 30 14 Cantidad de juegos matriz-punzón Entero 1 >1 15 Mecanismos de sujeción Lista cono Morse conector a cortante
con perno 16 Fuerza limite aplicada KN 2 2 17 Adaptabilidad Subjetivo Fácil Muy fácil 18 Tiempo de descenso S <2 1 19 Velocidad de descenso mm/s >40 80 20 Presión máxima de suministro Psi (1250,1500) 1500 21 Diámetro del disco Lista 7.2cm 7.2cm 22 Coeficiente de variación CV% <5% <3% 23 Calidad de la interfaz subjetivo Buena excelente 24 Interacción con el usuario Subjetivo Intuitiva Intuitiva y didáctica 25 Manejo de excepciones Lista necesarias todas las posibles 26 Almacenamiento de datos Lista Variables y
referencias variables,
referencias y alarmas
27 Variables impresas y visualizadas Lista V, h, F, t V, h, F, t 28 Controlabilidad Subjetivo Mediano esfuerzo
de control Bajo esfuerzo de
control 29 Variables configurables Lista V, h, F V, h, F, #discos
22
4. DESARROLLO CONCEPTUAL
4.1. ANALISIS FUNCIONAL DEL PRODUCTO
4.1.1 Descripción de la función general del producto Este sistema didáctico
pretende proporcionar una herramienta para el afianzamiento del conocimiento en área de
manufactura. Este sistema debido a su funcionalidad requiere de un control de fuerza
para la acción de punzonado y un control de presión para sujetar la lámina a embutir; Los
dos factores anteriores son los más críticos debido a que de ellos depende la sustentación
teórica y el éxito de la embutición. Figura 3. Representación general del producto
4.1.2 Descomposición funcional En la Figura 4 se observa la descomposición
funcional del producto para observar los diferentes bloques funcionales que componen en
sistema
Señales
Laboratorio Didáctico de Embutición de
Metales
Energía
Material
Configuración
Vaso Embutido
23
Figura 4. Descomposición funcional del producto
Configuración
Distribución de Energía
Control de Alimentación
Conversión a Energía Hidráulica
Conversión y Adaptación de Energía
Conversión de Energía HidráulicaA traslacional
Control de Manufactura
Ejecución de Procedimientos
Interpretación de Datos
Reconocimiento de Señal
Dosificación Alimentaciónde Material
Embutición
Energía
Material
Señales
Material Embutido
Sujeción
24
Búsqueda Sistemática
Subfunción: Distribución de Energía
• Contactores monofásicos de una entrada y tres salidas (tipo Y)
• Cuchillas convencionales
• Empalme físico
Subfunción: Control de Alimentación
• Tiristores
• Relés
• Interruptores electrónicos
Subfunción: Conversión de Energía a Energía Hidráulica
• Bomba hidráulica de pistón
• Bomba hidráulica de engranajes
• Bomba hidráulica de paletas
Subfunción: Conversión de Energía Hidráulica a Traslacional
• Cilindro Hidráulico
Subfunción: Conversión y Adaptación de Energía
• Puente rectificador Controlado
• Fuente DC convencional
• Banco de condensadores
25
Subfunción: Conversión de Energía a energía traslacional
• Tornillo de potencia + motor-reductor
• Tornillo de potencia + motor de paso
• Servoactuador hidráulico
• Servoactuador neumático
• Tornillo de corona sinfín
Subfunción: Embutición
• Estructura en perfiles + juego matriz/punzón
• Estructura fundida + juego M/P
Subfunción: Reconocimiento de Señales
• Hardware
• Software
Subfunción: Sujeción
• Sujetador mecánico resortado
• Sujetador tipo Prensa
• Sujetador guiado
Subfunción: Dosificación
• Manual
• Automática
26
Subfunción: Interpretación de Datos
• Base de Datos
• Tarea de detección de entradas y eventos
Subfunción: Ejecución de Procedimientos
• Planificación de tareas (multitareas)
• Algoritmo Bottom Down
• Máquina de Estados
• PLC
• Software Dedicado
Subfunción: Control de Manufactura
• Control Digital
• Control Fuzzy
• Control Neuro-Fuzzy
• Analógico
4.1.3 Generación de conceptos En la Figura 5 se puede observar las
combinaciones que presentan cada uno de los bloques funcionales seleccionados por el
grupo de desarrollo
27
Figura 5. Combinación de subfunciones
Concepto A Concepto B
Sujeción
Distribución de energía
Control de Alimentació
Conversión a Energía Hidráulica
Conversión de Energía Hidráulica
Embutición
Energía
Contactores Monofásicos
Cuchilla convencional
Empalme físico
Tiristores
Reles
Interruptores electrónicos
Bomba hidráulica de engranajes
Bomba hidráulica de pistón
Bomba hidráulica de paletas
Cilindro Hidráulico
Sujetador resortado
Sujetador tipo prensa
Sujetador guiado
Estructura en perfiles + juego matriz/punzon
Estructura fundida + juego matriz/punzon
28
Soporte del motor de Paso
Concepto A
Este concepto mecánico consta de dos cilindros hidráulicos, uno usado para ejercer
presión a la lámina a través del pisador y el otro para proporcionar la fuerza de
embutición. Este concepto hace mejor aprovechamiento de la energía, pues usa un
modulo óleo hidráulico para mover dos cilindros (ver Figura 6).
Figura 6. Esquema del concepto A
Concepto B A diferencia del concepto anterior el sistema de sujeción es por moto-reductor haciendo
así mas complejo el control y el desaprovechamiento de energía (ver Figura 7).
Figura 7. Esquema del concepto B
29
4.1.4 Selección y prueba de conceptos En la Figura 8 se puede observar un dibujo
isométrico del concepto que se ha seleccionado. Figura 8. Concepto seleccionado
Para llegar a la selección de este concepto se tuvo en cuenta las necesidades planteadas
por los usuarios, los costos tanto de manufactura como de ensamble y otros; También es
necesario realizar un tamizaje a cada uno de los conceptos generados, para lo cual se
necesita tener unos criterios de selección los cuales son: Facilidad en el montaje y
mantenimiento, Resistencia a la deformación, transportabilidad, fácil manejo y
disponibilidad de elementos en el mercado. Debido a que en el mercado no se encuentra
un dispositivo que cumpla funciones similares a las del sistema a desarrollar no se halla
una referencia con la cual se pueda comparar; de acuerdo a esto el grupo de diseño
basándose en el conocimiento adquirido seleccionó la mejor alternativa de desarrollo.
Estructura
Pisador
Bujes
Cilindro de Embutición
Matriz
Cilindro de Sujeción
30
4.1.4.1 Análisis de viabilidad Es viable por que:
• La información acerca del proceso y de los elementos utilizados son conocidos y
de fácil adquisición.
• La tecnología utilizada esta disponible en el mercado y las herramientas
computacionales ofrecen actualmente grandes ventajas a la hora de desarrollar el
sistema de control.
• El recorrido del grupo de diseño durante su formación académica adquirió
experiencia en cuanto al desarrollo de dispositivos.
4.1.4.2 Disponibilidad de tecnología Para hacer el análisis de disponibilidad de
tecnología se tomaron como base tres segmentos tecnológicos tales como:
• Materiales y Procesos de Manufactura. Empresas locales de máquinado CNC y
distribuidores de materiales comerciales.
• Electrónica. Mundialmente los dispositivos electrónicos son muy conocidos y
comerciales como son los microcontroladores, circuitos integrados, sensores y
otros.
• Potencia. Es este segmento se tiene la generación de potencia al sistema teniendo
en cuenta elementos comerciales tales como válvulas hidráulicas, bombas, relés,
motores eléctricos y circuitos de potencia digital (PWM).
También las herramientas hacen parte del análisis de disponibilidad tecnológica ya que
estas ayudan a que desarrollo del proyecto se realice de manera rápida y eficaz; por
ejemplo las herramientas computacionales CAD-CAM-CAE, Matlab, FluidSim, Working
model entre otros de alguna manera el manejo de estos están disponibles.
4.1.5 Especificaciones técnicas En la tabla 4 se muestran medidas obtenidas de
acuerdo al transcurso del proceso de diseño; por ejemplo, el factor de seguridad es el
más adecuado para los materiales a usar, el factor de servicio es 1.3 ya que los
elementos se encuentran expuestos a choques moderados, las herramientas para
31
ensamble se escogieron uniones pernadas por su fácil manejo, él limite de fluencia de las
piezas requeridas soportan las fuerzas máximas tanto del punzón como del sujetador, las
variables configurables e impresas, las interacciones para instalación del software se
basan en la condición fundamental del proyecto la cual es ser didáctica, el mecanismo de
sujeción se opto por el conector con cono Morse por ser mas económico y su
mantenimiento es mas intuitivo. Tabla 4. Especificaciones finales
# Métrica Unidad Valor 1 Factor de seguridad Entero (+) 2 2 Factor de servicio Entero (+) 1.3 3 Visualización de elementos
funcionales Subjetivo Media
4 Resistente a perturbaciones Lista Físicas moderadas 5 Dimensiones (LxWxH) cmcmcm 180,160,60 6 Accesibilidad de elementos Subjetivo Buena 7 Herramientas para ensamble Lista Llaves de dado hexagonal 8 Tiempo promedio de ensamble Min. 75 9 Vida útil de los elementos Meses 18 10 Consumo de energía Watts/hora 11 Limite de fluencia de los elementos MPa 1462 12 Fuerza máx. aplicada por el punzón KN 21 13 Cantidad de juegos matriz-punzón Entero 1 14 Mecanismos de sujeción Lista conector cono Morse 15 Fuerza limite aplicada por el sujetador KN 2.5 16 Adaptabilidad Subjetivo Fácil 17 Tiempo de descenso Seg. 2 18 Velocidad de descenso Mm/s 40 19 Presión máxima de suministro Psi 1500 20 Diámetro del disco Lista 7.2cm 21 Coeficiente de variación CV% 5% 22 Calidad de la interfaz subjetivo buena 23 Conceptos y términos definidos Lista V, F, h, D, cant. discos. 24 Interacción con el usuario Subjetivo Intuitiva 25 Manejo de excepciones Lista Todas las posibles 26 Almacenamiento de datos Lista Variables, referencias y alarmas27 Interacciones para instalar Enteras 4 28 Variables impresas y visualizadas Lista V, h, F 29 Controlabilidad Subjetivo Bajo esfuerzo de control 30 Variables configurables Lista V, h, F, #discos
32
4.1.6 Descripción de conceptos del proyecto El concepto anteriormente
seleccionado es solo para satisfacer la línea de mayor importancia dentro del diagrama
funcional, las líneas restantes corresponden a otros conceptos que fueron seleccionados
bajo criterios propios del grupo desarrollador.
El concepto desarrollado se puede observar en la Figura 8, y consta de otros módulos
para que puedan funcionar los cuales son:
• PC
Es el dispositivo encargado de servir de interfaz, por medio de este se configura el
sistema de control, se monitorean todas las variables y se previsualiza el proceso
(Animación 3D). Buscando mayor flexibilidad el PC puede ser intercambiado y no
afecta el funcionamiento de la máquina.
• Unidad Hidráulica
Es la encargada de proporcionar la potencia hidráulica al circuito hidráulico
• Circuito Hidráulico
Es el conjunto de válvulas que permiten el direccionamiento del fluido a cada uno
de los actuadores hidráulicos para que estos puedan ejercer la fuerza y la
velocidad requerida en el proceso.
• Sistema Mecánico
Dentro de este se encuentra la estructura de soporte, el sistema de embutición,
acoples de los motoreductores con las válvulas reguladoras, el mecanismo de
lectura de posición y el sistema de reposición.
33
• Sensores
Los sensores son los elementos encargados de brindarle al sistema de control los
valores en los que se encuentran cada una de las variables del proceso. Los
finales de carrera indican el estado del sistema de embutición, los interruptores
dan la información de la puerta (abierta o cerrada) y otros dos son el interruptor de
emergencia y el de encendido.
• Sistema de Control
Este está compuesto por un microcontrolador, etapas de acondicionamiento y
rutinas de control; el sistema de control se encuentra embebido en el
microcontrolador.
• Módulo de Potencia
Este módulo esta dividido en alimentación de circuitos y sensores, drivers para
motoreductores, acople y atenuación de señales y arranque del motor trifásico.
• Actuadores
Dentro del sistema se cuenta con actuadores eléctricos e hidráulicos, en cuanto a
los eléctricos se tiene los motoreductores y las electro-válvulas direccionales y en
cuanto a los hidráulicos se cuenta con los cilindros de embutición y sujeción.
