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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA
Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO
“PROPUESTA DE PUESTA EN MARCHA DEL SISTEMA
HIDRÁULICO DE UNA MÁQUINA DOBLADORA
DE TUBOS MEDIANTE PLC”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTAN
CONTLA VALENZUELA JONATHAN ELI
LOPEZ VILLEGAS EDUARDO ALEJANDRO
ASESORES
M. EN C. TORRES RODRÍGUEZ IVONE CECILIA
M. EN C. DE LUCIO RODRÍGUEZ ERIKA VIRGINIA
CIUDAD DE MÉXICO, SEPTIEMBRE DE 2016
Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
AGRADECIMIENTOS
Primeramente agradezco a Dios, por darme la vida tanto espiritual como terrenal, así
como las facultades físicas e intelectuales para desarrollarme plenamente y cumplir
con mis metas a lo largo de mi vida espiritual, personal y secular.
A mi madre, por traerme a esta vida y enseñarme principios correctos que me han ido
formando para ser una persona de bien.
A mi padre, por enseñarme el principio de la disciplina y la obediencia a lo que es
justo.
A mis padres, por enseñarme a ser autosuficiente en el aspecto económico,
emocional, espiritual, de salud y de trabajo.
A mis hermanos, por verme siempre como un ejemplo de fortaleza y de alguien que
cumple lo que se propone en la vida; por el tiempo dedicado a reír, llorar, compartir,
aprender juntos y apoyarnos los unos a otros cuando lo hemos necesitado.
A mis tíos, que hicieron posible que yo continuará con mis estudios a nivel profesional
para lograr mi sueño de estudiar una carrera universitaria.
A mi alma mater, el Instituto Politécnico Nacional, que me vio formarme como técnico
e ingeniero, que despertó en mí el deseo de la mejora constante y el de compartir el
conocimiento con mis semejantes.
A mis compañeros durante este trayecto de formación vocacional y universitaria.
Porque no sólo fueron compañeros de estudio sino amigos y colegas que
compartieron conmigo conocimiento, experiencias y logros.
JONATHAN ELI CONTLA VALENZUELA
Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
RESUMEN
El presente trabajo presenta la propuesta para las modificaciones del sistema
hidráulico de una máquina dobladora de tubos circulares a un ángulo de 180° por
medio del PLC MicroLogix 1100.
Se revisó el estado actual de la máquina, adquirida por una empresa dedicaba a
fabricar intercambiadores de calor, entre otros equipos, con el propósito de mejorar la
calidad del doblado de tubos que se lleva a cabo de manera manual; reduciendo
tiempos, pérdidas de material y la cantidad de operadores involucradas en el proceso
del doblado de tubos.
Con el fin de alcanzar el objetivo, se determinó la secuencia de los cilindros hidráulicos
por medio de un diagrama de espacio-fase, se hicieron cálculos para determinar qué
tipo de cilindros son necesarios, el caudal total requerido por el sistema y la fuerza
necesaria para el curvado del tubo a 180°.
El PLC (Controlador Lógico Programable), fue la herramienta utilizada para la
simulación de la secuencia de los cilindros para el doblado de tubos y que, junto con
el diagrama en escalera y el diagrama de simulación de E/S, permitieron desarrollar
la propuesta de automatización para la máquina dobladora.
En este proyecto de tesis se propone una mejora del doblado de tubos de manera
manual simulando la automatización del doblado por medio del PLC. También se
determinó que es posible aumentar la producción, reducir la cantidad de operadores,
mejorar tiempos de producción y la calidad de los tubos doblados.
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ÍNDICE GENERAL
Glosario de términos y abreviaturas
Índice de tablas y figuras
Introducción……………………………………………………………………………...……I
Planteamiento del problema………………………………………………………………..II
Justificación del proyecto de tesis…………………………………………………………III
Objetivos…………………………………………………………………………………….IV
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
1.1 Marco conceptual………………………………………………………………………..2
1.1.1 Máquina dobladora de tubos…………………………………………………2
1.1.2 Métodos para el doblado de tubos…………………………………………...3
1.1.3 Sistema de potencia hidráulica……...……………………………………….5
1.1.4 Válvulas direccionales………………………………………………………10
1.1.5 Tubo de acero inoxidable AISI 304………………………………………..12
1.1.6 Ventajas y desventajas de las dobladoras de tubos hidráulicas……….12
1.1.7 Controlador Lógico Programable (PLC): Definición y operación……….13
1.1.8 Elementos internos del PLC………………………………………………..14
1.1.9 Lenguajes de programación..………………………………………………15
1.2 Marco contextual……………………………………………………………………….18
1.2.1 Antecedentes históricos de las dobladoras de tubos…………………….18
1.2.2 Trabajos similares realizados con anterioridad…………………………...20
1.2.3 Equipos que actualmente existen en el mercado…………………………21
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1.3 Marco legal y normativo….……………………………………………………………24
Capítulo 2 Análisis y evaluación del sistema manual utilizado para el doblado
de tubos
2.1 Análisis del sistema manual…………………………………………………………..26
2.1.1 Descripción del proceso actual para el doblado de tubos manual……...26
2.1.2 Descripción de la máquina dobladora de tubos manual……….………..28
2.1.3 Planteamiento del problema………………………………………………..28
2.2 Análisis de la factibilidad técnica de la propuesta de solución…….……………….29
2.2.1 Evaluación de la propuesta de solución……………………………………31
2.3 Propuesta general de solución………………………………………………………..31
Capítulo 3 Marco Metodológico
3.1 Metodología de solución para la automatización de la máquina dobladora de
tubos…………………………….…………………………………………………………..33
3.1.1 Reconocimiento de la máquina dobladora de tubos………….…………..34
3.1.2 Elementos necesarios para la automatización del sistema hidráulico…34
3.1.3 Determinación de la secuencia de operación de los cilindros
hidráulicos…………………………………………………………………………..35
3.1.4 Diagramas de simulación de la secuencia del doblado del tubo………35
3.1.5 Cálculos para el doblez del tubo…………...….…………………………..36
3.1.6 Análisis y selección de los elementos requeridos para la automatización
del sistema hidráulico…….……..………………………………………………………...38
Capítulo 4 Caso Práctico
4.1 Propuesta específica de solución…………………………………………………….40
4.1.1 Diagrama de espacio-fase………………………………………………….40
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4.1.2 Diagrama de simulación de los cilindros hidráulicos…………………….42
4.1.3 Diagrama en escalera………………………………………………………43
4.1.4 Diagrama de E/S del PLC…………………………………………………..44
4.1.5 Diagrama en escalera en el software del PLC…………………………...47
4.2 Cilindros hidráulicos y engranes mecánicos en Solidworks………………………48
4.3 Cálculos para el curvado del tubo…………………………………………………...49
4.3.1 Determinación de la fuerza en el curvado………………………………..50
4.3.2 Cálculo del momento plástico. …………………………………………….50
4.3.3 Cálculo de la fuerza de doblado. ………………………………………….52
4.3.4 Cálculo del torque…………………………………………………………...53
4.3.5 Cálculo del sistema hidráulico…………………………………………..…53
4.3.6 Cálculo del sistema eléctrico de la unidad de potencia hidráulica……..64
4.4 Costos de equipo, materiales y mano de obra……………………………………..65
Capítulo 5 Análisis y resultados de la producción de tubos doblados
5.1 Análisis de la propuesta generada dentro de la pirámide de la
automatización…………..…………………………………………………………………71
5.2 Resultados de producción obtenidos………………………………………………..72
Conclusiones
Conclusiones y Recomendaciones...……………………………………………….……74
Referencias y Bibliografía…………………………………………………………………76
Anexos………………………………………………………………………………………78
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GLOSARIO DE TÉRMINOS Y SIGLAS
TÉRMINOS
Automatización. Se refiere a una amplia variedad de sistemas y procesos que
operan con mínima, o incluso sin intervención, del ser humano
Caldera. Se describe como un generador de vapor o como la combinación de equipos
para producir o recuperar calor, junto con aparatos para transferir el calor disponible
a un fluido.
Calefón. Un calentador de agua, o calentador de lava, calefón, caldera o boiler es un
dispositivo termodinámico que utiliza energía para elevar la temperatura del agua.
Comprimir. Reducir a menor volumen una cosa, especialmente aplicando presión
sobre ella.
Control CNC. Es un sistema que permite controlar en todo momento la posición de
un elemento físico, normalmente una herramienta que está montada en una máquina.
Deformación. La deformación es cuando un cuerpo cambia de tamaño y de forma a
través de un esfuerzo interno producido o a través de fuerzas efectuadas sobre él.
Destilería. Lugar donde se realiza el proceso de la destilación
Elongación. Alargamiento de una pieza sometida a tracción antes de romperse.
Flexionar. Es la deformación que experimenta un elemento estructural alargado en
dirección perpendicular a su eje longitudinal.
Gasoductos. Es una conducción que sirve para transportar gases combustibles a
gran escala.
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Hidráulica. Es la tecnología que emplea un líquido, bien agua o aceite (normalmente
aceites especiales), como modo de transmisión de la energía necesaria para mover
y hacer funcionar mecanismos.
Horquilla. La horquilla es una pieza de la bicicleta o motocicleta formada por el tubo
de dirección y unos brazos que sujetan el buje de la rueda delantera.
Intercambiador de calor. Es cualquier dispositivo en el que se verifica un intercambio
de calor entre dos fluidos separados por una pared.
Materiales no ferrosos. Son todos los metales y aleaciones que no tienen en su
composición química Hierro. En general, son blandos y tienen poca resistencia
mecánica.
Oleoductos. Tubería para la conducción de petróleo desde el lugar de producción al
de embarque o desde el lugar de descarga al de refinado.
Radiador. Dispositivo que permite intercambiar calor entre dos medios, siendo uno
de ellos, el aire ambiente. Sirve para disipar calor de un objeto o aparato para evitar
su sobrecalentamiento o para aprovecharlo, calentando un espacio o un objeto.
Serpentín. Se denomina serpentín o serpentina a un tubo de forma frecuentemente
espiral, utilizado comúnmente para enfriar vapores provenientes de la destilación en
un calderín y así condensarlos en forma líquida.
Sistema hidráulico. Es un método de aplicación de fuerzas a través de la presión
que ejercen los fluidos.
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SIGLAS
AISI. Instituto Americano del Hierro y el Acero (American Iron and Steel Institute)
ASME. Asociación Americana de Ingenieros Mecánicos
AW. Antidesgaste (Antiwear)
CNC. Control Numérico Computarizado
CPU. Unidad Central de Procesamiento
PLC. Controlador Lógico Programable
DC. Corriente Directa
E/S. Entradas y Salidas
ISO. Organización Internacional de Normalización (International Organization for
Standardization)
mA. Mili Amperes
MPa. Mega Pascales
NEMA. Asociación Nacional de Manufactura Eléctrica
PIC. Circuitos Integrados Programables
VCD. Volts de Corriente Directa
VG. Grado de viscosidad (Viscosity Grade)
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Propiedades mecánicas del acero inoxidable AISI 304……………………12
Tabla 1.2 Principales elementos para el diagrama escalera………………………….17
Tabla 1.3 Características de diferentes PLC´s de la familia Allen Bradley………….22
Tabla 2.1 Comparación de ventajas y desventajas con sistemas similares………...30
Tabla 4.1 Variables declaradas de las entradas y salidas…………………………….45
Tabla 4.2 Comparación de características entre PLC´s compactos……………...….46
Tabla 4.3 Datos técnicos de la bomba hidráulica………………………………………49
Tabla 4.4 Características técnicas del motor de inducción……………………………64
Tabla 4.5 Catálogo de conceptos del equipo hidráulico……………………………….65
Tabla 4.6 Catálogo de conceptos del equipo eléctrico para automatizar el sistema
hidráulico…………………………….…………………………….………………………..66
Tabla 4.7 Catálogo de conceptos del equipo eléctrico para el sistema de potencia
hidráulica…………………………….…………………………….………………………..67
Tabla 4.8 Catálogo de conceptos de herramientas…………………………………….67
Tabla 5.1 Comparación de producción del sistema actual con el sistema
automatizado………………………………….…………………………….……………...72
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Doblado de tubo rotativo por compresión……………………………………4
Figura 1.2 Doblado de tubo por prensa…………………………………………………...4
Figura 1.3 Doblado por sistema de tres rodillos………………………………………….5
Figura 1.4 Componentes del sistema hidráulico…………………………………………6
Figura 1.5 Estructura de un cilindro de simple efecto…………………………………...7
Figura 1.6 Estructura de un cilindro de doble efecto…………………………………….8
Figura 1.7 Depósito hidráulico……………………………………………………………..9
Figura 1.8 Símbolo de válvula direccional 2/2………………………………………….10
Figura 1.9 Símbolo de válvula direccional 3/2……………………………………….…11
Figura 1.10 Símbolo de válvula direccional 4/2………………………………………...11
Figura 1.11 Símbolo de válvula direccional 4/3………………………………………...11
Figura 1.12 Diagrama de bloques del funcionamiento del ciclo de escaneo de un
PLC…………………………………………………………………………………………..13
Figura 1.13 Ejemplo de programación en diagrama escalera………………………...17
Figura 1.14 Dobladora de tubos manual………………………………………………...19
Figura 1.15 Curvadora de tubos MC400 NARGESA…………………………………..23
Figura 1.16 Máquina dobladora de tubos “Zeziola”…………………………………….24
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Figura 2.1 Proceso de doblado de tubo de manera manual……………………….….27
Figura 3.1 Pasos para la solución de doblado de tubos manual……..……………....33
Figura 4.1 Diagrama de espacio-fase de la secuencia de los cilindros de la máquina
dobladora de tubos………………………………..……………………………………….41
Figura 4.2 Diagrama de simulación de los cilindros de la máquina dobladora de
tubos………………………………..………………………………..……………………...42
Figura 4.3 Diagrama en escalera de la secuencia de la máquina dobladora de
tubos………………………………..…………………………………………………...…..43
Figura 4.4 Diagrama de simulación de E/S del PLC…………………………………...44
Figura 4.5 Programa de la secuencia del doblado del tubo en RSLogix 500……….47
Figura 4.6 Cilindros hidráulicos y engranes mecánicos de la máquina dobladora de
tubos en Solidworks………………………………..………………………………………48
Figura 4.7 Máquina dobladora de tubos en Solidworks……………………………….49
Figura 4.8 Distribución de la dobladora al momento del doblado…………………….50
Figura 5.1 Niveles de la pirámide de la automatización……………………………….71
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I
INTRODUCCIÓN
El doblado de tubos es un proceso que requiere experiencia, precisión y calidad,
puesto que un cálculo erróneo o exceso de fuerza puede arruinar el material tanto
mecánicamente como en estética. Las máquinas dobladoras de tubos, a diferencia
de las dobladoras manuales, son un buen aliado para una empresa que realiza estos
procesos, debido a que ofrecen un rendimiento mayor en la producción, mejor calidad
de las piezas dobladas, mayor precisión y mejores acabados.
