View
219
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
1/166
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERADEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA
DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN DINAMMETRO PARA
MEDIR LA FUERZA DE MECANIZADO EN EL TORNO GAP-BEDMODELO CZ300A
FRANCISCO JAVIER PINO MOLINA
Profesor Gua:
Mestre em Engenharia Mecnica
Sr. Hctor Guillermo Muoz Romero.
Memoria de titulacin presentada en
conformidad a los requisitos para
obtener el Ttulo de Ingeniero de
Ejecucin en Mecnica
Santiago - Chile
2012
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
2/166
FRANCISCO JAVIER PINO MOLINA
Autoriza la reproduccin parcial o total de esta obra, con fines acadmicos, por
cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuando se incluya la cita
bibliogrfica del documento.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
3/166
i
Agradecimientos.
Quiero agradecer especialmente, a mi novia Beatriz Jorquera quien
siempre estuvo presente a mi lado para darme animo y brindarme toda la
ayuda que pude necesitar, tambin, agradezco a mis padres Doris Molina y
Aldo Pino, gracias a ellos esta etapa en mi vida se ha cumplido, porque con la
dedicacin, amor y esfuerzo que han entregado para mi formacin, me es
posible tener las herramientas para realizar este trabajo, tambin, agradezco
por estos aos de universidad a mis amigos de mi carrera, a profesores y a los
bafuamigos de msica, amigos especiales, que con guitarras, quenas ybombos fueron mi relajo en tiempos de presiones y estrs, finalmente, a todas
las personas que me acompaaron durante el desarrollo de este trabajo,
sinceramente muchas gracias
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
4/166
ii
TABLA DE CONTENIDOS.RESUMEN... xii
1 CAPTULO I INTRODUCCIN
1.1 Presentacin del problema 1
1.2 Objetivo general.. 2
1.3 Objetivos especficos. 31.4 Alcances y limitaciones.. 4
2 CAPTULO II DINAMMETROS
2.1 Generalidades. 6
2.1.1 Teora de mecanizado.... 9
2.1.1.1 Movimientos en el proceso de torneado........ 11
2.1.1.2 Geometra de las herramientas de corte....... 13
2.1.1.3 Velocidad de corte, avance, profundidad de corte,
fuerza de mecanizado y potencia de mecanizado. . 14
2.1.2 Piezoelectricidad.. 23
2.1.2.1 Efecto piezoelctrico.. 24
2.1.2.2 Materiales piezoelctricos....... 26
2.1.3 Transductores y sensores.. 28
2.1.3.1 Caractersticas de un sensor...... 30
2.1.3.2 Tipos de sensores. 31
2.2 Anlisis esttico y dinmico de los dinammetros. 35
2.2.1 Anlisis esttico. 35
2.2.2 Anlisis dinmico.. 40
2.3 Transductores de fuerza. 44
2.3.1 Tipos de transductores. 44
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
5/166
iii
2.3.2 Clulas de carga.. 45
2.3.2.1 Los elementos elsticos 45
2.3.2.2 Galgas extensomtricas de resistencia elctrica. 47
2.3.2.3 Extensmetros de hoja. 48
2.3.2.4 Galgas extensomtricas semiconductoras 49
2.3.3 Transductores piezoelctricos 49
2.3.3.1 Transductores de fuerza de multi-componentes... 52
2.3.4 Transductores de fuerza con presin 532.4 Acondicionadores de seales 54
2.4.1 Procesos del acondicionamiento de seales 55
2.4.2 El amplificador operacional (AO) 55
2.4.3 Proteccin.. 59
2.4.4 Filtrado 61
2.5 Conversores de seales ADC 62
2.5.1 Digitalizacin.. 62
2.5.2 Funcionamiento del conversor analgico-digital
(ADC) asociado a micro procesadores. 64
2.5.3 Especificaciones de los conversores anlogo-digital. 66
2.6 Transmisin de datos mediante puerto serial. 71
2.6.1 Puerto serie 70
2.6.2 Puerto serie modernos. 72
2.6.3 Tipos de comunicacin en serie. 72
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
6/166
iv
3 CAPTULO III DISEO DEL PROYECTO
3.1 Introduccin... 74
3.2 Ingeniera conceptual.. 74
3.2.1 Justificacin de la investigacin.. 75
3.2.2 Propuestas de solucin 76
3.2.3 Anlisis comparativo de las soluciones. 78
3.3 Ingeniera bsica.. 793.3.1 Diseo de torre porta-herramienta. 79
3.3.2 Ingeniera bsica del dinammetro 82
3.4 Ingeniera de detalles.. 86
3.4.1 Ingeniera de detalles del proyecto mecnico.. 86
3.4.2 Ingeniera de detalles del transductor y del procesamiento
de seales 90
3.4.3 Ingeniera de detalles del hardware a implementar. 93
3.4.3.1 Ingeniera de detalles del amplificador de carga del
transductor...... 93
3.4.3.2 Ingeniera de detalles de microcontrolador Arduino..100
3.4.4 Ingeniera de detalles del software a implementar 104
3.4.4.1 Software Arduino..... 104
3.4.4.2 Macros Excel 106
3.4.4.3 PLX-DAQ adquisicin de datos para Excel..... 107
3.4.5 Estimacin econmica del proyecto 109
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
7/166
v
4 CAPTULO IV IMPLEMENTACIN, CALIBRACIN, AJUSTES Y
PUESTA EN MARCHA
4.1 Generalidades 110
4.2 Implementacin.. 112
4.2.1 Acondicionador de seales para hardware Arduino..... 112
4.2.2 Programacin para software Arduino para adquisicin de
datos. 1144.2.3 Comunicacin de Arduino hacia software Microsoft
Excel. 116
4.3 Calibracin y ajustes..... 117
4.4 Ensayos y puesta en marcha... 128
5 CAPTULO V ANLISIS DE RESULTADOS, COMENTARIOS Y
CONCLUSIONES
5.1 Anlisis de resultados....... 139
5.2 Comentarios 143
5.3 Conclusiones.. 145
Referencia..... 146
Apndice:A.- Planos mecnicos del conjunto y del despiece.. 148
B.- Manual de Usuario.. 152
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
8/166
vi
NDICE DE TABLAS Y GRFICOS.
TABLAS.
2 CAPTULO II DINAMMETROS.
2.1 Energa necesaria aproximada para operaciones de corte.. 23
2.2 Algunas propiedades de materiales piezoelctricos de usocomn 28
2.3 Clasificaciones de los sensores. 33
2.4 Sensores y mtodos de deteccin ordinarios para las
magnitudes ms frecuentes 34
3 CAPTULO III DISEO DEL PROYECTO.
3.1 Anlisis comparativo de las soluciones.......... 78
3.2 Propiedades Mecnicas y Fsicas del Acero SAE 1045 87
3.3 Informacin tcnica del transductor de carga. 92
3.4 Informacin general del transductor de carga. 93
3.5 Informacin tcnica del amplificador de carga industrial
(ICAM) 95
3.6 Informacin tcnica de las entradas de carga del ICAM 95
3.7 Informacin tcnica del voltaje de salida de ICAM. 95
3.8 Informacin tcnica de corriente de salida de ICAM.. 96
3.9 Informacin tcnica de Arduino... 101
3.10 Estimacin econmica base. 109
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
9/166
vii
4 CAPTULO IV IMPLEMENTACIN, CALIBRACIN, AJUSTES Y
PUESTA EN MARCHA.
4.1 Detalles de la programacin para software Arduino 115
4.2 Resultados del primer y segundo ciclo... 119
4.3 Resultados del tercer y cuarto ciclo 120
4.4 Resultados del quinto ciclo.. 120
4.5 Ajustes y cambios en el programa Arduino para leer lafuerza de corte directamente 122
4.6 Errores aleatorios agregando pesos... 123
4.7 Errores aleatorios quitando pesos...... 123
4.8 Error sistemtico expresado en kgf. 124
4.9 Factor t en funcin de p y n.. 125
4.10 Resultados de la dispersin de la medicin para distintas
probabilidades de encuadramiento....126
4.11 Datos obtenidos para determinar el error por histresis..... 127
4.12 Constantes utilizadas para los ensayos 1 y 2... 128
5 CAPTULO V ANLISIS DE RESULTADOS, COMENTARIOS Y
CONCLUSIONES.
5.1 Resultados del ensayo 1 de fuerza de corte..... 140
5.2 Resultados de ensayo 2 de fuerza de corte.. 1415.3 Diseo de tabla para toma de datos... 144
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
10/166
viii
GRFICOS.
4 CAPTULO IV IMPLEMENTACIN, CALIBRACIN, AJUSTES Y
PUESTA EN MARCHA.
4.1 Voltaje versus cargas de pesos patrones.. 121
4.2 Curvas de histresis.. 127
4.3 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 1, p=1,5mm,primera medicin 129
4.4 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 1, p=1,5mm
segunda medicin.. 130
4.5 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 1, p=1mm,
primera medicin 131
4.6 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 1, p=1mm,
segunda medicin.. 132
4.7 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 1, p=0,5mm,
primera medicin 133
4.8 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 1, p=0,5mm,
segunda medicin.. 134
4.9 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 2, a=0,051
mm/rev. 135
4.10 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 2, a=0,101
mm/rev. 1364.11 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 2, a=0,152
mm/rev..... 137
4.12 Resultado obtenido con Arduino, ensayo 2, a=0,202
mm/rev..... 138
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
11/166
ix
5 CAPITULO V ANLISIS DE RESULTADOS, COMENTARIOS Y
CONCLUSIONES.