34
4.2. CALCULOS DE INGENIERIA
4.2.1. Sistema hidráulico 4.2.1.1 Cálculo del cilindro de embutición Para el calcular el cilindro de embutición es
necesario calcular el diámetro interno del cilindro el cual se halla de la siguiente manera:
PcF4
dci 3p
×π×
=
Pb9.0Pc ×=
Donde,
cilindrodelesiónPrPccilindrodeleriorintDiámetrodci
==
mm3deaminlaunaparaembuticióndeFuerzaF)psi1500(MPa34.10bombaladeesiónPrPb
3p ============
Optando por una bomba de paletas de 1500 psi se obtuvo:
Psi)1350(MPa30.9Pc ====
)lbf11016(KN49F 3p ====
Por lo tanto,
mm9.81dci ==== mm5.82413
''
≅≅≅≅≈≈≈≈
Ahora, hallando el área del cilindro se puede calcular la presión y la fuerza real del cilindro
con el diámetro seleccionado:
2dci4
Ac ×π=
35
Donde,
cilindrodelAreaAc =
)lgpu3.8(mm5352Ac 22====
La presión real del cilindro y la bomba son:
)psi8.1327(MPa15.9AcF
Pc 3p⇒⇒⇒⇒====
)psi1475(MPa17.109.0
PcPb ⇒⇒⇒⇒====
4.2.1.1.1 Cálculo del diámetro del vástago Escogiendo los tipos de conexión de los
vástagos2 se selecciona:
que
;SFCvLb ×=
donde,
esfuerzodeFactorSFcm14CvvastagodelCarreraCv
vastagodelaparenteLongitudLb
==⇒=
=
Seleccionando un factor de esfuerzo según el Anexo A,
;7.0SF =
entonces,
lgpu4lgpu93.3Lbcm10cm8.9Lb ≈=⇒≈=
De acuerdo Ampudia Echeverri3 se obtiene el diámetro del vástago dv:
lgpu1dv =
2,3 AMPUDIA ECHEVERRI. Danilo. “Accionamientos Hidráulicos”. Cali : SEFI-UV, 1996. pág. 153, 165
36
Verificación del Vástago a Pandeo
Tomando un acero 1020 y laminado en caliente para el vástago4 con las siguientes
propiedades:
2mmKg7.20KPsi30Sy ≈=
2cmKg3792KPsi55Su ≈=
donde,
delasticidadeLimiteSy =
tracciónlaa.maxsistenciaReSu =
la razón de esbeltez se halla:
;rLeK ====
donde,
mm98.822
dvGirodeRadior
vastagodelLongitudLeesbeltezdeRazónK
====⇒⇒⇒⇒====
========
con
L2Le = ; por estar empotrado
y
lgpu11cm28LCv2L ≈≈≈≈====⇒⇒⇒⇒====
se obtiene:
.)lgpu22(cm56Le ====
4 NORTON, Robert. “Diseño de Maquinas”. México : edit. Prentice, 1999, tabla C-9. pág. 998
37
Arrojando una razón de esbeltez:
K = 62.36
De acuerdo al valor que se encontró de la razón de esbeltez, el vástago es analizado
como una columna de acuerdo a la ecuación de Jhonson5.
AvE4
SyK1SyP 2
2
cr ×
×π×−=
los cuales
psi1030GPa8.206YoungdeModuloEcriticaaargCP
6
cr
××××⇒⇒⇒⇒========
====
teniendo como,
;dv4
Av 2×π=
vastagodelAreaAv =
)lgpu8.0(mm7.506Av 22====
dando como resultado
)Lbf23706(KN45.105Pcr ====
y hallando
vástagoelparaseguridaddeFactorNFPN
3p
cr
=
=
se obtiene
;215.2N ≈=
5 NORTON, Robert. “Diseño de Maquinas”. México : Prentice, 1999. pág.242
38
4.2.1.1.2 Cálculo de espesor de la pared del cilindro con la siguiente formula6:
donde,
el espesor es: ''
163lgpu17.0mm5.4t ≅≈=
4.2.1.1.3 Cálculo de la tapa del fondo del cilindro
Su1.0pdci405.0tf ×=
teniendo,
2cmKgenesiónPrp =
el espesor para la tapa del fondo
''
43lgpu65.0mm43.16tf ≅≈=
6 OEHLER, Gerhard. “Herramientas para Troquelar, Estampar y Embutir”. 6 ed. Barcelona : Gustavo Gili,
1977. pág. 151
)mm(
2p11.1FS
Sy200
dcit
−×
×=
2cmKg36.91atm3.90atm29.90atmosferasenesiónPrp
eradosmodchoquesadebido2seguridaddeFactorFScilindrodelparedladeEspesort
≅≈⇒=
===
39
4.2.1.2 Cálculo del cilindro de sujeción 4.2.1.2.1 Cálculo del diámetro del vástago Debido a que la fuerza ejercida sobre el
pisador, se da al retroceso del cilindro; por esto mismo el área efectiva de trabajo seria la
diferencia entre el área del cilindro y el área del vástago.
( )22 dvdciF4P
AeFP
−×π=⇒=
PF4dcidv 2
π−=
Seleccionando una bomba de paletas de 1500 psi se obtuvo:
)psi1350(MPa30.9Pc ====
lgpu1dci = ≈ 25.4 mm (ver Anexo B)
lgpu73.0mm54.18dv ≈≈≈≈====
Para ejercer la fuerza requerida se selecciona un cilindro cuyo vástago tenga como
diámetro 0.5pulg; esto debido a que además de ser estándar brinda mayor área efectiva
para la aplicación de la presión.
(((( )))) 2222 lgpu37.0mm68.236Acdvdci4
Ac ≈≈≈≈====⇒⇒⇒⇒−−−−==== π
Verificación del Vástago a Pandeo
Escogiendo un acero 1020 y laminado en caliente para el vástago7, el cual tiene las
siguientes propiedades mecánicas:
2mmKg7.20KPsi30Sy ≈=
2cmKg3792KPsi55Su ≈=
donde,
7 NORTON, Robert. “Diseño de Maquinas”. México : Prentice Hall, 1999, tabla C-9. pág. 998
40
delasticidadeLimiteSy =
tracciónlaa.maxsistenciaReSu =
la razón de esbeltez se halla:
;rLeK ====
el cual,
mm55.622
dvgirodeRadior
vastagodelLongitudLeesbeltezdeRazónK
====⇒⇒⇒⇒====
========
y con
L2Le =
lgpu6lgpu3.6cm16LCv2L ≅≈=⇒=
se obtiene,
.lgpu12cm32Le ≈≈≈≈====
arrojando una razón de esbeltez
K = 48.8
De acuerdo al valor que se encontró de la razón de esbeltez, el vástago es analizado
como una columna de acuerdo a la ecuación de Jhonson8:
AvE4
SyK1SyP 2
2
cr ×
×π×−=
donde,
8 NORTON, Robert. “Diseño de Maquinas”. México : Prentice, 1999. pág. 242
41
Psi1030GPa8.206YoungdeModuloEcriticaaargCP
6
cr
××××⇒⇒⇒⇒========
====
teniendo como:
vastagodelAreaAv
;dv4
Av 2
=
×π=
22 lgpu42.0mm270Av ≈≈≈≈====
la carga crítica es:
Lbf13114KN33.58Pcr ≈≈≈≈====
y hallando
vástagoelparaseguridaddeFactorN
FPN
1s
cr
=
=
se obtiene:
2644.26N ≈=
4.2.1.2.2 Cálculo del espesor de la pared del cilindro
donde,
)mm(
2p11.1FS
Sy200
dcit
−×
×=
2cmKg8.68atm68atm9.67atmosferasenesiónPrp
eradosmodchoquesadebido,2seguridaddeFactorFScilindrodelparedladeEspesort
≅≅≅≅≈≈≈≈⇒⇒⇒⇒====
============
lgpu05.0mm36.1t ≈=
42
4.2.1.2.3 Cálculo de la tapa del fondo del cilindro
2cmKgenesiónPrp
Su1.0pdci405.0tf
=
×=
arrojando un espesor de tapa de: ''
41lgpu2.0mm08.5tf ≅≈=
4.2.1.3 Cálculo del caudal de la bomba
AcmaxVQ ×=
donde,
( )embuticióndeVelocidadmaxV
M.P.GCaudalQ=
=
teniendo,
spies82.0s
mm250maxV ⇒=
22 pies0576.0lgpu3.8Ac ⇒=
se obtiene:
)std(M.P.G20M.P.G1.21spies047.0Q
3≈⇒=
43
4.2.1.4 Cálculo de la potencia hidráulica
( ) ( );1714
PsiPcM.P.GQNHC ×=
HP16HP26.16NHC ≈=
HidraulicaPotenciaNHC =
4.2.2 Sistema mecánico 4.2.2.1 Cálculo de la chapa Para empezar con el diseño de la máquina es necesario
conocer el diámetro de la lámina de aluminio que se desea embutir y la forma que se
desea dar a dicha lamina (ver Figura 9), esto se obtiene de la siguiente forma:
Figura 9. Esquema de forma a embutir
donde,
cm4punzóndelDiámetroDcm5.2embuticióndealturah
mm5punzondelredondeoderadior
p
p
⇒=⇒=
⇒=
mm1chapaladeEspesoree2DcopaladeexteriorDiámetrod
chapaladeDiámetroD
p
L
⇒=
+⇒==
44
se obtuvo según Oehler Gerhard9 (ver Anexo E)
dando un diámetro de lámina de:
cm5.7DL =
4.2.2.2 Cálculo de la fuerza de embutición La fuerza de embutición se calcula así10:
−
η××π×
= cDDLn
KeDF
p
L
form
fmpp
donde,
embuticióndelaciónRe25.0poradominerdeteCoeficientc
628.0formadecambiodeeCoeficientformadecambioalmediasistenciaReK
punzóndelFuerzaF
form
fm
p
=β≈β=
≈=η=
=
Según Oehler Gerhard (ver Anexo C) se obtiene:
Para un espesor de lámina igual a 1mm:
KN14F 1p =
Para un espesor de lámina de 3mm:
KN7.30F 3p ====
9,10 OEHLER, Gerhard. “Herramientas para Troquelar, Estampar y Embutir”. 6 ed. Barcelona : Gustavo Gili,
1977, tabla 15. pág. 352, 317
( ) ( ) ( )r7.0dr2rhd4r2dD pp2
pL −π+−+−=
45
Para mayor flexibilidad en el diseño se tomo la fuerza que se debe ejercer sobre una
lamina de espesor de 3mm agregándole un factor de servicio de 1.5; debido a que el
cilindro embutidor esta expuesto a choques muy moderados.
KN49KN12.496.17.30F 3p ≈≈≈≈====××××====
4.2.2.3 Cálculo de la fuerza de pisado Para el Cálculo de esta se tiene en cuenta la
resistencia máxima a la tensión11 de un aluminio que es laminado en frió y su valor es
165Mpa
Para una lamina de espesor de 1mm.
Según Oehler Gerhard12 se obtiene:
Kpa650Ps =
sujetadordelesiónPrPs =
Para obtener la fuerza a ejercer se tomo la siguiente ecuación:
( )[ ]2pm
2Lss r2DD
4PF +−π×=
donde,
matrizladeDiámetroDsujeciondemáximaFuerzaF
m
s
==
)Lbf5.330(N1470F 1s ====
)Lbf7.495(N22055.11470F 1s ====××××====
Para una lamina de espesor 3mm.
Según Oehler Gerhard13 se obtuvo:
11 NORTON, Robert, “Diseño de Maquinas”. México : Prentice Hall, 1999, tabla C-2. pág.994. 12,13 OEHLER, Gerhard. “Herramientas para Troquelar, Estampar y Embutir”. 6 ed. Barcelona : Gustavo Gili, 1977, Fig. 303
46
Kpa570Ps =
sujetadordelesiónPrPs =
Para obtener la fuerza a ejercer se tomo la siguiente ecuación:
( )[ ]2pm
2Ls3s r2DD
4PF +−π×=
el cual,
matrizladeDiámetroDsujecióndemáximaFuerzaF
m
s
========
teniendo como resultado:
)Lbf290(N1290F 3s ====
Debido a que en el momento de embutición el área sujetada disminuye proporcionalmente
a la altura de embutición; esto hace que la presión aumente durante el proceso. Esta
situación hace que se presenten fallas tales como la ruptura del material, entonces la
presión aplicada en la chapa debería permanecer constante para lograr una buena
embutición, esto se logra variando la fuerza proporcionalmente a la altura embutida; para
lograr esto se tiene en cuenta la siguiente ecuación14:
( )( )2pm
21L
2pm
2L
s r2DD
r2DDpp
+−
+−=
donde,
procesoelduranteaminláladeDiámetroDespecificaesiónPrp
1L ==
14 OEHLER, Gerhard. “Herramientas para Troquelar, Estampar y Embutir”. 6 ed. Barcelona : Gustavo Gili, 1977, pág. 339.
47
4.2.2.4 Cálculo de la estructura 4.2.2.4.1 Cálculo y selección de vigas En la Figura 10 se puede ver la distribución de
las vigas y columnas que conforman la estructura del sistema
Figura 10. Distribución de vigas y columnas
La viga VSS y VSM son las partes más importante de la estructura debido a que debe
soportar el cilindro hidráulico el cual ejerce la fuerza para realizar la embutición sobre la
matriz.
El soporte superior se compone de 4 vigas, dos trasversales y dos longitudinales, se optó
por este diseño gracias a su estabilidad y resistencia con poco material. En la figura 11 se
muestra el esquema de fuerzas ejercidas sobre la estructura realizado en Algor.
Para verificar si la selección de los perfiles ha sido la correcta se analizó en el software
Algor los esfuerzos presentes sobre cada uno de estos y se obtuvo los resultados
observados en la figura 12.
Viga de soporte superior (VSS)
Viga de soporte de guías (VSG)
Viga de soporte de matriz (VSM)
Viga de soporte inferior (VSI)
Fmax = 496 lbf
Fmax =11016 lbf
48
Figura 11. Esquema de fuerzas en ALGOR
En la siguiente figura los elementos que se encuentran en rojo son los que están
expuestos a mayor esfuerzo, como se puede observar el mayor valor de esfuerzo es
2.33MPa; pero la fuerza aplicadas sobre la estructura en este software cuentan con un
factor de seguridad de 2 lo cual lleva a concluir que la estructura construida esta bien
diseñada para soportar las fuerzas necesarias para la realización del proceso con laminas
de aluminio de espesor máximo de 3 mm.
10250 N c/u
10250 N c/u 2200 N centro
Soporte Cilindro de Embutición Perfil 2.5” x2.5”x ¼”
Soporte de la Matriz Perfil 2.5” x2.5” x ¼”
Viga Soporte de Bujes Perfil 1” ½ x 1” ½ x 3/16”
Columna Perfil 2” x 2”x 1/4”
Viga Soporte del Cilindro de Sujeción Perfil 1” ½ x 1” ½ x 3/16”
2200 N
49
Figura 12. Resultado del análisis realizado en ALGOR
50
4.2.2.4.2 Cálculo y selección de columnas En la estructura se deben de tener en
cuenta tanto los cálculos de vigas como de columnas, estos últimos son de gran
importancia ya que brindan estabilidad mecánica a la estructura de soporte y se pueden
presentar en ellas falla críticas por pandeo lo que podría llevar a que la estructura
colapse.