Los procesos automatizados cobran especial importancia en actividades industriales
que demandan altos estándares de precisión, a fin de minimizar errores en el
procesamiento y elaboración de piezas con características específicas. La
automatización de estos procesos brinda la oportunidad a las industrias de abaratar
costos y reducir la cantidad de material desperdiciado por errores humanos,
mejorando así la producción. Asimismo, esto permite que los tiempos muertos sean
casi nulos mejorando el tiempo total del proceso.
Debido a que frecuentemente el proceso de doblado de tubos en empresas dedicadas
a la fabricación de intercambiadores de calor y otros equipos industriales es realizado
por personal humano y se lleva a cabo de forma manual, está sujeto a múltiples
variantes que reducen su calidad y precisión tales como: la apreciación de cada
trabajador en turno, la fuerza aplicada por el sujeto, el cansancio presente al final de
una jornada laboral, la destreza en la manipulación del material, entre otros.
Un doblado de tubos lento e impreciso reducirá la calidad de los productos finales y
ejercerá un fuerte impacto en la economía de las empresas.
En el presente trabajo se realiza una propuesta de automatización del sistema
hidráulico de una máquina dobladora de tubos circulares de acero inoxidable AISI 304
para un ángulo de doblez de 180°. Dicha propuesta se llevó a cabo partiendo de una
máquina dobladora de tubos que actualmente no se encuentra en uso por falta de
componentes del sistema hidráulico y eléctrico.
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II
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El doblado de tubos se realiza de manera manual lo que provoca pérdidas de tiempo,
pérdidas económicas y pérdidas de producción del producto.
Aunado a que, el doblado de los tubos se lleva a cabo de manera manual, existen
riesgos de que al finalizar el curvado, estos no cumplan con los requisitos establecidos
por la norma ASME, lo que provoca que se deba realizar más de una vez el trabajo y
de esta manera existan pérdidas de material por la falta de precisión en la operación.
El doblado de tubos es un trabajo que implica retos especiales porque la pieza tiende
a romperse o deformarse en el proceso de flexión. Sin importar la técnica, el mayor
desafío al doblar tubos metálicos es que, por un lado, el material en el interior de la
curva se comprime; por el otro, en el exterior del eje se tensa. Esta combinación de
esfuerzos ocasiona adelgazamiento y elongación de la pared externa, y
engrosamiento y acortado en la pared interna, como consecuencia hay una tendencia
de aplanamiento del tubo en el doblez.
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III
JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO DE TESIS
Para una empresa de intercambiadores de calor, el proceso de doblado de tubos es
una de las operaciones fundamentales para que sus productos cumplan con las
especificaciones que el cliente solicita, además de que estén regidos por los más altos
estándares de calidad que garanticen su correcto funcionamiento.
Con la propuesta de la puesta en marcha de la máquina dobladora de tubos, esta
operación de doblado que actualmente se realiza de manera manual y que suele
requerir incluso hasta de tres operadores, se reduciría a un sólo operador que
manipule el equipo alimentando la máquina con la materia prima y retirando el
producto final doblado completamente.
La operación de doblado manual implica desventajas a largo plazo para el operador
debido al esfuerzo físico que tiene que imprimir al material para lograr el doblez en el
tubo, esto se traduce en ausencia en el trabajo por fatiga o lesiones que pueden
afectar al operador.
La reducción del personal que se encarga de realizar la operación manual no sólo
trae beneficios económicos para la empresa, sino que cumple con las normas que
harán que la empresa sea una empresa de calidad debido a la automatización del
doblado de tubos minimizando los errores humanos considerablemente.
IV
OBJETIVOS
Objetivo General
Proponer la puesta en marcha del sistema hidráulico de una máquina dobladora de
tubos para el ángulo de doblez mediante un PLC.
Objetivos Específicos
-Hacer un reconocimiento del sistema actual para el doblado de tubos.
-Analizar y evaluar el sistema ideal de control hidráulico para una máquina dobladora
de tubos controlados mediante un PLC.
-Determinar la secuencia de los cilindros hidráulicos involucrados en el curvado de
tubos.
-Diseñar y simular los diagramas del sistema hidráulico mediante un PLC.
-Calcular la fuerza requerida de los cilindros hidráulicos que garanticen el curvado de
los tubos.
1
Capítulo 1
Marco Conceptual y
Contextual
En este capítulo se muestran los elementos conceptuales y contextuales básicos del
documento de tesis que brindarán información necesaria para comprender el
funcionamiento de una máquina dobladora de tubos.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
2
1.1 MARCO CONCEPTUAL
En este apartado se desarrollan los conceptos técnicos esenciales relacionados con
la máquina dobladora de tubos. Dicho apartado tiene como finalidad explicar los
conceptos técnicos y teóricos con los cuales se trabajará para la realización de la
propuesta de puesta en marcha de la máquina mencionada anteriormente.
1.1.1 Máquina dobladora de tubos
Una máquina dobladora de tubos es un aparato integrado por un sistema mecánico e
hidráulico que permite llevar a cabo el proceso de doblado de tubos. Evitando la
deformación y el cambio de las propiedades mecánicas del metal, las máquinas
dobladoras de tubo son capaces de realizar dicha operación en un tiempo corto.
Actualmente existen máquinas dobladoras que varían en su tamaño, modo de
operación manual o a pedal, hasta sofisticada maquinaria industrial completamente
automatizada con control CNC.
Es importante mencionar que independientemente del grado de automatización de la
máquina, su funcionamiento está basado en tres partes fundamentales: una palanca,
un motor y un eje de rotación, que se definen a continuación [1]:
Palanca: La física plantea tres tipos de palanca que varían de acuerdo a la posición
de tres puntos: apoyo, resistencia y potencial. Para el caso de la dobladora de tubos,
la palanca funciona como un punto de apoyo que a su vez trabaja con un eje de
rotación (resistencia) conducido por un motor (potencia). El objetivo de dicha palanca
es determinar el giro y ángulo de rotación.
Eje de rotación: En la mayoría de los casos es un disco metálico que tiene como
función dar forma y ángulo del doblado del tubo, suele ser llamado también dado
formador, el tamaño de dicho disco depende de la pieza y el nivel del ángulo de
rotación del tubo.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
3
Motor: En diversas ocasiones y dependiendo de la aplicación, para vencer la rigidez
que presenta el tubo no es suficiente con el eje de rotación, por esta razón se integra
un motor que es una máquina encargada de vencer la resistencia que ofrece dicho
material. Al igual que el eje de rotación, la fuerza del motor varía de acuerdo al tamaño
del eje de rotación y de las características del tubo.
1.1.2 Métodos para el doblado de tubos
Entre las diferentes técnicas utilizadas para el doblado de tubos, se encuentra el
doblado por estiramiento, doblado por tracción, doblado por compresión, doblado en
prensa, doblado por rodillos y extracción por rodillos [2].
En este apartado se describen tres métodos principales: doblado de tubo por
compresión, doblado por prensa y doblado por rodillos.
Doblado de tubo por compresión
Este método consiste en sujetar el tubo contra el eje de rotación mediante una
mordaza, la rotación de ambas herramientas alrededor del eje de doblado flexiona el
tubo al radio del dado de formación, Ver figura 1.1. El dispositivo de presión cumple
el propósito de recibir la tensión radial que se genera durante el proceso de formado
y sostiene el extremo del tubo recto desde el exterior.
Las aplicaciones de las máquinas de doblado rotativo comprenden el curvado de
materiales no ferrosos en radios pequeños y baja producción, codos de cobre,
intercambiadores de calor, serpentines para calefones, horquillas de cobre, circuitos
de radiadores y equipos de refrigeración.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
4
Figura 1.1 Doblado de tubo rotativo por compresión [2]
Doblado por prensa
Este método consiste en crear una curva presionando un dado formador sobre el tubo
en un movimiento, el tubo es soportado por un par de dados separados, que se abren
a medida que el conformador se mueve hacia el centro empujando el tubo. Este
movimiento envuelve el tubo alrededor del conformador, permitiendo que los dados
de los extremos apoyen el tubo en cada lado. Ver figura 1.2.
Este proceso es muy rápido y excelente para altas producciones; sin embargo, se
deben cambiar los dados o la distribución de los mismos para generar diferentes
variedades de curvas.
El método es adecuado para tubos de paredes gruesas y solamente para radios de
gran curvatura. Las aplicaciones de las dobladoras por presión abarcan instalaciones
de obras, calderas, destilerías, gasoductos, oleoductos y la industria naval.
Figura 1.2 Doblado de tubo por prensa [2].
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
5
Doblado por sistema de tres rodillos
Esta técnica consiste en utilizar tres rodillos cilíndricos para formar la curvatura, este
estilo se utiliza típicamente para desarrollar curvas de grandes radios. La curva se
crea cuando el dado del centro superior de la curva se mueve ajustándose al tubo,
mientras que los dados izquierdo y derecho colocados por debajo de este rotan al
mismo tiempo en una dirección y posteriormente en dirección contraria. Ver figura 1.3.
Este sistema es útil para la construcción de buques y tuberías.
Figura 1.3 Doblado por sistema de tres rodillos [2].
1.1.3 Sistema de potencia hidráulica
Se define a la hidráulica como la ciencia que forma parte de la física y comprende la
transmisión y regulación de fuerzas y movimiento por medio de los líquidos, pero un
sistema hidráulico es una combinación de elementos que hacen posible el giro el
empuje del vástago a una presión y con fuerza suficiente que permita la deformación
permanente de las piezas a ser trabajadas, en la figura 1.4 se observan los elementos
indispensables en un sistema hidráulico.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
6
Figura 1.4 Componentes del sistema hidráulico. pp. 405 [2]
Componentes del sistema hidráulico
A continuación se enlistan los principales componentes que conforman un sistema
hidráulico que incluye las bombas, actuadores, válvulas depósitos y filtros que están
conectados por tubos y mangueras [2].
Bombas
Las bombas hidráulicas son máquinas que convierten la energía mecánica transmitida
por un motor primario en energía hidráulica. Su funcionamiento consiste en tomar el
aceite de un depósito de almacenamiento y enviarlo como un flujo al sistema
hidráulico. En general actúa en dos etapas, aspiración e impulsión.
Aspiración: la bomba ejerce un vació con la finalidad que el líquido pueda
subir por la tubería de aspiración impulsada por la presión atmosférica.
Impulsión: la bomba ejerce la presión necesaria para que el líquido se traslade
a lo largo de la tubería.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
7
Cilindros Hidráulicos
Los cilindros hidráulicos son los encargados de transformar la energía hidráulica en
energía mecánica lineal. La clasificación de los cilindros está dividida en dos grandes
grupos; simple y doble efecto, a partir de estas se dividen en otras subcategorías
dependiendo del método que utilicen para su retracción o características particulares,
entre ellos se encuentran cilindros con resorte trasero, con imán, con amortiguación,
con doble vástago y diversas combinaciones entre ellos [2].
Para el caso de los cilindros de simple efecto, como el que se observa en la figura
1.5, el fluido sometido a presión entra en la cámara del lado del émbolo, en el émbolo
se crea una presión por efecto de la contrafuerza, una vez superada esta fuerza el
cilindro avanza hasta el final de la carrera. Este tipo de cilindros tiene un resorte que
permite, durante el movimiento de retroceso se retraiga mediante el propio peso y por
la acción de dicho resorte.
Figura 1.5 Estructura de un cilindro de simple efecto. p.15 [3]
1) Cámara de aceite 2) Junta de estanqueidad
3) Resorte 4) Cámara de aire
5) Orificio de aire 6) Tapa
7) Orificio de aceite
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
8
Mientras que en los cilindros de doble efecto como el que se observa en la figura 1.6
ocurre el mismo proceso a diferencia de que el regreso del cilindro no se hace
mediante el resorte que contiene el cilindro sino por una acción de un fluido de igual
forma sometido a presión introducido en un orificio contrario al de accionamiento.
Figura 1.6 Estructura de un cilindro de doble efecto. p.15 [3]
1) Tapa posterior 2) Purgadores de aire
3) Tuerca de fijación 4) Junta dinámica
5) Pistón 6) Camisa o tubo
7) Vástago 8) Purgadores de aire
9) Junta hermética 10) Tapa
11) Junta dinámica de cierre 12) Anillo rascador
13) Cámara trasera 14) Orificio de aceite
15) Juntas herméticas 16) Cámara delantera
17) Orificio de aceite
Depósito Hidráulico
La principal función del tanque hidráulico figura 1.7 es almacenar el aceite, aunque
también está diseñado para eliminar el calor y separar el aire del aceite. Estos tanques
deben tener resistencia y capacidades adecuadas y deben impedir la entrada de la
suciedad externa, es decir, por lo regular dichos tanques son herméticos. Entre sus
principales componentes se enlistan los siguientes [2]:
Tapa de llenado: Mantiene las partículas contaminantes apartados de la abertura por
la cual se llena de aceite el tanque.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
9
Mirilla: debido a que es un método de medición visual esta permite revisar el nivel de
aceite del tanque hidráulico
Tuberías de suministro y retorno: estas tuberías permiten que el aceite fluya del
tanque al sistema y viceversa.
Drenaje: Este orificio que siempre se localiza en la parte más baja del tanque permite
retirar el aceite en la operación de cambio de aceite, esté también permite retirar del
aceite contaminantes como el agua y diversos sedimentos.
