ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

TÍTULO:

DISEÑO, ENSAMBLAJE E IMPLEMENTACIÓN DE UNA CORTADORA DE LÁSER AUTOMÁTICA PARA LA EMPRESA ENERGYPETROL.

PERFIL DE PROYECTO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL

TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO

INTEGRANTES:

BURNEO ÁLVAREZ DIEGO FERNANDO

EGAS CASTILLO EMILIO JOSÉ

Sangolquí, 28/09/2012

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TABLA DE CONTENIDO: 1.- TÍTULO ....................................................................................................................................... 3

2.- DATOS REFERENCIALES DEL PROYECTO .................................................................... 3

2.1.- FECHA DE PRESENTACIÓN .................................................................................... 3

2.2.- INSTITUCIÓN AUSPICIANTE Y/O BENEFICIARIA ......................................... 3

2.3.- RESPONSABLES DEL PROYECTO ......................................................................... 3

2.4.- COLABORADORES PROFESIONALES ................................................................. 3

2.5.- ÁREA DEL TEMA ........................................................................................................ 3

2.6.- LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA ............................................................................... 4

2.7.- DURACIÓN DEL PROYECTO ................................................................................... 4

3.- DEFINICIÓN DEL PROYECTO ............................................................................................. 4

3.1.- ANTECEDENTES ......................................................................................................... 4

3.1.1.- INTRODUCCIÓN: ................................................................................................ 4

3.1.2.- HISTORIA .............................................................................................................. 5

3.1.3.- ACTUALIDAD ...................................................................................................... 5

3.2.- MARCO INSTITUCIONAL ......................................................................................... 5

3.2.1.1.- HISTORIA ......................................................................................................... 5

3.2.1.2.- MISIÓN .............................................................................................................. 6

3.2.1.3.- VISIÓN ............................................................................................................... 6

3.2.1.4.- POLÍTICA DE CALIDAD ............................................................................... 6

3.3.- JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ........................................................................ 7

3.4.- ÁREA DE INFLUENCIA ............................................................................................. 8

3.5.- ALCANCE DEL PROYECTO ...................................................................................... 8

3.5.1.- OBJETIVO GENERAL......................................................................................... 8

3.5.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 8

3.5.3.- SISTEMA MECÁNICO ........................................................................................ 9

3.5.3.1.- Características técnicas .............................................................................. 9

3.5.4.- SISTEMA ELECTRÓNICO/ELÉCTRICO ................................................... 10

3.5.5.- SISTEMAS DE CONTROL .............................................................................. 11

3.5.6.- SOFTWARE PARA IMPLEMENTACIÓN, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN 11

3.6.- METODOLOGÍA ........................................................................................................ 11

4.- BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 12

5.- ANEXOS ................................................................................................................................... 13

5.1.- PROPUESTA DE INDICE ........................................................................................ 13

5.2.- CRONOGRAMA DEL PROYECTO ........................................................................ 15

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5.3.- PRESUPUESTO REFERENCIAL ........................................................................... 16

5.4.- CARTA DE AUSPICIO .............................................................................................. 16

ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 1.- Localización Geográfica ............................................................................................... 4

Fig. 2.- Logotipo de la empresa ................................................................................................ 5

Fig. 3.- Certificación ISO-9001 ................................................................................................. 7

Fig. 4.- Diagrama tentativo Mecánico .................................................................................... 9

Fig. 5.- Diagrama de bloques aproximado Electrónico ................................................ 10

Fig. 6.- Diagrama de actividades Generales ..................................................................... 12

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Presupuesto Referencial ...................................................................................... 16

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1.- TÍTULO

DISEÑO, ENSAMBLAJE E IMPLEMENTACIÓN DE UNA CORTADORA DE LÁSER AUTOMÁTICA PARA LA EMPRESA ENERGYPETROL.

2.- DATOS REFERENCIALES DEL PROYECTO

La máquina que se va a construir está enfocada en realizar cortes de cualquier figura en 2D, por requerimientos de la empresa, esto es con el objetivo de hacer más sencillo y rápido el corte de piezas de formas abstractas.

2.1.- FECHA DE PRESENTACIÓN

17 de Septiembre de 2012

2.2.- INSTITUCIÓN AUSPICIANTE Y/O BENEFICIARIA

Empresa: ENERGYPETROL

2.3.- RESPONSABLES DEL PROYECTO Diego Burneo Emilio Egas

2.4.- COLABORADORES PROFESIONALES

Ing. Fernando Olmedo.- Director de Tesis Ing. Gustavo Cevallos.- Gerente General de Energypetrol.