Para calcular una columna es necesario como primera mediada clasificar la columna entre
corta, intermedia o larga, para lo cual se debe calcular la relación de esbeltez
lTransversaArea:AInerciadeMomentoSegundo:I
GirodeRadio:KColumnaladeLongitud:L
EsbeltezdeRazon:S,dondeAIK
KLS
r
r
=
=
Tenemos
.lgpu72.0C.lgpu70.0I.lgpu19.1A
.lgpu59L
4
2
==
=
=
Entonces reemplazamos
92.76.lgpu767.0
.lgpu59S
.lgpu767.0.lgpu19.1.lgpu70.0K
r
2
4
==
==
51
Luego, se calcula el punto tangente entre curvas Euler y Jhonson15 (Sr)D y se compara con
la relación de esbeltez hallada anteriormente; pero para los aceros es aprox. 120.
Por ser Sr < (Sr)D y Sr > 10 se clasifica la columna como una columna intermedia; además
Sr esta bajo la región de la curva de Jhonson16 el cual se maneja la siguiente ecuación:
(((( ))))(((( ))))
)KN8.158(lb35700P
296.76Kpsi30
Mpsi301Kpsi30.lgpu19.1
2SS
E1SAP
cr
2ry
ycr
====
−−−−====
−−−−====
ππ
El valor obtenido es empleado para determinar la carga permisible Ppermisible teniendo en
cuenta un factor de seguridad. Según Norton17 valora los posibles factores de seguridad,
el cual se seleccionó un FS = 4 debido a que no se cuenta con datos lo suficientemente
representativos del material disponible a partir de pruebas.
)KN7.39(lb8925P4
lb35700S.F
PP
permisible
crpermisible
====
========
La estructura consta de 4 columnas que soportaran una máxima fuerza de 49 KN ejercida
por el cilindro hidráulico para lamina de 3mm, entonces Fcolumna = Fmax/4 obteniendo
Fcolumna = 12.25 KN. Como se puede apreciar la sección de prueba permite manejar cargas
hasta 3 veces mayor que las manejadas por el sistema hidráulico. Estos cálculos se
hacen teniendo en cuenta los perfiles usados en la figura 11. y analizados en la figura 12.
4.2.2.4.3 Selección de soldadura Luego de seleccionar las columnas y vigas de la
estructura se procede a seleccionar el tipo de unión entre estas. Buscando una mayor
resistencia y rigidez en su ensamble la soldadura posee mejores ventajas respecto a un
sistema pernado.
Aprovechando la fácil adquisición y ejecución de la soladura eléctrica y teniendo en
cuenta el material de la estructura, se puede seleccionar el proceso SMAW (soldadura por
electrodo manual). El electrodo tiene un revestimiento del cual dependen las propiedades 15,16, 17 NORTON, Robert. “Diseño de Maquinas”. México : Prentice Hall, 1999, Fig. 4-42 Pág.242 y tabla 1-3 Pág. 21.
52
mecánicas de la soldadura, en este caso se utilizó una un electrodo con revestimiento
rutilico u oxido de titanio (TiO2) el cual posee buenas propiedades mecánicas, penetración
mediana, fácil salida de escoria y buena presentación. En la Figura 13, se visualiza la
localización de la soldadura sobre las vigas de soporte de matriz.
Los cordones aplicados cubren los tres tipos de juntas como son a tope, traslape y a filete. Figura 13. Cordones de soldadura en la estructura de soporte
4.2.2.4.4 Selección de pernos Para seleccionar pernos se deben tener en cuenta las
fuerzas ejercidas entre las placas, en nuestro caso la fuerza ejercida es cortante (ver
Figura 14), por lo cual es de vital importancia que la fuerza de fricción máxima en la junta
debe ser superior a la carga cortante externa de tal manera que el tornillo no trabaje a
cortante pues no es recomendado ya que el tornillo posee mayor concentración de
esfuerzos debido a sus hilos.
Cordón de Soldadura
Vigas de Soporte de Matriz
Columna
53
Figura 14. Dimensiones de la junta a cortante.
friccióndeFuerza:FtornillosdeNúmeronjuntasdeNúmero:n
estáticafriccióndeeCoeficient:aprietedeinicialFuerza:F
Normal:N,donde
nFnNF
f
i
1
s
i
1si1sf
====
========
µ
µµ
Por lo tanto para que la junta sea segura:
SeguridaddeFactorS.F;nnS.FFF1si
i =µ×≥
Teniendo F=2750 lb, ni=4, n1=1, µs=0.3 y el Factor de Seguridad18 es seleccionado de con
un valor de 3.
Obtenemos:
KN6.30lb6875)3.0(4
)3)(lb2750(Fi ⇒⇒⇒⇒====≥≥≥≥
18 NORTON, Robert. “Diseño de Maquinas”. México : Prentice Hall, 1999, tabla 1-3. pág. 21.
54
Ahora el
22t
p
P
it
t
ip
mm5.135lgpu21.0Kpsi33
lb6875A
,entonces
MPa5.227Kpsi33Steniendo
SFA
AFS
⇒⇒⇒⇒========
⇒⇒⇒⇒====
====
====
Según las características de la roscas unificadas19 para un área de esfuerzo de tensión un
At = 0.226 pulg2 el tornillo debe tener un diámetro de 5/8 pulg.
Fi = Sp x At = 33000 psi x 0.226 pulg2
Fi = 6780 lb 30.16 KN
Para hallar el número de tornillos:
4nF.S.FFn
1sii =
×µ××=
Según esto se requieren 4 tornillos de grado 1 para soportar la fuerza en las vigas.
y el Torque de apriete:
T = Fi x D x K
El factor K de condición del perno20, el K = 0.2 por ser un tornillo con revestimiento de zinc
(galvanizado), entonces
T = 6780 x 0.675 x 0.2 = 847.5 lb x pulg
T = 70.62 lb x pie
19,20 CÓRDOBA, Carlos F.; SALAZAR, Emerson. “Cálculo de Elementos de Maquinas”. tesis UAO 1996, tabla 17. pág.127 y tabla 16 Pág. 124
55
Para el cilindro de sujeción se utilizó tornillos cuyo diámetro es igual al diámetro del orificio
del soporte del cilindro.
4.2.2.4.5 Cálculo del resorte de reposición El resorte de reposición tiene la función de
reposicionar o expulsar el material embutido en el momento en que el sistema de sujeción
se empiece a abrir; también tiene otra función que es la de no permitir en el redondeo en
el fondo de la lamina embutida.
Para calcular este resorte se debe tener en cuenta la fuerza máxima aplicada, el diámetro
del alambre, la constante K del resorte, el material y el número de espiras. Según
Shigley21 se tiene:
Espiras de extremo = 2
Espiras Totales Nt = Na + 2
Espiras Activas Na = 10
Longitud Libre Lo = P x Na + 2d = 52 mm
Paso P = 5mm
Diámetro del alambre d = 1mm
Longitud Cerrada Ls = d x Nt = 12
Deformación crítica Ycr es:
DL
C11CLY
0efec
21
2efec
210cr
×α=λ
λ−−=
Según22 Shigley α=0.5 y tomando un diámetro medio D = 35 mm se obtiene:
43.7mm35
mm525.0efec =×=λ
C1 y C2 = Constantes elásticas
21,22 SHIGLEY, Joseph E. “Diseño en Ingeniería Mecánica”. 5 ed. México : Mc. Graw Hill, 1994, tabla 10.2. pág. 475, tabla 10.3 Pág. 476
56
( )( )
EG2GE2C
GE2EC
22
1
+−π=
−=
con G = 80.8 GPa y E = 206.8 GPa
se obtiene
( )( )( ) 75.6
GPa8.206GPa8.802GPa8.80GPa8.2062C
821.0GPa8.80GPa8.2062
GPa8.206C
22
1
=+−π=
=−
=
mm1.184mm52mm1.184L
5.0mm3563.2L
D2.63 L
0
0
0
<<
<
α<
Debido a que L0 es menor que 184.1mm se cumple que el resorte es estable.
mut dAS =
Según Shigley 23 usando un acero estirado duro m = 0.201 y A = 1510 MPa
( )GPa053.6
m001.0MPa1510S 201.0ut ==
utsyut S52.0SS35.0 ∗≤≤∗
Ssy = 0.45*Sut = 2.72 GPa
donde,
Fs = carga estática correspondiente a la resistencia a la fluencia
23 SHIGLEY, Joseph E. “Diseño en Ingeniería Mecánica”. 5 ed. México : Mc. Graw Hill, 1994, tabla 10.5 pág. 478.
57
El modulo del resorte K
m/N1.23K)10()m035.0(8
GPa8.80)m001.0(K
ND8GdK
3
4a
3
4
=
∗=
∗=
La fuerza máxima
( )N947.0F
)m012.0m052.0(55.23LLKF
max
s0max
=−=−=
Este resorte no puede ejercer mucha fuerza debido a que contrarrestaría la fuerza de
embutición, el cual se estimó que el 3% de esta fuerza sea la de reposición por lo tanto
Fmax = 1.44 KN; Fembuticion= 48 KN
Tomando un resorte se tiene que F = Kx, donde x es la distancia comprimida y K la
constante del resorte, el resorte debe comprimirse un x = 0.032m para la máxima altura
de embutición y teniendo y F = 1.44 KN se tiene que:
mKN43K
m032.0KN44.1
xFK
=
==
usando,
1.44KN = K (L0 - Ls)
y reemplazando K, L0 y Ls se obtiene,
( )( )d12d2)10005.0(43KN44.1
dNd2PNKKN44.1 ta
−+∗=−+=
despejando d se tiene:
d = 0.017m
58
el cual se puede aproximar a 2mm de diámetro del alambre, entonces las características
del resorte son:
K = 44 KN/m
D = 35 mm
D = 2 mm
P = 5 mm
L0 = 52 mm
Material: Acero SAE 1066 estirado duro
10 espiras activas
12 espiras en total
4.2.2.4.6 Cálculo de tensores laterales La Figura 15 muestra un Esquema de la
sujeción del material.
Figura 15. Esquema del sistema de sujeción
Matriz
Pisador
Tensor Lateral
Tensor Lateral
Viga soporte de tensores
Cilindro de Sujeción
59
Para verificar los tensores es necesario conocer la fuerza que soporta cada uno de ellos
en el momento de que el cilindro de sujecion realiza su trabajo, para los cual se tiene el
siguiente diagrama de cuerpo libre para la viga (ver Figura 16).
Figura 16. Diagrama de cuerpo libre de la viga AB de sujeción
DCL:
AB
B
BA
BA
RKN1R:obtieneseRDespejando
R260mmKN2600MRRKN20Fy
0Fx
==
−∗==−−==
=
∑
∑
∑
Debido a que el tensor es un elemento sometido netamente a tensión se debe comprobar:
lTransversaArea:AtensióndeFuerza:F
;AF
,dondeadmisible
=σ
σ≤σ
El área transversal tiene un w = 1 pulg. (25.4 mm) y e = 3/8 pulg. (9.52 mm) el cual,
A = 0.375 pulg2 (242 mm2)
130mm 130mm
A B
RBRA
F = 2 KN
60
F = 1KN (225 lbf)
Entonces,
MPa69Kpsi10
3.S.F,MPa8.206Kpsi30S;.S.F
S
MPa13.4psi600lgpu375.0
lbf225
admisible
yy
admisible
2
⇒⇒⇒⇒====
====⇒⇒⇒⇒========
⇒⇒⇒⇒========
σ
σ
σ
De acuerdo a los valores obtenidos el tensor no fallara a tensión. También es necesario
calcular el tornillo que sujeta al tensor con el pisador para lo cual se tiene:
SeguridaddeFactorS.F;nnS.FFF1si
i =µ×≥
donde el n1=2, ni=1, F.S.= 3 y µs=0.3; se tiene que
Fi = 1125 lbf 5 KN
Seleccionando un tornillo24 de grado 1 se usa un Sp = 33Kpsi (227.5 MPa)
22t
P
it
t
ip
mm22lgpu0341.0Kpsi33
lb1125A
,entonces
SFA
AFS
⇒⇒⇒⇒========
====
====
Según las características de la roscas unificadas25 para un área de esfuerzo de tensión un
At = 0.0524 pulg2 (22 mm2) el tornillo debe tener un diámetro de 5/16 pulg. (8 mm).
Debido a que se había seleccionado un tornillo de ½ pulg. para este tensor se puede
apreciar que esta a sobre medida.
24,25 CÓRDOBA, Carlos F. SALAZAR, Emerson. “Cálculo de Elementos de Maquinas”. tesis UAO 1996, tabla 12. pág. 117, tabla 17 Pág..127.
61
Fi = 33000 psi x 0.01419 pulg2 = 4684.7 lbf 21 KN;
para el tornillo de ½ pulg.
Fmax = 936.54 lbf ≈ 4.17 KN
Se puede concluir que el tornillo seleccionado soporta la fuerza ejercida por el cilindro de sujeción.
62
5. DISEÑO A NIVEL DE SISTEMA 5.1. ARQUITECTURA DEL PROYECTO
Para seleccionar la arquitectura del proyecto influye algunos aspectos como: flexibilidad,
estandarización de componentes, desempeño del producto, manufacturabilidad y la
capacidad del equipo. Al analizar el proyecto se encontró que debido a que el sistema es
un laboratorio didáctico y el manejo prioritariamente va a ser por parte de estudiantes, se
requiere la posibilidad de tener una flexibilidad (cambio de juego matriz - punzón) y de
capacidad de actualización del software o hardware lo que lleva a definir una arquitectura
modular como la predominante en el diseño.
En la Figura 17 se observa el esquema de los elementos funcionales y físicos
organizados en Conjuntos que componen el producto. En la Figura 18 se puede observar
las interacciones incidentales existentes entre los conjuntos funcionales.