Figura 1.7 Depósito hidráulico [2]
Filtro
El filtro es un elemento destinado para retener las impurezas y contaminantes que se
puedan presentar en el fluido, mediante el uso de un material poroso. Este elemento
es importante para que el equipo pueda trabajar en perfectas condiciones y se alargue
su tiempo vida. En muchos sistemas hidráulicos, el aceite es filtrado antes de que
entre a la válvula de control, para ello se requiere un filtro con dimensiones grandes
para que pueda soportar la presión total de la línea. El filtro mantiene el sistema libre
de impurezas que contiene el aceite, ejemplo de ellas son: agua y ácidos, partículas
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
10
metálicas, hilos y fibras, polvo, partículas de juntas y pintura. Existen distintos tipos
de filtros entre ellos se encuentran: filtros de superficie, filtros de aspiración y filtros
de presión.
Válvula de alivio
Las válvulas de alivio permiten la eliminación de cierta parte del caudal de fluido
cuando la presión supera un valor que se fija mediante un resorte a través de una
rosca. Existen dos tipos de válvulas, las limitadoras de acción directa y las limitadoras
de acción pilotada, la característica de limitación de está es neta y al aumentar el
caudal sube menos la presión gracias al efecto que le permite el pilotaje [2].
Electroválvulas
Una electroválvula también conocida como válvula solenoide de uso general es una
válvula que abre o cierra el paso de un líquido en un circuito. La apertura y cierre de
la válvula se efectúa a través de un campo magnético generado por una bobina en
una base fija que atrae el émbolo.
1.1.4 Válvulas direccionales
Las válvulas más empleadas son las de émbolo. Los símbolos muestran las
conexiones, la circulación y las posiciones del émbolo o vías. El número de
conexiones y el de vías determinan la denominación de la válvula. El primer número
indica las conexiones y el segundo las vías. Válvula direccional 3/2 significa: válvula
con tres conexiones y dos vías [4].
Válvula direccional 2/2: Las dos conexiones P (tubería de presión) y A (tubería de
trabajo) tienen circulación (están abiertas) en la posición a y no lo tienen en la posición
b. La figura 1.8 es un ejemplo de una válvula direccional 2/2.
Figura 1.8 Símbolo de válvula direccional 2/2 p.319 [4]
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
11
Válvula direccional 3/2: Tres conexiones con dos vías. La conexión B es otra tubería
de trabajo. En la posición a hay paso de P a B, en la posición b hay paso de P a A.
La figura 1.9 ejemplifica una válvula direccional de tres conexiones con dos vías.
Figura 1.9 Símbolo de válvula direccional 3/2 p.319 [4]
Válvula direccional 4/2: La figura 1.10 muestra una válvula de cuatro conexiones y
dos vías. Por la conexión R retorna al depósito el reflujo del apartado de trabajo
(cilindro de doble efecto o motor hidráulico).
Figura 1.10 Símbolo de válvula direccional 4/2 p.319 [4]
Válvula direccional 4/3: En la figura 1.11 se muestra una válvula de cuatro conexiones
y tres vías. La posición 0 bloquea las tuberías de trabajo y deja que el líquido de
presión retorne al depósito, mientras que las tuberías A y B están cerradas, de manera
que en estas tuberías no se efectúa ningún movimiento.
Figura 1.11 Símbolo de válvula direccional 4/3 p.319 [4]
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
12
1.1.5 Tubo de acero inoxidable AISI 304
Este acero es de los más usados y más versátiles, se usa para aplicaciones de
doblado, además de que tiene buenas características para la soldadura, tiene una
excelente resistencia a la corrosión por lo que se usa para productos de petróleo
caliente o con vapores de combustión de gases.
La tabla 1.1 describe algunas propiedades mecánicas de este acero que hacen que
se vuelva uno de los más utilizados en la industria.
Tabla 1.1 Propiedades mecánicas del acero inoxidable AISI 304 [5]
ACERO INOXIDABLE 304
Resistencia a la fluencia 310 MPa
Resistencia máxima 620 MPa
Elongación 30 % (en 50mm)
Reducción de área 40 %
Módulo de elasticidad 200 GPa
Entre los usos de este acero, se destacan los equipos para procesamiento de
alimentos, enfriadores de leche, intercambiadores de calor, contenedores de
productos químicos, tanques de almacenamiento para diversos líquidos y partes de
extintores de fuego.
1.1.6 Ventajas y desventajas de las dobladoras de tubos hidráulicas
La ventaja de la utilización de la energía hidráulica radica en la posibilidad de
transmitir grandes fuerzas, empleando para ello pequeños, elementos y la facilidad
de poder realizar maniobras de mandos y reglaje. A pesar de estas ventajas hay
también ciertos inconvenientes debido al fluido empleado como medio para la
transmisión. Esto debido a las grandes presiones que se manejan en el sistema las
cuales posibilitan el peligro de accidentes, por esto es preciso cuidar que los
empalmes se encuentren perfectamente apretados.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
13
1.1.7 Controlador Lógico Programable (PLC): Definición y Operación
De acuerdo con la Asociación Nacional de Manufactura Eléctrica por sus siglas en
inglés (NEMA) un controlador lógico programable es “Un aparato electrónico que
opera digitalmente, utilizando una memoria programable para el almacenamiento
interno de instrucciones para implementar funciones específicas, como lógica,
secuenciación, registro y control de tiempos, también realiza funciones de conteo, que
controlan varias máquinas o procesos mediante módulos de entradas y salidas,
analógicas (alto o bajo) o digitales (1 a 5 VCD, 4 a 20 mA) [6].
Para comprender la secuencia de operación del PLC en la figura 1.12 se muestran
los pasos que realiza un controlador lógico programable para el ciclo de escaneo.
Figura 1.12 Diagrama de bloques del funcionamiento del ciclo de escaneo de un PLC
INICIO
Se realiza un barrido de análisis queevalúa el estado activo de las entradas.
Una vez leído el estado de las entradas,almacena dicho estado en una zonadestinado para ello en su memoria.
Con base a las instrucciones introducidasal PCL, modifica una parte denominadatabla de imagen de salida.
El procesador actualiza el estado de lassalidas de mando hacia los módulos desalida el estado de la tabla de imágenes.
FIN
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
14
1.1.8 Elementos internos del PLC
Para que el PLC se programe, se auxilia de diversos componentes de entradas y de
salida, los componentes de entrada están conformados por contactos normalmente
abiertos y por contactos normalmente cerrados, mientras que entre los elementos de
salida se encuentran las bobinas, los temporizadores y contadores entre otros [6].
Contactos normalmente abiertos
Estos se cierran si el valor del bit que se leyó, almacenado el operador indicado es
“verdadero”. De esta manera la corriente fluye a través del contacto, el resultado
lógico es “verdadero”. En caso contrario sí el estado es “falso” el contacto está abierto
y no hay flujo de corriente y el resultado lógico es “falso”
Contactos normalmente cerrados
Estos en caso contrario a los contactos normalmente cerrados se abren si el valor del
bit, almacenado en el operador indicado es “falso”. De esta manera la corriente fluye
a través del contacto y el resultado lógico es “verdadero”. En caso contrario sí el
estado es “verdadero” el contacto está abierto y no existe flujo de corriente así el
resultado lógico de la operación es “falso”.
Bobina de relé
Debido a que es un elemento de salida, depende de las condiciones de los
contactores. Sí la corriente fluye hasta la bobina, el bit cambiará de estado a
“verdadero”, en caso contrario si no fluye será “falso”. Estas bobinas están conectadas
a las salidas del PLC e influyen directamente en los elementos de salida conocidos
como actuadores.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
15
Temporizadores
Los temporizadores son utilizados para colocar retardos entre las fases de un
proceso, que de otra manera ocurrirían simultáneamente. Existen dos tipos de
temporizadores a la conexión y a la desconexión, para los primeros una vez que se
energizan retarda un tiempo t1 en reflejarse dicha señal a la salida, mientras que los
temporizadores a la desconexión retardan la desactivación hasta un tiempo t2
después de ser des energizados.
Contadores
En el PLC los contadores funcionan comparando un valor acumulado y un valor
preestablecido, estos contadores son utilizados para iniciar una operación cuando se
alcanza la cuenta o para esperar la realización de una acción hasta que se alcanza
dicha cuenta. Existen tres tipos de contadores, los incrementales quienes van
aumentando uno a uno hasta que llegan a un valor preestablecido, los decrementales
que van disminuyendo a partir de un valor preestablecido de uno en uno y aquellos
mixtos que realizan ambas funciones [6].
1.1.9 Lenguajes de programación
Los lenguajes de programación son las diferentes formas en las que se escribe el
programa del usuario en un código objeto para que sea ejecutado en la CPU del PLC
[7].
Existen tres tipos de tipos de lenguaje entre ellos se encuentran:
Mnemónico o Lista de Instrucciones
Esquema de contactos o diagramas escalera
Esquema funcional
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
16
Lista de instrucciones
Este tipo de programación está constituido por un conjunto de códigos simbólicos,
cada uno de los cuales corresponde a una instrucción. Es un tipo de lenguaje
ensamblador que además es una transcripción elemental e inmediata de las
instrucciones del lenguaje máquina. Se suele aplicar para pequeñas aplicaciones y
para optimizar partes de una aplicación. Es necesario decir que cada fabricante de
PLC tiene sus propios códigos y una nomenclatura distinta para nombrar las variables
del sistema.
El programa va leyendo cada una de las líneas de la lista de instrucciones y las va
ejecutando a la par. Existen tres aspectos importantes a considerar en la
programación de la lista de instrucciones.
Dirección: está indica la posición de la instrucción en la memoria de programa usuario.
Instrucción: especifica la operación que va a ejecutar.
Parámetro: son los datos asociados a la operación, en general son de formato “tipo”
y “valor”.
Diagrama en escalera
En la tabla 1.2 se muestran los principales elementos con los que se construyen
dichos programas.
Elementos de entrada: Los contactos que se colocan para referenciar a las entradas,
son de tipo normalmente abierto y normalmente cerrado. Encima de los contactos se
describe la variable a la cual se hace referencia, es importante mencionar que el valor
lógico del contacto depende directamente del valor lógico de su variable.
Elementos de salida: Al igual que para los elementos de entrada, se les escribe
encima la variable a la cual están referidos, el elemento principal determinado por el
PLC se le denomina bobina o asignación [7].
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
17
Tabla 1.2 Principales elementos para el diagrama escalera
Contactos Relevador Normalmente Abierto
Normalmente Cerrado
Bobinas Relevadores
Solenoides
Motor Armadura DC
Focos Piloto
Existen otros tipos de elementos de salida entre ellos se encuentran los
temporizadores y los contadores.
En la figura 1.13 se observa un ejemplo de programación en diagrama escalera, del
lado derecho se muestran las salidas y de lado izquierdo se colocan las entradas.
Figura 1.13 Ejemplo de programación en diagrama escalera
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
18
1.2 MARCO CONTEXTUAL
En esta parte del trabajo se mencionan: los antecedentes históricos sobre el doblado
de los tubos a través del tiempo hasta hoy en día, los trabajos de terceros que también
se llevan a cabo sobre las máquinas dobladoras de tubos, la gama de equipos que se
encuentran en el mercado para poder trabajar sobre el proyecto y las normas que la
empresa sigue para tener productos de calidad para el comprador.
1.2.1 Antecedentes históricos de las dobladoras de tubos
El doblado de tubos es un trabajo complejo e implica retos especiales porque la pieza
tiende a romperse o deformarse en el proceso de flexión. Sin importar la técnica, el
mayor desafío al doblar tubería metálica está dado por dos principios básicos que
ocurren simultáneamente: por un lado, el material en el interior de la curva se
comprime; por el otro, en el exterior del eje se tensa. Esta combinación de esfuerzos
causa adelgazamiento y elongación de la pared externa, y engrosamiento y acortado
de la pared interna, como consecuencia hay una tendencia de aplanamiento del tubo
en el doblez. En general, el objetivo de realizar un doblez de tubo, es evitar que ocurra
tanto la ruptura como el aplanamiento, y formar un doblez uniforme, lo cual no es
problema cuando el tubo tiene un grosor de pared ancho y se dobla en un radio
amplio, pero cuando la pieza es delgada y es necesario realizar una curva muy
cerrada, aumentan los riesgos de fractura y los defectos por el hundimiento interno.
Para evitar el hundimiento o aplanamiento de la zona interior de la curva, el radio
mínimo del doblez (R) al cual se dobla el tubo debe ser alrededor de 1.5 veces el
diámetro (D) cuando se usa un mandril, herramienta empleada para apoyar el interior
del tubo y así mejorar la calidad de la curva, y 3.0 veces D cuando no se usa el
mandril.
En algunos casos, las empresas que no realizan un gran número de dobleces y que
frecuentemente emplean procesos manuales, rellenan el tubo con resina o arena seca
para evitar que se produzcan defectos de calidad [8].
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
19
Las dobladoras de tubo manuales fueron utilizadas por mucho tiempo e incluso aún
se utilizan hoy en día, utilizando diversas medidas de moldes para poder trabajar
distintos diámetros. Este tipo de dobladoras implica cierto esfuerzo por parte del
operado, falta de ergonomía al realizar este trabajo así como la baja calidad en el
trabajo debido que en repetidas ocasiones se tiene que volver a trabajar el tubo o
desecharlo para que el trabajo esté bajo los estándares de calidad que son
solicitados.
La figura 1.14 muestra una dobladora de tubos manual donde observa que uno de los
soportes se queda fijo mientras que el otro es el que el operador manipula con su
fuerza física para realizar el doblez del tubo el cual es insertado horizontalmente sobre
la dobladora.
Figura 1.14 Dobladora de tubos manual [9].
Pese a que algunas operaciones de doblado de tubo se realiza de manera manual,
hoy en día se utilizan nuevas máquinas mecánicas con sistemas hidráulicos las
cuales poseen un motor que le brindan mayor facilidad de trabajo al operador.
A mediados del año 2014, por la carga de trabajo que demandó la empresa, la idea
de la puesta en marcha de la máquina dobladora de tubos se retomó. Por este motivo
se dio servicio a los componentes mecánicos principales de dicha dobladora,
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
20
comprobándose que el sistema mecánico está en condiciones aceptables de
operación.
Esta máquina tiene años fuera de servicio, por lo que no se tienen los manuales de
operación de los sistemas y pese a que la mayoría de las piezas mecánicas son
funcionales, el sistema hidráulico carece de diversos componentes, en consecuencia,
se hizo una propuesta con base en las características físicas de la máquina así como
de los requerimientos del proceso para el curvado.
