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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA: INGENIERÍA MECATRÓNICA
TEMA: DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE MÁQUINA DOSIFICADORA
Y CONTADORA DE HERRAJES
TESIS PREVIA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO MECATRÓNICO
AUTOR: FAUSTO DÍAZ ULLOA
DIRECTOR DE TESIS: ING. LUIS HIDALGO
QUITO, 2010
III
DECLARACIÓN
DECLARACIÓN
DEL CONTENIDO DEL PRESENTE TRABAJO SE
RESPOSABILIZA EL AUTOR
________________________________________
FAUSTO MAURICIO DÍAZ ULLOA
CI: 172024705-3
IV
CERTIFICACIÓN
CERTIFICACIÓN
CERTIFICO QUE LA PRESENTE TESIS HA SIDO
DESARROLLADA POR FAUSTO MAURICIO DÍAZ ULLOA,
BAJO MI DIRECCIÓN
________________________________________
ING. LUIS HIDALGO
V
AGRADECIMIENTO
Quiero expresar mis sinceros agradecimientos a la Universidad Tecnológica Equinoccial,
por haberme brindando la oportunidad de culminar mis estudios universitarios en sus aulas
con un modelo de educación de excelencia, y mi más grande agradecimiento primero a
Dios, mi Virgencita, Divino Niño, San Luis, mis padres, hermanos, familiares, amigos,
director y a la empresa ATU Artículos de Aceros S.A. por haberme brindado su apoyo
incondicional para el desarrollo del presente trabajo de titulación previo a la obtención de
mi título como ingeniero mecatrónico.
VI
DEDICATORIA
El presente trabajo lo dedico al esfuerzo que mis padres realizaron para poder culminar una
etapa más en mi formación académica, al igual que a mis padres espirituales en el cielo
quienes con sus bendiciones me supieron dar la fortaleza y la sabiduría para seguir adelante
y saberme levantar de los tropiezos que tuve que pasar durante mi carrera universitaria, mis
hermanos, sobrinas, familiares y amigos por estar siempre pendientes de mi en todo
momento.
VII
ÍNDICE GENERAL
CARÁTULA ……………………………………………………………………………….II
DECLARACIÓN ............................................................................................................. III
CERTIFICACIÓN ........................................................................................................... IV
AGRADECIMIENTO ...................................................................................................... V
DEDICATORIA .............................................................................................................. VI
ÍNDICES .......................................................................................................................VIII
RESUMEN .................................................................................................................XIXX
SUMMARY ................................................................................................................ XXX
VIII
ÍNDICE DE CONTENIDO
CAPÍTULO I ..................................................................................................................... 1
1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 1
1.1. ANTECEDENTES .............................................................................................. 1
1.2. SISTEMATIZACIÓN.......................................................................................... 2
1.2.1. DIAGNÓSTICO ........................................................................................... 3
1.2.2. PRONÓSTICO ............................................................................................. 5
1.2.3. CONTROL DEL PRONÓSTICO ................................................................. 6
1.3. FORMULACIÓN Y SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA .......................... 8
1.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................. 9
1.4.1. Objetivo General .......................................................................................... 9
1.4.2. Objetivos Específicos ................................................................................... 9
1.5. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ................................................................ 10
1.6. ALCANCE ........................................................................................................ 12
1.7. FACTIBILIDAD ............................................................................................... 12
1.7.1. FACTIBILIDAD TÉCNICA....................................................................... 12
1.7.2. FACTIBILIDAD ECONÓMICA ................................................................ 16
FINANCIACIÓN. ........................................................................................................ 18
CAPÍTULO II .................................................................................................................. 20
2. MARCO REFERENCIAL ........................................................................................ 20
2.1. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 20
IX
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 20
2.2. DISEÑO Y LA FABRICACIÓN ASISTIDOS POR ORDENADOR (CAD/CAM)
.......................................................................................................................... 21
2.3. RESEÑA HISTÓRICA DE LOS PLC‟S ............................................................ 23
2.3.1. PLC en comparación con otros sistemas de control ..................................... 25
2.3.2. Señales Analógicas y digitales .................................................................... 27