5.1.1 Análisis de interacciones Analizando los diferentes módulos que componen el
sistema y observando la diferencia existente entre ellos se observa que existen
interacciones tanto fundamentales como incidentales; dentro de las interacciones
fundamentales se puede destacar que el sistema de alimentación hidráulica permite que
los otros Conjuntos funcionales puedan trabajar, también existe una interacción
fundamental en la comunicación entre el sistema de monitoreo y la tarjeta principal siendo
de vital importancia pues de este depende el control del proceso y el análisis de los datos
adquiridos.
Dentro de las interacciones incidentales se puede destacar que generan efectos no
deseados como por ejemplo el calor generado por el modulo de alimentación y el modulo
hidráulico degradan y aumentan el error en la tarjeta principal a la hora de leer las
variables del sistema; otra es la vibración que generan los actuadores produciendo a largo
plazo desajustes indeseables en los sistemas de sujeción por pernos y el ruido
electromagnético generado por los motores y los solenoides los cuales producen
63
variaciones o ruidos en los voltajes entregados por los sensores de presión y de posición
hacia la tarjeta principal
Figura 17.- Esquema en conjuntos del sistema
Distribución de Energía AC
Sistema de Alimentación Hidráulica
Actuador Hidráulico de Sujeción
Sistema de Sujeción
Estructura de Soporte
Control de Embutición
Interfaz con el usuario
Comunicación al Computador
Puerta deSeguridad
Expulsión de material embutido
Circuito Hidráulico
Suministro de lámina
Actuador Hidráulico de Embutición
Punzonado
Circuito Hidráulico
Fuente DC
Tarjeta Principal
Modulo Hidráulico
Tarjeta de adaptación de energía
Juego Matriz-Punzón
Sistema de Monitoreo
Flujo de Material
Flujo de Energía o Fuerza
Flujo de Señales
64
Figura 18. Interacciones incidentales .
5.1.2 Arquitectura del sistema electrónico El sistema electrónico (ver Figura 19)
cuenta con una arquitectura modular, con la cual se busca un fácil y rápido
ensamble y también permitir intercambiabilidad de los módulos PWM1, 2 y 3. el
sistema electrónico consta de los siguientes módulos: un modulo de lectura
(transductores e interruptores), un modulo de control (microcontrolador Basic X24
y acondicionamiento), un módulo de potencia para los motoreductores, un módulo
de potencia para las válvulas, un módulo de comunicación con el PC y un módulo
de alimentación el cual se encarga de entregar energía eléctrica al sistema.
5.2. DISEÑO INDUSTRIAL
Un buen diseño industrial
busca cumplir los siguientes objetivos:
- Utilidad. Esto implica que las interfaces deben ser seguras, fácil de usar e intuitiva.
- Apariencia. Se relaciona la línea y la proporción usada para desarrollar el producto.
- Facilidad de mantenimiento. Los productos deberían ser diseñados de tal forma que
comuniquen su mantenimiento.
- Bajo costo. Se debe buscar la forma de que los costos diminuyan tanto en materiales
y manufactura.
Sistema de Alimentación Hidráulica
Modulo Hidráulico
Sistema de sujeción
Tarjeta de adaptación
Estructura de Soporte
Vibración
Tarjeta principal
Calor
Vibración y Escape de Fluidos
Juego Punzón / Matriz
Vibración
Ruido Electromagnético
Calor
65
Comunicación del producto. Debe comunicar la filosofía y la misión del diseño a través de
la calidad visual
Figura 19.- Esquema arquitectural del sistema electrónico
Modulo de Lectura
Yo Y1 Y2 Y3
Entradas Analógicas
Salidas Analógicas
Entradas Digitales
Salid
as
Dig
itale
s
Com
Sensor de Presión Embutición
Sensor de Presión
Sensor de Posición
PWM 1 PWM 2 PWM 3
FC1
FC2
FC3
Start
Puerta
Emergencia
Relés de Estado Sólido
PC
Microcontrolador Basic X24
Fuente de
Poder
Modulo de Alimentación
Modulo de Comunicación
Modulo de Potencia
Modulo de Potencia
Modulo de Control
66
- .
5.2.1 Valoración de las necesidades del diseño industrial Para entrar a analizar
la parte del Diseño Industrial es necesario estudiar las necesidades ergonómicas y
estéticas del producto asumiendo la posición de diseñador.
Para lo cual se obtuvo las siguientes necesidades ergonómicas mostradas en la Tabla 5: Tabla 5. Valoración de las necesidades ergonómicas Ergonomía Bajo Medio Alto
Facilidad de Uso
Facilidad de Mantenimiento
Cantidad de Interacciones
Novedades de las Interacciones
Seguridad
Justificación
• Facilidad de Uso: (Alta) Es alta ya que el producto esta muy ligado a interactuar
con estudiantes y debe garantizar el carácter didáctico, lo cual implica desarrollar
un software robusto e intuitivo.
• Facilidad de Mantenimiento: (Medio) Debido a que el laboratorio didáctico es de
uso esporádico (pruebas de laboratorio programadas), la facilidad de
mantenimiento es poco importante comparado con una máquina de producción en
serie.
• Cantidad de Interacciones: (Medio) Es ubicado en el medio debido a que existen
interacciones necesarias de seguridad y dentro del software las interacciones
dependen de las funciones a realizar; Para el grupo de diseño es importante esta
cantidad ya que hace mas agradable y menos tedioso el manejo del laboratorio.
67
• Novedades de las Interacciones: (Bajo) Es bajo, pues se busca la continuidad en
el conocimiento y el manejo del sistema; además es el primer modelo de una
máquina de realizar embuticiones pequeñas de aluminio.
• Seguridad: (Alta) Este ítem es el de mayor importancia para el grupo de diseño ya
que el sistema interactúa con estudiantes y la posibilidad de accidentes debe ser
mínima; Al igual los elementos propios de la máquina deben causar el menor daño
posible.
En la Tabla 6 se puede observar la valoración de las necesidades estéticas.
Tabla 6. Valoración de las necesidades estéticas. Estéticas Bajo Medio Alto
Diferenciación del Producto
Orgullo de Posesión
Motivación del Grupo
Justificación
• Diferenciación del Producto: (Medio) Para los diseñadores es importante que el
sistema se diferencie fácilmente de otras máquinas, pero dentro del laboratorio de
producción se nota un patrón en cuanto a cabinas y colores. Entonces el
dispositivo en vez de diferenciarse se espera es parecerse a las embutidoras
industriales.
• Orgullo de Posesión: (Medio Alto) porque permite a las instituciones educativas
prestar un mejor servicio de laboratorios y por ende aumentar su prestigio
académico.
• Motivación del Grupo: (Alta) pues posibilita la confrontación de todos los
conocimientos adquiridos durante el transcurso de la carrera.
68
5.2.2 Naturaleza del producto En la Figura 20 se puede observar cual es la
naturaleza del proyecto Laboratorio Didáctico de Embutición de Metáles.
Figura 20. Ubicación de la naturaleza del producto
5.2.3 Evaluación del diseño industrial En la Tabla 7 se puede observar los
conceptos que se tienen en cuenta para evaluar el diseño industrial.
Tabla 7. Valoración del diseño industrial. Necesidades Bajo Medio AltoCalidad de las interfaces de usuario Requerimientos Emocionales Facilidad de mantenimiento y reparación Uso apropiado de recursos Diferenciación del producto
Justificación
• Calidad de las Interfaces de Usuario: (Alta) porque la interfaz comunica el
funcionamiento de la máquina al usuario, permite un manejo intuitivo debido al
D. Tecnología D. Usuario
Laboratorio Didáctico de Embutición
69
amplio segmento de usuarios que interactuaran con el dispositivo; El software
usado para la interfaz debe ser robusto y tener un manejo amplio de excepciones.
• Requerimientos Emocionales: (Medio) pues este no es un producto de consumo
masivo, sino una sistema de manufactura en donde lo mas importante es la
calidad con que se realiza el proceso. Además inspira orgullo al grupo
desarrollador ya que es un producto nacional.
• Facilidades de Mantenimiento y Reparación: (Alto) porque presenta
características que proporciona una accesibilidad y maniobrabilidad de los
elementos a la hora de realizar el mantenimiento y se busca que los elementos en
el ensamblaje sean visible y presente una única vía de ajuste; también podemos
decir que entre conjuntos de elementos no hay ínter cambiabilidad como en los
ejes de guía y el eje del punzón.
• Uso apropiado de Recursos: (Medio Alto) el producto ha sido sobre diseñado por
lo menos en la parte de la estructura y en la hidráulica con miras a que el proyecto
sea ampliado solo cambiando el juego de matriz-punzón; el material seleccionado
es el apropiado para este dispositivo (estructura) porque brinda el soporte y parte
de la seguridad del dispositivo.
• Diferenciación del producto: (Medio Alto) porque se busca que el producto sea
difundido por los usuarios y los clientes.
Teniendo en cuenta la valoración que se le ha dado al diseño industrial se puede ver que
el producto debe tener un buen diseño industrial; lo cual quiere decir que “prima” el como
luce el dispositivo dentro de su espacio de trabajo.
La estética juega un papel importante en nuestro producto y por eso se espera obtener la
apariencia mostrada en la Figura 21.
70
Figura 21. Apariencia deseada
5.3. DISEÑO PARA MANUFACTURA Y ENSAMBLE
El diseño para manufactura tiene como objetivo disminuir el costo de manufactura de
cada uno de los elementos pero sin sacrificar la calidad de los mismos.
Se deben tener en cuenta los procesos de manufactura requeridos al igual que sus
materiales y equipos empleados. Respecto a la figura 22. se muestran como esta
compuesto el costo de manufactura.
71
Figura 22. Elementos del costo de manufactura
Siguiendo esta figura para conocer el costo de manufactura se debe tener en cuenta el
costo de los componentes los cuales se subdividen en partes o componentes estándares
y partes o componentes propios.
5.3.1 Partes estándares Continuando la mira de alcanzar el objetivo de la
estandarización se buscó que la mayor parte de los componentes estén dentro de los
estándares industriales y comerciales.
En este diseño se ha procurado utilizar el sistema métrico internacional para las
especificaciones tanto técnicas como de materiales y componentes; pero debido a que en
la industria hidráulica a nivel nacional se consiguen con medidas americanas se hace una
excepción con dichos componentes.
Costo de Manufactura
Componentes Ensamblaje Costos fijos
Estándar Propios Mano de Obra
Equipos y Operaciones
Costos Indirectos
Soporte
Materia Prima
Procesa- miento
Maquinado
72
Tabla 8. Elementos estándares utilizados
Concepto Especificación Cantidad Actuador Hidráulico lgpu1dvylgpu25.3dci == 1 Actuador Hidráulico lgpu5.0dvylgpu1dci == 1 Perfiles de acero A-36 lgpu5.033 ×× y laminado en
caliente M20.13
Perfiles de acero A-36 lgpu5.022 ×× y laminado en caliente
M80.5
Válvula direccional 4 vías 3 posiciones, operada con solenoide
Q =14G.P.M y P =1500Psi
1
Válvula direccional 4 vías 3 posiciones, operada con solenoide
Q =2G.P.M y P =1500Psi
1
Válvula reguladora de presión P =1500Psi y Q =14G.P.M y ajuste manual
1
Válvula reguladora de presión P =1500Psi y Q =2G.P.M y ajuste manual
1
Válvula reguladora de caudal P =1500Psi y Q =14G.P.M y ajuste manual
1
Válvula reguladora de caudal P =1500Psi y Q =2G.P.M y ajuste manual
1
Tornillos de cabeza redonda para dado
0.5pulg de diámetro 12
Motobomba de paletas P =1500Psi y Q =14G.P.M 1 Micro Basic X-24 16 I/O, 8 analógicas/digitales y 8
digitales y 32k de memoria de programación
1
Encoder lineal Resolución mínima 0.5mmy una precisión 0.01mm
1
Sensor de presión Capacitivo, presión máx. 2000Psi 1 Sensor de caudal 1 Cables Cable serial, conectores de 44
pines y cable bus
Las partes anteriores se presentan como estándares ya que la construcción de ellas no es
posible y existen empresas que brindan dichos elementos que además tienen un amplio
recorrido con la comercialización de estos; tales marcas comerciales son por ejemplo
Vickers y Bosch con la parte hidráulica, Hontko con los encoders lineales y Netmedia con
el micro Basic X-24.
73
5.3.2 Partes propias Tomando como partes propias aquellos componentes que han
sido diseñados estrictamente para alcanzar los objetivos esperados de la máquina, es
necesario conocer tanto la forma, función, material y manufacturabilidad de cada uno de
los componentes.
En la siguiente tabla se muestra los costos de los componentes propios que incluyen los
valores de la materia prima y el proceso de manufactura utilizado.
Tabla 9. Elementos propios
Concepto Proceso de Manufactura Punzón Mecanizado en torno y posee un recubrimiento por difusión
(carburación). Matriz Mecanizado en fresa; la parte donde se realiza la embutición
posee acabado espejo y recubrimiento por difusión (Nitruración o carburación).
Ejes guías Torneados y poseen un acabado superficial con mínima rugosidad, además se le realiza un recubrimiento de cromo
Bujes Torneados y en sus diámetros interiores poseen acabados superficiales que me permitan el libre movimiento de los guías.
Guía de punzón Torneado con un acabado superficial en su diámetro interno para permitir el libre desplazamiento del punzón.
Sujetador Máquinado por fresa y la cara de contacto con la lamina posee recubrimiento por difusión con un buen acabado superficial.
Tensores verticales del actuador de sujeción
Máquinado en fresa
Tarjeta Principal (PCB) Serigrafía + ataque químico (método sustractivo) + taladrado
5.3.3 Descripción de los procesos de manufactura utilizados En esta
descripción se tiene en cuenta los tratamientos tales como borización, carburización y
temple además también de recubrimientos de cromo.
74
Torneado El proceso de torneado es utilizado para fabricación de elementos con forma cilíndrica.
Como lo son el punzón, ejes guías, los bujes y guía del punzón.