La utilización de una dobladora de tubos hidráulica es mejor que una manual ya que
esta consta de los distintos moldes o matrices que se utilizan con múltiples fines en
comparación con los dobladores manuales. Este equipo tiene un costo elevado pero
traerá muchos beneficios a mediano y largo plazo.
1.2.2 Trabajos similares realizados con anterioridad
El objetivo de investigar otros trabajos realizados sobre máquinas dobladoras de
tubos es conocer qué proyectos se realizaron y los métodos que usaron.
Automatización de una curvadora de tubos
Este proyecto realizó la automatización de una curvadora de tubos convencional,
debido a la necesidad de mejorar los tiempos de procesamiento en estructuras de
asientos para carrocerías.
Inicialmente esta curvadora tenía un sistema manual de sujeción y doblado y lo que
se hizo fue reemplazar dicho sistema por uno mediante cilindros neumáticos; estos
cilindros trabajan controlados mediante un PLC TWIDO TWDLCAA24DRF, que
después de ser programado acciona electroválvulas para realizar una secuencia de
operación [10].
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
21
Diseño y construcción de una máquina dobladora de tubos hidráulica con
accionamiento automático
El objetivo principal de uno de los proyectos fue diseñar y construir una máquina
dobladora de tubos hidráulica con accionamiento automático para ya no hacer el
doblez de manera manual ya que este trabajo lo llevaban a cabo varios empleados y
esto causaba que, como el doblez era manual, existía falta de precisión ocasionando
que los tubos tuvieran errores como el que el ángulo no fuera el deseado [11].
Máquina dobladora de tubo redondo de acero controlada por un
microcontrolador
Otro proyecto sobre una máquina dobladora de tubos se basó en el diseño de una
dobladora de tubo redondo con costura automatizada. Se realizó por medio de un
circuito de control que permitió realizar los trabajos de forma automática, usando un
PIC 18F452, controlando sensores y actuadores conectados a un circuito de potencia.
La máquina fue capaz de doblar tubos de hasta 19 mm de diámetro y 1,5 mm de
espesor, con opción a aumentar su capacidad con tubos de mayor diámetro o a su
vez con tubos sin costura [12].
1.2.3 Equipos que actualmente existen en el mercado
Debido a que este proyecto consta de dos equipos principales, se mencionarán
algunos equipos de PLC´s y máquinas dobladoras de tubos que actualmente existen
en el mercado con el fin de conocer las características de estos y así seleccionar el
más adecuado para la propuesta.
Controladores Lógicos Programables
En la tabla 1.3 se muestran las características técnicas de diferentes PLC´s
compactos de la marca Allen-Bradley debido a que la empresa solicitó que el PLC
que se use para la máquina dobladora de tubos sea de dicha marca.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
22
De igual forma, hay una gran variedad de PLC´s de la marca Allen Bradley, por lo que
se seleccionaron los Controladores Lógicos Programables con las características más
similares para poder tener un marco de comparación similar, ya sea por la cantidad
de entradas y salidas, los puertos de programación, tipo de lenguaje de programación,
entre otros.
Tabla 1.3 Características de diferentes PLC´s de la familia Allen Bradley [13]
MARCA ROCKWELL ROCKWELL ROCKWELL
MICROLOGIX 1100
MICROLOGIX 1200
MICROLOGIX 1000
Capacidad de E/S 64 136 32 Procesamiento de instrucciones básicas
2µs 2µs 3µs
Puertos de programación
RS-232,Ethernet 2 X RS-232 RS-232
Reloj de tiempo real
No Si Si
Lenguaje de programación
LADDER LADDER LADDER
Edición ON-LINE No Si No
Almacenamiento de comentarios en la CPU
No No No
Software Diferente para los micro
Diferente para los micro Diferente para los micro
Las principales ventajas de los PLC’s compactos son las siguientes:
Menor espacio por su construcción compacta.
Su programación es sencilla.
Más económicos dentro de su variedad.
Fácil instalación.
Soportan contingencias extremas de funcionamiento tales como: Bajas
temperaturas, vibraciones mecánicas, humedad, etc.
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
23
Máquinas dobladoras de tubo
Los siguientes equipos mencionados, son ejemplos de dobladoras de tubos que
llevan a cabo distintas funciones de acuerdo al propósito para el que fueron
diseñadas.
La curvadora de tubos MC400 NARGESA tiene un sistema de tres rodillos y la
dobladora de tubos “Zeziola” utiliza el sistema de doblado por compresión.
Curvadora de tubos MC400 NARGESA.
A diferencia de otras, la curvadora de tubos de la figura 1.15, no es de fundición. Es
ideal para fabricar bridas, invernaderos, barandas, mesas, sillas, puertas, ventanas,
realizando una infinidad de figuras circulares en todo tipo de perfiles. Su robustez,
diámetro de eje, la capacidad reductora y más propiedades la convierten en una de
las mejores curvadoras del mercado en la categoría de arrastre a tres rodillos,
condición indispensable para trabajar el tubo hueco con un perfecto acabado [14].
Figura 1.15 Curvadora de tubos MC400 NARGESA [14].
Capítulo 1 Marco Conceptual y Contextual
24
Máquina dobladora de tubos “Zeziola”.
Existe una gran variedad de dobladoras de tubos; no obstante, la máquina que
adquirió la empresa por lote y con la cual se trabajó es de la marca “Zeziola” modelo
DT1-M-38. Debido a que fue comprada por lote, algunas de las piezas fueron
fabricadas por la empresa para ajustarlas a dicha máquina. La imagen 1.16 muestra
la máquina dobladora de tubos nueva.
Figura 1.16 Máquina dobladora de tubos “Zeziola” [15]
1.3 MARCO LEGAL Y NORMATIVO
Las normas aseguran un criterio uniforme para diseñar, fabricar y probar una amplia
selección de herramientas y sistemas mecánicos, procurando la intercambiabilidad
de las piezas, lo que constituye la base de la producción en masa de las mercancías
utilizadas en todo el mundo. Las normas no sólo proporcionan pautas técnicas
comunes y universales que resultan esenciales, sino que reflejan el acuerdo general
de las muchas partes interesadas respecto de procesos de ingeniería más efectivos
para diseñar y probar equipos mecánicos.
El doblado de tubos se basa en normas que establecen la calidad, confiabilidad y
seguridad de los productos, respetando los códigos y estándares de la Sociedad
Americana de Ingenieros Mecánicos, ASME B31.3-2010 [16].
25
Capítulo 2
Análisis y evaluación del
sistema manual utilizado
para el doblado de tubos
Este capítulo describe el estado de la máquina dobladora de tubos manual, la
problemática y una descripción general de la propuesta de solución.
Capítulo 2 Análisis y evaluación del sistema manual
26
2.1 ANÁLISIS DEL SISTEMA MANUAL
El proceso de doblado de tubos que actualmente realiza la empresa se hace de
manera manual. Esto, algunas veces no permite que se cumplan con los objetivos
que requiere el cliente que solicita los tubos doblados debido a que, como el doblez
de cada tubo es manual y realizado por al menos dos personas tiene como
consecuencia: primero, un doblez irregular que no cumple con las normas de calidad;
y segundo, el doblez manual de cada tubo lleva más tiempo que si se realizara de
manera automática, haciendo que el tiempo dado para la entrega de estos a veces
no se cumpla. Estos dos puntos provocan una pérdida tanto de materiales como
pérdidas económicas.
Durante ciertos periodos del año, a la empresa se le requiere realizar tubos doblados
a 180° para intercambiadores de calor.
Existen tres objetivos fundamentales que otras empresas que requieren este tipo de
materiales les solicitan: Primero, deben cumplir con las normas ASME [16]; segundo,
requieren que el equipo se entregue en un tiempo y forma determinado; y por último,
la cantidad de tubos doblados a 180° que otras empresas solicitan algunas veces son
una demanda alta para el corto tiempo que a veces se tiene para la entrega.
A pesar de que ya se cuenta con la máquina dobladora de tubos, esta no está en
funcionamiento. El proceso de doblez de los tubos aún se realiza de manera manual,
lo que repercute en los objetivos anteriormente mencionados.
2.1.1 Descripción del proceso actual para el doblado de tubos manual
Para realizar el doblez de un tubo de manera manual, el operador debe colocar el
tubo en la máquina para llevar a cabo dicha tarea.
Una vez que se coloca de forma correcta el tubo, se debe sujetar con una mordaza
para evitar que se mueva al momento de doblarlo. A diferencia del doblado
automático, en un sistema manual, entre dos personas sujetan y giran la guía
dobladora para realizar el doblez del tubo.
Capítulo 2 Análisis y evaluación del sistema manual
27
Poco a poco se regresa la guía dobladora a su posición original y se retira la mordaza
para quitar el tubo doblado y así reiniciar el proceso para doblar la cantidad de tubos
que sean necesarios.
En el doblado de tubos manuales, la habilidad y destreza que tenga el operador, así
como la experiencia, es lo que en muchas ocasiones determina la calidad y cantidad
de producción obtenida.
En la figura 2.1 se describe de manera sencilla la forma en la cual se realiza
actualmente el doblado de tubos.
Figura 2.1 Proceso de doblado de tubo de manera manual
Se acomoda el tubo en la dobladora de tubos manual
Se sujeta el tubo con la mordaza para evitar que este se mueva
Dos o tres personas sujetan y giran la guía dobladora
Se regresa la guía dobladora a su posición inicial
Se retira la mordaza y luego el tubo doblado a 180°
Capítulo 2 Análisis y evaluación del sistema manual
28
2.1.2 Descripción de la máquina dobladora de tubos manual
La empresa compró por lote una máquina dobladora de tubos usada ya que comprar
una máquina nueva es mucho más caro y la empresa no cuenta con el capital
suficiente para la inversión. Le hacen falta algunas piezas mecánicas y también parte
del sistema hidráulico. Únicamente cuenta con una unidad de potencia hidráulica
(motor, bomba, manómetro, depósito, válvula de alivio) y un sistema mecánico
conformado por dos engranes
La empresa se dedica a la fabricación de otro tipo de piezas y maquinara, por lo que,
aquellas piezas mecánicas que no tiene la máquina serán fabricadas por la misma
empresa y también se le dará tanto mantenimiento a la doblara de tubos como a las
partes de esta que lo necesiten.
A pesar de que el doblado se realiza de manera manual, la empresa trata de cumplir
con la norma ASME [16]. Sin embargo, debido a la baja calidad que se tiene al doblar
los tubos a 180°, en ocasiones no se cumple con dicha norma.
2.1.3 Planteamiento del problema
El proceso de doblado de tubos manual genera que no sea tan exacto el doblez del
tubo. Esto muchas veces depende de la habilidad y experiencia del operador que
realiza el proceso. También se tienen pérdidas de tiempo y, en consecuencia, se
genera una menor producción de producto. Aunque se busca cumplir con normas de
calidad, esto no siempre es posible ya que los errores humanos provocan que no
todos los tubos doblados tengan la misma calidad.
Asimismo, al ser manual el proceso, el operador utiliza su fuerza física para estar
constantemente doblando los tubos. Provocando que, con el tiempo el operador sufra
alguna lesión física.
Capítulo 2 Análisis y evaluación del sistema manual
29
2.2 ANÁLISIS DE LA FACTIBILIDAD TÉCNICA DE LA PROPUESTA DE
SOLUCIÓN
Muchas veces se escoge el sistema que sea el más económico a corto plazo, pero
con el tiempo resulta ser el más costoso. Es por ello que cuando se implementa un
sistema, sea una mejora o un proyecto nuevo, se debe buscar que cumpla con los
requisitos de seguridad y que, a pesar de no ser el más económico al inicio o a corto
plazo, será el que a mediano y largo plazo pueda recuperarse la inversión y continuar
generando ganancias económicas porque el proceso se vuelve más óptimo.
Por ello, se llevó a cabo una comparación de ventajas y desventajas con la forma en
la que se doblan los tubos actualmente en la empresa, con otros sistemas realizados
anteriormente y con la propuesta planteada.
El propósito de realizar esta tabla fue para conocer la viabilidad del proyecto y saber
qué mejoras aporta en comparación con los otros sistemas. A pesar de que existe la
desventaja del costo total del proyecto, también existen ventajas a largo plazo.
En la tabla 2.1 se observa primeramente el sistema manual que se utiliza actualmente.
Las siguientes propuestas presentan otras formas de automatizar el proceso de
doblado de tubos con sus respectivas ventajas y desventajas. Por último, se menciona
el sistema propuesto
De los sistemas presentados en la tabla 2.1 se propuso el que es controlado por un
PLC ya que reduce la cantidad de operadores, es de manejo amigable para el
operador y ofrece una mayor calidad en el doblado de tubos. A pesar de que el PLC
es más costoso que un microcontrolador, el PLC es robusto y tiene mayor resistencia
a las vibraciones que se generan por los diferentes procesos que existen en la
empresa.
Capítulo 2 Análisis y evaluación del sistema manual
30
Tabla 2.1 Comparación de ventajas y desventajas con sistemas similares
Ventajas Desventajas
Sistema actual
Doblado de
tubos manual
-Bajo costo de fabricación
-Bajo costo de
mantenimiento
-Facilidad de construcción
-Se necesitan al menos tres
personas para doblar un solo
tubo
-Poca producción de tubos
doblados
-Poca precisión en el ángulo de
doblado del tubo
Dobladora de
tubos
electromecánica
-Precisión en el ángulo de
doblado
-Sólo se necesita de un
operador
-Mayor producción
comparado con una
dobladora manual
-Alto costo de mantenimiento
-Máquina grande, la cual ocupa
un mayor espacio
-Alto costo del motor y el sistema
mecánico
Dobladora de
tubos con un
microcontrolador
-Bajo costo del
microcontrolador
comparado con un PLC
-Sensible a las vibraciones, al
polvo, a la humedad, a altas
temperaturas, etc.