2.3.3. Programación.............................................................................................. 28
2.3.4. Comunicaciones ......................................................................................... 30
2.3.5. Campos de aplicación ................................................................................. 31
2.3.6. Ventajas e inconvenientes ........................................................................... 33
2.4. RESEÑA HISTÓRICA DE LA HMI (INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA) ...... 35
2.5. SENSOR FOTOELÉCTRICO ........................................................................... 36
2.5.1. Fuentes de luz ............................................................................................. 37
2.5.2. Fuentes de luz habituales ............................................................................ 38
2.5.3. Modulación de la fuente de la luz ................................................................ 39
2.6. TEORÍA Y APLICACIONES DE MECANISMOS AUTOMÁTICOS .............. 39
2.6.1. MECANISMOS ......................................................................................... 40
2.6.2. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO...................... 40
2.6.3. MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DEL MOVIMIENTO ............ 47
2.6.4. OTROS MECANISMOS ............................................................................ 50
2.7. MECANISMOS AUTOMÁTICOS.................................................................... 51
2.7.1. APLICACIONES DE MECANISMOS AUTOMÁTICOS .......................... 52
X
2.7.2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MECANISMOS
AUTOMÁTICOS ..................................................................................................... 52
2.8. TEORÍA DE DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS ............................. 54
2.8.1. LA NATURALEZA DEL DISEÑO MECÁNICO ...................................... 54
2.8.2. EL PROCESO DEL DISEÑO MECÁNICO ............................................... 56
2.8.3. CONOCIMIENTOS NECESARIOS EN EL DISEÑO MECÁNICO .......... 59
2.8.4. FUNCIONES, REQUISITOS DE DISEÑO Y CRITERIOS DE
EVALUACIÓN ........................................................................................................ 61
2.9. ELECTROIMANES .......................................................................................... 63
2.9.1. RESEÑA HISTÓRICA ............................................................................... 63
2.9.2. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 64
2.9.3. ELECTROIMÁN E IMÁN PERMANENTE .............................................. 65
2.9.4. DISPOSITIVOS QUE USAN ELECTROIMANES .................................... 66
2.10. MATERIALES PARA EL DISEÑO DISPONIBLES EN EL ECUADOR...... 66
2.10.1. ACERO................................................................................................... 67
2.10.2. ALUMINIO ............................................................................................ 70
2.10.3. HIERRO ................................................................................................. 72
2.11. MARCO CONCEPTUAL .............................................................................. 74
CAPÍTULO III ................................................................................................................ 75
3. METODOLOGÍA ..................................................................................................... 75
3.1. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ................................................... 75
3.2. METODOLOGÍA MECATRÓNICA ................................................................. 78
XI
3.2.1. ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO ........................... 78
3.2.2. DISEÑO SIMULTÁNEO DE LOS COMPONENTES MECATRÓNICOS
DEL PROYECTO .................................................................................................... 81
3.2.3. SIMULACIÓN Y PROTOTIPO. .............................................................. 101
CAPÍTULO IV .............................................................................................................. 124
4. DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO .......................................... 124
4.1. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ............................................................ 124
4.2. CREACIÓN DE GUÍAS Y MANUAL DE FUNCIONAMIENTO .................. 128
MANTENIMIENTO Y LIMPIEZA ............................................................................... 151
CAPÍTULO V ............................................................................................................... 153
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 153
6. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 155
7. ANEXOS................................................................................................................ 157
XII
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1: ANALISIS FODA DE LA EMPRESA ......................................................... 4
TABLA 2: CUADRO DE PRONÓSTICO...................................................................... 5
TABLA 3: CUADRO DE ALTERNATIVAS PARA MEJORAR EL PROCESO
ACTUAL DE DESPACHO DE HERRAJES. ................................................................. 6
TABLA 4: COSTOS DIRECTOS ................................................................................ 16