Buscando mayor precisión se ha seleccionado la utilización de tornos de control numérico,
con este tipo de máquinas se mejora las condiciones de ensamble gracias a la precisión
que esta brinda.
Fresado Es un proceso necesario para el máquinado de la matriz y del sujetador ya que posee
superficies curvas al igual que un buen acabado superficial. En el caso del sujetador la
posición de los ejes guías deben tener una buena alineación que permita
autoajustabilidad con bajo juego axial y baja desalineación ante los ejes guías-sujetador y
los bujes.
El fresado al igual que el Torneado CNC posee alta precisión brindándonos menor
probabilidad a desajustes y perturbaciones.
Carburización Este proceso consiste en adherir carbono a la pieza la cual debe tener un bajo contenido
de carbono; este proceso se puede hacer de las siguientes maneras: carburización por
caja, gaseosa y liquida. Para este proyecto se utilizó la carburización en caja la cual nos
permite obtener una capa gruesa de carbono hasta 3.8mm.
Con la carburización se busca tener mas tenacidad y mayor dureza de los elementos
relacionados
75
Borización Al igual que la carburización este es un proceso de adición de elementos que me generen
una mayor tenacidad de la pieza, pero a diferencia de la carburización este adhiere Boro;
permitiendo obtener niveles de dureza hasta 70 HRC (Hardness Rockwell C). Este
proceso es utilizado en aceros para herramienta.
Temple Este tratamiento térmico me permite modificar la estructura del material buscando formar
martensita el cual brinda mayor dureza y fragilidad.
Este consiste en elevar la temperatura del material por debajo de la eutectoide durante
aproximadamente una hora seguido de un enfriamiento en donde la velocidad de
enfriamiento es el factor que determina las propiedades del material.
Cromado Este tratamiento consiste en adherir cromo en la superficie del material generando que
dicha superficie sea dura y resistente al desgaste como también resistente al calor y a la
corrosión. También ayuda a mejorar el acabado superficial de la pieza disminuyendo así
los efectos de la fricción con el buje. Este proceso se realiza empacando las partes con
polvos o gránulos ricos en cromo o sumergiéndolas en un baños de sal fundida que
contiene cromo.
76
Tabla 10. Lista de elementos propios
Imagen en Sólido Material Procesos Tratamientos
Punzón
Acero 4140 Torneado CNC Fresado
Templado Carburización
Acople
Acero 4140 Torneado CNC Roscado Fresado
Templado Carburización
Eje Guía
Acero 1045 Torneado Roscado
Recubrimiento de cromo semiduro
Buje
Bronce Fosforado Torneado Taladrado
Guía Punzón
Acero 1020 Torneado Taladrado
Matriz
Acero A-36 5160 para el casquete de embutición
Fresado CNC Casquete Torneado CNC
Templado Carburización Casquete Borización
Pisador
Acero A-36 Fresado CNC Taladrado
Templado
77
5.3.4 Diseño para ensamble La estimación del tiempo de ensamble se puede
calcular mediante la siguiente ecuación:
ensambleparaestimadototalTiempos3partesdenumeroNumeroDPEIndice ×=
075.0s1800s345DPEIndice =×=
En el análisis del DPE hay conjuntos de piezas que podrían integrarse en una sola
siempre y cuando el costo de manufactura no se incremente demasiado como por
ejemplo, la estructura podría fundirse pero esto incrementaría el valor del producto;
también se puede integrar el pisador con el guía de punzón pero existiría mas desperdicio
de material ya que un máquinado por fresado partiría de un bloque muy grande para
terminar en una pieza que posee menor volumen del utilizado. Dentro de la línea de
producción diferentes módulos pueden ser ensamblados concurrentemente gracias a la
modularidad adoptada en el producto; En cuanto a los guías de los ejes, si se presentara
una desalineación se daría un frenado en el recorrido del pisador y por esta razón no se
puede dejar en manos de la persona encargada del ensamble dicho ajuste sino que se
podría diseñar con miras a una auto localización.
Para poder reducir el costo de manufactura se podría realizar una alianza estratégica con
un suministrador de partes estándares para que gracias a dicha alianza el costo por
unidad disminuya y así baje el costo total del producto. Se podría también pensar en un
rediseño de algunas de las partes de la máquina como puede ser la matriz o tamben
disminuir la velocidad de trabajo de la máquina para que de esta manera los accesorios
hidráulicos a conseguir sean mas baratos.
Para obtener una reducción de los precios de los componentes se podría buscar una
estandarización casi total de todos los componentes que componen la máquina con el fin
de evitar el máquinado de algunas piezas.
Para obtener una reducción de los costos de ensamblaje se debe tener una estimación
del tiempo de ensamble casi exacta a el que realmente va a ser, también el grupo de
78
diseño puede pensar en que el ensamblaje sea por parte del usuario pero no podría de
ser de todos los módulos ya que hay módulos que vienen casi totalmente ensamblados y
por ultimo se puede maximizar las facilidades del ensamble bien por la utilización de
llaves especiales o comunes pero que sean de fácil adquisición.
Otra de las posibles soluciones a la hora de disminuir el costo de ensamblaje seria la
posibilidad de integrar algunas de las partes pero al realizarnos las siguientes preguntas
llegamos a la conclusión de que es casi nula la posibilidad de integración de partes y esas
preguntas son:
• ¿Esta parte necesita moverse respecto al resto del dispositivo? la mayoría de los
elementos deben ser movidos con respecto al resto de la máquina como por ejemplo
el juego matriz-punzón, el sujetador, los cilindros, las válvulas y los ejes de tensión del
sujetador.
• ¿Necesita ser de un material diferente debido a sus propiedades físicas? si es
necesario que algunos de los elementos sean de un material diferente como por
ejemplo el punzón y la matriz deben ser de acero para herramientas ya que están
expuestos a un alto desgaste.
• ¿Necesita estar separada del resto del equipo para facilitar el ensamble, acceso o
reparación? si hay elementos que deben tener un buen acceso como lo es el caso de
los bujes de bronce fosforíco que me permiten el desplazamiento de los ejes guías. El impacto que tiene el diseño para manufactura es alto ya que de él depende el costo de
desarrollo del producto porque de acuerdo al DPM se puede ver si es factible o no la
realización del proyecto.
En la Figura 23 se muestra una vista explosionada del sistema de embutición y en la
Figura 24 la vista en explosionada de la estructura.
79
Figura 23. Vista explosionada del sistema de embutición
Figura 24. Vista explosionada de la estructura
80
6. DISEÑO DETALLADO
Dentro de este se determina los elementos, piezas y dispositivos que finalmente serán
desarrollado. Este proyecto por ser de carácter mecatrónico consta de tres áreas del
conocimiento como son la ingeniería mecánica, electrónica y de software.
6.1. SISTEMA MECÁNICO
El sistema mecánico esta compuesto por la estructura de soporte, el sistema de
embutición (juego punzón-matriz y sistema de sujeción) y el sistema de
reposicionamiento.
Es fundamental tener un sistema mecánico estable estructuralmente, buena relación
resistencia – costo de materiales y alta precisión; Cumpliendo estas características se le
brinda mayor robustez a los demás sistemas permitiéndole un mejor funcionamiento en
conjunto y una disminución en el error de las variables involucradas en el proceso.
6.1.1 Estructura de soporte La estructura de soporte brinda estabilidad estructural a
los demás sistemas adyacentes. En el diseño y construcción de la estructura los factores
de seguridad y servicio deben ser los adecuados para soportar deformaciones por flexión
debido a las fuerzas aplicadas por los actuadores hidráulicos.
El proceso utilizado para la unión de vigas y columnas de la estructura fue la soldadura
por electrodo manual (SMAW) y utilizando un electrodo 7014 el cual es muy usado para
uniones de buena presentación. En la Figura 25 se muestra la estructura de soporte
actual.
El material empleado es el acero A-36 en perfil tipo L.
81
Figura 25. Estructura de soporte
6.1.2 Sistema de embutición
• Juego Matriz-Punzón
Esta tolerancia es de vital importancia a la hora de realizar el proceso pues de sus
medidas depende el éxito de la embutición; debido a que se evita la formación de
pliegues y la presencia de rupturas en la lámina gracias a los redondeos presentes en
ellos. El juego matriz-punzón debe contar con mayor dureza respecto al material a
embutir. En la Tabla 11 se muestran los elementos construidos que componen el
juego Matriz-Punzón (ver Anexo G, H, J, K y L ).
Soporte Cilindro de Embutición Perfil 2.5” x2.5”x ¼”
Soporte de la Matriz Perfil 2.5” x2.5” x ¼”
Viga Soporte de Bujes Perfil 1” ½ x 1” ½ x 3/16”
Soporte Cilindro de Sujeción y módulo electro hidráulico Perfil 1”½ x1”½ x 3/16”
Columna Perfil 2” x 2”x 1/4”
82
Tabla 11. Descripción de elementos del juego matriz-punzón Imagen del Elemento
Punzón
Acople
Matriz
• Sistema de Sujeción
Este es el encargado de ejercer presión sobre la lamina de tal forma que esta pueda
fluir suavemente a través de la matriz; la fuerza ejercida por este sistema debe ser
regulada a medida que aumenta la altura de embutición.
El sistema de sujeción consta de tres elementos diferentes tales como el pisador, los
ejes guía, el guía de punzón y los bujes; estos fueron máquinados por TALLERES
PAYAN bajo planos previamente evaluados por el grupo de desarrollo.
En la Tabla 12 se muestra las características generales de los elementos que
componen el sistema de sujeción.
83
Tabla 12. Descripción de elementos del sistema de sujeción
Imagen del Elemento
Sujetador
Bujes
6.1.3 Sistema de reposicionamiento Este sistema de reposicionamiento (ver Figura
26) tiene la función de proporcionar fuerza contraria a la fuerza del punzón permitiendo
con esto un mejor terminado de la lamina embutida; además en el instante en que el
punzón retrocede el sistema de reposicionamiento expulsa la copa embutida. Este
sistema se encuentra ubicado en la parte inferior de la Matriz y las dimensiones del
embolo permite el libre desplazamiento a través del dado de la Matriz
84
Figura 26. Isométrico del sistema de reposicionamiento
6.1.4 Sistema hidráulico En cuanto al sistema hidráulico la mayoría de elementos y
partes utilizadas en este proyecto son estandarizadas y comerciales.
Gracias a la utilización del Manifold se hace más fácil el trabajo debido a que se
disminuye la tubería a usar evitando así fugas y pérdidas.
Para la realización del sistema hidráulico se requiere el circuito mostrado en la Figura 27;
en este circuito se puede observar en la parte inferior del esquema la unidad hidráulica
que es el elemento encargado de brindar la presión y caudal necesario; esta unidad
posee una válvula limitadora de presión la cual a través de un tornillo ajustable variar la
presión de salida de la unidad hasta la presión de trabajo de manera manual y es
independiente del resto del circuito; siguiendo la línea de presión hacia el circuito se
encuentra para cada actuador hidráulico una válvula reguladora de presión, una válvula
reguladora de caudal y una válvula direccional. Dentro de la línea del cilindro de
Soporte
Resorte
Embolo Reposicionador
85
embutición las válvulas reguladoras de presión y de caudal son controladas y
maniobrados por motoreductores logrando así regular la fuerza y la velocidad
respectivamente, para de la línea del cilindro pisador solo se controla la presión dejando
que la variación de caudal sea de manera manual; las válvulas direccionales como su
nombre lo indica da el direccionamiento a los actuadores (cambio de sentido), estas
tienen como elemento accionador un solenoide (Y0, Y 1, Y 2, Y 3) que es accionado por
corriente brindada por reles de estado sólido y como de reposición tiene un resorte. El
control de estas válvulas depende del estado del sistema proporcionado por los finales de
carrera y el sensor de posición.
El proceso cuenta con diferentes estados los cuales son: el estado de reposo, el estado
de sujeción y el estado de embutición; dentro del estado de sujeción el cilindro pisador
efectúa la presión necesaria a la lamina; posteriormente sin dejar de sujetar la lamina el
cilindro de embutición por medio del juego matriz – punzón realiza la deformación a
lamina, teniendo en cuenta que el sistema es controlado digitalmente con las variables
deseadas por el usuario las servo válvulas reguladoras son las encargadas de que esto
se cumpla con la ayuda de los sensores que están lo mas próximo al cilindro para evitar
errores por escape en la tubería.
Las especificaciones de cada uno de los elementos que componen el sistema se pueden
observar desde la tablas 13 hasta la tabla 20.
86
Figura 27. Esquema arquitectural del sistema hidráulico
87
Tabla 13. Especificaciones del cilindro de embutición CILINDRO OLEOHIDRAULICO No.
1 Cantidad: 1
Empresa HYCO LTDA
Unidades: ANSI
Características Generales y Mecánicas Diámetro int. = 3.1/4 pulg.. Presión máx. = 1500 psi
Diámetro Vástago = 1 pulg. Caudal máx. = 14 GPM
Carrera = 14 cm = 5.5 pulg. Diámetro de rosca del vástago: ¾ pulg.
Tipo de soporte = Cuadrado de 4 orificios Diámetro de conexión = 1/2 pulg. NPT
Uso e Importancia: Es usado como elemento embutidor , en su extremo del vástago será acoplado un porta punzón de tipo cono Morse
Tabla 14. Especificaciones del cilindro de sujeción CILINDRO OLEOHIDRAULICO No.
2 Cantidad: 1
Empresa HYCO LTDA
Unidades: ANSI
Características Generales y Mecánicas Diámetro int. = 1 pulg. .
Presión máx. = 1500 psi
Diámetro Vástago = 0.75 pulg.
Caudal máx. = 14 GPM
Carrera = 8 cm = 3.15 pulg. Diámetro de rosca del vástago: 5/8 pulg.
Tipo de soporte = Cuadrado de 4 orificios Diámetro de conexión = ¾ pulg.