Sistema
propuesto
Dobladora de
tubos con un
PLC
-Sólo se necesita un
operador
-Mayor producción
comparado con una
dobladora manual
-Fácil manejo por parte de
un operador
-Precisión en el ángulo de
doblado
-El aceite es sensible a la
contaminación
-Necesita un buen
mantenimiento al sistema
hidráulico
-Un PLC es más costoso que un
microcontrolador
Capítulo 2 Análisis y evaluación del sistema manual
31
2.2.1 Evaluación de la propuesta de solución
Existen diferentes maneras de dar solución a una propuesta; sin embargo, siempre
se debe evaluar aquella que traerá mayores ventajas que desventajas tanto a corto,
mediano y largo plazo. En este caso, debido a que el proyecto se desea implementar
en un ámbito industrial donde se manejan líquidos corrosivos, no es factible utilizar
un microcontrolador ya que este podría dañarse a corto plazo y como consecuencia,
se tendría que estar cambiando constantemente. Es por ello que se seleccionó un
Controlador Lógico Programable.
Para automatizar la máquina dobladora de tubos es necesario conocer cómo funciona
el PLC, los pasos que se siguen para doblar un tubo, los elementos que accionarán
la máquina tales como bombas, aceite, pistones, sistema eléctrico, entre otros, y
conocer el sistema hidráulico. Con ello, se conocerán la cantidad de entradas y salidas
que se requieren. Los botones de arranque, paro y paro de emergencia también son
importantes para la automatización del proyecto.
2.3 PROPUESTA GENERAL DE SOLUCIÓN
Con esta propuesta, ya no serán necesarios tres operadores para dicho proceso sino
solamente un operador. La mejora que se pretende hacer a la máquina dobladora de
tubos es hacer el doblez de manera automática.
Por medio del sistema hidráulico, se propone implementar un PLC que accione las
electroválvulas de forma automática llevando a cabo la secuencia de los cilindros,
realizando así el doblez de los tubos.
El operador simplemente se encargará de colocar y ajustar el tubo en la máquina
dobladora, y después de esto presionar el botón que iniciará el proceso de doblez del
tubo.
32
.
Capítulo 3
Marco Metodológico
Se describen los pasos para dar solución a la propuesta de la automatización de la
máquina dobladora de tubos.
Capítulo 3 Marco Metodológico
33
3.1 METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN PARA LA AUTOMATIZACIÓN DE LA
MÁQUINA DOBLADORA DE TUBOS
Es importante conocer el equipo con el que se va a trabajar para plantear una
secuencia de pasos que permitirán dar una buena solución a la problemática que se
tiene, o en su caso, realizar una mejora del equipo.
En el caso particular de la máquina dobladora de tubos, se plantearon una serie de
pasos que permitieron proponer una mejora al sistema hidráulico automatizándolo a
través de un PLC para realizar de una manera más precisa el doblez del tubo a un
ángulo de 180°.
El diagrama de la figura 3.1 presenta los pasos para realizar la propuesta de solución,
que se describen con detalle más adelante.
Figura 3.1 Pasos para la solución de doblado de tubos manual
Reconocimiento de la máquina dobladora de tubos de la empresa
Elementos necesarios para la automatización del sistema
hidráulico
Determinación de la secuencia de operación de los cilindros
hidráulicos
Diagramas de simulación de la secuencia del doblado del tubo
Cálculos para el doblez del tubo
Análisis y selección de los elementos requeridos para la automatización del
sistema hidráulico
Capítulo 3 Marco Metodológico
34
3.1.1 Reconocimiento de la máquina dobladora de tubos de la empresa
Se realizó un reconocimiento del estado actual en el que se encuentra el equipo para
saber qué es lo que se iba a realizar y cómo.
Es importante saber que la empresa decidió no comprar un equipo nuevo porque no
contaba con el presupuesto para este, por lo que optó comprar una máquina
dobladora de tubos por lote y adecuar una mejora que hará que su proceso de
doblados de tubo a 180° para intercambiadores del calor sea más preciso, evitando
así tanto pérdidas de material como pérdidas de tiempo.
Al conocer de qué manera se hace el doblado de tubos por medio de la máquina, se
pudo conocer los elementos que se necesitaron para el sistema hidráulico, a cuáles
se le dio mantenimiento, qué material se tuvo que adquirir y cómo debía trabajar para
llevar a cabo la propuesta de automatización de este por medio de un PLC.
3.1.2 Elementos necesarios para la automatización del sistema hidráulico
El hacer el reconocimiento del estado actual de la máquina para la automatización del
sistema hidráulico, permitió determinar los siguientes puntos:
Cuántos y qué tipo de cilindros hidráulicos se necesitaron para el doblez del tubo.
En este caso, se necesitó un cilindro de doble efecto y dos de simple efecto.
Cuántas y qué tipo de válvulas se necesitaron.
Para los cilindros, se utilizó una válvula 4/3 para el cilindro de doble efecto y
dos válvulas 3/2 para los cilindros de simple efecto.
Cuántos y qué sensores o finales de carrera se necesitaron.
Para esto, se necesitaron seis finales de carrera (dos para cada cilindro), un
interruptor de límite el cual indica que se realizó correctamente el doblez del
tubo a 180° y un sensor de posición.
Capítulo 3 Marco Metodológico
35
La cantidad de E/S digitales que se utilizaron para la selección adecuada del PLC
que llevará la máquina dobladora de tubos.
Se utilizaron 10 entradas digitales y 6 salidas digitales.
3.1.3 Determinación de la secuencia de operación de los cilindros hidráulicos
Para determinar cuál fue la secuencia de los cilindros para el doblez del tubo, existe
un diagrama llamado “espacio-fase”. Este diagrama, permitió graficar las fases o
etapas secuenciales de los cilindros hidráulicos.
Con esto, se redujeron los errores al momento de realizarlo en simulación y se tuvo
un orden para no perderse en la secuencia de los cilindros que efectúan el doblado
del tubo.
3.1.4 Diagramas de simulación de la secuencia del doblado del tubo
Gracias a los avances tecnológicos se han desarrollado programas que permiten
simular casi cualquier tipo de proceso a nivel industrial. Estos programas tienen un
gran costo-beneficio ya que no es necesario efectuar compras de material ni realizar
pruebas físicas para poder conocer y determinar el comportamiento del proceso que
se quiere llevar a cabo.
Entre las grandes ventajas de hacer simulaciones en un programa para un proceso
se encuentran las siguientes:
La simulación es relativamente eficiente y flexible.
Se usa para analizar y sintetizar una compleja y extensa situación real, pero no es
empleada para solucionar un modelo de análisis cuantitativo convencional.
Capítulo 3 Marco Metodológico
36
En algunos casos la simulación es el único método disponible.
Los modelos de simulación se estructuran y resuelven en general problemas
trascendentes.
La simulación no interfiere en sistemas del mundo real.
Permite estudiar los efectos interactivos de los componentes individuales o
variables para determinar las más importantes.
La simulación permite incluir complicaciones del mundo real.
Para el caso específico de la máquina dobladora de tubos para un ángulo de 180° se
determinó utilizar el programa de simulación Automation Studio 5.0, el cual permitió
realizar las siguientes simulaciones para el doblado del tubo:
Realizar el diagrama en escalera que hará la secuencia de los cilindros hidráulicos
Simular la secuencia de los cilindros
Simulación de las E/S del PLC
3.1.5 Cálculos para el doblez del tubo
Al realizar el doblez de un tubo suceden dos cosas con el material: Por un lado, el
material en el interior de la curva se comprime; y por el otro, en el exterior del eje se
tensa. Esto crea una combinación de esfuerzos que ocasiona adelgazamiento y
elongación de la pared externa, y engrosamiento y acortado en la pared interna, como
consecuencia hay una tendencia de aplanamiento del tubo en el doblez.
Capítulo 3 Marco Metodológico
37
De ahí la importancia de calcular correctamente la fuerza requerida para hacer el
curvado del tubo. Si estos no se hacen de una manera adecuada, el tubo tiende a
romperse o deformarse en el proceso de curvado.
Por lo que se hicieron los cálculos necesarios para lograr un curvado preciso en el
tubo y así cumplir con las normas de calidad requeridas.
A continuación se mencionan qué cálculos se realizaron:
Cálculos de la fuerza requerida para el curvado del tubo
Cálculos del cilindro principal
Cálculos de los cilindros secundarios
Cálculos de la fuerza requerida para el curvado del tubo
De acuerdo a las propiedades del tubo de acero inoxidable AISI 304 se calculó la
fuerza necesaria para efectuar el curvado.
Cálculos del cilindro principal (doble efecto)
Estos cálculos permiten conocer las especificaciones técnicas requeridas del cilindro
principal para que de esa manera se eligiera el más adecuado para el proceso.
Entre los cálculos que se realizaron son: Cálculo del diámetro del émbolo y diámetro
del vástago, presión a la cual va a trabajar el cilindro, velocidad de salida del vástago,
caudal de salida y retracción del vástago, caudal resultante que debe suministrar la
bomba.
Cálculos de los cilindros secundarios (simple efecto)
De la misma manera que se hicieron los cálculos del cilindro principal, también se
calculó el diámetro del émbolo y el diámetro del vástago, presión a la cual va a trabajar
el cilindro, la velocidad de salida del vástago, el caudal de salida y el caudal resultante
que debe suministrar la bomba para ambos cilindros secundarios.
Capítulo 3 Marco Metodológico
38
Cabe mencionar que estos cilindros secundarios, el cual uno tiene la función de
sujetar el tubo y el otro de realizar el curvado del tubo a 180º, tendrán un tiempo de
expulsión y retracción del vástago más rápido que el cilindro principal.
3.1.6 Análisis y selección de los elementos requeridos para la automatización
del sistema hidráulico
El haber hecho un reconocimiento de los elementos requeridos para la automatización
del sistema hidráulico, permitió conocer cuántos y qué tipo de elementos se
necesitaron para la propuesta de automatización.
Los cálculos, dieron información necesaria para la selección técnica de los cilindros.
Y con base en el tipo de cilindros y el diagrama de simulación, se seleccionó por
catálogo las electroválvulas requeridas para el correcto funcionamiento de los
cilindros.
Para la selección apropiada del PLC, se consideró la cantidad de E/S que se
necesitaron y las características requeridas por la empresa.
39
Capítulo 4
Caso Práctico
En este capítulo se describe la secuencia de los cilindros hidráulicos así como los
diagramas realizados en Automation Studio para la propuesta de automatización.
Asimismo, se realizan los cálculos para garantizar el correcto curvado del tubo.
Capítulo 4 Caso Práctico
40
4.1 PROPUESTA ESPECÍFICA DE SOLUCIÓN
La propuesta de automatización del sistema hidráulico por medio de un PLC se llevó a cabo
por medio de simulaciones dentro de una PC. Se utilizó el programa Automation Studio 5.0,
para el diagrama de simulación de los cilindros hidráulicos, el diagrama en escalera que
efectúa la secuencia de estos, y la simulación del diagrama del PLC.
Por otra parte, los cálculos para la fuerza del doblez del tubo son de suma importancia para
que el tubo que se pretende doblar no sufra deformaciones y pueda cumplir con las normas
de calidad requeridas.
4.1.1 Diagrama de espacio-fase
Para implementar el PLC al sistema hidráulico que permita hacer de una manera eficiente el
doblez de los tubos para intercambiadores de calor es necesario realizar de manera
descriptiva la secuencia que se quiere controlar.
La máquina dobladora de tubos que tiene la empresa, consta de tres cilindros que realizan
dicha operación. A continuación, se ver qué cilindro se ha nombrado como A, B y C, y se
describe la secuencia de los cilindros para este proceso.
Cilindro A-Cilindro Principal
Cilindro B-Sujetador de tubo
Cilindro C-Cilindro doblador
El operador debe colocar el tubo circular en la posición correcta sobre la máquina dobladora.
Se ha implementado un sensor y un led indicador que mostrarán si el tubo ha sido colocado
en la posición correcta. Este sensor, también servirá como seguro al no permitir iniciar la
secuencia del doblez del tubo si este no está en la posición correcta. No importa si se
presiona el botón de inicio por error, si el led indicador no está encendido, no se ejecutara la
secuencia de doblez.
Capítulo 4 Caso Práctico
41
Una vez que el tubo es colocado correctamente y el led indicador se ha encendido, el
operador presionara el botón de inicio para doblar el tubo automáticamente.
El cilindro que se activará primero es el cilindro doblador (C). Al llegar a tocar el tubo, se
activará el cilindro sujetador del tubo (B) y consecuentemente se activará el cilindro principal
(A), que está acoplado a un sistema mecánico de engranes que hacen girar los ejes que
efectúan el movimiento del cilindro secundario (C).
Al llegar este último cilindro a un sensor final, se activará un led, el cual indica que el doblez
del tubo circular se ha realizado correctamente a 180°.
Una vez que la máquina hace el doblez del tubo, el cilindro doblador (C), se retrae soltando
de esta manera al tubo por la parte doblada. Al retraerse completamente, el cilindro sujetador
(B) y el cilindro principal (A), se comienza a retraer al mismo tiempo.
La velocidad a la que se retrae el cilindro principal, es más lenta que la velocidad a la que se
retraen los otros dos cilindros.
En el diagrama de espacio-fase de la figura 4.1 se refleja la secuencia de los cilindros:
Figura 4.1 Diagrama de espacio-fase de la secuencia de los cilindros de la máquina dobladora de
tubos
Capítulo 4 Caso Práctico
42
4.1.2 Diagrama de simulación de los cilindros hidráulicos
Una vez que se describió el diagrama de estado-fase, este diagrama permitió realizar la
simulación de la secuencia que lleva a cabo cada cilindro. Para esto, se utilizó el programa
Automation Studio 5.0 para simular dicho proceso.
En la figura 4.2 se observa el diagrama de simulación para el que se utilizó un cilindro de
doble efecto (cilindro principal), dos cilindros de simple efecto (cilindro sujetador y cilindro
doblador), una válvula 4/3 para el cilindro principal, una válvula 3/2 para el cilindro de simple
efecto, una válvula 3/2 para el otro cilindro de simple efecto, cuatro solenoides (dos para la
válvula 4/3, una para la válvula 3/2 y otro para la válvula 3/2), finales de carrera y la
configuración de cada válvula.
Figura 4.2 Diagrama de simulación de los cilindros de la máquina dobladora de tubos
Capítulo 4 Caso Práctico
43
4.1.3 Diagrama en escalera
Asimismo, se realizó el diagrama en escalera en Automation Studio 5.0, el cual se vincula al
diagrama de simulación y al diagrama del PLC.