5.1 Fuerza de corte versus tiempo de mecanizado, para avance
de 0,101mm/rev y Vc=91,5m/min, con las profundidades
indicadas..... 140
5.2 Fuerza de corte versus profundidad de corte para avance
constante. 1415.3 Fuerza de corte versus tiempo de mecanizado, para
profundidad de 1mm y Vc=136,6m/min, con los avances
indicados..... 142
5.4 Fuerza de corte versus avance para profundidad de corte
constante. 142
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
12/166
x
LISTA DE SIMBOLOS.
NombreLetra /
SmboloNombre
Letra /
Smbolo
Velocidad de corte Rev. por minuto dimetro Velocidad de avance
Avance por revolucin Profundidad en el corte Dimetro inicial Dimetro final Fuerza de corte Fuerza de empuje
Fuerza resultante Angulo de desprendimiento Angulo de incidencia Angulo de filo
Angulo de cizallamiento Fuerza de friccin Fuerza normal Fuerza normal cizalle
Fuerza de cizallamiento Coeficiente de friccin Potencia cortante Potencia especfica de corte Ancho de corte Espesor de corte de viruta
Potencia especfica para
friccin
Potencia especifica total del
sistema
Deformacin Mdulo de Young Esfuerzo Campo elctrico
Vector desplazamiento Constante dielctrica Vector polarizacin Permisividad a esfuerzo cte.
Compilancia a campo cte. ! Desplazamiento "Desplazamiento en el lmite
elstico"#
Momento de inercia de
seccin transversal$
Fuerza % Constante elstica &Largo primitivo ' masa (
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
13/166
xi
Constante de amortiguador Frecuencia natural Ganancia ) Coef. de amortiguamiento *
Resistencia elctrica + Voltaje Capacitancia , Conversor anlogo-digital -,Resolucin + Numero de bits .
Conexin tierra GND Bit menos significativo '/0Error de histresis 1 Carga elctrica 2Corriente elctrica $3 Frecuencia de muestreo 14
Modulacin por ancho de
pulso56 Amplificador de carga
industrial$,-6
Error total 7 Error aleatorio 8Error sistemtico Medida 6
Promedio de mediciones 66 Valor verdadero Valor verdadero
convencional9
Probabilidad de
encuadramiento
Dispersin de la medicin 6 Factor de Student Desviacin estndar /
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
14/166
xii
RESUMEN
Este trabajo tiene como objetivo principal la necesidad de disear,
construir e implementar un dinammetro de fcil uso y entendimiento para la
aplicacin en los laboratorios de procesos mecnicos y/o taller, frecuentemente
el uso de las ecuaciones aproximadas o empricas nos entregan valores
discretos de la fuerza aplicada al corte de metal lo que implica una dificultad en
el anlisis del comportamiento de esta variable, se debe a que no tenemos unanlisis continuo de la fuerza en el mecanizado, por lo tanto, esta memoria
busca solventar este problema para lograr una mejor comprensin de la
variable fuerza por parte de los usuarios del torno GAP-BED modelo CZ300A
de uso comn presente en el rea de procesos mecnicos.
El procedimiento utilizado para la obtencin de un dinammetro fue
lograr implementar un diseo de una torre porta herramienta que pueda admitir
a un transductor piezoelctrico Kistler 9011A en su estructura, con este
transductor piezoelctrico y su amplificador respectivo, las seales emitidas
son procesadas por un microcontrolador, y con programas especficos se
lograra emitir la informacin final de la fuerza de corte presente en el
mecanizado.
La solucin a las cotas de diseo de la torre porta herramienta se
obtienen realizando simulaciones con el software de diseo y simulaciones de
tensin Autodesk Inventor Professional, los niveles de carga del transductor
deben ser acondicionadas para que puedan ser analizadas por el
microcontrolador y finalmente para la adquisicin y monitoreo de datos la
programacin ocupada se realiza en los software Arduino y la herramienta VBA
para ser enviadas a una hoja de clculo Excel donde se observar una grfica
de tensin o fuerza vs tiempo con un detalle de datos respectivamente.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
15/166
1
CAPITULO IINTRODUCCIN
1.1 Presentacin del problema.
La fuerza como un efecto fsico ha sido una materia con un amplio
campo de estudio desde la poca de la mecnica clsica hasta la actualidad,
ya que, la fuerza se ve involucrada en varios fenmenos naturales, desde loms grande como as tambin en lo ms nfimo que pueda existir, logrando ser
importante como por ejemplo, para las reas de estudio de la transformacin
de energa, generacin de trabajo, fuerzas en las partculas sub atmicas,
deformacin elstica y plstica de los materiales, anlisis de estructuras y
como tambin los procesos por arranque de viruta, entre otras.
La realizacin de esta memoria, es el resultado de la necesidad deconstruir e implementar, para el Departamento de Ingeniera Mecnica,
especficamente, en el rea de Procesos Mecnicos, un nuevo sistema para
medir las fuerzas del mecanizado en el torno GAP-BED modelo CZ300A. El
problema que busca solucin esta memoria, tiene lugar en las experiencias o
ctedras dnde con frecuencia se requiere determinar la fuerza de
mecanizado, pero muchas veces al desconocer esta informacin que es
esencial para analizar por ejemplo el comportamiento de la herramienta sobre
el material, se debe recurrir a aproximar valores numricos y hacer uso de
ecuaciones matemticas empricas para determinar las fuerzas de mecanizado
existentes. Si bien existen instrumentos de medicin que logran medir la fuerza
de mecanizado o de corte directamente, estos son de un alto costo y alta
complejidad en el uso, por esta razn se implementar un dinammetro de
caractersticas piezoelctricas, ya que nos ofrece una gran precisin en la
calidad de la lectura realizada, para ello se construir su respectiva torre porta
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
16/166
2
herramienta para ser instalada y tambin se disear el acondicionador de
seal para capturar, almacenar y analizar las seales emitidas por el
transductor piezoelctrico mediante el uso de un controlador de accesible costo
y de fcil programacin, de esta forma se obtiene un dinammetro de un uso
poco complejo y de alta calidad para ser usado por quien necesite medir
fuerzas de corte en el departamento de Ingeniera de Mecnica.
Finalmente, esta memoria se realiz con fines principalmenteacadmicos para el rea de Procesos Mecnicos, en la implementacin para
laboratorios y talleres; con el nuevo sistema de medicin de fuerzas, se podr
observar incluso cuantificar dicha magnitud en la direccin del movimiento, de
una manera rpida, precisa y didctica para el fcil entendimiento del
comportamiento de esta variable fundamental del rea.
1.2 Objetivo general.
Disear e implementar un dinammetro que permita medir la fuerza en la
direccin del movimiento de corte, para posteriormente ser usado en el
laboratorio de fuerza especfica de corte.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
17/166
3
1.3 Objetivos especficos.
Disear un dinammetro que permita medir la componente de la fuerza
de mecanizado, en la direccin del movimiento de corte en el torno
GAP_BED, modelo CZ300A.
Fabricar los componentes mecnicos del dinammetro.
Basado en la seal elctrica entregada por el transductor, disear y
construir el acondicionador de seales para preparar la informacin a ser
leda por un microcontrolador.
Programar el microcontrolador para administrar las seales
representativas de la fuerza a medir y ser transmitidas a un computador.
Generar un programa en el computador que permita almacenar la
informacin entregada por el microcontrolador.
Implementar y calibrar el sistema de medicin desarrollado.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
18/166
4
1.4 Alcances y limitaciones.
Los alcances o ventajas que tiene esta memoria son principalmente los
que estn relacionados con los costos y la poca complejidad que este involucra
en el uso del dinammetro a nivel de comprensin de su programacin y
calibracin.
Refirindose a la parte de costos en la implementacin, es una ventaja,ya que, el microcontrolador Arduino, se puede adquirir a un costo
razonablemente accesible para cualquier persona, los componentes que
involucran construir el acondicionador de seales se encuentras disponibles
libremente en el mercado, a muy bajo costo. Respecto al transductor, se trata
de un elemento de costo muy elevado, pero su precisin y velocidad de
transmisin de seales lo justifican para construir un buen instrumento de
medicin.
Otra ventaja considerable, es el tamao y compatibilidad; el tamao en
la forma de que el dinammetro no ocupar un gran espacio fsico; tendr una
gran compatibilidad, ya que, funcionar a medida que el computador utilizado
contenga el Software especfico para el funcionamiento del programa cargado
al microcontrolador, la comunicacin entre el programa cargado al
microcontrolador y el computador es de tipo serial a travs del puerto USB.