Uso e Importancia: Es usado como elemento proporcionador de fuerza al sistema de sujeción
88
Tabla 15. Especificaciones de las válvulas direccionales VALVULA DIRECCIONAL No.
3 Empresa HYCO LTDA
Cantidad: 2
Unidades: ANSI
Características Generales y Eléctricas
Tamaño : NFPA D05 / ISO 4401 .
Presión máx. = 4500 psi
Tipo de Montaje: Cetop 5 Caudal máx. = 30 GPM
Tipo de Accionamiento: Solenoide 24 VDC Temperatura de Trabajo: -4 a 140 ºF
Corriente de sostenimiento: 1.83 A Viscosidad del fluido manejado: 80 y 1400 SUS
Uso e Importancia: Este elemento es usado para dar dirección a los cilindros hidráulicos
Tabla 16. Especificaciones de las válvulas reguladoras de caudal VALVULA REGULADORA DE CAUDAL No.
4 Empresa HYCO LTDA
Cantidad: 2
Unidades: ANSI
Características Generales y Mecánicas
Tamaño: 1 ½ pulg.
Presión máx. = 5000 psi
Tipo de Montaje: En línea Caudal máx. = 30 GPM
Tipo de Accionamiento: Manual Temperatura de Trabajo: 14 a 212 ºF
Material: Acero al Carbono Diámetro de Conexión: ¾ pulg. NPT
Uso e Importancia: Este elemento es usado para regular caudal de los cilindros hidráulicos, regulando así la velocidad de los mismos
89
Tabla 17. Especificaciones de las válvulas reguladoras de presión VALVULA REGULADORA DE PRESION No.
5 Empresa HYCO LTDA
Cantidad: 2
Unidades: ANSI
Características Generales y Mecánicas
Tamaño: ISO 4400
Presión máx. = 4500 psi
Tipo de Montaje Cetop 5 Caudal máx. = 30 GPM
Tipo de Accionamiento: Manual por tornillo Temperatura de Trabajo: -4 a 140 ºF
Uso e Importancia: Este elemento es usado para regular presión de los cilindros hidráulicos, regulando así la fuerza de los mismos; es de gran importancia por que son las encargadas de brindar las fuerzas necesarias de sujeción y embutición.
Tabla 18. Especificaciones de la unidad hidráulica UNIDAD HIDRÁULICA No.
6 Cantidad: 1
Empresa HYCO LTDA
Unidades: ANSI
Características Generales y Mecánicas
Tamaño: 120cm x 80cm x 70cm Presión máx. = 1500 psi Tipo de Bomba: Paletas VICKERS Caudal máx. = 14 GPM
Potencia del Motor: 15 HP Diámetro Salida: ½ pulg.
Accesorios: Limitadora de Presión, Filtro de Retorno, Filtro de Succión, Visor de nivel y temperatura, manómetro, tapa de inspección y tanque 125 L.
Diámetro Retorno: 1 pulg.
Uso e Importancia: Es el elemento encargado de suministrar la potencia hidráulica al sistema.
90
Tabla 19. Especificaciones del manifold MANIFOLD No.
7 Cantidad: 1
Empresa HYCO LTDA
Unidades: ANSI
Características Generales y Mecánicas
Tamaño: 140mm x 90mm x 100mm
Presión máx. = 4500 psi
Tipo de Montaje Cetop 5 Caudal máx. = 30 GPM
Diámetros de conexión: ¾ pulg. NPT Temperatura de Trabajo: -4 a 140 ºF
Uso e Importancia: Este elemento es importante ya que disminuye el número de conexiones, cantidad de tubería a usar y pérdidas de presión.
Tabla 20. Especificaciones del motoreductor MOTOREDUCTOR No.
8 Cantidad: 3
Empresa VALEO
Unidades: ISO
Características Generales y Eléctricas
Tamaño: 6 ¾ pulg. x 2 5/8 pulg. x 4 pulg. Voltaje de Alimentación: 12 VDC Velocidad máxima de salida: 44 RPM Corriente sin carga: 1.5 A
Material de los Engranajes: Plástico Torque Nominal: 0.8 N*m
Protección: IP30 Peso: 1.2 Kg Uso e Importancia: Este elemento es usado para accionar las válvulas reguladoras de presión y de caudal.
91
6.1.5 Sistema electrónico En la Figura 28 se muestra la distribución espacial de las
tarjetas electrónicas dentro de la Caja Principal que a su vez se sub divide en varios
módulos a continuación:
• Tarjeta Principal
• PWM 1, 2 y 3
• Reles
• Fuente de Poder
• Arranque
El sistema electrónico es el encargado de brindarle las señales necesarias al sistema para
poder realizar el proceso, como por ejemplo el microcontrolador Basic x-24 envía el
voltaje necesario a los drivers de los motores para poder posicionarlos y así generar la
presión y caudal necesarios para realizar la embutición, los relés de estado sólido que
proporcionan la corriente requerida por los solenoides de las válvulas direccionales para
accionar los cilindros. Siguiendo con la Figura 28, la caja principal cuenta con conectores de entrada y salida los
cuales son: un puerto serial para comunicarse con el PC para transmitir las variables del
sistema, uno de alimentación desde la línea monofásica 110V el cual es recibido por la
fuente de poder que a su vez convierte y distribuye el voltaje necesario para los sistemas
electrónicos y eléctricos, dos puertos de entrada por los cuales ingresan las señales de
los finales de carrera, los botones y los voltajes de los sensores, cinco de salida en donde
tres de ellos son utilizados para los motoreductores y los otros dos para proporcionar la
corriente necesaria a los solenoides.
Los módulos internos que componen la caja principal se explicaran en los siguientes apartados.
92
Figura 28. Esquema de la caja principal
Tarjeta Principal
PWM
PWM
PWM
Relé
Relé
Fuente de Poder
AI DIAO
DO
PC
110 VAC
MR1
MR2
MR3
SoS1
S2S3
Spe
Sps
Sh
FC2
FC3
FC1 Start/Stop
Puerta
Emergencia
Caja Principal
93
6.1.5.1 Tarjeta principal La tarjeta principal tal como se observa en la Figura 29 es un
Módulo Electrónico que se encarga de la adquisición y control de las variables del
sistema. Dentro de esta se cuenta con un microcontrolador central que realiza todas las
funciones requeridas para llevar a cabo el control y la comunicación con el PC, debido a
que esta tarjeta interactúa con el exterior se hace necesario tener una etapa de
aislamiento óptico y una etapa de protección y acondicionamiento de las señales de
entradas.
Para programar el microcontrolador Basic X24 se usa un compilador basado en lenguaje
de programación PBasic de alto nivel, permitiéndonos así una buena compatibilidad con el
Software desarrollado para el sistema. La comunicación con el PC se realiza a través del
puerto serial usando un protocolo de comunicación propio del sistema. En la tabla 21 se
muestra la lista de los elementos de la tarjeta principal.
Figura 29. Esquema de la tarjeta principal
AI DI
AO
DO
Acond. Acople Ó
Aco
ple
ÓA
cond
.
Con
ec.
DB
9
Microcontrolador Basic X24
12V, 1A GND
94
Tabla 21. Listado de los elementos de la tarjeta principal
Cantidad Elemento Descripción
1 DB9
1 Conector Hembra 2 Pines, I <1A
1 Conector Macho 2 Pines, I <1A
1 Conector Hembra 2 Pines, I =2A
1 Conector Macho 2 Pines, I =2A
1 Conector Macho 4 Pines
1 Conector Hembra 4 Pines
2 Conector Hembra 3 Pines
2 Conector Macho 3 Pines
1 Conector Hembra 6 Pines
1 Conector Macho 6 Pines
12 Opto acoples MOC 3010
1 LM 7805 Regulador de voltaje a 5V
1 LM 7812 Regulador de voltaje a 12V
1 Base de 24 pines
1 Microcontrolador Basic X24
6 Resistencias
6 Condensadores
La tarjeta aun no esta construida debido a que no se cuenta con el microcontrolador, pero
se ha usado un software CAD-CAM electrónico para diseñar su respectivo circuito
impreso (PCB). Teniendo en cuenta la importancia de este microcontrolador se muestra
en la tabla 22. las especificaciones técnicas de este.
95
Tabla 22. Especificaciones del microcontrolador MICROCONTROLADOR BASICX24 No.
9
Cantidad: 1
Empresa NETMEDIA
Unidades: ISO
Características Generales y Eléctricas
Canales analógicos: 8 ADC 10 bits Alimentación: 4.8 V a 15 VDC Vel. de muestreo: 6000 muestras/s Corriente requerida: 20 mA de salida y
10 mA de entrada Vel. de Transmisión: 0.3 a 460.8 Kbaudios Capacidad EEPROM: 32 KB SPI
Tiempo real, Multitarea y Punto Flotante Capacidad RAM: 400 Bytes Uso e Importancia: Este elemento es usado para controlar y comunicar las variables del proceso.
6.1.5.2 PWM 1,2 y 3 En la Figura 30 se puede apreciar la composición interna del sistema
microcontrolado que genera la potencia requerida por el Motoreductor. Esta tarjeta tiene
como entrada de referencia un canal analógico de 0 a 5v la cual indica el sentido y la
velocidad del Motoreductor tomando como cero 2.5v. Por ejemplo 0v indica máxima
velocidad en sentido antihorario y 5v indica máxima velocidad en el otro sentido. Como
acción de control tiene una salida de voltaje aplicado al motor con técnicas PWM (Pulse
Width Modulation) Bipolar el cual nos permite aumentar el factor de potencia del sistema
electrónico que compone el puente H de Mosfets; además la utilización de Transistores de
potencia Mosfets nos brinda mayor corriente de trabajo y cuenta con características tales
como rápida respuesta y su excitación por niveles de voltaje y no por corriente.
El microcontrolador Motorola 68HC908JK3 es el encargado de generar el ancho de pulso
bipolar en niveles de tensión TTL que posteriormente el circuito integrado IR2110 acciona
los Mosfets IR101 del puente H. El lenguaje de programación del microcontrolador es el
ASSEMBLER y requiere un hardware adicional para la descargar el programa a la
memoria.
96
Figura 30. Esquema del Sistema PWM
En la tabla 23. se tiene el listado de partes que componen la tarjeta PWM y en La tabla
24. muestra las especificaciones técnicas del microcontrolador Motorola 68HC908JK3.
Mic
roco
ntro
lado
r M
otor
ota
68
HC
908
JK3
Compuertas
IR 2
110
Puente
H
Mosfet
IR 2
110
LM 7812
48V 5V GND
48V 5V GND
GN
D
A
DC
97
Tabla 23. Listado de elementos de las tarjetas PWM Cantidad Elemento Descripción
3 Microcontrolador Motorota
68HC908JK3
6 IR2110 Driver para mosfets
16 Mosfets IRFZ44
4 74LS06 Negadores Open Collector
16 4081 Cmos Nand Open Collector
5 LM7812 Regulador de voltaje a 12V
4 Cristal 5MHz
16 1N4148 Diodos
50 Resistencias 4.7 Kohms
30 Resistencias 47 ohms
5 Resistencias 22 ohms ½ W
10 Resistencias 100 ohms
16 Resistencia 10 ohms
20 Resistencia 1 Kohms
5 Condensadores 22 µF
16 Condensadores 0.001 µF
16 Condensadores 0.047 µF
3 PCBs Baquelita y serigrafía
3 Conectores Hembra Para dos cables Imax =3A
3 Conectores Macho PCB Para dos cables Imax =3A
3 Conectores Hembra Para dos cables Imax =1A
3 Conectores Macho PCB Para dos cables Imax =1A
6 Conectores atornillable PCB Para tres cables
1 Cable Plano 4 líneas
98
Tabla 24. Especificaciones del microcontrolador
MICROCONTROLADOR MOTOROLA 68HC908JK3
No. 10
Cantidad: 3
Empresa MOTOROLA
Unidades:
ISO
Características Generales y Eléctricas Canales analógicos: 12 ADC 8 bits Alimentación: 6 VDC Cristal: 5 MHz Corriente máx. requerida: 100 mA de
salida y entrada Rango de Temperatura: -40 a 80 ºC Capacidad memoria FLASH : 4 KB
Módulos PWM de 8 bits Capacidad RAM: 128 Bytes Uso e Importancia: Este elemento es usado para controlar el ancho de pulso suministrado al Motoreductor.
6.1.5.3 Relé Para accionar las válvulas direccionales la corriente suministradas por el
microcontrolador es muy baja, por este motivo los Relés de estado sólido son usados para
proporcionar la potencia requerida por la bobinas de la válvulas direccionales con alta
frecuencia de conmutación. Estas bobinas o solenoides necesitan una tensión de 24 VDC
y una corriente de sostenimiento de 1.8 A.
En la Figura 31, se muestra la distribución del PCB de los Relés. Esta tarjeta cumple con
la modularidad del sistema permitiendo el intercambio de estas. En la tabla 25 se muestra
algunos de los elementos que lo componen.
99
Figura 31. Esquema de la placa portadora del Relé
Tabla 25. Listado de elementos de la tarjeta de Relés Cantidad Elemento Descripción
4 Relés de estado sólido I = 6 A
6 Conectores Atornillable Para dos cables
2 Conectores Macho Para dos cables
2 Conectores Hembra Para dos cables
2 PCBs Baquelita y serigrafía
Entrada 0-1 GND
24V 1A Salida GND
24V 1A GND
Relé de Estado Sólido
24V 1A
GND
100
6.1.5.4 Fuente de poder Todos los circuitos anteriormente nombrados requieren una
alimentación eléctrica para poder funcionar, siguiendo la arquitectura del sistema la fuente
de poder (ver Figura 32) esta compuesto por un solo modulo que se conecta con todos los
módulos restantes proporcionándole su respectiva alimentación eléctrica.
En la tabla 26 se muestra los elementos requeridos.