En la figura 4.3, se observa el diagrama en escalera para la secuencia de los cilindros de la
máquina dobladora de tubos:
Figura 4.3 Diagrama en escalera de la secuencia de la máquina dobladora de tubos
Capítulo 4 Caso Práctico
44
4.1.4 Diagrama de E/S del PLC
Este diagrama permitió realizar la simulación de un PLC y ayudó a saber cuántas E/S se
requirieron y de esta manera simular, junto con el diagrama en escalera y el diagrama de
simulación de los cilindros, la secuencia completa de cómo sería el doblez de los tubos
circulares.
En la figura 4.4 se observa el diagrama de simulación de E/S del PLC.
Figura 4.4 Diagrama de simulación de E/S del PLC
Capítulo 4 Caso Práctico
45
En la tabla 4.1 se tienen las variables declaradas de todos los elementos que se utilizaron
para vincular el diagrama en escalera, el diagrama de simulación y el diagrama de E/S del
PLC.
Tabla 4.1 Variables declaradas de las entradas y salidas.
ENTRADAS VARIABLE SALIDAS VARIABLE
Final de carrera 1 S1 Solenoide 1 SOL1
Final de carrera 2 S2 Solenoide 2 SOL2
Final de carrera 3 S3 Solenoide 3 SOL3
Final de carrera 4 S4 Solenoide 4 SOL4
Final de carrera 5 S5 Lámpara indicadora de posición
LEDST
Final de carrera 6 S6 Lámpara indicadora doblez 180°
LEDIL
Botón de Inicio BI
Sensor del tubo ST
Sensor de doblez a 180°
IL
Botón de paro por emergencia
BP
Existe una gran variedad de marcas para escoger un Controlador Lógico Programable; sin
embargo, la empresa solicitó trabajar con la marca Allen Bradley.
En la tabla 4.2 solamente se ha hecho una comparación de tres PLC´s diferentes que tienen
características similares, seleccionando para esta propuesta el PLC MicroLogix 1100.
Capítulo 4 Caso Práctico
46
Tabla 4.2 Comparación de características entre PLC´s compactos [13]
Tipo MicroLogix 1000 MicroLogix 1100 MicroLogix 1200
E/S incorporadas 32 16 40
E/S máximas con módulo de expansión
______________
_
Hasta 80 Hasta 136
Programa de usuario / Espacio
de datos
1K 4K Configurable 10K Configurable
Registro de datos _______________
Hasta 128 kB Hasta 128 kB
Batería de respaldo No Si No
Funcionalidad Adicional
Analógica 5 Incorporadas 2 incorporadas, hasta 16 de expansión
Hasta 24 de expansión
Herramienta de acceso a datos
______________ Pantalla de cristal líquido incorporada
_______________
Software de programación
RSLogix 500 y RSLogix Micro
Si Si Si
Comunicaciones
Edición en línea _______________
Si _______________
Puerto RS-232 Mini Din de 8 pines
Mini Din de 8 pines (combinación con puerto RS-485)
Mini Din de 8 pines
Puerto RS-485 _______________
Mini Din de 8 pines (combinación con
puerto RS-232
_______________
Ethernet Con 1761-NET-ENI Incorporada y con 1761-NET-ENI
Con 1761-NET-ENI
DF1 Half-Duplex Maestro/esclavo, radio
módem
Esclavo solamente Si Si
Alimentación de funcionamiento
120/240 VCA /24 VCC
SI Si Si
Capítulo 4 Caso Práctico
47
4.1.5 Diagrama en escalera en el software del PLC
Automation Studio permitió simular la automatización del doblado del tubo; sin embargo, el
programa que se le debe cargar al PLC MicroLogix 1100, se realizó en el programa llamado
RsLogix 500, en el cual se realizó la secuencia del doblado del tubo en diagrama en escalera
para posteriormente cargarlo al PLC. La figura 4.5 muestra dicho programa en RsLogix 500.
Figura 4.5 Programa de la secuencia del doblado del tubo en RSLogix 500
Capítulo 4 Caso Práctico
48
4.2 CILINDROS HIDRÁULICOS Y ENGRANES MECÁNICOS EN SOLIDWORKS
Para ejemplificar de manera visual el funcionamiento de los cilindros hidráulicos junto con
los engranes mecánicos que realizan el doblado de los tubos circulares a 180°, se llevó a
cabo en el programa Solidworks un modelo en 3D de estos tal como se observa en la figura
4.6.
Figura 4.6 Cilindros hidráulicos y engranes mecánicos de la máquina dobladora de tubos en
Solidworks
El cilindro principal es el que está acoplado mecánicamente con los engranes (parte
izquierda de la figura 4.6). Este cilindro se expande de una manera lenta para realizar el
doblez del tubo. Cabe mencionar que la máquina dobladora de tubos ya contaba con los dos
engranes (el mayor de 70 dientes y el menor de 35 dientes), por lo que no fue necesario
calcular el número de dientes.
Uno de los cilindros secundarios (el cual es fijo) sujeta al tubo, mientras que el otro cilindro
secundario sujeta la parte del tubo que será doblada. Este último cilindro, tiene una base que
está acoplada a los engranes, la cual al momento de expandirse el cilindro principal, girará
doblando el tubo a 180°.
Capítulo 4 Caso Práctico
49
La figura 4.7 ejemplifica la vista en 3D de la máquina dobladora de tubos general junto con
el gabinete de control.
Figura 4.7 Máquina dobladora de tubos en Solidworks
4.3 CÁLCULOS PARA EL CURVADO DEL TUBO
Los cálculos para llevar a cabo de manera correcta el doblez del tubo a 180° son de vital
importancia porque si no se realizan de manera adecuada el tubo llega a romperse o
deformarse ocasionando pérdida de material como pérdida de tiempos.
En la tabla 4.3 se muestran los datos técnicos de la bomba hidráulica de desplazamiento
positivo de engranajes externos de la máquina dobladora de tubos. Con ellos se realizaron
los cálculos necesarios para el sistema hidráulico del equipo.
Tabla 4.3 Datos técnicos de la bomba hidráulica
Presión de Operación 20 MPa
Presión máxima 25 MPa
Cilindrada 12 ml/rev
Velocidad del motor que acopla a la bomba 1745 rpm
Capítulo 4 Caso Práctico
50
4.3.1 Determinación de la fuerza en el curvado
La distribución o forma en que están ubicados los apoyos y la guía es de suma importancia,
ya que de esta manera se obtendrá el doblado requerido; con la guía se ejerce una fuerza
en el tubo, la cual permite deformar plásticamente dicho material.
En la figura 4.8 se observa la distribución de la dobladora al momento del doblado:
Figura 4.8 Distribución de la dobladora al momento del doblado
4.3.2 Cálculo del momento plástico.
Este cálculo se realizó para conocer el límite de elasticidad del tubo de acero inoxidable
AISI 304 con el fin de que este no alcance una ruptura. A continuación se describe la
fórmula, las propiedades mecánicas del tubo y los cálculos.
Para hacer este cálculo se empleó la siguiente fórmula:
𝑀𝑝 = 3 ∗ 𝜎𝑦∗ 𝐼
2∗𝐶 (4.1)
Capítulo 4 Caso Práctico
51
Donde:
𝑀𝑝: Momento plástico
𝜎𝑦: Resistencia a la fluencia o límite de fluencia
𝐶: Distancia del eje neutro a la fibra en estudio más alejada
𝐼: Momento de inercia
Especificaciones del material:
Acero Inoxidable AISI 304
𝜎𝑦 = 310 MPa = 310 x 106 N/𝑚2
De = 50 mm = 0.05m
Di = 46mm = 0.046m
C = 25mm = 0.025m
𝐼 = 𝜋
64 (De4 - Di4)
Ahora sustituyendo valores en la fórmula 4.1 se tiene
𝑀𝑝 = 3 ∗ 𝜎𝑦∗ 𝐼
2∗𝐶
𝑀𝑝 = 3∗310 𝑥 106N/𝑚2 ∗(
𝜋
64 (0.054−0.0464))𝑚4
2∗0.025 𝑚
Mp = 1618.37 N-m
Capítulo 4 Caso Práctico
52
4.3.3 Cálculo de la fuerza de doblado.
Este cálculo se realizó para calcular la fuerza suficiente que necesitan los cilindros
secundarios para efectuar el curvado del tubo.
Para el cálculo de la fuerza se usó la siguiente fórmula:
F = 6 ∗ 𝜎𝑦 ∗ 𝐼
𝐶∗𝐿 (4.2)
Donde:
𝜎𝑦: Resistencia a la fluencia o límite de fluencia
𝐼: Momento de inercia
𝐶: Distancia del eje neutro a la fibra en estudio más alejada
𝐿: Radio matriz de doblado = 0.24m
Sustituyendo valores en la ecuación 4.2:
F = 6 ∗ 276 𝑥 106N/𝑚2 ∗(
𝜋
64 (0.054−0.0464))𝑚4
0.025 𝑚∗0.24𝑚
F=24012 N
Esta fuerza de doblado se usó para seleccionar los cilindros hidráulicos secundarios.
Capítulo 4 Caso Práctico
53
4.3.4 Cálculo del torque
Con la fuerza de los cilindros secundarios se calculó el torque que se necesita para hacer
girar los engranes y por consecuencia hacer girar el cilindro que efectúa el doblez.
Para el cálculo de la fuerza se usó la siguiente fórmula:
T = F * L (4.3)
Donde:
F= Fuerza de doblado = 24012 N
L = Radio matriz de doblado = 0.24m
Sustituyendo valores en la ecuación 4.3 se tiene:
T = 24012 N * 0.24m
T = 5762.88 N-m
4.3.5 Cálculo del sistema hidráulico
Para hacer estos cálculos fue necesario tomar en cuenta la unidad de potencia hidráulica
que actualmente tiene la empresa destinada para la máquina dobladora. Los parámetros de
operación son los siguientes:
Presión de trabajo del sistema: 20 MPa
Fuerza necesaria para el proceso de doblado: 108733.6 N
Fluido hidráulico: Aceite hidráulico Anti desgaste (AW) ISO VG 68
Capítulo 4 Caso Práctico
54
Además el sistema tiene una bomba de engranajes con las siguientes características:
Presión: 20 MPa
Cilindrada: 12cm3/rev
Velocidad del motor que acopla a la bomba: 1745 rpm.
Cálculo del cilindro hidráulico principal
Para efectuar los cálculos del cilindro principal, fue necesario realizar los cálculos de la fuerza
tangencial la cual actúa en dirección tangencial a la superficie de paso del engrane, y
perpendicular al eje que tiene el engrane. Esta fuerza es la que en realidad mueve el
engrane.
A continuación se muestra la fórmula y los cálculos para determinar la fuerza tangencial:
𝑇 = 𝐹𝑡 ∗𝑝
2 (4.4)
Despejando Ft tenemos:
Ft = 2∗𝑇
𝑝
Donde:
𝑝 = Diámetro primitivo del engrane
T = Torque
Ft = Fuerza tangencial
Sustituyendo valores:
Ft = 2∗5762.88 𝑁−𝑚
0.1056𝑚 Ft = 108733.6 N
Capítulo 4 Caso Práctico
55
Con los datos mencionados anteriormente, la presión a la que debe operar el cilindro es a
20 MPa y la fuerza necesaria que debe generar es de 108733.6 N; entonces, con estos datos
se encontró el área necesaria que debe tener el cilindro hidráulico, además de considerar
que debe de ser un cilindro de doble efecto.
Para determinar el área se empleó la siguiente fórmula:
F = P ∗ A (4.5)
Donde:
F = Fuerza requerida
P = Presión en el lado del émbolo
A = Superficie del cilindro
Despejando y sustituyendo de la fórmula 4.5 se tiene:
A = 𝐹
𝑃
A = 108733.6 N / 20 MPa
A = 5.44 x 10−3𝑚2
Para determinar el diámetro del émbolo del cilindro principal se empleó la fórmula del área:
𝐴 = 𝜋𝑟2 (4.6)
Capítulo 4 Caso Práctico
56
Despejando y sustituyendo de la fórmula 4.6 se tiene:
r =√𝐴
𝜋
r =√5.44 x 10−3𝑚2
𝜋
r = 0.0416 m
Ahora para el diámetro se tiene la fórmula 4.7:
D = 2 * r (4.7)
Sustituyendo valores de la ecuación 4.7:
D = 2 * 0.0416m
D = 0.08323 m = 83.22 mm
En las comercializadoras de productos hidráulicos existen cilindros hidráulicos de doble
efecto con diámetro del émbolo 100 mm y 50 mm de vástago y 250 mm de carrera.
Al seleccionar el cilindro hidráulico antes mencionado se calculó la presión en el lado del
émbolo de acuerdo a la siguiente fórmula:
F = P ∗ A (4.8)
Capítulo 4 Caso Práctico
57
Donde:
F = Fuerza [N]
P = Presión [MPa]
A = Área [mm2]
Datos:
F = 108722.6 N
A = 𝜋
4(100)2mm2
Despejando y sustituyendo de la fórmula 4.8 se obtiene como resultado:
P = 108733.6 𝑁 𝜋
4(100)2𝑚𝑚2
P = 13.84 MPa
Caudal del cilindro principal
Para determinar el caudal del cilindro principal se tomó en cuenta que el cilindro debe
cumplir al menos 2 ciclos por minuto.
Se calculó la velocidad en el desplazamiento del cilindro:
V = 𝐿
𝑡 (4.9)
Capítulo 4 Caso Práctico
58
Donde:
V = Velocidad de desplazamiento
L = Carrera del cilindro
t = Tiempo de desplazamiento
Datos:
L = 0.25m
t = 60 𝑠𝑒𝑔
2 = 30 seg
Sustituyendo valores de la ecuación 4.9 se tiene:
V = 0.25𝑚
30 𝑠𝑒𝑔
V = 0.00833 m/seg
Con la velocidad de desplazamiento del cilindro se calculó el caudal de aceite tanto en la
salida como en el retroceso.