Adems resulta fcil el entendimiento del uso, ya que, el lenguaje deprogramacin, es un lenguaje simple en Wiring, subconjunto C, con libreras y
funciones exclusivas para Arduino, cabe destacar, que utiliza un software
completamente flexible, por lo tanto, constantemente puede ser sometido a
mejorar en su programacin, resolucin y capacidad de lecturas de datos para
utilizarlos convenientemente.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
19/166
5
Las limitaciones que pueden existir son bsicamente algunas que ya se
mencionaron como lo es el costo elevado del transductor, tambin el diseo y
la ingeniera que involucra la construccin del porta herramientas, el diseo
debe ser lo ms simple, econmico y preciso por que este debe tener una
cierta deformacin suficiente para que el transductor logre transmitir la
informacin para ser trabajada. Otra limitacin puede ser la entrada de voltajes,
que acepta Arduino para trabajar, ya que, si trabaja en niveles altos, el Arduino
puede ser daado o en el caso contrario un rango de diferencias de voltajesmuy bajos para la toma de datos, lo que no es para nada favorable, ya que, se
ve afectada directamente nuestra resolucin, por lo que se hace necesario
construir acondicionadores de seales para cada nivel de voltaje.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
20/166
6
CAPTULO IIDINAMMETROS
2.1 Generalidades.
Los dinammetros son ampliamente usados en la industria moderna,
estos estn fabricados de distintas maneras, materiales y diseos para ser
aplicado en lo que se requiera de un dinammetro. Un poco de historia noslleva a que los primeros dinammetros funcionan con caractersticas y
magnitudes de tipo mecnica, inventado por Isaac Newton, el dinammetro se
basa en la elongacin del resorte que sigue la ley de Hooke en el rango de la
medicin, este dinammetro adems de medir fuerza puede medir masa,
dependiendo de la escala de medicin que este tenga y las condiciones de
gravedad y masa. A causa de esto, este dinammetro requiere de mucha
calibracin, pero por su simplicidad es el que hoy en da es ampliamente
utilizado de forma cotidiana.
Tambin existen dinammetros para la industria manufacturera o en el
rea de la metalmecnica, por ejemplo; los dinammetros utilizados en las
mquinas herramienta, estos son diferentes a los antes descritos ya que la
variable a medir es una magnitud fsicamente de tipo elctrica que es generada
por alguna clase de transductor y despus interpretada por algn procesador
para luego traducirla a alguna magnitud equivalente en fuerza. Las magnitudes
generadas por los transductores, se obtienen a partir de las deformaciones
ocurridas en un portaherramientas al momento del mecanizado, si tiene
adherida una cinta extensomtrica, para este caso la deformacin es
proporcional a la variacin de las resistencias de un puente de Wheastone o
tambin se pueden obtener mediante el uso de piezoelctricos, ya que, los
piezoelctricos pueden generar pulsos elctricos (cargas) de diferente
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
21/166
7
magnitud, directamente proporcional a la fuerza con que est siendo
impactada. Los transductores solo generan seales pero estas deben ser
amplificadas o simplificadas segn sea el caso, para poder leerla con un
microcontrolador, por lo que se hace necesario la utilizacin de un
acondicionador de seales. Adems se requiere de un puerto de comunicacin
desde el controlador hasta el computador para poder almacenar la informacin
de la magnitud para as estudiar su comportamiento transiente detenidamente.
Bsicamente en la industria actual los dinammetros utilizados son lospiezoelctrico debido a su gran precisin y confiabilidad en la lectura de datos,
adems, los elementos para su fabricacin son los ya mencionados, un
transductor piezoelctrico, un acondicionador de seales, un controlador y una
computadora para almacenar la adquisicin de datos, en su conjunto de los
elementos o dispositivos generamos lo que conocemos por dinammetro
piezoelctrico.
2.1.1 Teora de mecanizado.
El mecanizado o, ms correctamente, maquinado, es un proceso de
fabricacin que comprende un conjunto de operaciones de conformacin de
piezas mediante la eliminacin de material, ya sea por arranque de viruta o por
abrasin. Se realiza a partir de productos semielaborados como lingotes
tochos u otras piezas previamente conformadas por otros procesos como
moldeo o forja. Los productos obtenidos pueden ser finales o semielaboradosque requieran operaciones posteriores.
El mecanizado o maquinado por arranque de viruta consiste en que el
material es arrancado o cortado con una herramienta dando lugar a un
desperdicio o viruta. La herramienta consta, generalmente, de uno o varios filos
o cuchillas que separan la viruta de la pieza en cada pasada. Este tipo de
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
22/166
8
mecanizado por arranque de viruta da lugar a diferentes operaciones de
mecanizado como es el desbaste y el acabado por ejemplo, por lo que,
involucran a algunas mquinas-herramienta como lo son Tornos y Fresadoras
entre las ms importantes y conocidas.
En los tornos se permite mecanizar piezas de forma geomtrica de
revolucin. Estas mquinas-herramienta operan haciendo girar la pieza a
mecanizar mientras una o varias herramientas de corte son empujadas en unmovimiento regulado de avance contra la superficie de la pieza, cortando la
viruta de acuerdo con las condiciones tecnolgicas de mecanizado adecuadas.
Dentro de los tipos de tornos, tenemos a los tornos paralelo o mecnico,
usados frecuentemente para trabajos puntuales, ya que, para la produccin en
serie han sido sustituidos por tornos copiadores, automticos y de control
numrico computarizado. En los tornos de control numrico computarizado se
ofrece un gran capacidad de produccin y precisin en el mecanizado por su
estructura funcional y porque la trayectoria de la herramienta es controlada por
un computador que lleva incorporado, la mquina resulta rentable para
mecanizar desde un poco a grandes series de piezas dependiendo de su
complejidad y geometra, adems de lograr mecanizar superficies curvas con
gran precisin.
Figura 2.1. Torno paralelo moderno.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
23/166
9
El tamao del torno se basa en el dimetro mximo de las piezas que
puede mecanizar. Esta dimensin, conocida como giro del torno, se determina
aumentando al doble la distancia desde el centro de husillo hasta la bancada.
El torno tiene cinco componentes. Las partes principales del torno son el
cabezal principal, bancada, eje principal, contrapunta y carro.
- Cabezal principal.
Es una caja fijada al extremo de la bancada por medio de tornillo o
bridas. En ella va alojado el eje principal, que es el que proporciona el
movimiento a la pieza. En su interior suele ir alojado el mecanismo para lograr
las distintas velocidades, que se seleccionan por medio de mandos adecuados,
desde el exterior.
- Bancada.
Es un zcalo de fundicin soportado por uno o ms pies, que sirve de
apoyo y gua a las dems partes principales del torno. La fundicin debe ser de
la mejor calidad; debe tener dimensiones apropiadas, suficientes para soportar
las fuerzas que se originan durante el trabajo, sin experimentar deformacin
apreciable, an en los casos ms desfavorables. Para facilitar la resistencia
suele llevar unos nervios centrales.
Las guas han de servir de perfecto asiento para que as permitan un
deslizamiento suave y sin juego al carro y contracabezal. Deben estar
perfectamente rasqueteadas o rectificadas. Es corriente que hayan recibido un
tratamiento de temple superficial, para resistir el desgaste. A veces, las guas
se hacen postizas, de acero templado y rectificado.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
24/166
10
- Eje principal.
Es el rgano que ms esfuerzos realiza durante el trabajo. Por
consiguiente, debe ser robusto y estar perfectamente guiado por los
rodamientos, para que no haya desviaciones ni vibraciones. Para facilitar el
trabajo en barras largas suele ser hueco. En la parte anterior lleva un cono
interior, perfectamente rectificado, para poder recibir el punto y servir de apoyo
a las piezas que se han de tornear entre puntos. En el mismo extremo, y por suparte exterior, debe llevar un sistema para poder colocar un plato porta piezas.
- Contrapunta.
Consta de dos piezas de fundicin, de las cuales una se desliza sobre la
bancada y la otra puede moverse transversalmente sobre la primera, mediante
uno o dos tornillos. Ambas pueden fijarse en cualquier punto de la bancada
mediante una tuerca y un tornillo de cabeza de grandes dimensiones que se
desliza por la parte inferior de la bancada. La superior tiene un agujero
cilndrico perfectamente paralelo a la bancada y a igual altura que el eje del
cabezal. En dicho agujero entra suavemente un manguito cuyo hueco termina,
por un extremo en un cono Morse y, por el otro, en una tuerca. En esta tuerca
entra un tornillo que puede girar mediante una manivela; como este tornillo no
puede moverse axialmente, al girar el tornillo el manguito tiene que entrar o
salir de su alojamiento. Para que este manguito no pueda girar, hay una ranuraen toda su longitud en la que ajusta una chaveta. El manguito puede fijarse en
cualquier parte de su recorrido mediante otro tornillo. En el cono Morse puede
colocarse una punta semejante a la del cabezal o bien una broca, escariador,
etc. Para evitar el roce se emplean mucho los puntos giratorios. Adems de la
forma comn, estos puntos giratorios pueden estar adaptados para recibir
diversos accesorios segn las piezas que se hayan de tornear.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
25/166
11
- Carro.
En el torno la herramienta cortante se fija en el conjunto denominado
carro. La herramienta debe poder acercarse a la pieza, para lograr la
profundidad de pasada adecuada, tambin, poder moverse con el movimiento
de avance para lograr la superficie deseada. Las superficies que se pueden
obtener son todas las de revolucin: cilindros y conos, llegando al lmite de
superficie plana. Por tanto, la herramienta debe poder seguir las direcciones dela generatriz de estas superficies. Esto se logra por medio del carro principal,
del carro transversal y del carro inclinable.
2.1.1.1 Movimientos en el proceso de torneado.
Estos movimientos tambin los podemos comprender como los
movimientos para arrancar viruta, para ello, la herramienta y la pieza, o unasola de ellas, tienen que realizar determinados movimientos entre s,
denominados, movimiento de corte, movimiento de avance, movimiento de
penetracin y el movimiento de aproximacin.