TABLA 5: MANO DE OBRA ..................................................................................... 17
TABLA 6: COSTOS INDIRECTOS ............................................................................ 17
TABLA 7: COSTOS INDIRECTOS (RUBROS DE LA TESIS) .................................. 17
TABLA 8: COSTOS TOTALES DE 1 MÓDULO ....................................................... 18
TABLA 9: ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO............................................................... 19
TABLA 10: FUENTES DE LUZ HABITUAL ............................................................. 38
TABLA 11: ESTADÍSTICA DE BASE SUPERIOR DE ALUMINIO ....................... 102
TABLA 12: Aluminum-6061 ..................................................................................... 103
TABLA 13: Definiciones del Cuerpo de Cargas ......................................................... 104
TABLA 14: Definiciones de Cargas y Coacciones ...................................................... 104
TABLA 15: RESULTADOS ESTRUCTURALES ..................................................... 105
TABLA 16: ESTADÍSTICA DE BASE DE HIERRO ................................................ 112
TABLA 17: HIERRO ................................................................................................. 113
TABLA 18: Definiciones del Cuerpo de Cargas ......................................................... 113
TABLA 19: Definiciones de Cargas y Coacciones ...................................................... 114
TABLA 20: RESULTADOS ESTRUCTURALES ..................................................... 115
XIII
TABLA 21: DESCRIPCIÓN GENERAL (MÁQUINA DVNSL) ............................... 129
TABLA 22: ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA MÁQUINA ........................ 151
XIV
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1: POLEAS ................................................................................................... 41
FIGURA 2: POLIPASTO ............................................................................................. 42
FIGURA 3: TIPOS DE PALANCAS ........................................................................... 43
FIGURA 4: RUEDAS DE FRICCIÓN ......................................................................... 43
FIGURA 5: SISTEMAS DE POLEAS CON CORREAS ............................................. 44
FIGURA 6: ENGRANAJES ......................................................................................... 45
FIGURA 7: TRANSMISIÓN POR CADENA .............................................................. 46
FIGURA 8: TORNILLO SINFÍN-CORONA ............................................................... 46
FIGURA 9: CONJUNTO MANIVELA TORNO ......................................................... 48
FIGURA 10: PIÑÓN - CREMALLERA....................................................................... 49
FIGURA 11: BIELA - MANIVELA............................................................................. 50
FIGURA 12: TRINQUETE .......................................................................................... 50
FIGURA 13: Pasos en el Proceso de Diseño ................................................................. 62
FIGURA 14: ACERO................................................................................................... 67
FIGURA 15: ALUMINIO ............................................................................................ 70
FIGURA 16: Tabulación pregunta 1 de la Encuesta ...................................................... 76
FIGURA 17: Tabulación pregunta 4 de la Encuesta ...................................................... 76
FIGURA18: ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO ........................ 79
FIGURA 19: BASE DE HIERRO ................................................................................ 81
FIGURA 20: BASE SUPERIOR DE ALUMINIO ........................................................ 82
FIGURA 21: VIBRADORES LATERALES DE ACERO INOXIDABLE ................... 82
XV
FIGURA 22: PLATO DE ALIMENTACIÓN ............................................................... 83
FIGURA 23: TAPA METÁLICA ................................................................................. 83
FIGURA 24: BASES FIJAS ......................................................................................... 84
FIGURA 25: BASES DE TENSIÓN ............................................................................ 85
FIGURA 26: BASE SUPERIOR .................................................................................. 85
FIGURA 27: BASES LATERALES ............................................................................. 86
FIGURA 28: EJES ....................................................................................................... 87
FIGURA 29: EJE DEL MOTOR .................................................................................. 87
FIGURA 30: GUIAS LATERALES ............................................................................. 88
FIGURA 31: RODILLOS............................................................................................. 88
FIGURA 32: VIBRO-ALIMENTADORA ................................................................... 89
FIGURA 33: GRÁFICO DE CORRIENTE ALTERNA ............................................... 90
FIGURA 34: ÁREA DE BOBINADO DEL ELECTROIMÁN ..................................... 91