Q = V ∗ A (4.10)
Donde:
Q = Caudal
V = Velocidad de desplazamiento
A1= Área del embolo
A2 = Área del vástago
Capítulo 4 Caso Práctico
59
Datos:
V = 0.00833m/seg
A1 = 𝜋𝑟2 = 𝜋(0.1)2 = 0.0078 𝑚2
A2 = 𝜋𝑟2 = 𝜋(0.05)2 = 0.002 𝑚2
Utilizando la fórmula 4.10 para el caudal de salida se tiene:
𝑄1 = V ∗ 𝐴1
𝑄1 = 0.00833 m/s * 0.0078 𝑚2
𝑄1 = 6.5 X 10−5 𝑚3/seg
De la misma manera utilizando la fórmula 4.10 para el caudal de retroceso:
𝑄2 = V ∗ 𝐴2
𝑄2 = 0.00833 m/s * 0.002 𝑚2
𝑄2 = 1.66 X 10−5 𝑚3/seg
Por lo tanto, el caudal resultante será:
𝑄𝑅 = 𝑄1 + 𝑄2 (4.11)
Sustituyendo valores de la fórmula 4.11:
𝑄𝑅 = 6.5 X 10−5 𝑚3/seg + 1.66 X 10−5 𝑚3/seg
Capítulo 4 Caso Práctico
60
𝑄𝑅 = 8.166 x 10−5 𝑚3/seg
Cálculo de los cilindros secundarios
La fuerza que deben ejercer los cilindros secundarios se determinó anteriormente, y con
ello se encontró el diámetro necesario de los cilindros.
F = P ∗ A (4.12)
Datos:
F = 24012 N
P = 20 MPa
Despejando y sustituyendo de la ecuación 4.12 se tiene:
A = 𝐹
𝑃
A = 24012 𝑁
20 x 106 N/𝑚2
A = 1.2 x 10−3 𝑚2
Ahora para determinar el diámetro del émbolo del cilindro secundario se ocupó la siguiente
fórmula:
𝐴 = 𝜋𝑟2 (4.13)
Capítulo 4 Caso Práctico
61
Despejando y sustituyendo de la fórmula 4.13:
r =√𝐴
𝜋
r =√1.2 x 10−3𝑚2
𝜋
r = 0.01954 m
Ahora para el diámetro se tiene la siguiente fórmula:
D = 2 * r (4.14)
Sustituyendo valores:
D = 2 * 0.01954m
D = 0.039 m = 39 mm
En distribuidores se encuentran cilindros hidráulicos de simple efecto con diámetro del
embolo 45mm y 25mm de vástago y 100mm de carrera
Con lo anterior se calculó la presión:
F = P * A
Despejando y sustituyendo:
P = 24012 𝑁
𝜋
4(45)2𝑚𝑚2
P = 15 MPa
Capítulo 4 Caso Práctico
62
Es importante resaltar que los cilindros secundarios se deben retraer en un tiempo de
aproximadamente 1.5 segundos
Con lo anterior se calculó la velocidad de desplazamiento del cilindro:
V = 𝐿
𝑡 (4.15)
Donde:
V = Velocidad de desplazamiento
L = Carrera del cilindro
t = Tiempo de desplazamiento
Datos:
L = 0.10m
t = 1.5 seg
Sustituyendo valores de la ecuación 4.15 se tiene:
V = 0.10𝑚
1.5 𝑠𝑒𝑔
V = 0.067 m/seg
Con la velocidad de desplazamiento del cilindro se calculó el caudal de aceite
Q = V ∗ A (4.16)
Capítulo 4 Caso Práctico
63
Donde:
Q = Caudal
V = Velocidad de desplazamiento
A= Área del embolo
Datos:
V = 0.067 m/seg
A= 0078 m2
Sustituyendo valores de la ecuación 4.16 para el caudal del aceite se tiene:
Q= V ∗ A
Q = 0.067 m/seg * 0.00159 𝑚2
Q = 1.066 X 10−4 𝑚3/seg
Como los dos cilindros secundarios son iguales se calculó el caudal resultante
𝑄𝑅 = 2 ∗ Q
Sustituyendo valores:
𝑄𝑅1 = 2 x 1.066 X 10−4 𝑚3/seg
𝑄𝑅1 = 2.13 x 10−4 𝑚3/seg
Cálculo del caudal del sistema
Este caudal es la suma del caudal resultante del cilindro principal y el caudal resultante de
los cilindros secundarios.
Capítulo 4 Caso Práctico
64
Entonces se tiene:
𝑄𝑇 = 𝑄𝑅 + 𝑄𝑅1
Sustituyendo valores se tiene:
𝑄𝑇 = 8.166 x 10−5 𝑚3/seg+ 2.13 x 10−4 𝑚3/seg
𝑄𝑇 =2.94 x 10−4 𝑚3/seg = 17.64 lt/min
4.3.6 Cálculo del sistema eléctrico de la unidad de potencia hidráulica
Para el sistema eléctrico de la unidad de potencia hidráulica, se basó en que el sistema
hidráulico con el que cuenta la empresa tiene un motor trifásico de inducción con las
características descritas en la tabla 4.4:
Tabla 4.4 Características técnicas del motor de inducción
Potencia 10 HP
Corriente nominal (𝐼𝑛) 28.8 Amp.
Voltaje 220 V
Velocidad 1740 rpm
Para seleccionar el interruptor termomagnético trifásico, se calculó la corriente de protección
mediante la siguiente fórmula:
𝐼𝑝 = 1.25 * 𝐼𝑛
Capítulo 4 Caso Práctico
65
Donde:
𝐼𝑝 = Corriente de protección
𝐼𝑛 = Corriente nominal
Sustituyendo valores
𝐼𝑝 = 1.25 * 28.8 = 36 A
4.4 COSTOS DE EQUIPO, MATERIALES Y MANO DE OBRA
En la tabla 4.5 se establecen los costos del equipo hidráulico necesario de acuerdo a las
especificaciones técnicas que necesita la máquina dobladora de tubos.
Tabla 4.5 Catálogo de conceptos del equipo hidráulico
Catálogo de conceptos
Equipo hidráulico
N° Concepto Cantidad Unidad Precio de lista
Importe
1 Cilindro hidráulico de doble efecto con diámetro del émbolo de 100
mm, 50 mm de vástago y 250 mm de carrera. Presión de trabajo
13.84MPa
1 Pieza $13,240 $13,240
2 Cilindro hidráulico de simple efecto con diámetro del émbolo de 45
mm, 25 mm de vástago y 100 mm de carrera. Presión de trabajo 15
MPa.
2 Pieza $3,980 $7,960
3 Electroválvula 4/3
1 Pieza $2,580 $2,580
4 Electroválvula 3/2
2 Pieza $1,500 $3,000
5 Manguera hidráulica tipo R2 con doble capa de malla y con
diámetro interior de 12.7 mm
7 Mts. $73.14 $512
Subtotal 1 $27292
Capítulo 4 Caso Práctico
66
En la tabla 4.6 se consideran los elementos eléctricos necesarios para poder automatizar el
sistema hidráulico de la dobladora de tubos.
Tabla 4.6 Catálogo de conceptos del equipo eléctrico para automatizar el sistema hidráulico
Catálogo de conceptos
Equipo eléctrico para automatizar el sistema hidráulico
N° Concepto Cantidad Unidad Precio de lista
Importe
1 Sistema de control Allen-Bradley MicroLogix 1100 24
VCC
1 Pieza $7,550 $7,550
2 Switching Power Supplies 53W 24V 2.2A AC-DC 115-
230VAC
1 Pieza $478.09 $478.10
3 Botonera doble con 1NA+1NC (XB4-BL845)
1 Pieza $815.46 $815.50
4 Interruptor de limite CWLD 6 Pieza $331.50 $1989.00
5 Clemas ABB
25 Pieza $8.96 $224.00
6 Interruptor Termomagnético 16A 1 polo
1
Pieza $266.50 $266.50
7 Canaleta ranurada gris de 40x40 mm marca abb
3 Pieza $97.32 $291.96
8 Riel DIN perforado ABB 3 Pieza $78.61 $235.83
9 Cable eléctrico 12 AWG 10 Metros $9 $90
10 Gabinete 1 Pieza $550 $550
Subtotal 2 $11940.90
Capítulo 4 Caso Práctico
67
En la tabla 4.7 se enlista el material y costo del equipo eléctrico para el arranque general de
la unidad de potencia hidráulica.
Tabla 4.7 Catálogo de conceptos del equipo eléctrico para el sistema de potencia hidráulica
Catálogo de conceptos
Equipo eléctrico para el sistema de potencia hidráulica
N° Concepto Cantidad Unidad Precio de lista
Importe
1 Interruptor Termomagnético Allen-Bradley 40 Amp.
1 Pieza $990 $990
2 Contactor trifásico 1 Pieza $1600 $1600
3 Cable eléctrico 18 AWG
10 Metros $7 $70
Subtotal 3 $2660
En la tabla 4.8 se engloban herramientas extras tales como pinzas, desarmadores,
multímetro, cinta de aislar, entre otros materiales necesarios para la instalación.
Tabla 4.8 Catálogo de conceptos de herramientas
Catálogo de conceptos
Otros
1 Herramientas $1500
Subtotal 4 $1500
Total de materiales y equipo: $43,942.90
Para hacer un aproximado del costo de mano de obra, se consideró que el costo por hora
es de $480.
Capítulo 4 Caso Práctico
68
Se analizó y se desarrolló el proyecto durante tres semanas, de lunes a viernes durante 7
horas por día. Por lo que:
Horas por día: 7hrs
7hrs=$3360
15 días x 7 hrs=105 hrs
105 hrs x $480= $50,400
Para la instalación del sistema hidráulico automatizado se consideraron 2 días. Por lo tanto:
2 días x 7 hrs= 14 hrs
14 hrs x $480= $6,720
Se consideró 1 día para realizar pruebas y capacitar al operador.
1 día = 7 hrs
7 hrs x $480= $3,360
Por lo tanto, el total del análisis, desarrollo del proyecto y mano de obra es:
Total = $60,480
A esto se le suma el costo de material y equipo:
Materiales y equipo: $43,942.90
Mano de obra: $60,480
Total de mano de obra y equipo: $104,422.90
Capítulo 4 Caso Práctico
69
También son importantes los gastos de transporte.
Haciendo la suma total de los días de trabajo en la empresa que fueron 2 semanas, se estimó
que se gastan $500 por semana, por lo tanto:
1 semana = $500
2 semanas = $1000
2 personas x $1000 = $2000
Entonces, el costo total del proyecto se estima en $106,422.90 aproximadamente.
Fue importante considerar también los tiempos muertos del proyecto. Tales como:
1 semana a 2 semanas de tiempo de entrega del pedido de equipo y materiales.
1 semana para la fabricación e instalación de piezas mecánicas así como mantenimiento
mecánico por parte de la empresa.
70
Capítulo 5
Análisis y resultados de la
producción de tubos doblados
Se describen los resultados obtenidos de acuerdo con la pirámide de la automatización y se
compara el sistema que la empresa utiliza con el sistema propuesto para mejorar la calidad
y cantidad de producción del doblado de tubos
Capítulo 5 Análisis y Resultados
71
5.1 ANÁLISIS DE LA PROPUESTA GENERADA DENTRO DE LA PIRÁMIDE DE LA
AUTOMATIZACIÓN
Para describir los resultados obtenidos se le asignó el lugar que le corresponde al sistema
de acuerdo a la pirámide de la automatización [17]. En la figura 5.1 se muestra los niveles
que comprende la pirámide de la automatización.
Figura 5.1 Niveles de la pirámide de la automatización
De acuerdo con la figura 5.1, la propuesta de solución para la máquina dobladora de tubos
permitió que se posicione en el nivel dos.
En el primer nivel, el proyecto de automatización del sistema hidráulico para la máquina
dobladora de tubos comprende elementos tales como los finales de carrera (sensores), los
cilindros hidráulicos (actuadores), las electroválvulas y el motor de la unidad de potencia
hidráulica.
Para el nivel dos, se tiene el PLC (MicroLogix 1100) con el programa que se realizó en el
software. Este interactúa con los elementos de la dobladora de tubos del primer nivel para
así ejecutar las acciones que llevan a cabo la secuencia del doblado de tubos.
Capítulo 5 Análisis y Resultados
72
5.2 RESULTADOS DE PRODUCCIÓN OBTENIDOS
Con los datos de la empresa respecto a la cantidad promedio de producción de tubos
doblados que obtienen, se hizo una tabla comparativa con la producción y con el sistema
automático propuesto. Estos resultados se muestran en la tabla 5.1.
Manualmente la empresa dobla 1 tubo por minuto.
La empresa solicitó que con la máquina dobladora de tubos se obtengan 2 tubos doblados
por minuto en promedio. Esto se consideró en los cálculos del capítulo anterior.
Tabla 5.1 Comparación de producción del sistema actual con el sistema automatizado
Producción del sistema actual
(Doblado de tubos manualmente)
Producción con el sistema automatizado
(Máquina dobladora de tubos)
Cantidad (N° tubos
doblados)
Tiempo (Hr.) Cantidad (N° tubos
doblados)
Tiempo (Hr.)
60 1 120 1
Se observa que, con la implementación del sistema hidráulico a la máquina dobladora de
tubos y la automatización de ésta por medio del PLC, la producción de tubos doblados a
180° se duplica.
Sin embargo, este no es el único resultado favorable con esta propuesta. También se debe
considerar el hecho de que, como ya no se doblan los tubos de manera manual, el usuario
ya no se detiene a descansar, logrando así que no haya tiempos muertos y como
consecuencia, pérdidas en la cantidad de producción de los tubos.
73
Conclusiones
74
CONCLUSIONES
La generación de una propuesta que permite automatizar el sistema hidráulico de una
máquina dobladora de tubos para mejorar el doblado de estos de manera manual, respondió
a la necesidad de una empresa para cumplir con estándares de calidad a nivel internacional,
produciendo asimismo una mayor cantidad de tubos doblados.
Las simulaciones llevadas a cabo con el software Automation Studio, permitieron determinar
la correcta secuencia de los cilindros hidráulicos. Junto con ello, los cálculos proporcionaron
la fuerza, el caudal y el tamaño de los cilindros necesarios para el adecuado curvado de
cada tubo.
El propósito de generar una solución a un problema determinado, siendo en este caso en
particular el lograr una mayor producción de tubos doblados, reducir tiempos muertos y lograr
una mayor calidad de los tubos doblados; siempre debe responder a las necesidades del
cliente y la empresa dando como resultado la optimización de los procesos, la calidad del
producto y la viabilidad y confiabilidad de la propuesta.
RECOMENDACIONES
En el ramo de la empresa se requiere de una mejora continua, por lo que se recomienda que
a futuro se pueda implementar un sistema que alimente la máquina dobladora de tubos,
descargue y almacene los tubos de manera automática.