Figura 32. Esquema de la fuente de poder
Tabla 26. Listado de elementos de la tarjeta fuente de poder
Cantidad Elemento Descripción
1 Transformador 110 AC Salidas 7V,15V,28V,54V
4 Puentes de Diodos
4 Filtro
6 Conectores Atornillables Para dos cables
1 LM 7805 Regulador de voltaje a 5V
1 LM 7812 Regulador de voltaje a 12V
1 PCB Baquelita y serigrafía
Tran
sfor
mad
or
Pue
nte
Rec
tific
ador
D
e D
iodo
s Filtros
781
24V, 3A 12V, 1A 12V, 1A
48V, 3A GND5V, 1A GND
110 VAC
101
6.1.5.5 Arranque Debido a que el motor de la unidad hidráulica cuenta con una alta
potencia (15HP) no se debe realizar un arranque directo ya que adsorbería una corriente
muy alta de línea; por lo cual se debe realizar un arranque tipo estrella-delta (ver Figura
33a) que consiste en realizar un arranque suave (estrella) permitiendo que cada bobina
reciba una tensión equivalente a la tensión de fase, luego de alcanzar el 80% de la
velocidad nominal del motor se pasa a un arranque fuerte (delta) permitiendo que cada
bobina reciba una tensión equivalente a la tensión de línea; en esta figura se observa las
lineas R, S y T que son las líneas de alimentación trifásica, los contactores observados
(C1, C5 y C3) son los encargados de permitir el cambio de configuración de la
alimentación del motor y es necesario contar con una caja de fusibles (F) que sirve de
protección al motor.
En la Figura 33b, se observa el diagrama cableado del arranque estrella triangulo como
se debería de montar; La función de este montaje es permitir el cambio de configuración
de la alimentación del motor de estrella a delta, teniendo en cuenta que el tiempo en el
que se debe realizar el cambio de configuración es cuando el motor alcance el 85% de su
velocidad nominal se hace necesario contar con un temporizador (C10) que al cumplirse
el tiempo establecido acciona su contactor auxiliar provocando el cambio de configuración
por intermedio de los contactores C3 y C5 sin la posibilidad de presentarse un
cortocircuito; Los pulsadores S0 y S1 son accionados solamente por el usuario y son los
encargados de dar el inicio y parada respectivamente. En la tabla 27 se pueden ver los
elementos que componen dicho arranque y en la tabla 28 se muestra un listado de
algunos otros elementos necesarios para el sistema eléctrico.
102
Figura 33. (a) Diagrama de arranque estrella-triangulo, (b) Cableado
M AC3
F
R S T
C1
C5 C3
v u
w yx
z
Contactor estrellaContactor delta
C1 C10 C5 C3
C3 C10 C1
S1
So
S
R
C3 C5 C5
(a)
(b)
103
Tabla 27. Listado de elementos del arranque
Cantidad Elemento Descripción
1 Relé térmico Imax>58%Inom
1 Contactor de Red AC3 Imax>58%Inom. 2 Aux. NA
1 Contactor “triangulo” Imax>58%Inom. 2 Aux. NC
1 Contactor “estrella” Imax>33%Inom. 1 Aux.
NC,1 aux.NA
1 Temporizador de 1 a 20s 1 aux NA, 1 aux NC
1 Caja metalica Soporte del arrancador
5m Cable para AC3
1 Plug in AC3
1 Toma AC3
1m Regla para montaje de contactos
3m Cubierta protectora de cables Diam=1”
Tabla 28. Listado de otros elementos
Cantidad Elemento Descripción
1 Caja principal Ancho= ,Alto= , Profundo=
Cubre cables
3m Cable de conexión
1 Botón de encendido N.C
1 Botón de apagado N.A
2m Tubo cubre cable
2 Transductores de Presion
1 Clarostato 100K , 20 Vueltas
104
6.2 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE El sistema completo esta compuesto por un software embebido en el microcontrolador y el
otro esta instalado en el PC; El software del PC esta desarrollado para trabajar en el
sistema operativo Windows usando el Visual Basic 6.0 como herramienta de desarrollo, el
objetivo principal de este es servir de interfaz entre la máquina y el usuario permitiendo la
configuración y monitoreo de todas las variables del proceso de embutición.
Para el desarrollo del software es necesario tener en cuenta los siguientes puntos:
• Usuarios
Los posibles usuarios del software son los estudiantes, docentes, personal de
laboratorio y técnicos de mantenimiento.
• Metas
La metas propuestas son: buena comunicación entre el software y el
microcontrolador, monitoreo y configuración de variables, visualizar animación 3D,
permitir almacenamiento de los datos del proceso y disponer de ayudas
necesarias para el manejo adecuado del software.
• Funciones
Básicas
- Mostrar opciones de manejo online u offline con la máquina.
- Solicitar y verificar contraseña para acceder al sistema.
- Mostrar la función de los componentes (botones, caja de texto y casillas
de opción).
- Configurar parámetros de funcionamiento.
- Verificar puerta y botón de emergencia.
105
Comunicación
- Verificar puerto serial.
- Establecer comunicación con el microcontrolador.
- Validar protocolo de comunicación con el microcontrolador.
Monitoreo
- Visualizar los datos leídos (textual y gráficamente).
- Visualizar el estado de la máquina.
- Visualizar el estado de la comunicación.
Control
- Verificar estado del subsistema (microcontrolador-máquina).
- Verificar e impedir errores o inconsistencias de datos recibidos.
- Verificar botón de encendido.
Registro
- Permitir almacenamiento de datos obtenidos en disquete y disco duro.
- Imprimir datos almacenados.
- Permitir cambio de contraseña.
Animación 3D
- Animar objetos 3D involucradas en el proceso (sujetador y punzón-
acople).
- Permitir animación offline del proceso.
- Controlar animación por intermedio de botones.
106
Para entender el comportamiento del sistema en necesario establecer la relación entre el
usuario y el software; se puede observar en la Figura 34 los casos de uso del sistema. En
la Figura 35, se muestra la representación conceptual de los objetos reales y virtuales que
se relacionan entre si.
Figura 34. Diagrama de casos de uso
Configurar Sistema
Iniciar sistema
Permitir Acceso
Comunicación
Reparación y Mantenimiento
Alimentar y retirar Material
Control del Proceso
Personal de Laboratorio
Estudiantes y Docentes
Técnico
Microcontrolador
107
Figura 35. Diagrama conceptual
Contraseña
Impresión
Almacenamiento
Unidad 31/2
COM. Datos
Listas
Controlador
Animación
Micro Controlador
Configuración
Periféricos de Entrada
Usuario
Impresora maneja
1...* ...*
* maneja los 1
Per
mite
la
2
1...*
Per
mite
el
2
1...*
1
1...*
Ingresa
1
*
Valid
a
1...3
1
Registra la
*
2 1
Habilita
1…*
Actualiza
*
1
Act
ualiz
a
1
1 Habilita
2
1
Graficas
Act
ualiz
a
1
1
Habilita
2
3
1
1
Ventana
Se V
isua
liza
en
3
1 Observa
*
1…3
Reg
istra
1
*
Enví
a
1
5
Rec
ibe
1
5
Escribe en 5 1
Lee del
1 5
Verifica 1
1
Lee
y
Escr
ibe
1
1 Guarda en
*
1 1
1
1…*
1…*
Lee
Puerto COM
Visu
aliz
a en
Controla
108
6.2.1 Manejo del software El manejo del software se facilita gracias al uso de
ventanas tipo Windows que los usuarios están acostumbrados a manipular. Inicialmente el
curso normal de eventos es el siguiente:
- Iniciar el programa
- Ingresar contraseña de usuario (ver Figura 36)
Figura 36. Ventana de acceso
- Seleccionar modo “online” o “offline” el cual se refiere a trabajar con la máquina o
sin ella (ver Figura 37).
Figura 37. Selección del modo de operación
- Aparece una ventana como se muestra en la figura 38, luego se presiona el botón
“Nuevo Laboratorio”
109
Figura 38. Barra de herramientas de la ventana principal
- Al realizar el paso anterior aparece dentro de la ventana principal el panel de
configuración mostrado en la Figura 39. En este panel se visualiza las cuatro
variables configurables, el cual estos valores pueden ser modificados arrastrando
la barra de desplazamiento de izquierda a derecha. Figura 39. Panel de configuración del proceso
Nuevo Laboratorio
110
- Luego de presionar aplicar se despliega la ventana de Animación 3D (ver Figura
40) y aparecen en la barra de herramientas otros botones mostrados en la Figura
41.
Figura 40. Ventana de animación 3D
Figura 41. Barra de herramientas después de aplicar la configuración
- Dentro de la misma barra de herramientas el boton de monitoreo despliega una
ventana en donde se encuentran las graficas contra el tiempo (ver Figura 42).
Botones de Control de Animación 3D Panel de
ConfiguraciónMonitoreo
Animación 3D
111
Figura 42. Ventana de monitoreo
El curso normal de eventos mostrado usa las funciones anteriormente mencionadas pero
algunas de estas se encuentran en la fase de desarrollo y montaje como lo son las
funciones de comunicación, control y registro; debido a que están supeditadas al montaje
de otros elementos de hardware e instrumentación.
6.3 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE PARA EL MICROCONTROLADOR BASICX-24
Dentro de la tarjeta principal el Microcontrolador BasicX-24 es el encargado de controlar y
comunicar variables del proceso; este sub-sistema es el de mayor importancia ya que en
él recae la responsabilidad de controlar el proceso, teniendo en cuenta el número de
variables a controlar y las relaciones existentes entre ellas hacen que se oriente a la
implementación de un sistema de tiempo real.
112
El BasicX-24 cuenta con un software para realizar la descarga del programa a la memoria
EEPROM por intermedio del puerto RS232; este software permite programar en lenguaje
PBasic con comandos similares al manejado en Visual Basic 6.0. Teniendo en cuenta que
este trabaja con multitareas las tareas del software son:
• Lectura de Sensores
• Control de Posición del Punzón
• Control de Velocidad del Punzón
• Control de Fuerza del Punzón
• Control de Presión de Sujeción
• Comunicación
Los estados que maneja el sistema son:
• Encendido
• Espera
• Pisador Abajo
• Pisador Arriba
• Punzón Abajo
• Punzón Arriba
• Emergencia
• Error
Los estados anteriormente nombrados son manejados tanto por el microcontrolador como
por el PC, pero el PC tiene mayor prioridad en el manejo de estos ya que dentro del
sistema este es el maestro y el BasicX-24 es el esclavo.
Para poder realizar un software de tiempo real es necesario tener una validación funcional
y una temporal. La validación funcional se hace a través de un diagrama de objetos del
sistema (HRT-HOOD) y redes de Petri; el diagrama de objetos del sistema que se
muestra en la Figura 43 es uno de los resultados del proceso de diseño de sistemas de
tiempo real HRT-HOOD.
113
Figura 43. Diagrama de objetos del sistema
LABORATORIO DIDÁCTICO DE EMBUTICIÓN
SENSORES
POS PUNZON PRESION EMBUTICIONPRESION SUJECION
SERVO - VALVULAS
YO, Y1, Y2, Y3 VOLTAJE PRESION EMB.VOLTAJE PRESION SUJ. VOLTAJE CAUDAL EMB. DIRECCION
CONTROL
REF. H,Ve,Fe,Ps POS PUNZON PRESION EMBUTICIONPRESION SUJECION PUERTA EMERGENCIA INICIO FC1,FC2,FC3 PC
REF. H,Ve,Fe,Ps ESTADO POS PUNZON PRESION EMBUTICIONPRESION SUJECION ERROR INICIO
BOTONES
INICIO EMERGENCIA PUERTA
Datos leídosPos P, P Emb., P Suj.
Pre-condiciones
Estado Estado
Enviar Referencias
Esta
do d
e
los
cilin
dros
Estado YO, Y1, Y2, Y3 Dirección
Voltajes
FINALES DE CARRERA
PUNZON ARRIBA (FC1) SUJETADOR ABIERTO (FC2)SUJETADOR CERRADO (FC3)
114
El análisis de temporal se debe tener en cuenta el plazo y el periodo de cada una de las
tareas, además el tiempo de respuesta del microcontrolador determina el tiempo de
cómputo del sistema. Este análisis temporal se encuentra en desarrollo ya que se está
estudiando la modificación del planificador de tareas tipo FIFO (First Input- First Output)
que tiene el BasicX-24 de tal manera que se pueda asignar prioridades a las tareas.
6.3 CONTROL El control del sistema como se menciono anteriormente se encuentra embebido en el
microcontrolador BasicX-24; para la realización del sistema de control se ha seleccionado
una topología de control digital. En la Figura 44 se puede observar el esquema de la
topología de control a utilizar; en esta Gc(z) hace referencia al modelo (ecuación de
diferencia) del controlador usado, Gp(z) al modelo de la planta y Gs(z) al modelo del
sensor.
Figura 44. Esquema del lazo de control general
Para este proyecto el modelo de la planta depende de 4 variables como lo son fuerza de
embutición, velocidad de embutición, altura de embutición y presión de sujeción, lo cual
lleva a que el modelo a encontrar para la planta sea difícil de identificar; por esta razón se
debe buscar una posible solución que satisfaga todas las expectativas sin tener que
cambiar de topología de control. Actualmente se encuentra bajo análisis la teoría de
control conocida con el nombre de control en cascada cuyo esquema se puede observar
en la Figura 45.
Referencia +
- Gc(Z) Gp(Z)
Gs(Z)
Salida
115
Figura 45. Esquema de lazo de control en cascada
Como se observa en la Figura 45 para el control en cascada se hace necesario conocer
los lazos de control los cuales son: un lazo de control para la velocidad de embutición,
otro para la fuerza de embutición, un lazo de control para la altura de embutición y el
último para la presión de sujeción.
Para la realización del sistema de control es necesario identificar el lazo de control más
importante para controlarlo primero, luego se debe identificar que lazo se ve mas afectado
por el lazo mas importante para que este me brinde la señal de entrada a dicho lazo de
control. Para este sistema el lazo de mayor importancia es el lazo encargado de la
posición ya que esta variable afecta directamente al lazo de control de la presión de
sujeción y brinda el punto de partida para el lazo de control de la fuerza de embutición.