El movimiento de corte es aquel que sin movimiento de avance,
solamente arranca viruta durante una revolucin en el caso de tornear o fresar
o durante una carrera al cepillar; el movimiento de corte puede ser circular o
rectilneo. El movimiento es proporcionado por la mquina para dar movimiento
relativo entre la herramienta y la pieza de tal manera que la cara de la
herramienta alcance el material de la pieza. Usualmente, el movimiento de
corte absorbe la mayor parte de la potencia total necesaria para realizar la
operacin de mecanizado.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
26/166
12
El movimiento de avance hace posible, combinado con el de corte, el
arranque continuo de viruta. El movimiento es proporcionado por la mquina
herramienta a la pieza o a la herramienta de corte y que sumando al
movimiento principal, conduce a una remocin continua de viruta y a la
creacin de superficie mecanizada con las caractersticas geomtricas
deseadas. Este movimiento puede ser continuo o escalonado; en ambos casos
absorbe generalmente una pequea proporcin de la potencia requerida para
realizar la operacin de mecanizado.
Finalmente el movimiento de penetracin determina el espesor de la
capa de viruta a arrancar y el movimiento de aproximacin lleva la herramienta
adelante de la pieza a trabajar.
Figura 2.2. Movimientos en el mecanizado del torno.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
27/166
13
2.1.1.2 Geometra de las herramientas de corte.
La geometra de la herramienta de corte influye enormemente en el
mecanizado, incidiendo en el desgaste y en la vida til de la herramienta,
calidad superficial y geomtrica, potencia en el mecanizado, entre las ms
importantes. Por lo tanto se obtienen desde simples cuas hasta las
herramientas de corte con geometras complejas.
En la figura 2.3 podemos observar la forma y superficie de una
herramienta mono cortante, donde:
- Superficie de desprendimiento: Es la cara o superficie sobre la cual fluye
la viruta.
- Superficie de incidencia: Es la superficie de la herramienta frente a la
cual pasa la superficie transitoria generada en la pieza.
- Arista principal de corte: Es la formada por la interseccin de las
superficies de desprendimiento e incidencia.
- Superficie de incidencia lateral: Es la superficie de la herramienta frente
a la cual queda la superficie generada en la pieza.
- Arista lateral de corte: Es la formada por la interseccin de las
superficies de incidencia lateral y de desprendimiento.
- Punta de la herramienta: Es la parte de la herramienta donde se cortan
la arista principal y lateral de corte, la cual puede ser redondeada o
achaflanada.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
28/166
14
Figura 2.3. Formas y superficies de una herramienta de corte.
2.1.1.3 Velocidad de corte, avance, profundidad corte, fuerzas de corte y
potencia en el mecanizado.
En el mecanizado se pueden definir las magnitudes fundamentales para
determinar la forma de cmo realizar la operacin de arranque de viruta en el
torno, por lo tanto es necesario conocer conceptualmente dichas magnitudes
adems de ver de qu manera influyen en el mecanizado.
Velocidad de corte:
La velocidad de corte se puede considerar una de las ms importantesya que esta magnitud es la que absorbe una mayor cantidad de potencia, se
define como el mdulo del movimiento de corte o movimiento principal. A cada
revolucin de la pieza que se trabaja pasa su permetro una vez por la cuchilla
del til correspondiente (figura 2.4), por lo tanto, la velocidad de corte es el
espacio de corte recorrido, en metros por minuto (m/min).
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
29/166
15
2.1
Donde:
: Velocidad de corte para movimiento de rotacin (m/min).: Revoluciones por minuto (r.p.m.): Dimetro de la materia prima (mm).
Hay que considerar que no se puede trabajar con una velocidad de corte
cualquiera. Si la velocidad de corte es demasiado pequea, el tiempo invertido
en el trabajo resulta demasiado largo, y si la velocidad es demasiado grande, la
cuchilla pierde su dureza como consecuencia del fuerte calentamiento sufrido,
y se desgasta rpidamente. Por lo tanto, interesa saber escoger la velocidad de
corte adecuada segn sea el caso.
Figura 2.4 Velocidad de corte al tornear. Observacin: como dimetro a tornear
d se toma el mximo en el lugar que se vaya a trabajar.
: ; < ; ?( (@ A
1 revolucin =
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
30/166
16
Para la determinacin de la velocidad de corte influyen generalmente las
siguientes circunstancias:
- Material de la pieza.
- Material de la herramienta.
- Seccin de viruta.
- Refrigeracin.
- Tipo de construccin de la mquina.
- Costo y precio de venta.
- Otros.
De los factores mencionados claramente se observa que se involucran
conceptos de durezas relativas entre materia prima y herramienta al referirse al
material, profundidad y avance cuando mencionamos la seccin de viruta y de
las limitaciones propias de la mquina son su gama de velocidades como
tambin potencia de los motores.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
31/166
17
Avance
El avance o velocidad de avance en el torneado se puede entender
como el recorrido en mm que efecta la pieza por cada revolucin, es decir, la
velocidad con la que progresa el corte. El avance como magnitud es un factor
muy importante en el proceso y calidad del torneado.
La herramienta puede cortar adecuadamente en un rango determinadode velocidades de avance, este rango depende especialmente del dimetro de
la pieza, profundidad y de la calidad del filo de la herramienta. El rango se
obtiene experimentalmente dependiendo del material y se pueden encontrar en
catlogos de los fabricantes de cada herramienta. La velocidad de avance es el
producto del avance por revolucin por la velocidad de rotacin de la pieza.
2.2
Donde:
: Velocidad de avance para movimiento de rotacin.: Velocidad de rotacin.: Avance por revolucin.
Tambin se debe hacer mencin sobre los efectos que trae la velocidad
de avance: Afecta el consumo de potencia, decisiva para la formacin de viruta,
afecta a la tensin mecnica y trmica. Con altas velocidades de avance se
pueden lograr por ejemplo un menor tiempo en el corte y desgaste de la
herramienta con consecuencia de obtener una mala calidad superficial y mayor
riesgo de rotura de la herramienta.
B(( ( D : BE(D ; B(( EFG D
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
32/166
18
Profundidad en el corte.
Esta magnitud se mide perpendicularmente al plano de trabajo. Se
denomina profundidad de corte a la profundidad de la capa arrancada de la
superficie de la pieza en una pasada de la herramienta; generalmente se
designa como p, para el caso particular del cilindrado la profundidad en el
corte est dado por:
2.3
Donde:
: Dimetro inicial de la pieza (mm).: Dimetro final de la pieza (mm).
Fuerzas de corte.
Es importante conocer las fuerzas y la potencia en las operaciones de
corte, por las siguientes razones:
1. Se deben conocer los requerimientos de potencia para poder seleccionar
una mquina herramienta de potencia suficiente.
2. Se requieren datos sobre fuerzas de corte para:
a. Poder disear en forma adecuada las mquinas herramienta, y
evitar distorsiones excesivas de sus elementos, manteniendo las
tolerancias dimensionales necesarias en la parte acabada, las
herramientas y sus sujetadores, as como los soportes de piezas.
b. Poder determinar, antes de la produccin real, si la pieza es
capaz de resistir las fuerzas de corte sin deformarse demasiado.
:
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
33/166
19
Las fuerzas que actan sobre la herramienta en el corte ortogonal se ven
en la figura 2.5. La fuerza de corte, acta en la direccin de la velocidad decorte V, y suministra la energa necesaria para cortar. La fuerza de empuje, Fa,
acta en una direccin normal a la velocidad de corte, esto es, perpendicular a
la pieza. Estas dos fuerzas producen la fuerza resultante, F.
Figura 2.5 Fuerzas que actan sobre una herramienta de corte, en el corte
bidimensional (crculo de Merchant).
FFa
Fc
L
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
34/166
20
La fuerza resultante se puede descomponer segn 2 sistemas
adicionales de fuerzas el primero sobre la superficie de la herramienta: una
fuerza de friccin, Ft, a lo largo de la interfase entre herramienta y viruta, una
fuerza normal, Fn, perpendicular a ella.
2.4
2.5
En el segundo sistema la fuerza resultante es equilibrada por una fuerza
igual y opuesta a lo largo del plano cortante, se descompone en una fuerza de
cizallamiento. , y una fuerza normal. . Se puede demostrar que lasfuerzas se expresan como sigue:
2.6
2.7
Ya que se puede calcular el rea del plano cortante conociendo el
ngulo de dicho plano junto con la profundidad de corte, se pueden calcular los
esfuerzos cortantes y normales en el plano cortante. La relacin de Ft a Fn es
el coeficiente de friccin, , en la interfaz entre herramienta y viruta. Se puede
expresar el coeficiente de friccin de la siguiente forma:
2.8
El coeficiente de friccin en el corte de metales est, en general, entre
0,5 y 2, lo que indica que la viruta se encuentra con una considerable
resistencia de friccin al moverse cuesta arriba por la cara de ataque de la
herramienta.
: FBLD
: cosBD
: cosBL D
: FBL D
: : tan BLD
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
35/166
21
La fuerza de empuje es importante conocer sobre ella adems de la
fuerza de corte, porque el porta herramientas, los sujetadores de la pieza y la
mquina herramienta deben ser suficientemente rgidos para reducir al mnimo
las flexiones causadas por esta fuerza. Por ejemplo, si la fuerza de empuje es
demasiado alta o si la mquina herramienta no es suficientemente rgida, la
herramienta ser empujada y apartada de la superficie que este maquinando.
Este movimiento, a su vez, reducir la profundidad de corte ocasionando falta
de exactitud dimensional en la parte maquinada.
Potencia.
La potencia es el producto de la fuerza y la velocidad. En la figura 2.5
podemos ver que el consumo de potencia en el corte es.