Actualmente la empresa cuenta con otros equipos que permiten comunicarse entre sí, por lo
que, al contar el PLC MicroLogix 1100 con el protocolo de comunicación Ethernet para la
máquina dobladora de tubos, se pretende que a mediano plazo se pueda establecer un
sistema de comunicación entre los equipos involucrados en su línea de producción para que
de esta manera se pueda escalar en la pirámide de la automatización.
75
Referencias y
Bibliografía
76
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
[1] J. Wilches, “Curvadora de Tubos: Una Máquina Dedicada a la Forma”, Metal Actual, Núm. 7,
pp. 58-62, Febrero 2008
[2] L.E. Doyle, Materiales y procesos de manufactura para ingenieros. Editorial Prentice Hall,
México, 1999
[3] J.S. Delnero, “Oleohidráulica: Circuitos Hidráulicos”, IT, 2015. Recuperado de:
http://www.ing.unlp.edu.ar/aeron/laclyfa/Carpetas/Catedra/Archivos/Hidaulica%20A.pdf
[4] H. Appold, Tecnología de los metales para profesionales técnico-mecánicas, k. Feiler, A.
Reinhard, P. Schmidt. Editorial Reverte, España (2005).
[5] “Acero Inoxidable-AISI 304”, SUMITEC S.A., Costa Rica, 2011
[6] S. Kalpakjian, Manufactura, ingeniería y tecnología. Editorial Prentince Hall, México, 2002
[7] “PLC-Controladores Lógicos Programables”, SENA, Colombia, 2005
[8] “Doblado de Tubos: Noventa por ciento técnica, Diez por ciento fuerza”, Metal Actual, Núm.
29, pp. 34-39, Agosto 2013
[9] Dobladora manual de tubo TM-025, OTM Soluciones industriales, México, 2006
[10] C.R. Bustillos, Automatización de una curvadora de tubo marca Margua [online].Ecuador:
Universidad Politécnica del Ejército, 2012.
[11] G. P. Moreno, Diseño y construcción de una máquina dobladora de tubos hidráulica con
accionamiento automático [online]. Ecuador: Universidad Politécnica Salesiana, 2013.
77
[12] J. G. Taramuel, Máquina dobladora de tubo redondo de acero con costura de hasta 19 mm
de diámetro y 1.5 mm de grosor controlada por un microcontrolador [online]. Ecuador:
Universidad Técnica del Norte, 2011.
[13] MicroLogix Brochure. Edición 1761-BR006E-ES-P, Allen-Bradley, México, julio 2008
[14] Curvadora de tubos y perfiles, PRADA NARGESA S.L., España, 2008.
[15] Curvadora de tubos hidráulica, Zeziola S.A., Argentina, DT1-M38, 2010.
[16] Código ASME para tuberías de presión, B31. ASME B31.1-2010 (Revisión de ASME B31.3-
2010).
[17] https://s3-us-west-
2.amazonaws.com/smciketek/COMPANIA/PiramideTecnologias_ES_PiramideAutom.jpg
78
Anexos
79
CWLD
Features
Double-circuit type of limit switch, is widely used
With strong aluminum cast outer shell
High mechanical strength
Water-proof, oil-proof construction
Structure preventing oil, water and pressure
Indicating plate with setting position is installed in it, so
it is easy to maintain
Various of actuators is taken convenience for using
Built-in contact stand has double-spring, so it has long
mechanical life
Contact Form
80
Ratings
Rated
Voltage
Noninductive Load (A)
Inductive Load (A)
Resistance Load Lamp Load Inductive Load Motor Load
NC NO NC NO NC NO NC NO
125VAC 250VAC
480VAC
600VAC
10
5
3
1
3 2
1.5
1
1.5 1
0.8
0.5
10
5
3
1.5
5 3
1.5
1
2.0 1.0
0.8
0.5 8VDC
14VDC
30VDC 125VDC 250VDC
10 10
6 0.8 0.4
6 6
4 0.2 0.1
3 3
3 0.2 0.1
10 10
6 0.8 0.4
6
6
4 0.2 0.1
NOTES:
1. Inductive load has a power factor of 0.4 min.(AC) and a time constant of 7 msec.max.(DC).
2. Lamp load has an inrush current of 10 times the steady-state current,while motor load has
an inrush current of 6 times the steady-state current.
Characteristics
Operation speed
1mm-2m/sec
Operating frequency Mechanical: 120 operations/minute, Electrical: 30 operations/minute
Contact resistance
15mΩ max. (initial value)
Insulation resistance 100mΩ min. (at 500VDC)
Dielectric strength
1000VAC, 50/60HZ for 1 minute between terminals of the same polarity
1500VAC, 50/60 HZ for 1 minute between current-carrying and non-current-carrying metal parts
1500VAC, 50/60 HZ for 1 minute between each terminal and ground
81
Characteristics
Vibration 10-55HZ,1.5mm double amplitude
Shock Mechanical durable: 1, 000m/Sec2 (about 100G'S) Malfunction: 300m/Sec2 (about 30G'S)
Ambient temperature
-10 to +80
Humidity
<95% RH
Life Mechanical: 15,000,000 operations above (under rated OT) Electrical: 500,000 operations above
Weight
About 275g
Degree of protection
IEC Specifications: IP66
Operating characteristics
Models
CWLCA2-2
CWLD2
CWLNJ
CWLNJ
-S2
CWLCA12-2-Q
CWL CL
CWLCA
32-41
CWLD
CWLNJ-
2
CWLN J-30
CWLD1
CWLD3
OF Max.
1360g
2720g
150g
29g
1360g
142
g
1200g
2720g
120g
80g
2720g
2720g
RF Min.
227g
910g
-
-
227g
28g
-
910g
-
-
910g
910g
PT Max.
20 º
1.7mm
28mm
28mm
20 º
20 º
55 º
1.7mm
28mm
28mm
1.7mm
1.7mm
OT Min.
30 º
5.6mm
-
-
30 º
30 º
35 º
6.4mm
-
-
5.6mm
5.6mm
MD Max.
12 º
1mm
-
-
12 º
12 º
-
1mm
-
-
1mm
1mm
TF Max.
2720g
-
-
-
2720g
200
g
-
-
-
-
2720g
2720g
TT Min.
50 º
6.5±0.
8mm
-
-
50 º
50 º
OP:90
±10 º
OP:34
±2.8m
m
-
-
6.5±0.
8mm
9±0.8
mm
82
CWLD
83
84
85
86
87
Model LS25 LS35 LS50 LS75 LS100 LS150
AC Input Voltage (300VAC for 5s) VAC 88 - 264VAC (See note (2) for LS100) 88-132/176-264VAC(1)
Input Frequency Hz 47 - 63Hz
DC Input Voltage VDC 125 - 373VDC* 248 - 273VDC*
Inrush Current (230VAC, cold start) A 30 40 40 40 60 40
Power Factor - Meets EN61000-3-2, -3
Input Current (115/230VAC) A 0.7 / 0.4 0.8 / 0.55 1.3 / 0.8 1.6 / 1.0 2.2 / 1.2 3.5 / 2
Temperature Coefficient - <0.02%/°C
Overcurrent Protection - > 110%
Overvoltage Protection V 3.3V: 3.8-4.45V, 5V: 5.75-6.75V, 12V: 13.8-16.2V, 15V: 17.25-20.25V,
24V: 27.6-32.4V, 36V: 41.4-48.6V, 48V: 55.2-64.8V
Hold Up Time (115 / 230V input) ms 14 / 80 12 / 80 14 / 60 14 / 60 25 / 150 20 / 28
Leakage Current (230VAC 60Hz) mA <1mA
Remote Sense - No
LED Indicator - Green LED = On
Operating Temperature °C -25 to +70°C. Derate linearly to 50% load from +50 to +70°C (2)
Storage Temperature °C -40 to +85°C
Operating Humidity - 20 - 90% RH (non condensing)
Storage Humidity - 10 - 95% RH (non condensing)
Cooling - Convection
Withstand Voltage - Input to Ground 1.5kVAC, Input to Output 3kVAC, Output to Ground 500VAC for 1 min.
Isolation Resistance - >100M at 25C & 70%RH, Output to Ground 500VDC
Vibration (non operating) - 10 - 55Hz: 19.6m/s2 constant sweep 1 min X, Y, Z for 1 hour
Shock - < 196.1 m/s2 (20G)
Immunity - IEC61000-4-2, -3, -4, -5, -6, -8, -11
Safety Agency Approvals - UL /CSA (cUL) /IEC 60950-1 (2nd Ed), CE Mark (Additionally evaluated to EN 60950-1)
Conducted & Radiated EMI - EN55011/EN55022-B, FCC-B
MTBF (MIL-HDBK-217F) hrs 906,997 706,464 712,890 648,786 545,375 505,393
Weight (Typ) g 170 270 350 410 600 700
Size (LxWxH) in 3.1 x 2.0 x 1.1 3.9 x 3.2 x 1.4 3.9 x 3.8 x 1.4 5.1 x 3.8 x 1.5 6.3 x 3.8 x 1.5 7.8 x 3.9 x 1.5
Warranty yrs Three Years
25-150W Single Output General Purpose Power Supplies
Features
Very low cost
25W to 150W
Small size
115VAC or 230VAC input
Withstands 300VAC surges (5s)
Three year warranty
Key Market Segments & Applications
Specifications
Notes: (1) Switch selectable for 115 or 230VAC
(2) LS25-3 Derate linearly to 60% load from +40 to +70°C.
LS50, LS75-3 & -5 Derate linearly to 70% load from +50 to +70°C.
LS25-5 to 48, LS75-12 to 48 Derate linearly to 60% load from +50 to +70°C.
*Safety certified for AC input only
LS100-3 & -5 Derate linearly to 60% load from +45 to +70°C. Derate linearly to 80% load from 115V to 88VAC input.
LS100-12, -15, -24, -36, -48 Derate linearly to 60% load from +50 to +70°C. Derate linearly to 80% load from 115V to 88VAC input.
LS150-3 & -5, Derate linearly to 50% load from +40 to +70°C.
LS150-12, -15, -24, -36, -48 Derate linearly to 70% load from +50 to +70°C.
fgdfg dgdf gfdg
88
Adjust Range Max Current Load Reg Line Reg Ripple Noise Efficiency
Model Voltage (V) (A) (mV) (mV) (mV) (typ) %
LS25-3.3 3.3V 2.85 - 3.6 6.0 40 20 80 75
LS25-5 5V 4.5 - 5.5 5.0 40 20 80 79
LS25-12 12V 10.8 - 13.2 2.1 96 48 120 83
LS25-15 15V 13.5 - 16.5 1.7 120 60 120 83
LS25-24 24V 22 - 27.6 1.1 192 96 120 84
LS25-36 36V 32 - 40 0.75 288 144 150 84
LS25-48 48V 42 - 54 0.57 384 192 200 85
LS35-3.3 3.3V 2.85 - 3.6 7.0 40 20 80 75
LS35-5 5V 4.5 - 5.5 7.0 40 20 80 78
LS35-12 12V 10.8 - 13.2 3.0 96 48 120 82
LS35-15 15V 13.5 - 16.5 2.4 120 60 120 83
LS35-24 24V 22 - 27.6 1.5 192 96 120 84
LS35-36 36V 32 - 40 1.0 288 144 150 84
LS35-48 48V 42 - 54 0.8 384 192 200 84
LS50-3.3 3.3V 3.0 - 3.6 10.0 40 20 80 75
LS50-5 5V 4.75 - 5.5 10.0 40 20 80 80
LS50-12 12V 10.8 - 13.2 4.2 96 48 120 84
LS50-15 15V 13.5 - 16.5 3.4 120 60 120 85
LS50-24 24V 22 - 27.2 2.2 192 96 120 86
LS50-36 36V 32 - 40 1.4 288 144 150 86
LS50-48 48V 42 - 54 1.1 384 192 200 86
LS75-3.3 3.3V 3.0 - 3.6 15.0 40 20 80 75
LS75-5 5V 4.75 - 5.5 12.0 40 20 80 79
LS75-12 12V 10.8 - 13.2 6.0 96 48 120 84
LS75-15 15V 13.5 - 16.5 5.0 120 60 120 85
LS75-24 24V 22 - 27.2 3.2 192 96 120 86
LS75-36 36V 32 - 40 2.1 288 144 150 86
LS75-48 48V 42 - 54 1.6 384 192 200 87
LS100-3.3 3.3V 3.0 - 3.6 20.0 40 20 80 75
LS100-5 5V 4.75 - 5.5 16.0 40 25 80 79
LS100-12 12V 10.8 - 13.2 8.5 96 48 120 82
LS100-15 15V 13.5 - 16.5 7.0 120 60 120 84
LS100-24 24V 22 - 27.2 4.5 192 96 120 86
LS100-36 36V 32 - 40 3.0 288 144 150 86
LS100-48 48V 42 - 54 2.3 384 192 200 86
LS150-3.3 3.3V 3.0 - 3.6 30.0 40 20 80 75
LS150-5 5V 4.75 - 5.5 26.0 40 20 80 79
LS150-12 12V 10.8 - 13.2 12.5 96 48 120 83
LS150-15 15V 13.5 - 16.5 10.0 120 60 120 85
LS150-24 24V 22 - 27.2 6.5 192 96 120 86
LS150-36 36V 32 - 40 4.3 288 144 150 87
LS150-48 48V 42 - 54 3.3 384 192 200 87
Output Ratings
For Additional Information, please visit us.tdk-lambda.com/lp/products/ls-series.htm
Revision B3: Apr 2015
fgdfg dgdf gfdg
89
MANGUERA HIDRÁULICA
Manguera hidráulica tipo 2T/R2 con doble capa de malla y con un diámetro interior de 12.7mm, para líneas de media presión cubierta de caucho sintético
USOS Temperatura continua de servicio:
-40 °F / +212°F -40°C / +100°C Manejo de fluidos tales como:
Aceite mineral Aceite vegetal y de colza
Aceites basados en glicoles y poliglicoles
Aceites con base en éster sintético
Aceites en emulsión acuosa Agua
Máxima temperatura de operación:
(Servicio intermitente) +250°F +121°C
fgdfg dgdf gfdg
90
fgdfg dgdf gfdg
91
fgdfg dgdf gfdg
92
fgdfg dgdf gfdg
93