2.5.- ÁREA DEL TEMA

Automatización y control Sistemas electrónicos / eléctricos Redes industriales Sistemas computacionales CAD/CAM/CAE Instrumentación industrial

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2.6.- LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA

El proyecto se llevará acabo y permanecerá en la provincia de Pichincha en la dirección: José Puerta N39-155 y Eloy Alfaro en la empresa ENERGYPETROL.

Fig. 1.- Localización Geográfica

2.7.- DURACIÓN DEL PROYECTO

El proyecto tiene una duración de aproximadamente 12 meses a partir de la aprobación del mismo.

3.- DEFINICIÓN DEL PROYECTO

3.1.- ANTECEDENTES

3.1.1.- INTRODUCCIÓN: El método más aceptado para la manufactura de probetas planas de tracción obtenidas a partir de chapas, es el proceso de mecanizado por arranque de viruta, denominado fresado. Sin embargo, en la industria, son el punzonado por control numérico, el corte por láser y el corte por chorro de agua, las tecnologías utilizadas para la fabricación de piezas partiendo de chapas. Con el objeto de mostrar que el proceso de corte por láser es apto para la manufactura de estas planchas metálicas, cuando se compara frente al

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proceso de arranque de viruta, se considera las condiciones geométrico – dimensionales, es decir, las características de las distintas Zonas Afectadas Térmicamente (ZAT) y las propiedades mecánicas (Resistencia a la tracción, límite de fluencia y alargamiento), de probetas normalizadas construidas por ambos métodos. El corte por láser se caracteriza, a diferencia de los sistemas tradicionales de corte de metales, por la poca presencia de desechos que presenta en todos los bordes de la pieza cortada, esto permite el montaje de todas las piezas sin un mecanizado posterior, consiguiendo un ahorro en horas de trabajo.

3.1.2.- HISTORIA La palabra LÁSER proviene de "light amplification by stimulated emission of radiation" que en español significa Luz amplificada por la estimulación de la emisión de radiación. El láser se remonta a 1917 con Albert Einstein quien teorizo el principio del láser con la teoría de la emisión estimulada. Luego a partir de 1940 se empezó a trabajar en la teoría del láser hasta que en 1960 se creo el primer láser funcional y a partir de entonces el láser ha evolucionado en diferentes tipos de industrias incluidas las de corte.

3.1.3.- ACTUALIDAD Para cortar ciertos materiales se utiliza hoy el láser, procedimiento que ha sustituido a los métodos mecánicos y que ofrece claras ventajas: los procesos se acortan y las superficies del corte no se ensucian con el material de las placas de corte. Hoy en día se puede aplicar la tecnología láser en máquinas de corte automático, añadiendo un cabezal en láser en vez del router, pero existen algunas dificultades como ser la emisión de gases tóxicos, ya que normalmente las máquinas láser vienen con cajas herméticas y aspiradores de gases.

3.2.- MARCO INSTITUCIONAL

3.2.1.1.- HISTORIA

Fig. 2.- Logotipo de la empresa

ENERGYPETROL S.A. es una compañía Ecuatoriana Fundada en 1998, con la experiencia desde 1993 de su compañía hermana ACIST INTERNACIONAL, para atender las necesidades en provisión de productos y servicios para el sector petrolero e industrial del país y

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proyectada también a servir clientes que necesiten de ingenierías especializadas y sobre todo las que demande alta tecnología y soluciones de punta. La Fortaleza de Energypetrol radica en las representaciones de líneas de productos de primera para el Sector Petrolero e Industrial, adquiridas durante nuestros años de experiencia por nuestro buen desempeño en el sector; adicionalmente se realizan diversos tipos de ingeniería, equipamiento y mantenimiento de obras.

3.2.1.2.- MISIÓN “Ser una empresa líder en la provisión de tecnología acorde con el avance del mercado mundial, para satisfacer los requerimientos y expectativas de los clientes en la provisión de equipos, materiales, servicios de ingeniería y construcción; entregando calidad, efectividad y valor agregado, que están incorporados en nuestras actividades, asegurando de ésta manera el mejoramiento continuo; siempre comprometidos con el bienestar de nuestros empleados y de la comunidad”.