2.9
Esta potencia se disipa principalmente en la zona de cizallamiento por la
energa necesaria para cizallar el material y en la cara de ataque de la
herramienta por la friccin en la interfase herramienta-viruta. Por lo tanto la
potencia disipada en plano cortante es:
2.10
Si se define a b como el ancho del corte y h como el espesor de corte
de viruta, la potencia especfica cortante, est definida por:2.11
VF =W 9
=
=
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
36/166
22
De igual manera, la potencia disipada en la friccin es:
2.12
Y la potencia especfica para friccin, uf, es:
2.13
La potencia especfica total ut es, entonces.
2.14
Ya que intervienen tantos factores, una determinacin confiable de las
fuerzas y la potencia de corte se basa todava en datos experimentales, como
los de la siguiente tabla 2.1. Los amplios lmites de valores que se muestran se
pueden atribuir a diferencia en resistencia dentro de cada grupo de materiales,
as como a diversos factores, como la friccin el uso de fluido de corte y las
variables de procesamiento.
VFEE = 9
= 9 = E
=
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
37/166
23
Tabla 2.1 Energa necesaria aproximada para operaciones de corte (en
el motor impulsor, corregida con 80% de eficiencia; multiplquese por 1.25 con
herramientas desafiladas).
Energa especfica
Material W s/mm hp min/pulg
Aleaciones de aluminio 0,4 - 1,1 0,15 - 0,4
Hierros fundidos 1,6 - 5,5 1,6 - 2,0
Aleaciones de cobre 1,4 - 3,3 0,5 - 1,2
Aleaciones de alta temperatura 3,3 - 8,5 1,2 - 3,1
Aleaciones de magnesio 0,4 - 0,6 0,15 - 0,2
Aleaciones de nquel 4,9 - 6,8 1,8 - 2,5
Aleaciones refractarias 3,8 - 9,6 1,1 - 3,5
Aceros inoxidables 3,0 - 5,2 1,1 - 1,9
Aceros inoxidables 2,7 - 9,3 1,0 - 3,4
Aleaciones de titanio 3,0 - 4,1 1,1 - 1,5
2.1.2 Piezoelectricidad.
La piezoelectricidad bsicamente es un fenmeno que presentan
determinados cristales que al ser sometidos a deformaciones mecnicas
adquieren una polarizacin elctrica en su masa, generando una diferencia de
potencial elctrico y cargas elctricas en su superficie, o tambin se presenta
de forma inversa, al ser sometidos a cargas elctricas estas presentan
deformaciones, este efecto se le denomina efecto piezoelctrico.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
38/166
24
2.1.2.1 Efecto piezoelctrico.
El efecto piezoelctrico consiste en la aparicin de una polarizacin
elctrica en un material al deformarse bajo la accin de un esfuerzo. Es un
efecto reversible de modo que al aplicar una diferencia de potencial elctrico
entre dos caras de un material piezoelctrico, aparece una deformacin.
Ambos efectos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880-81.
La piezoelctricidad no debe confundirse con la ferroelctricidad, que es
la propiedad de presentar un momento elctrico dipolar (espontneo o
inducido). Todos los materiales ferroelctricos son piezoelctricos, pero no al
revs. Mientras la piezoelctricidad est relacionada con la estructura cristalina
(inica), el ferromagnetismo est relacionado con el espn de los electrones.
La descripcin de la interrelacin entre las magnitudes elctricas y las
mecnicas en un material piezoelctrico se hace mediante las denominadas
ecuaciones piezoelctricas. Con la notacin de la figura 2.6, donde se han
dispuesto dos placas metlicas de manera que se constituye un condensador,
se tiene, para un material dielctrico no piezoelctrico, que al aplicar una fuerza
F, segn la ley de Hooke, en el margen elstico aparece una deformacin
donde es el mdulo de Young o de elasticidad.2.15
Al aplicar una diferencia de potencia entre las placas, se crea un campo
elctrico , y se cumple:2.16
= - Z = [
= = \
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
39/166
25
Donde:: Vector desplazamiento.: Vector polarizacin.: Constante dielctrica.\: 8,85 pF/m, permisividad del vaco.
Figura 2.6. Parmetros empleados para las ecuaciones piezoelctricas.
Para un material piezoelctrico unidireccional, con campo, esfuerzo, etc.,
en la misma direccin, de acuerdo con el principio de conservacin de la
energa, a baja frecuencia (campos cuasi estticos) se cumple:
2.17
2.18
Donde:
: Permisividad a esfuerzo constante.!: Compilancia a campo constante.Es decir, respecto a un material no piezoelctrico, aparece una
deformacin debida tambin al campo elctrico y una carga elctrica debida al
esfuerzo mecnico, las cargas desplazadas en el interior del material inducen
en las placas cargas superficiales de polaridad opuesta.
= = ! ]
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
40/166
26
2.1.2.2 Materiales piezoelctricos
Las propiedades piezoelctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases
cristalogrficas, aunque en la prctica se usan solo unas pocas, y tambin en
materiales amorfos ferroelectricos. De aquellas 20 clases, solo 10 tienen
propiedades ferroelctricas.
En cualquier caso, todos los materiales piezoelctricos sonnecesariamente anistropos. En la figura 2.7 se muestra porque debe ser as.
En el caso de (a) hay simetra central, y al aplicar un esfuerzo no aparece
polarizacin elctrica. En el caso (b), en cambio, aparece una polarizacin
paralela al esfuerzo, mientras que en el caso (c) aparece una polarizacin en
direccin perpendicular al esfuerzo.
Figura 2.7. Efectos de un esfuerzo mecnico en diferentes molculas segn su
simetra, a) Si hay simetra central no se produce polarizacin, b) Polarizacin
paralela al esfuerzo, c) Polarizacin perpendicular al esfuerzo.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
41/166
27
Entre los materiales piezoelctricos naturales, los de uso ms frecuente
son el cuarzo y la turmalina. De las sustancias sintticas, las que se han
encontrado mayor aplicacin no son monocristalinas sino cermicas. En ellas
hay muchos monocristales pequeos (del orden de 1 ( ), con una grancompacidad, es decir, manifiesta una calidad de compacto. Estas cermicas
son ferroelctricas y para orientar los monocristales por igual (polarizarlos) se
someten a un campo elctrico durante su fabricacin. La diferencia de potencia
aplicada depende del espesor, pero se crean campos del orden de 10 kV/cm,cuando estn un poco por encima de la temperatura de Curie (a temperaturas
ms altas son demasiado conductoras). Luego se enfran manteniendo
aplicado el potencial. Al cesar ste, los monocristales no se pueden desordenar
totalmente de nuevo debido a las tensiones mecnicas acumuladas, y queda
una polarizacin remanente.
Las cermicas piezoelctricas tienen gran estabilidad trmica y fsica,
pueden fabricarse en muy distintas formas y con un amplio margen de valores
en las propiedades de inters (constante dielctrica, coeficientes
piezoelctricos, temperatura de Curie, etc.). Su principal desventaja es la
sensibilidad trmica de sus parmetros y su susceptibilidad a envejecer
(prdida de propiedades piezoelctricas) si su temperatura se acerca a la de
Curie. Las ms empleadas son los de titanatos-circonatos de plomo (PZT), el
titanio de bario y el metaniobato de plomo.
Algunos polmeros que carecen de simetra central tambin presentan
propiedades piezoelctricas de magnitud suficiente para que tengan inters en
diversas aplicaciones donde, por la forma y tamaos necesarios, sera
imposible utilizar otros slidos. El fluoruro de polivinilideno (PVF2 o PVDF) es el
ms conocido. Su coeficiente piezoelctrico de tensin es unas cuatro veces
mayor que el del cuarzo.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
42/166
28
Para mejorar las propiedades mecnicas de los sensores
piezoelctricos, en particular su impedancia acstica, se emplean los
denominados composites piezoelctricos, que son sistemas heterogneos de
dos o ms fases diferentes de las que al menos una es activa
piezoelctricamente. En la tabla 2.2 se resumen las principales propiedades de
algunos materiales piezoelctricos de uso comn.
Tabla 2.2 Algunas propiedades de materiales piezoelctricos de usocomn.
Parmetro
unidad
Densidad
kg/m3Tc C 11 33 d
pC/N
resistividad
( cm)
cuarzo 2649 550 4,52 4,68d11 d14
10142,31 0,73
PZT7500 a
7900
193 a
490
425 a
1900
d331013
80 a 593
PVDF
(Kynar)1780 ------ 12
d311015
23
2.1.3 Transductores y Sensores.
Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte
una seal de una forma fsica en una seal correspondiente pero de otra forma
fsica distinta. Es, por tanto, un dispositivo que convierte un tipo de energa en
otro. Esto significa que la seal de entrada es siempre una energa o potencia,
pero al medir, una de las componentes de la seal suele ser tan pequea que
puede despreciarse, y se interpreta que se mide solo la otra componente.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
43/166
29
Al medir una fuerza, por ejemplo, se supone que el desplazamiento del
transductor es despreciable, es decir, que no se carga al sistema, ya que de
lo contrario podra suceder que este fuera incapaz de aportar la energa
necesaria para el desplazamiento. Pero en la transduccin siempre se extrae
una cierta energa del sistema donde se mide, por lo que es importante
garantizar que esto no lo perturba.
Dado que hay seis tipos de seales: mecnicas, trmicas, magnticas,elctricas, pticas y moleculares, cualquier dispositivo que convierta una seal
de un tipo en una seal de otro tipo debera considerarse un transductor, y la
seal de salida podra ser de cualquier forma fsica til.