FIGURA 35: ELECTROIMÁN .................................................................................... 95
FIGURA 36: CHAPA E ............................................................................................... 97
FIGURA 37: CHAPA SUPERIOR ............................................................................... 98
FIGURA 38: CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD ....................................... 99
FIGURA 39: CIRCUITO ELECTRÓNICO PARA VARIAR LA FRECUENCIA DE
VIBRACIÓN DE LA VIBROALIMENTADORA ..................................................... 100
FIGURA 40: BASE SUPERIOR DE ALUMINIO (ANÁLISIS DE ESFUERZOS) .... 101
FIGURA 41: Tensión Equivalente (Equivalent Stress) de la Base de Aluminio .......... 106
XVI
FIGURA 42: Tensión Principal Máxima (Maximum Principal Stress) de la Base de
Aluminio .................................................................................................................... 107
FIGURA 43: Tensión Principal Mínima (Minimum Principal Stress) de la Base de
Aluminio .................................................................................................................... 108
FIGURA 44: Deformación (Deformation) de la Base de Aluminio ............................. 109
FIGURA 45: Factor de Seguridad (Safety Factor) de la Base de Aluminio ................. 110
FIGURA 46: BASE DE HIERRO (ANÁLISIS DE ESFUERZOS) ............................. 111
FIGURA 47: Tensión Equivalente (Equivalent Stress) de la Base de Hierro ............... 116
FIGURA 48: Tensión Principal Máxima (Maximum Principal Stress) de la Base de
Hierro ......................................................................................................................... 117
FIGURA 49: Tensión Principal Mínima (Minimum Principal Stress) de la Base de Hierro
................................................................................................................................... 118
FIGURA 50: Deformación (Deformation) de la Base de Hierro .................................. 119
FIGURA 51: Factor de Seguridad (Safety Factor) de la Base de Hierro ...................... 120
FIGURA 52: TABLERO DE CONTROL ................................................................... 131
FIGURA 53: PANTALLA DE PRESENTACIÓN HMI ............................................. 134
FIGURA 54: PANTALLA PRINCIPAL HMI ............................................................ 135
FIGURA 55: CONFIGURACIÓN PANTALLA PRINCIPAL HMI ........................... 136
FIGURA 56: SELECCIÓN PROGRAMA A EJECUTAR HMI ................................. 137
FIGURA 57: VISUALIZADORES DE LAS CANTIDADES DE PIEZAS A CONTAR
HMI ........................................................................................................................... 138
FIGURA 58: BOTONES DE INICIO Y PARO HMI ................................................. 139
XVII
FIGURA 59: VISUALIZADOR DEL NÚMERO DE PROGRAMAS CONTADOS HMI
................................................................................................................................... 140
FIGURA 60: SETUP HMI (PANTALLA PRINCIPAL) ............................................. 141
FIGURA 61: SETUP HMI (UBICACIÓN PANTALLA PRINCIPAL) ...................... 142
FIGURA 62: ESPECIFICACIONES DE LA PANTALLA SETUP HMI ................... 143
FIGURA 63: SELECCIÓN DEL NÚMERO DE PROGRAMA A ABRIR HMI ......... 144
FIGURA 64: VENTANA DE SELECCIÓN HMI ...................................................... 145
FIGURA 65: INGRESO DEL NÚMERO DE PIEZAS A CONTAR .......................... 146
FIGURA 66: VENTANAS DE INGRESO DEL NÚMERO DE PIEZAS A CONTAR
HMI ........................................................................................................................... 147
FIGURA 67: VENTANA DE SELECCIÓN PARA GUARDAR PROGRAMAS HMI
................................................................................................................................... 148
FIGURA 68: SELECCIÓN DEL PROGRAMA A EJECUTAR HMI ......................... 149
FIGURA 69: INDICADOR DE PROGRAMA EJECUTANDOSE ............................. 150
XVIII
ÍNDICE DE DIAGRAMAS
DIAGRAMA 1: CUADRO COMPARATIVO DE UN SITEMA AUTOMATIZADO
POR RELES Y PLCS. .................................................................................................. 13
DIAGRAMA 2: CUADRO COMPARATIVO AUTOCAD VS AUTODESK
INVENTOR ................................................................................................................. 14
DIAGRAMA 3: PROCESO DE CONSTRUCCIÓN # 1 ............................................. 126
DIAGRAMA 4: PROCESO DE CONSTRUCCIÓN # 2 ............................................. 127
XIX
RESUMEN
El presente trabajo se basa en el diseño de un prototipo de máquina dosificadora y
contadora de herrajes o piezas pequeñas para mejorar el proceso actual del área de
ensamblado de la empresa ATU Artículos de Acero S.A.
El prototipo consta de un plato de alimentación el mismo que tiene el trabajo de separar y
transportar las piezas hasta una banda transportadora que se encarga de llevar las piezas
separadas para su posterior conteo a través de un sensor fotoeléctrico.
El manejo del prototipo se lo hace mediante una HMI (Interfaz Hombre máquina), cuyo
algoritmo de control se lo desarrolló en un PLC y una pantalla táctil de 7”, haciendo
posible que la persona encargada del manejo de la misma tenga mayores facilidades a la
hora de realizar el conteo de piezas.