3.2.1.3.- VISIÓN “Fortalecer nuestro liderazgo mediante soluciones tecnológicas integrales e innovadoras, para satisfacer los requerimientos del sector industrial nacional e internacional. Aplicando lo mejor de la acumulación del conocimiento y experiencia tecnológica mundial, para producir aplicaciones prácticas y económicas, con capacitación continua a nuestro personal, generando motivación y alta calificación profesional manteniendo un equipo de trabajo efectivo. La calidad en los productos y servicios que ofrecemos permanecerán como nuestra prioridad para lograr un cliente satisfecho.”

3.2.1.4.- POLÍTICA DE CALIDAD La Alta Dirección de ENERGYPETROL S.A. quiere expresar su compromiso para cumplir los requisitos definidos en el Sistema de Gestión de la Calidad así como para aplicar mejoras continuas que lo hagan más eficaz a través de la siguiente Política de Calidad. “ENERGYPETROL S.A. tiene el firme compromiso con los clientes de satisfacer sus requerimientos y expectativas, con creatividad e innovación, para ello garantizamos una cultura de calidad en procesos de ingeniería, provisión y construcción, basada en los principios de honestidad, liderazgo, desarrollo del talento humano, compromiso de mejora continua, seguridad industrial, salud y cuidado con el medio ambiente en nuestras operaciones, con el fin de lograr rentabilidad social y económica“. Esta Política de la Calidad define el marco de referencia para el establecimiento de Objetivos de la Calidad. La Dirección de la empresa está comprometida con su utilización revisándola cuando sea conveniente para asegurar su vigencia.

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Fig. 3.- Certificación ISO-9001

3.3.- JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA

La primera pregunta que se cuestionó al plantear el plan de tesis era definir y acotar muy bien el tema de la tesis o problema a investigar, por lo tanto el punto de partida se basó en determinar una máquina que aplique nuestra carrera es decir que contenga las tres ramas sobresalientes mecánica, electrónica y control a partir del software. Como segundo punto se planteó hacer de la máquina una inversión para la empresa auspiciadora (ENERGYPETROL), es decir que su función aplicada aumente la eficiencia ahorrando a la empresa tanto energeticamente como desechos producidos ,aumente el tiempo de mantenimiento, disminuya desechos perjudiciales tanto para el ambiente como al ser humano y sea flexible. La empresa ENERGYPETROL se dedica a la provisión de equipos, materiales, Servicios de ingeniería y construcción para servicio petrolero brindando calidad, efectividad y valor agregado. Por ejemplo ENERGYPETROL en una de sus funciones de construcción realiza cortes de chapa metálica para tuberías de trasporte de petróleo como protección, esto lo logran a partir de una gran cizalla electromecánica que realiza los cortes, obteniendo desecho y siempre necesario con operador, entonces la inversión de la maquina incluye la eliminación del operador ya que será automática, así como también obtener una cantidad de desechos despreciables debido a que el corte por laser, aparte de ser muy preciso no presenta viruta ya que esto lo logra por medio de la evaporación del material. El tiempo y costo del corte estará a la par con la anterior máquina debido a que tienen un plazo de tiempo límite para entregar las planchas la cual lo logran con gran eficiencia con la cortadora electromecánica. Una de las grandes necesidades que desea satisfacer la empresa ENERGYPETROL es realizar otro tipo de formas de corte y otro tipo de materiales a cortar por ejemplo ellos desearía también realizar láminas de protección para gabinetes de control, así como también realizar formas complejas por ejemplo la lámina de

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protección de computadoras que tienen ingreso para usb, ventiladores, puerto serial o también grabados en plásticos o maderas como una forma de ingreso secundaria utilizando la misma máquina, por lo que se puede concluir que esta máquina será totalmente flexible. Cabe recalcar que la empresa ENERGYPETROL es una empresa que tiene una filosofía de innovación brindando al país ecuatoriano una nueva y productiva tecnología que ayudará a un avance al país, la cual es la razón principal de escoger una máquina herramienta tan compleja y completa a la ves para sus diferentes servicios. En el mercado se encuentran diferentes máquinas cortadoras de láser las cuales varían sus precios aproximadamente entre 6.000,00 $ que son las caseras y 100.000,00 $ que son maquinas flexibles de alta potencia. El convenio con la empresa es realizar una maquina cortadora de laser automática con la mayor flexibilidad posible a menor precio.