Una definicin que se puede adecuar para el concepto de sensor es que
se trata de un dispositivo capaz de detectar magnitudes qumicas y fsicas,
variables de instrumentacin, y esta interpretarlas en funcin de niveles de
magnitudes de variables de tipo elctricas. Las variables de instrumentacin
pueden ser por ejemplo: temperatura, luz, presin, humedad, fuerza, velocidad,
etc. Una magnitud elctrica puede ser la resistencia elctrica, corriente
elctrica, o diferencias de potenciales elctricos. Entonces un sensor a partir de
la energa del medio donde se mide, da una seal de salida transducible que es
funcin de la variable medida.
Sensor y transductor se emplean a veces como sinnimos, pero sensorsugiere un significado ms extenso: la ampliacin de los sentidos para adquirir
un conocimiento de cantidades fsicas que, por su naturaleza o tamao, no
pueden ser percibidas directamente por los sentidos. Transductor, en cambio,
sugiere que la seal de entrada y la de salida no deben ser homogneas. Para
el caso en que lo fueran se propuso el trmino modificador, pero no ha
encontrado aceptacin.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
44/166
30
2.1.3.1 Caractersticas de un sensor
Existen parmetros que caracterizan o diferencian a un sensor de otro
como lo son:
- Rango de medida: Dominio de operacin o funcionamiento en el que
puede funcionar el sensor, fuera de este rango el sensor puede no
funcionar o destruirse.
- Precisin:Es el error de medida mximo esperado.
- Offset:Es el valor de la variable de salida cuando la variable de entrada
es cero.
- Resolucin:Es la mnima variacin de la magnitud de entrada que puede
ser captada o apreciada a la salida. Se puede determinar a partir del
rango de operacin y de la cantidad de bits que contenga el controlador
del sensor.
- Rapidez de respuesta:Puede ser un tiempo fijado o depender de cuanto
vari la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para
seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
- Derivas:Son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de
entrada que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser
condiciones ambientales, como humedad, oxidacin, desgaste,
temperatura del sensor.
- Repetibilidad:Error esperado al realizar varias veces la misma medicin.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
45/166
31
2.1.3.2 Tipos de sensores
Segn el aporte de energa, los sensores se pueden dividir en
moduladores y generadores. En los sensores moduladores o pasivos, la
energa de la seal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de
energa auxiliar. La entrada solo controla la salida. En los sensores
generadores o activos, en cambio, la energa de salida es suministrada por la
entrada.
Los sensores moduladores requieren en general ms hilos que los
generadores, ya que la energa de alimentacin suele suministrarse mediante
hilos distintos a los empleados para la seal. Adems, esta presencia de
energa auxiliar puede crear un peligro de explosiones en algunos ambientes.
Por el contrario, su sensibilidad se puede modificar a travs de la seal de
alimentacin, lo que no permiten los sensores generadores.
Segn la seal de salida, los sensores se clasifican en analgicos o
digitales. En los analgicos la salida varia, a nivel macroscpico, de forma
continua. La informacin est en la amplitud, si bien se suelen incluir en este
grupo los sensores con salida en el dominio temporal. Si es en forma de
frecuencia, se denominan, a veces, casi digitales, por la facilidad con que se
puede convertir en una salida digital.
En los sensores digitales, la salida vara en forma de saltos o pasos
discretos. No requieren conversin A/D y la transmisin de su salida es ms
fcil. Tienen tambin mayor fidelidad y mayor fiabilidad, y muchas veces mayor
exactitud, pero lamentablemente no hay modelos digitales para muchas
magnitudes fsicas de mayor inters.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
46/166
32
Atendiendo al modo de funcionamiento, los sensores pueden ser de
deflexin o de comparacin. En los sensores que funcionan por deflexin, la
magnitud medida produce cierto efecto fsico, que engendra algn efecto
similar, pero opuesto, y que est relacionado con una variable til. Un
dinammetro para la medida de fuerzas es un sensor cuyo funcionamiento se
basa en que la tensin o fuerza aplicada deforma un muelle hasta que la fuerza
de recuperacin de ste, proporcional a su longitud, iguala a la fuerza aplicada.
En los sensores que funcionan por comparacin, se intenta mantener
nula deflexin mediante la aplicacin de un efecto bien conocido, opuesto al
generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio
para restablecerlo. En una balanza manual, por ejemplo, la colocacin de una
masa en un platillo provoca un desequilibrio, indicado por una aguja sobre una
escala. El operario coloca entonces una o varias masas en el otro platillo hasta
alcanzar el equilibrio que se juzga por la posicin de la aguja.
Las medidas por comparacin suelen ser ms exactas porque el efecto
conocido opuesto se puede calibrar con un patrn o magnitud de referencia de
calidad. El detector de desequilibrio solo mide alrededor de cero y, por lo tanto,
puede ser muy sensible y no necesita estar calibrado. Por contrario, tienen en
principio menor respuesta dinmica y, si bien se pueden automatizar mediante
un servomecanismo, no se logra normalmente una respuesta tan rpida como
en los de deflexin.
Segn el tipo de relacin entrada-salida, los sensores pueden ser de
orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior. El orden
est relacionado con el nmero de elementos almacenadores de energa
independientes que incluye el sensor, y repercute en su exactitud y velocidad
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
47/166
33
de respuesta. Esta clasificacin es de gran importancia cuando el sensor forma
parte de un sistema de control en lazo cerrado.
En la tabla 2.3 se recopilan estos criterios de clasificacin y se dan
ejemplos de sensores de cada clase.
Tabla 2.3. Clasificaciones de los sensores.
Criterio Clases Ejemplo
Aporte de energaModuladores
GeneradoresTermistor Termopar
Seal de salidaAnalgicos
Digitales
Potencimetro
Codificador de posicin
Modo de operacinDe deflexin
De comparacin
Acelermetros de deflexin
servo acelermetros
Desde el punto de vista de la ingeniera electrnica, es ms atractiva la
clasificacin de los sensores de acuerdo con el parmetro variable: resistencia,
capacidad, inductancia, aadiendo luego los sensores generadores de tensin,
carga o corriente, y otros tipos no incluidos en los anteriores grupos. Si bien
este tipo de clasificacin es poco frecuente, es el preferentemente elegido,
pues permite reducir el nmero de grupos a unos pocos y se presta bien al
estudio de los acondicionadores de seal asociados. En la tabla 2.4 se recogen
los sensores y mtodos de deteccin ordinarios para las magnitudes ms
frecuentes.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
48/166
Tabla 2.4 Sensores y mtodos de deteccin ordinarios para las magnitudes ms fre
Sensores
Magnitudes
PosicinDistancia
DesplazamientoVelocidad
AceleracinVibracin
Temperatura PresinCaudalFlujo
Ni
Resistivos
PotencimetrosGalgas
Magnetorre-sistencias
*Galgas +
masa-resorte
RTDTermistores
Potencimetros+ tubo deBordn
Anemmetrode hilocaliente
Galgas +Voladizo
Termistores
Potenc+ flo
TermLD
CapacitivosCondensador
diferencial* * *
Condensadorvariable +diafragma
*Conde
vari
Inductivos y
electro-magnticos
LVDT CorrientesFoucault
ResolverInductosynEfecto Hall
Ley FaradayLVT Efecto
HallCorrientesFoucault
LVDT +
masa-resorte
*
LVDT +diafragma
Reluctanciavariable +diafragma
LVDT +
rotmetroLey Faraday
LVD
flotCorriFou
Generadores * *
Piezoelec-tricos +masa-resorte
TermoparesPieroelctricos
Piezoelctricos *
DigitalesCodificadores
incrementales yabsolutos
Codificad-resincrementales
*Osciladoresde cuarzo
Codificador +tubo de bordn
Vrtices
Uniones p-n Fotoelctricos * *
DiodoTransistor
Convertidores
T/l
* * Fotoel
Ultrasonidos ReflexinEfecto
Doppler* * *
EfectoDopplerTiempotransitoVrtices
ReflAbso
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
49/166
35
2.2 Anlisis esttico y dinmico de los dinammetros.
2.2.1 Anlisis esttico.
Como forma de medicin de comportamientos estticos en un sistema
de fuerzas se utilizan dinammetros del tipo resorte, estos dinammetros estn
constituidos bsicamente de un resorte en su interior y exteriormente con un
indicador que indica la fuerza ejercida con el cuerpo a medir en funcin de ladeformacin que el resorte contenga, este efecto viene dado por la ley de
Hooke.
Figura 2.8. Dinammetro tipo resorte.
La ley de Hooke es la ley que domina a las fuerzas elsticas. Las
fuerzas elsticas son de origen electromagntico. Por ejemplo, una viga de
metal. En los metales los ncleos atmicos con carga positiva se encuentran
localizados en posiciones determinadas, mientras que los electrones de las
capas ms externas, con carga negativa, se encuentran delocalizados en el
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
50/166
seno del metal. Al
externa, la interac
que se oponen a l
excesiva, el cuerpo
En la figura
deforma bajo la ac
F: fuerza externa.
F: fuerza elstica r
Note que F
Grficament
al de la figura 2.10.
la deformacin elfuerza externa el
encontramos en l
deformado mas all
situacin inicial, sin
intentar doblar ligeramente el metal m
in de las cargas positivas y negativas
deformacin. Al retirar la fuerza, si la
regresar a su estado inicial no deform
Figura 2.9.