Como se observó en la Figura 44 para realizar un control es necesario tener elementos
que midan las variables a controlar, en este caso como elementos de medición de las
variables a controlar se tienen: dos transductores de presión y un sensor de posición
lineal. En la Tabla 29 se pueden observar las especificaciones técnicas de los
transductores de presión, para el sensor de posición lineal no se encuentran aun las
especificaciones porque se cuenta con diferentes opciones pero el sensor que mas se
ajusta a nuestras necesidades hasta el momento se puede observar en la Tabla 30.
116
Tabla 29. Especificaciones técnicas del transductor de presión TRANSDUCTOR DE PRESION No.
11 Cantidad: 2
Empresa KOBOLD
Unidades: ANSI
Características Generales y Eléctricas
Rango de medición = -1 a 600 bar
Material = Acero Inoxidable y Material Cerámico
Precisión = 0.5 a 1% f.s.d
Repetibilidad = 0.3%
Voltaje de salida = 0-5 VDC Temperatura máx. de trabajo = 100 °C
Voltaje de alimentación = 15 a 32 VDC Tipo de conector = G ½ pulg. Macho Respuesta temporal = ≤ 1 ms Conector eléctrico = DIN 43 650 A Uso e Importancia: Es el elemento encargado de transmitir el voltaje correspondiente a la presión en la que se encuentra al microcontrolador. Tabla 30. Especificaciones del sensor de posición lineal SENSOR DE POSICIÓN No.
12 Cantidad: 1
Empresa NOVOTECHNIK
Unidades: ISO
Características Generales y Eléctricas
Rango de medición = 0-150 mm
Material = Aluminio anodizado
Linealidad = 0.075 %
Repetibilidad = 0.002 mm
Grado de protección = IP 40 Rango de temperatura = -30 a 100 °C
Voltaje máximo de operación = 42 VDC Velocidad máx. de operación = 10 m/s Resistencia nominal = 5 KΩ Uso e Importancia: Es el elemento encargado de transmitir el voltaje correspondiente a la posición del vástago del cilindro de embutición.
117
7 PROTOTIPADO
Dentro de los prototipos a usar tenemos: un prototipo analítico como lo es el
modelamiento en CAE (Working Model) de los elementos que participan en la Embutición.
Un prototipo físico que seria la representación de un sistema hidráulico usando
neumática y uno de uso milestone tipo preserie en cuanto al software a diseñar; los
anteriores al del software son prototipos de aprendizaje ya que ayuda al grupo de
desarrollo a confrontar los conceptos anteriormente seleccionados.
Planificación La estructura de soporte es el modulo de mayor importancia porque brinda el soporte de
todos los elementos, de acuerdo lo anterior se hace muy importante tener un prototipo
analítico con el fin de prever algún problema que se presente a la hora del
funcionamiento; con ayuda de una herramienta CAE se puede analizar los puntos de
mayor concentración de esfuerzo para así seleccionar el perfil mínimo adecuado sin llegar
a sobre dimensionamientos innecesarios (ver Figura 46).
El esquema mostrado en la Figura 47 es un prototipo analítico que se realizó para validar
el modulo hidráulico usando un software demo para sistemas hidráulicos y neumáticos
(Fluid Sim) hecho por FESTO, esto ayudó a confrontar si el concepto anteriormente
seleccionado cumple con los requerimientos funcionales;
En la Figura 48, se muestra el prototipo físico que se usó la neumática en ves de la
hidráulica y actuadores pequeños con el fin de hacer fácil el análisis y el rediseño del
concepto, además se encuentran disponibles dentro de la institución.
Por ultimo se hizo el prototipo del software que implementó un sistema de monitoreo que
tuvo como funcionalidad la comunicación entre la máquina y el usuario por medio de una
monitorización constante de las variables presentes en el proceso; Se puede decir que
este prototipo es una preserie pues no se justifica realizar un software para realizar
pequeñas pruebas.
118
Figura 46. Prototipo analítico de la estructura de soporte
Este prototipo analítico utilizado realizado en Working model 2D se realizo para evaluar el
comportamiento de las vigas y columnas que componen la estructura de soporte;
analizando estos resultados y comparándolos con los obtenidos en el apartado 4.2.3.4
(Pág.. 44) se pudo observar que la estructura diseñada no presenta cambios elásticos
(deformaciones) críticos que afecten al sistema por lo cual a través de esta simulación se
aumenta el nivel de certeza para la selección de los perfiles adecuados y a su vez
indirectamente cual es la carga máxima presentada sobre los pernos de sujeción de la
viga AB con las columnas al igual que el esfuerzo presentado en las soldaduras (Vigas
CD y EF).
119
Figura 47. Prototipo analítico del sistema hidráulico
Este prototipo analítico realizado en Fluid Sim fue usado para validar el comportamiento
de los cilindros hidráulicos con sus respectivas fuerzas; este software es de mediana
ayuda pues posee pocos accesorios que son utilizados en el sistema hidráulico. Como
resultado se pudo detectar que la utilización de las válvulas direccionales era la adecuada
al igual que la presión y caudal suministradas por la unidad hidráulica.
120
Figura 48. Prototipo físico
Este prototipo físico a escala 1:2 fue realizado para evaluar conceptos tales como: forma
de la estructura, ubicación y estado de los cilindros, comunicación de la variable velocidad
del cilindro de embutición que se realizo por intermedio de dos PC’s en donde uno de
ellos representó funcionalmente al microcontrolador BasicX-24 usando una tarjeta de
adquisición de datos (DAQ PCI 1200 de la National Instruments).
Este prototipo físico dio como resultado que la estructura podría ser de dos niveles, los
cilindros deberían ser sujetos mediante pernos y su ubicación, las válvulas direccionales
deben de tener una etapa de potencia previa y acondicionada, el protocolo de
comunicación debe ser lo suficientemente estable y seguro y el uso del encoder lineal
incremental no era conveniente debido a la baja resolución que se necesitaría para tener
variaciones pequeñas de posición.
Cilindro neumático
Estructura de soporte
Válvulas Direccionales
121
8 CONCLUSIONES
• El proyecto tiene una amplia cobertura en diferentes áreas de la ingeniería
permitiéndonos adquirir mejores criterios para el desarrollo de proyectos mecatrónicos
industriales.
• Se construyó la estructura teniendo en cuenta factores económicos y su manera de
adquirirlos.
• El proceso de manufactura de los elementos del sistema de embutición fueron
realizados por una empresa manufacturera debido a que los equipos y herramientas
de los laboratorios de la Universidad Autónoma de Occidente no contaban con la
suficiente potencia ni el espacio suficiente.
• Se efectuó la selección de elementos electrónicos y eléctricos teniendo en cuenta
factores tanto económicos como funcionales y de adquisición.
• Se obtuvo mejor aprendizaje de los sistemas hidráulicos y de sus componentes
estandarizados.
• EL modelamiento en UML y el HRT-HOOD permitió abstraer mejor los conceptos,
clases y objetos manejados dentro del software tanto del PC como de los
microcontroladores.
• La arquitectura modular usada favoreció en el diseño concurrente ya que al tener
especificado cada modulo de estos se pudieron implementar individualmente.
• El manejo de cotizaciones y proveedores nos enriquecieron en cuanto a la utilización
de partes estandarizadas y el léxico a nivel comercial, permitiendo realizar diseños
más rápidamente.
122
9. POSIBLES MEJORAS DEL PROYECTO
Dentro de las posibles mejoras se pueden tener las siguientes:
• Implementar una máquina troqueladora para la realización de discos metálicos que
posteriormente serán embutidos por el sistema. Dicha máquina es esclavo del sub-
sistema microcontrolador por el BasicX-24; en la Figura 49, se muestra un concepto
en 3D realizado con Solidworks el cual consta de un volante, biela, pasador, matriz
cilíndrica y punzón cilíndrico.
Figura 49. Explosión del Sistema de Troquelado
• El sistema de alimentación de material es otra de las posibles extensiones del
sistema, este alimentador es un brazo posicionador de la lamina troquelada hacia la
matriz del sistema de embutición; en la Figura 50, se aprecia el esquema en bloques
funcionales interactuando con el sistema de manufactura.
Biela
Pasador
Volante
Punzón Cilíndrico
Matriz Cilíndrica
123
Cabe aclarar que el sistema de alimentación junto con la máquina troqueladora hacen
un solo modulo llamado “Modulo de Alimentación de Material”. El la Tabla 31, se
muestran algunas de las especificaciones fundamentales del sistema de alimentación. Figura 50. Esquema del sistema con el brazo alimentador
En la Figura 51, se visualiza todos los sistemas en conjunto para una ejecución de
troquelado a nivel industrial y el usuario en este caso es un operario. Respecto al nivel de
gestión se manejarían datos de la cantidad de laminas embutidas producidas y la
cantidad de material empleado y en existencia dentro del almacén de materia prima. • Otra mejora es permitir flexibilidad para realizar trabajos de prensado de múltiples
propósitos dentro de las actividades internas del laboratorio; esto se puede llevar a
cabo con juego de piezas metálicas para el prensado de tal manera que la matriz o el
punzón no se vean afectadas.
CPU de Monitoreo
EfectorMotoreductor
+ Cremallera
Puente H Mosfets
Microcontrolador Esclavo Motorola 68HC908
MicrocontroladorMaestro
Basic X-24 Setpoints
Potenciometro Lineal
In: Inicio Out: Listo
position PWM
Puerto Serial RS232
Teclado Usuario
position
Corriente
Fuerza +
Movimiento
Motor de Troqueladora
124
• A través de la computadora de monitoreo, el sistema de almacenamiento FESTO , la
banda transportadora y un brazo manipulador puede generar una celda de
manufactura flexible, dándole mayor nivel tecnológico al sistema de manufactura .
En la Figura 52 se muestra un brazo manipulador de lamina embutida el cual
transportaría desde la matriz de embutición hasta la banda transportadora la lamina
terminada de manera sincronizada con el sistema de almacenamiento FESTO. Este
dispositivo cuenta con un prediseño. Tabla 31. Especificaciones del sistema de alimentación
POSICIONADOR DE LAMINAS (DISCOS)
DE ALUMINIO PARA EMBUTIDO
Esp. Eléctricas y Electrónicas Esp. Mecánicas Voltaje de alimentación: Máx. 24 VDC Dimensión Máx.: 600x400x50mm Corriente Requerida: Min. 0.5 A Peso Máx.: 1 Kgf (10 N) Vol. Entrada Digital (Inicio): 5 VDC Fuerza Aplicada: 8 Kgf (80N)
Vol. Salida Digital (Listo): 5 VDC Velocidad Máx.: 500 mm/s
Tipo de Sensor :Potenciómetro Lineal Tiempo de Ejecución: 4 s Tipo Motor: DC Brusless Long. Máx.: 0.25 m
125
Figura 51. Interacción del usuario en un ambiente industrial
Figura 52. Brazo manipulador de láminas embutidas
Maquina de Estados por
Puerto LPT del PC
Discos de Al Sistema de Manufactura
Posicionador de Laminas
Usuario / Operario
Ordenes
supe
rvis
a
HabilitaMaterial EmbutidoSelección y control de calidad
1.1 Zona Funcional
Laboratorio de Sistemas de Manufactura
Troquel
Laminas En Rollo
AlmacénM.P
Base De
Datos
Eternet (TCP/IP)
Operario
MaterialProveedor
Nivel de Gestión
126
BIBLIOGRAFÍA
AMPUDIA, Danilo. Accionamientos Hidráulicos. Cali : Servicios editoriales Facultad de
Ingenierías (UV),1996. 412p.
CÓRDOBA, Carlos F.; SALAZAR, Emerson. Cálculo de Elementos de Máquinas.
Santiago de Cali, 1996. 426h. , + 6 anexos. Tesis (Ingeniero Mecánico). Corporación
Universitaria Autónoma de Occidente
GROOVER, Mikell. Fundamentos de Manufactura Moderna. Ciudad de México : Prentice
Hall Hispanoamericana, 1997. 1062p.
NORTON, Robert. Diseño de máquinas. México : Prentice Hall, 1999. 1048p.
OEHLER, Gerhard. Herramientas para Troquelar, Estampar y Embutir. 6 ed. Barcelona :
Gustavo Gili, 1977. 719p.
SHIGLEY, Joseph E.. Diseño en Ingeniería Mecánica. 5 ed. Ciudad de México : Mc. Graw
Hill, 1994. 1540p.
ULRICH, Kart. Product Design and Development. 2 ed. New york : Mc. Graw Hill, 2000.
358p.
127
ANEXO A . Tabla de factores de esfuerzo para cilindros
fuente: Figura VI-5, Ampudia Echeverri, Danilo. “Accionamientos Hidráulicos”
128
ANEXO B. Dimensiones normalizadas de cilindros
fuente: Tabla VI-2A-2B, Ampudia Echeverri, Danilo. “Accionamientos Hidráulicos”
129
ANEXO C. Diagrama de fuerza de embutición según siebel y oehler
fuente: Oehler Gerhard, “Herramientas para Troquelar, Estampar y Embutir”. Pág. 318
130
ANEXO D. Determinación de la presión de sujeción
fuente: Oehler Gerhard, “Herramientas para Troquelar, Estampar y Embutir”. pág.338.
131
ANEXO E. Formas de la lamina embutida
fuente: Oehler Gerhard, “Herramientas para Troquelar, Estampar y Embutir”; pág.352.
132
ANEXO F. Tabla de selección del cono morse
133
ANEXO G. Plano de la matriz
134
ANEXO H. Plano del casquete
135
ANEXO I. Plano del pisador
136
ANEXO J. Plano del cono – punzón
137
ANEXO K. Plano cono - punzón detalle
138
ANEXO L. Plano acople
139
ANEXO M. Plano guía punzón
140
ANEXO N. Plano eje guia
141
ANEXO O. Plano de bujes