XX
SUMMARY
This document is based on development of a prototype machine designed to count small
parts, to improve the current process of assembly area in ATU Artículos de Acero S.A.
The prototype consists of a feeder bowl; it has the work of separating and transporting the
small parts, to a conveyor belt which is responsible for carrying the separate pieces for
subsequent counting via a photoelectric sensor.
The handling makes it through human machine interface (HMI), the control algorithm was
developed in a PLC and touch screen 7 ", enabling the person more facilities to the when
making the parts count.
________________________________________
DIRECTOR: ING. LUIS HIDALGO
CAPÍTULO I
1
CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN
ATU compañía de origen Europeo, fue fundada en 1940 por Hans D. Rothschild, desde su
inicio se dedicó al diseño, fabricación y comercialización de mobiliario de oficina. ATU
fabrica bajo estrictas normas de la American National Standars Institute (ANSI). Para
asegurar la calidad de sus productos ATU tiene certificación ISO 9001-2000, desde el año
1999 hasta la actualidad
1.1.ANTECEDENTES
La situación actual en la que se encuentra ATU & LAMINATI empresas dedicadas a la
fabricación de todo tipo de muebles en madera o acero, es no contar con un sistema
apropiado para despacho de piezas pequeñas (herrajes) que necesitan ser empacados en
muchos de sus productos para que su comprador final pueda ensamblarlos.
Puesto que muchos de herrajes son desarrollados internamente por la empresa en el área de
matricería, no son fáciles de hallar en el mercado lo que es una gran exigencia y
responsabilidad para ATU & LAMINATI despacharlos con exactitud a sus consumidores.
El sistema actual para conteo y empacado de piezas pequeñas lo realizan manualmente por
lo que el número de errores es constante, muchas veces debido al cansancio físico y mental
2
que tienen sus empleados al momento de contar e ir empacando los herrajes. ATU &
LAMINATI empresas internacionales se ha ganado la confianza de sus compradores por
sus años de experiencia en el mercado ecuatoriano, sudamericano y centroamericano por
entregar sus productos en excelentes condiciones y cuidando el más mínimo detalle en
cuanto a cada uno de los componentes que reciben sus compradores finales, por lo que
desea mantener esta confianza ganada por muchos años gracias sus logros profesionales,
para lo cual desea implementar la automatización de sus procesos de una manera apropiada
y acorde con sus necesidades actuales.
Uno de ellos es el mejorar su proceso actual de despacho de herrajes utilizados para el
ensamblaje de sus productos más vendidos en el mercado nacional e internacional como
son los muebles RTA (READY TO ASSEMBLY), puesto que existen cientos de modelos
es una gran responsabilidad para los obreros de esta área empacar con precisión cada uno
de los distintos herrajes ya que estos son indispensables para que el consumidor no tenga
ningún faltante a la hora de armarlos.
La automatización de este proceso es con el que se quiere iniciar un cambio y mejora
interno para el desarrollo de la empresa que mira con visión el crecimiento en sus mercados
nacional e internacional.
1.2.SISTEMATIZACIÓN
3
A continuación se presentarán a manera de síntesis el diagnóstico, pronóstico y control de
pronóstico que se realizó para el desarrollo de este prototipo.
1.2.1. DIAGNÓSTICO
En el siguiente análisis FODA se identificarán los síntomas y problemas que se pretenden
solucionar en la fábrica ATU & LAMINATI para mejorar uno de sus procesos.
4
TABLA 1: ANALISIS FODA DE LA EMPRESA
FACTORES
INTERNOS
FACTORES
EXTERNOS
FORTALEZAS
• Ser una empresa cumplida con sus clientes.
• Garantiza la calidad de sus productos.
• Ser una empresa reconocida a nivel nacional e internacional.
DEBILIDADES
• Tener mayor maquinaria antigua que nueva.
• No tener automatizada la mayor parte de sus plantas.
• Pérdidas de tiempo en la elaboración y empacado de sus productos.
• Depender de una persona en algunos de sus procesos.
OPORTUNIDADES
• Participar en ferias Nacionales e Internacionales para dar a conocer sus productos.
• Expandir su negocio con la adquisición de nuevos equipos y maquinarias.
• Invertir en la automatización en cada una de las líneas de
producción.