.9. Una viga metlica est sujeta al bor
in de una fuerza externa F.
stauradora actuando sobre el agente ex
F son pareja de accin y reaccin.
e en un experimento de F vs. X se obtie
La regin correspondiente a valores de
stica, por lo tanto sin pasar ese umbralcuerpo recupera su posicin inicial.
regin de la deformacin plstica, c
de su regin del lmite elstico, no
o que aparece que una deformacin resi
36
ediando una fuerza
da origen a fuerzas
deformacin no fue
do.
e de una mesa y se
terno.
ne un grfico similar
x tales que XXL nos
omo el cuerpo fue
puede recuperar su
dual y permanente.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
51/166
37
Figura 2.10
La fuerza hasta antes del lmite de elasticidad es linealmente
proporcional a la deformacin, esta relacin es la que se conoce como Ley deHooke, y se expresa por la ecuacin 2.18.
2.18
Tambin la ley de Hooke se puede aplicar en un grfico de esfuerzo y
deformacin hasta el lmite de elasticidad (figura 2.11), lo que resultara una
ecuacin 2.19 analgica a la ecuacin 2.18.
2.19
: Deformacin. (%)E: Mdulo de Young o mdulo de elasticidad. (N/mm2)
: Esfuerzo, se expresa como la fuerza aplicada sobre la seccin transversalde un slido. (N/mm2)
= &^
=
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
52/166
Con la infor
Hooke, se puede
analizar es la situ
empotrada en un
en el otro extremo.
Figura 2.12.
La viga al s
deformada present
como deflexin d
determina por:
Figura 2.11 Grfico esfuerzo deformaci
acin ya conocida de lo que estudia b
odelar el sistema de fuerza de forma e
cin analgica a la figura 2.9, es deci
xtremo y cargada con una magnitud de
Viga empotrada de largo L y cargada e
er cargada en su extremo a causa de
ando un desplazamiento X, este despla
la viga. La deflexin mxima que o
_\
38
.
sicamente la ley de
ttica. El sistema a
el sistema de viga
erminada de fuerza
un extremo.
la fuerza F esta es
zamiento se conoce
urre en la viga se
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
53/166
39
2.20
E: Mdulo de Young del material.
I: Momento de inercia de la seccin transversal de la viga.
Haciendo uso de la ecuacin 2.18 o 2.20 previamente conocidos los
parmetros y variables a usar se puede determinar el desplazamiento ocurridoen el extremo.
La viga de la figura 2.13 representa en forma ms exacta la situacin de
una fuerza aplicada y bajo ella una fuerza de reaccin a causa de un
transductor. La reaccin del transductor se puede representar como un resorte
con una constante elstica (k) muy elevada.
Figura 2.13
Desarrollando se tiene:
2.21
" = %'`$
&\&b
% = &\" &b"% = &\ &b"
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
54/166
40
La figura 2.13 es equivalente a un cuerpo sobre 2 resortes aplicando una
fuerza neta F como lo representa la figura 2.14.
Figura 2.14
2.2.2 Anlisis dinmico.
Como anlisis dinmico de la situacin de una viga empotrada y en
voladizo con una fuerza aplicada en su extremo y apoyada sobre el transductor
de fuerza, se puede modelar matemticamente un sistema dinmico de
segundo orden. El modelo matemtico es equivalente al sistema mecnico de
masa, resorte, amortiguador; ya que, el transductor y la viga en si actan como
resorte que se deforma elsticamente dentro de sus lmites, la amortiguacin
viene dada por los roces que existen internamente en la viga y en la interaccin
de la transductor y viga, finalmente la masa es la que propiamente posee la
viga empotrada, por lo tanto el modelo se muestra en la figura 2.15.
Usando la funcin transferencia del sistema ya descrito se obtendrn
parmetros como la ganancia del sistema, la frecuencia natural y el coeficiente
de amortiguamiento.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
55/166
41
La funcin transferencia es la funcin de un sistema descrito mediante
una ecuacin diferencial lineal e invariante con el tiempo, se define como el
cociente entre la transformada de Laplace de la salida (respuesta) y la
transformada de Laplace de la entrada (excitacin) bajo la suposicin de que
todas las condiciones inciales son cero.
La funcin transferencia es una propiedad de un sistema, independiente
de la magnitud y naturaleza de la entrada o funcin de excitacin. Si se conocela funcin de transferencia de un sistema, se estudia la salida o respuesta para
varias formas de entrada, con la intencin de comprender la naturaleza del
sistema, si bien, la funcin transferencia incluye las unidades necesarias para
relaciona la entrada con la salida, no proporciona informacin acerca de la
estructura fsica del sistema. (Las funciones de transferencia de muchos
sistemas fsicamente diferentes pueden ser idnticas, ejemplo viga empotrada
y apoyada al sistema de la figura 2.15).
Figura 2.15. Sistema masa, resorte, amortiguador.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
56/166
42
Si consideramos el sistema mecnico tal cual en la figura 2.15.
Suponemos que el sistema es lineal. La fuerza externa es la entrada parael sistema, y el desplazamiento c de la masa es la salida. El desplazamientoc se mide a partir de la posicin de equilibrio en ausencia de una fuerzaexterna. Este sistema tiene una sola entrada y una sola salida.
A partir del diagrama, la ecuacin del sistema es.
2.22
2.23
Aplicando Laplace a 2.23.
2.24
2.25
2.26
Por lo tanto la funcin transferencia queda.
2.27
2.28
d = (ce &c c = (ce
&c cf = (ce
i/ = 6/j 0/ _k/i/ = 6/
j
k/ 0/k/ _/
)/ = /l
FE= k/
i/
)/ =16
/j 06 / _6
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
57/166
43
De la funcin 2.28 se obtiene:
La ganancia del sistema.
2.29
La frecuencia natural.
2.30
Y el coeficiente de amortiguamiento.
2.31
La funcin de transferencia del sistema de segundo orden en atraso se
representa en el diagrama presente.
Figura 2.16
) = 1_
= m_6
* = 06_
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
58/166
44
2.3 Transductores de fuerza.
El transductor como se defini antes (2.1.3) es bsicamente un
dispositivo al que se aplica una energa de entrada y devuelve una energa de
salida; esta energa suele ser diferente al tipo de energa de entrada. Debido a
la facilidad con la que se transmite y amplifica la energa elctrica, los
transductores ms utilizados son los que convierten otras formas de energa,
como calor, luz o sonido, en energa elctrica. Algunos ejemplos son losmicrfonos, que convierten la energa sonora en energa elctrica; los
materiales fotoelctricos, que convierten la luz en electricidad, y los cristales
pieroelctricos, que convierten calor en energa elctrica.
2.3.1 Tipos de transductores.
Existen muchos tipos de transductores y son usados con su
instrumentacin dependiendo de la complejidad. Para el diseo de un sistema
de medicin de fuerzas, para una aplicacin especifica. Es til comprender el
principio de operacin del transductor a usar, as como sus caractersticas de
operacin.
Para nombrar a algunos se hace la siguiente lista.
a. Galgas extensomtricas (clulas de carga) Elementos elsticos.
Galgas extensomtricas de resistencia elctrica.
Galgas extensomtricas de hoja.
Galgas extensomtricas semiconductoras.
Galgas extensomtricas de cable.
Galgas extensomtricas de capa delgada.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
59/166
45
b. Cristales piezoelctricos.
Transductores multi-componentes de fuerza.
c. Medidores de fuerza a travs de presin.
Clulas de carga hidrulica.
Clulas de carga neumtica.
d. Otros tipos.
Elementos magneto-elsticos
Elementos dinmicos. Elementos de deformacin plstica.
2.3.2 Clulas de carga.
Cada clula est basada en un elemento de tipo elstico, a que se les
adhiere varias galas de resistencia elctrica. Las propiedades del material
como el mdulo de elasticidad y su forma geomtrica del elemento son las quedeterminaran la magnitud del campo de deformacin local y su posicin, la
medida de la fuerza se determina por la integracin de estos valores
individuales. La capacidad de carga de los extensmetros vara de 5N a 50MN.
Estas son las ms usadas en el mercado y pueden ser utilizadas con
procesadores de alta resolucin digital.
2.3.2.1 Los elementos elsticos.
La forma del elemento elsticos usado en estos extensmetros depende
de muchos factores incluyendo los rangos de fuerza a medir, lmites
dimensionales, e incluso el costo de produccin.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
60/166
46
La siguiente figura muestra una seleccin de distintos elementos
elsticos y adems nos presentan sus escalas tpicas de carga. Las flechas
indican el eje de cada elemento.
Figura 2.17 Formas de clulas de carga.
a) Cilindro de compresin 50kN a 50
MN.
b) Cilindro de compresin (hueco)
10kN a 50MN
c) Anillo toroidal 1kN a 5 MN d) R anillo 1kn a 1MN
e) Viga-S 200N a 50kN f) Viga doble fin 20kN a 2MN
g) Viga de doble pandeo (simplificado)
500N a 50kN
h) Viga en cortante 1kN a 500kN.
i) Viga de doble pandeo 100N a 10kN. j) Cilindro a tensin 50kN a 50MN.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
61/166
47
Cada elemento est diseado para medir la fuerza a lo largo de su eje
principal y que no sean afectadas por otras fuerzas. El material usado es
usualmente acero para herramientas, acero inoxidable, aluminio o cobre, en
general materiales que tengan la ayuda de tener una relacin linear entre
esfuerzo y deformacin, con baja histresis. Tambin debe tener buena
resistencia a la fatiga y para asegurar un buen elemento para medir, cabe
decir que tambin el material usualmente se somete a tratamientos trmicos
especiales.
2.3.2.2 Galgas extensomtricas de resistencia elctrica.
Todas las galgas extensomtricas de resistencia elctrica pueden ser
consideradas como una longitud de conducto en el material, o como un cable.