3.4.- ÁREA DE INFLUENCIA Debido a que Energypetrol se encuentra inmersa en varios sectores industriales del país, requieren cortes de diferentes formas y tamaños para muchas aplicaciones diversas, tales como protección de gabinetes de control, racks de comunicación, protección exterior de tuberías, etc., por lo que al notar que este servicio es demasiado costoso y no se lo puede realizar de manera muy sencilla, Energypetrol propone la automatización de una máquina cortadora.

3.5.- ALCANCE DEL PROYECTO

3.5.1.- OBJETIVO GENERAL

Diseñar, ensamblar e implementar una cortadora de láser automática a partir de un diseño hecho en computadora para la empresa ENERGYPETROL S.A.

3.5.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar un análisis matemático de las fuerzas y requerimientos del sistema de posicionamiento de tres ejes lineales y de los elementos mecánicos de los actuadores mediante software CAD/CAM/CAE.

Dimensionar y seleccionar los motores a paso para la aplicación. Diseñar y construir un sistema de control que permita el correcto

funcionamiento y sincronización de los motores a paso. Seleccionar un módulo laser basándose en los requerimientos

establecidos por la empresa. Diseñar e implementar una tarjeta electrónica que permita la

comunicación entre PC y el controlador de los motores a paso.

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3.5.3.- SISTEMA MECÁNICO En el área mecánica se realizará un estudio de las fuerzas para el

cumplimiento de las cargas que se presentarán en el sistema de posicionamiento de tres ejes lineales, para de esta manera poder seleccionar dicho sistema, así como también el diseño y la construcción de la estructura y la mesa que serán parte del sistema. Estos estudios se los realizarán mediante métodos matemáticos ayudados conjuntamente con software CAD/CAM/CAE.

Se realizará un estudio del láser para su correcta selección.

3.5.3.1.- Características técnicas

Dimensiones: 457 x 304.8 mm. Repetitividad: ± 0.0025 mm.

Fig. 4.- Diagrama tentativo Mecánico

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3.5.4.- SISTEMA ELECTRÓNICO/ELÉCTRICO

Selección de tarjetas de electrónicas para el control del laser. Diseño y construcción de una tarjeta electrónica que permita el control de

los motores a paso. Diseño y construcción de una tarjeta que permita la comunicación entre el

computador y la máquina mediante serial RS-232. Para la aplicación se usará la norma “National Electrical Code” (NFPA 70).

Fig. 5.- Diagrama de bloques aproximado Electrónico

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3.5.5.- SISTEMAS DE CONTROL

Se controlará la velocidad y posición de los motores a paso del sistema de posicionamiento de tres ejes lineales mediante un controlador basado en un circuito mediante puentes de transistores.

Se implementarán un conjunto de pulsadores, al igual que unos interruptores de fines de carrera como protección de la máquina y del operador.

3.5.6.- SOFTWARE PARA IMPLEMENTACIÓN, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN

Software para interfaz HMI: Mach3 o similar. Software de simulación y análisis de cargas mecánicas: Solidworks o

similar. Software de diseño: Autocad o similar.

3.6.- METODOLOGÍA El propósito de tener una metodología que nos permita desarrollar

máquinas de tipo mecatrónico, es decir máquinas en donde los sistemas mecánicos, electrónicos y computacionales convergen de forma significativa en el diseño de la máquina, es que dicha metodología nos ayudará a:

o Reducir los tiempos de diseño e implantación o Reducir los costos asociados al diseño y la implantación. o Tener un orden de actividades en un proyecto integral o Visualizar la dirección de un proyecto

La metodología Mecatrónica se basará en la Fig.4, el cual explica las etapas de diseño, tanto Mecánicas, Electrónicas, Computacionales y de Control.

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Fig. 6.- Diagrama de actividades Generales

En la Fig. 4 se puede apreciar que la metodología comienza con una modelación mecánica del sistema asistido por computadora, para luego poder diseñar un sistema de control que se encuentre acorde con el diseño anteriormente realizado. Una vez que se posea ambos diseños, se procede a fabricar un prototipo, el cual será evaluado su desempeño, para poder así determinar si cumple o no con los requerimientos planteados en un inicio por el usuario. Si el prototipo no cumple, se regresará a la etapa de diseño mecánico y de control, caso contrario, se procederá a la fabricación, ensamblaje y pruebas de actuación del prototipo. Cuando el proceso de construcción finalice se realizará un análisis de todo el sistema en conjunto, mediante la monitorización de variables entregadas por los sensores para poder verificar la valoración de la actuación, así de esta manera concluir satisfactoriamente el prototipo si los resultados cumplen las expectativas planteadas por el cliente, o caso contrario regresar a la etapa de diseño. Cabe recalcar que esta metodología es de tipo iterativa.