Fortalecer su programa de automatización
en cada uno de sus procesos, invirtiendo en
investigación y desarrollo de nuevos
equipos y maquinarias.
Desarrollar nuevas estrategias de control en cada uno de
sus procesos para disminuir pérdidas de tiempo a la vez
de reajustar su maquinaria acorde con las exigencias que
demandan sus productos.
AMENAZAS
• Productos devueltos por piezas faltantes.
• Clientes insatisfechos.
• La competitividad de la calidad y costos de los productos.
Mejorar su proceso de empacado invirtiendo
en la automatización del mismo.
Crear un programa de control de calidad exigente, el
mismo que disminuya las insatisfacciones de sus
compradores.
Fuente: ATU ARTICULOS DE ACERO S.A.
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
5
1.2.2. PRONÓSTICO
Los síntomas y problemas identificados en el diagnóstico realizado a la empresa ATU &
LAMINATI nos conllevan a realizar un análisis minucioso de cada uno de ellos, siendo el
de mayor importancia para el desarrollo de de este prototipo de máquina contadora de
herrajes los clientes insatisfechos que se ven afectados al momento de ensamblar los
muebles (RTA) comprados a la empresa por faltantes de algún tipo de herrajes.
Para analizar cada uno de los síntomas se realizará el siguiente cuadro
TABLA 2: CUADRO DE PRONÓSTICO
SÍNTOMAS PRONÓSTICO MEJORA
PRODUCTOS
DEVUELTOS
Pérdida de clientes, debido a que
se sientes insatisfechos en su
compra.
Implementar un sistema
automático que se realice
este proceso.
TENER
MAQUINARIA
ANTIGUA
Fallas futuras por el tiempo de
vida útil de la misma.
Invertir en tecnología de
punta.
NO TENER
AUTOMATIZADO
SUS PROCESOS
Utilizar mucha mano de obra para
realizar sus productos, lo que
aumenta el costo de fabricación
de los mismos.
Realizar un programa de
automatización de cada uno
des procesos, para aumentar
el desempeño de la fábrica.
PERSONAL NO
APTO
El cansancio tanto físico como
mental de los mismos les conlleva
a cometer errores que son
perjudiciales para el prestigio de
la empresa.
Tratar de utilizar la menor
cantidad de talento humano,
automatizando sus procesos.
Fuente: ATU ARTICULOS DE ACERO S.A.
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
6
1.2.3. CONTROL DEL PRONÓSTICO
Siendo la devolución de los productos por falta de herrajes el principal y mayor problema
para que sus clientes se sientan insatisfechos la empresa ATU & LAMINATI ha decido
invertir en la automatización del área de despacho y ensamble con la implementación de
una máquina contadora de herrajes, para de esta manera asegurarse que sus productos no
sean devueltos por faltantes de herrajes, y sus clientes se sientan satisfechos. El cliente es
nuestro jefe y nuestra razón de ser como empresarios! 1
Para llegar a esta solución tomada por los ejecutivos, se analizó las posibles alternativas
que la empresa tenía para tratar de contrarrestar este problema, los criterios que se
analizaron fueron los de costo, tiempo y beneficio.
La calificación que se les dio a cada una de las alternativas fue del 1 al 5, siendo 1 para la
menos adecuada y 5 para la mejor alternativa.
TABLA 3: CUADRO DE ALTERNATIVAS PARA MEJORAR EL PROCESO
ACTUAL DE DESPACHO DE HERRAJES.
ALTERNATIVAS
A. CONTRATAR PERSONAL
B. COMPRAR MAQUINARIA.
C. AUTOMATIZAR DISEÑANDO EL EQUIPO
1 http://www.infomipyme.com/Docs/GT/Offline/administracion/acliente.htm
7
Fuente: ATU ARTICULOS DE ACERO S.A.