Cuando la longitud es sujetada a la tensin dentro de su lmite de tensin, esta
longitud se incrementa a medida que el correspondiente dimetro disminuye al
igual que la resistencia elctrica, si el material conductor de electricidad se une
a otro elemento elstico sometido a deformacin, entonces la variacin ocurrida
en la resistencia se puede cuantificar, y usado para calcular la fuerza desde la
calibracin del elemento.
Las galgas estn construidas usualmente con aleaciones de Cobre-
Nquel, Nquel-Cromo, Nquel-Cromo-Molibdeno y Platino-Tungsteno. Cada
galga extensomtrica es diseada para medir la deformacin a lo largo de uneje claramente definido, por lo que puede ser alineado adecuadamente.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
62/166
48
2.3.2.3 Extensmetros de hoja.
Estos tienen ventajas significativas respecto a las dems tipos de galgas
extensomtricas. Consisten en una hoja de metal con un patrn determinado,
montado sobre material aislante, construidos por una unin entre una delgada
hoja de metal rolado (2-5m) en una hoja o lmina de respaldo de 10 -30m de
espesor. El patrn de la malla de medicin se produce por luz.
Los mtodos de produccin son similares a las usadas en la
manufactura del circuito, lo que gua a la automatizacin y por lo tanto tambin
a bajos costos. Los materiales de respaldo o base con la epoxia, poliamida y
resinas epoxicas fenolicas reforzada con cristal. La base es un aislante entre
el elemento elstico y la hoja, facilita su uso y tambin una fcil unin de la
superficie. Una gran variedad de extensmetros de hoja son comercialmente
adquiribles para el usuario comn. Algunos de los diseos ms usados se
presentan en la siguiente figura 2.18.
Figura 2.18 Patrones de extensmetros de hoja
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
63/166
49
2.3.2.4 Galgas extensomtricas semiconductoras.
Estas son construidas a base de tiras de silicn semiconductor, ya sea
en forma de n o de p. La salida es bastante alta comparada con la de una
galga de hoja o de cable. El gage factor es una medida de la salida para una
deformacin dada y es generalmente de 100 150 para un semiconductor y de
2 -4 para una galga de hoja. Adems la salida no es lineal con respecto a la
deformacin unitaria pero no exhiben histresis y tienen una muy larga vida conrespecto a la fatiga. Estas galgas son usadas en pequeos transductores tales
como los de fuerza, acelermetros y sensores de presin.
2.3.3 Transductores piezoelctricos.
Efecto piezoelctrico, fenmeno fsico en el cual aparece una diferencia
de potencial elctrico entre las caras de un cristal cuando este se somete a
presin mecnica. Tambin puede funcionar en el sentido contrario, cuando se
aplica un campo elctrico a ciertas caras de una formacin cristalina, esta
experimentas vibraciones o distorsiones mecnicas.
Este efecto se produce en varias sustancias cristalinas como el bario, el
titanio o la turmalina. El efecto se explica por el desplazamiento de iones en
cristales que tienen una celda unitaria asimtrica. Cuando se comprime el
cristal, los iones de las celdas se desplazan, provocando la polarizacinelctrica de la misma. Debido a la regularidad de la estructura cristalina, estos
efectos se acumulan, produciendo una diferencia de potencial elctrico entre
determinadas caras del cristal. Cuando se aplica al cristal un campo elctrico
externo, los iones de cada celda son desplazados por las fuerzas
electroestticas, produciendo una deformacin mecnica. Dada su capacidad
de convertir la deformacin mecnica en voltaje elctrico y un voltaje elctrico
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
64/166
50
en movimiento mecnico, los cristales piezoelctricos se utilizan en dispositivos
como los transductores, que se emplean en la reproduccin de discos, y en los
micrfonos.
Cuando una fuerza es ejercida sobre cierto material cristalino, se forman
cargas elctricas en las superficies del cristal en proporcin a la razn de
cambio de la fuerza. Para hacer uso de esta pieza se requieren amplificadores
de carga para integrar las cargas elctricas para dar una seal proporcional ala fuerza aplicada y suficientemente grande para medirla. Los primeros
transductores para aplicar el efecto piezoelctrico para mediciones usaban
cuarzo natural, de ah que estos transductores son conocidos como
transductores de fuerza de cuarzo o transductores piezoelctricos. Estos
sensores de cristal piezoelctricos son diferentes a la mayora de las dems
formas de sensor. No se necesitan alimentar de poder o energa y la
deformacin para generar una seal es muy pequea, lo cual tiene la ventaja
de una respuesta de alta frecuencia del sistema de medicin sin la introduccin
de cambios geomtricos al patrn de la medicin de la fuerza.
Cuando se encuentra en forma de anillo y esta se carga con una fuerza
de compresin con un valor de 10kN, un transductor piezoelctrico normal se
deforma 0.001mm. La alta frecuencia de respuesta (por encima de 100kHz)
dada por la dureza y otras cualidades del material y del efecto piezoelctrico
hacer que estos transductores sean muy apropiados para la toma demediciones dinmicas.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
65/166
51
Figura 2.19 Anillo piezoelctrico.
Los sensores de cristal piezoelctrico son diseados, principalmente
para aplicaciones usando un tornillo pre-tensionado el cual permite la medicin
de fuerzas en ambas direcciones, tensin y compresin. El ensamble de este
tipo de anillo es mostrado en la figura 2.20.
Figura 2.20 Ensamble del anillo piezoelctrico.
La precarga es importante para asegurar linealidad y el sensor debe ser
calibrado despus del montaje. Una extensin de este principio es el uso de
pernos de medicin de fuerza los cuales son colocados dentro de la estructura
de una mquina o herramienta y responden a las fuerzas dentro de la
estructura.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
66/166
Existe una
influye, en que est
estticas y son
periodos pueden
mediciones cuasi-e
Los sensore
tanto en laboratoribastante amplio y
pequeos sensore
temperaturas mayo
2.3.3.1 Transduct
Estos trans
ortogonales, en la
de estos elemento
Figura 2.21
equea fuga de la carga en el amplifi
es la razn por la cual no son muy apto
ucho ms utilizados para cargas din
acer una buena medicin y a esto s
stticas.
s de cristales piezoelctricos son ideal
os como en arreglos industriales. El restos transductores soportan bastan
de largo rango de medida son fciles
res a 350C.
ores de fuerza de multi-componentes.
uctores son capaces de medir la fuer
siguiente figura se ilustra el principio de
.
uncionamiento de multi-componentes pi
52
ador de carga esto
s para medir cargas
micas, por largos
le llama cargas o
es para mediciones
ngo de medida este sobrecarga. Los
de usar y soportan
za en los tres ejes
operacin y trabajo
ezoelctricos.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
67/166
53
La fuerza F acta sobre el transductor siendo transmitida a cada uno de
los tres discos con la misma magnitud y direccin. Cada uno de estos cristales
piezoelctricos han sido cortados a lo largo de un eje especifico y la orientacin
del eje sensitivo coincide con el eje de las componentes de la fuerza a ser
medidas. Cada una de estas produce una carga proporcional a la componente
de la fuerza que recibe cada disco. La carga total es colectada por electrodos
insertados dentro del armazn.
2.3.4 Transductor de fuerza con presin.
Las clulas hidrulicas de carga son un dispositivo lleno de un lquido
(generalmente aceite) que tiene una presin de precarga. La aplicacin de la
fuerza aumenta la presin del lquido que es medida por un transductor de
presin o exhibida en un dial de la galga de presin va un tubo de bordn.
Cuando estn utilizadas con un transductor de presin, las clulas de carga
hidrulicas son intrnsecamente muy duras, se deforman cerca de 0,05
milmetros bajo condiciones de fuerza completa. Las clulas de carga
hidrulicas son autnomas y no necesitan ninguna energa externa. Son
convenientes para el uso en atmosferas potencialmente explosivas y se
pueden usar para medir la tensin o la compresin.
Figura 2.22 Transductores de fuerza por presin.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
68/166
54
Los principios de funcionamiento de la clula de carga neumtica son
similares a las de la clula de carga hidrulica. La fuerza se aplica en un
extremo de un pistn y es balanceada por la presin neumtica en el otro lado.
Esta presin contraria es proporcional a la fuerza y se exhibe en un dial de la
presin. El dispositivo de deteccin consiste en un compartimiento con un
casquillo o tapa. La presin de aire se aplica al compartimiento y se acumula
hasta que es igual a la fuerza en el casquillo. En esta posicin de equilibrio, la
presin en el compartimiento es una indicacin de la fuerza en el casquillo y sepuede leer la galga neumtica de dial de presin.
2.4 Acondicionadores de seales.
La seal de salida de un sistema de medicin en general se debe
procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operacin. La
seal puede ser por ejemplo, demasiado pequea, y sera necesario
amplificarla; podra contener interferencias; ser no lineal, convertirla de anlogo
a digital o viceversa, etc. Cualquier cambio que se produjera en la seal lo que
lo genera se le denomina Acondicionador o acondicionamiento de seal.
Los sistemas de instrumentacin se clasifican en dos grupos principales;
digitales y analgicos. Los sistemas analgicos trabajan con seales con
caractersticas de una funcin continua en el tiempo. Los sistemas digitales se
caracterizan por funcionar en nmeros de pulsos discretos discontinuos peroperidicos en el tiempo, cuya informacin contiene datos de la magnitud en el
instante.
7/23/2019 Diseo e implementacin de un dinamometro para medir la fuerza de mecanizado en el torno GAP-BED Modelo C
69/166
55
2.4.1 Procesos del acondicionamiento de seales.
Los siguientes son algunos de lo
Recommended