4.- BIBLIOGRAFÍA

Arranz, A. C. (2011). Tecnonología Láser Aplicaciones Industriales. Barcelona: Marcombo.

Paul Acarnley (2007). Stepping motors 4ta edicion . London: Lightning source.

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Joseph Edward Shigley, Larry D. Mitchell. (1985). Diseño de Ingeniería Mecánica. México: McGraw-Hill de México.

L. Bachs, J. Cuesta, N. Carles. (1988). Aplicaciones Industriales del Láser. Barcelona, España: Marcombo, S.A.

Larburu, N. (2001). Máquinas Prontuario Técnicas Máquinas Herramientas. Madrid: Paraninfo.

Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid. (s.f.). Manufactura, Ingeniería y Tecnología. Monterrey: Pearson Eduction.

Younkin, G. W. (2004). Industrial Servo Control Systems Fundamentals and Applications. New York: Marcel Dekker.

5.- ANEXOS

5.1.- PROPUESTA DE INDICE I. INTRODUCCION II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA III. JUSTIFICACION IV. ALCANCE V. OBJETIVOS

Objetivos generales Objetivos específicos

CAPITULO 1: MARCO TEORICO 1.1. Corte de materiales metálicos y no metálicos

1.1.1. Fundamentos láser

1.1.2. Fundamentos de máquinas y herramientas

1.1.3. Máquina de corte por láser

1.2. Máquinas de control numérico

1.2.1. Principio de funcionamiento

1.2.2. Movimiento de los ejes

1.3. Motores a paso

1.3.1. Clasificación

1.3.2. Fundamentos de Control de posición y velocidad

1.3.3. Importancia en máquinas de control numérico

1.4. Sistema de control automático

1.5. Fundamentos CAD-CAM-CAE

CAPITULO 2: PARÁMETROS NECESARIOS PARA EL DISEÑO 2.1. Tipos de materiales a trabajar

2.2. Selección de materiales

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CAPITULO 3: DISEÑO DE LA MÁQUINA 3.1. Diseño mecánico

3.1.1. Análisis de cargas para el sistema de posicionamiento

3.1.2. Selección del sistema de posicionamiento de 3 ejes

3.1.3. Dimensionamiento y selección de motores a paso

3.1.4. Diseño de Estructura metálica

3.2. Diseño eléctrico/electrónico

3.2.1. Selección del módulo láser

3.2.2. Diseño de tarjeta electrónica para comunicación del

computador con la máquina

3.2.3. Diseño de tarjeta electrónica para el control de

motores a paso

3.2.4. Selección de sensores de fines de carrera

3.3. Sistema de control y Software

3.3.1. Programación de lógica de proceso

3.3.2. Programación de lógica de seguridad

CAPITULO 4: Fabricación e instalación 4.1. Fabricación estructura metálica

4.2. Instalación del sistema de posicionamiento tres ejes

4.3. Construcción de tarjetas electrónicas

4.4. Instalación eléctrica y electrónica

4.5. Acople de la parte eléctrica con la parte mecánica

CAPITULO 5: Pruebas y resultados 5.1. Plataforma de desarrollo

5.2. Prototipo cortadora

5.2.1. Control de cortadora

5.2.2. Tiempo de producción

5.3. Análisis de resultados y costos

CAPITULO 6: Conclusiones y Recomendaciones 6.1. Conclusiones 6.2. Recomendaciones

BIBLIOGRAFÍA

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5.2.- CRONOGRAMA DEL PROYECTO

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5.3.- PRESUPUESTO REFERENCIAL

Presupuesto referencial Item Descripción Cantidad Valor unitario($) Valor total($)

1 Estructura 1 20 20

2 Cubierta superior 1 60 60

3 Tubo de sujeción 1 12 12

4 Mecanismo de posicionamiento XYZ 1 2200 2200

5 Pórtico 1 250 250

6 Porta laser 1 100 100

7 Lentes 1 70 70

8 Mesa 1 110 110

9 Ensamble del riel 1 17 17

10 Modulo laser 1 265 265

11 Controlador de motores a pasos 1 300 300

12 Motores a paso 3 30 90

13 Tarjeta de comunicación 1 200 200

Total 4702

Tabla 1. Presupuesto Referencial

5.4.- CARTA DE AUSPICIO

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