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
ALTERNATIVAS
CRITE
RIOS
A
Observación B Observación C Observación
Costo 1 Contratar a
nuevo personal
genera mayores
gastos a futuro
3 Genera
una
inversión
mayor
3 Genera un gasto
menor al de comprar
un máquina en el
extranjero
Tiempo 2 Los errores
serían menores
pero el tiempo
dependería de la
predisposición
de los
trabajadores
5 Mejoraría
en su
totalidad
5 Mejoraría en su
totalidad
Mejora 2 La empresa no
mejoraría en sus
planes de
automatización
4 La
empresa se
tendría que
acoplar a
la máquina
mas no la
máquina a
la empresa
5 La máquina se
acoplaría a las
necesidades de la
empresa
TOTAL
5 12 13
8
1.3.FORMULACIÓN Y SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA
¿Un sistema automático que utilice tecnología de punta, mejoraría el proceso actual con el
que cuenta la empresa ATU & LAMINATI para el conteo de herrajes de sus muebles RTA
(LISTOS PARA ARMAR)?
El sistema actual con que cuenta la empresa para conteo de piezas pequeñas (herrajes) no
va acorde con sus necesidades como una empresa internacional que desea mejorar día a día
sus procesos, para hacerse ganadora frente a sus principales competidores como una
empresa que cuida hasta el mínimo detalle en sus procesos, por lo cual ha decido
implementar sistemas de automatización en sus líneas de producción.
El área en la que planteó empezar este proceso de automatización fue justamente en la de
despacho de sus productos, debido a los síntomas observados en el diagnóstico a la
empresa.
9
1.4.OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1. Objetivo General
Desarrollar un prototipo de máquina dosificadora y contara de herrajes aplicando
los principios de diseño mecánico y electrónico, que operado mediante una HMI
(Interfaz Hombre Máquina) sirva para mejorar el proceso actual de conteo de
herrajes en ATU & LAMINATI.
1.4.2. Objetivos Específicos
Acoplar el sistema de distribución de herrajes para el conteo de los mismos.
Automatizar el sistema de conteo en el plato de alimentación.
Diseñar la banda del transporte de herrajes.
Integrar el sistema de distribución, de conteo y de transporte en un sistema
mecatrónico.
Diseñar e implementar el algoritmo de control del contador de herrajes.
Diseñar una Interfaz Hombre Máquina (HMI) para la operación de la máquina.
10
1.5.JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
Uno de los principales problemas para que se considere el conteo automático de herrares
como prioridad en la empresa, es que el mayor número de devoluciones de sus productos
más vendidos en el mercador nacional como son los muebles RTA se debe al faltante de
herrajes necesarios para su ensamblaje lo que a la empresa le representa un costo adicional
por transporte y por entrega de un nuevo producto y lo más importante el nombre y
prestigio de la empresa se ve afectados.
Al implementar este mecanismo automático para conteo de herrajes en el área de despacho
de productos en LAMINATI, la misma se vería beneficia en mayor agilidad a la hora de
empacar sus productos, aumentaría la productividad en esta área de la planta, no existirá
fallas a la hora de despacho de este tipo de piezas, se necesitaría una única persona
encargada de este tipo de trabajo por ende se disminuirían los contos de fabricación, el
trabajador además se sentiría más a gusto en sus funciones, ya que al haber estado en
contacto con uno de ellos pude conocer de los inconvenientes que tiene a la hora de contar
manualmente este tipo de piezas, su cansancio físico y sobre todo mental lo hacían muchas
veces cambiarse de área de trabajo con sus colegas para distraer su mente y poder continuar
con su rutina diaria.
Su trabajo es de gran responsabilidad como todos los demás por lo que necesita siempre
estar con la mayor concentración posible, que por más capacidad y predisposición de
11
trabajo que tenga se ven truncadas con el demandante esfuerzo mental al cual su cuerpo
está sometido.
LAMINATI principal proveedor de ATU empresa a la que se debe además, se vería
beneficiada a la hora del despacho de productos terminados listos para su posterior
ensamblaje y ATU mejoraría en un gran porcentaje su ya exitoso sistema de entrega a
tiempo de sus productos que por más de 40 años han logrado mantener, lo que los ha hecho
ganadora de mercados internacionales contra sus principales competidores.
Cabe recalcar que el diseño y fabricación de la mayoría de las piezas para el prototipo va a
ser realizado con la maquinaria que dispone la fábrica ATU, es decir, que una vez
diseñadas las piezas manualmente utilizaré una de las CNC con las que cuenta ATU para el
desarrollo de las mismas, lo que es una gran ventaja ya que no necesitaría mandar a
fabricar las partes, ya que lo podría realizar personalmente dentro de la fábrica lo que me
disminuiría en los costos de fabricación.
El lenguaje que va a ser utilizado para el diseño y fabricación es el Lenguaje G el cual es
interpretado por la CNC GLOBAL para que una vez hecho el programa de cada una de las
partes para el ensamblado del prototipo se los grabe en la CNC y se pueda producir cada
una.
12
1.6.ALCANCE
A la culminación de la investigación se obtendrá un módulo de los 8 de los que consta la
máquina capaz de interactuar con el hombre para un conteo automático de herrajes
utilizando una Interfaz Hombre Máquina previamente programada en un Touch Panel de
acuerdo a las necesidades de la empresa, para el algoritmo control será utilizado un PLC y
un Touch Panel, la comunicación entre el PLC con la el Touch Panel será modbus.
El mecanismo para la distribución de las piezas se utilizará un feeder bowl o plato de
alimentación de en el cual está acoplado a una base fija junto a una pequeña banda
transportadora, finalmente para el conteo se utilizará un sensor fotoeléctrico el mismo que
está colocado en un punto estratégico de la banda para que el conteo sea preciso. Una vez
que las piezas hayan sido detectadas por el sensor las mismas serán depositadas en un plato
para que el operario las pueda empacar.
1.7.FACTIBILIDAD
Las factibilidades que se presentarán a continuación buscan dar a conocer las herramientas
tanto tecnológicas como económicas para que el desarrollo de este prototipo sea viable.
1.7.1. FACTIBILIDAD TÉCNICA
En los siguientes diagramas se muestra a manera de comparación, cuales son las
herramientas tecnológicas que serán utilizadas en el desarrollo de este prototipo.
13
Tienen un tiempo limitado de vida, debido a que sus partes
mecánicas están sometidas a desgaste, los conductores de corriente
pueden quemarse o fundirse, y con ello puede provocarse una avería
y tendrán que ser reemplazados.
Desde el punto de vista de la programación, su inconveniente mayor
es que la estructura de programación es fija.
Si cambian las necesidades de producción hay que construir un panel
nuevo.
No se pueden modificar, al menos sin un costo excesivo en tiempo y
mano de obra.
Son muy costosos de mantener.
Ocupan un espacio físico muy amplio.
El cableado es muy tedioso de realizar.
No son programables.
Se necesita de interfaces extras para comunicarse con la PC.
No se ven estéticos.
Difíciles de instalar.
Se necesita de una gran inversión para controlar el mayor número de
fallas que se presenten a la hora de automatizar un sistema.
Al entrar en una sala de control, es habitual oír el clic continuo de
los relés al abrirse y cerrarse.
Menor coste de mano de obra de la instalación
Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al
eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden detectar e indicar
posibles averías.
Mínimo espacio de ocupación
Posibilidad de gobernar varias maquinas con un mismo autómata.
Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el
tiempo de cableado.
Si por alguna razón la maquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo
útil para controlar otra máquina o sistema de producción.
Recoger datos de las fuentes de entrada a través de las fuentes digitales y
analógicas.
Tomar decisiones en base a criterios pre-programados.
Almacenar datos en la memoria.
Generan ciclos de tiempo.
Realizan cálculos matemáticos.
Actuar sobre los dispositivos externos mediante las salidas analógicas y digitales.
Comunicarse con otros sistemas externos.
Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:
No es necesario dibujar el esquema de contactos.
No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas ya que, por lo general, la
capacidad de almacenamiento del modulo de memoria es lo
suficientemente grande como para almacenarlas.
La lista de materiales a emplear es más reducida y, al elaborar el
presupuesto correspondiente, se elimina parte del problema que supone el
contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc.
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado y añadir aparatos.
SISTEMAS AUTOMATIZADOS POR RELÉS SISTEMAS AUTOMATIZADOS POR PLC’S
CUADRO COMPARATIVO DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO POR RELES Y PLC
DIAGRAMA 1: CUADRO COMPARATIVO DE UN SITEMA AUTOMATIZADO POR RELES Y PLCS.
Fuente: http://www.grupo-maser.com/PAG_Cursos/Auto/auto2/auto2/PAGINA%20PRINCIPAL/PLC/plc.htm
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
14
Autodesk AutoCAD es un programa de diseño asistido por
computadora (CAD "Computer Aided Design"; en inglés, Diseño
Asistido por computadora) para dibujo en 2D y 3D. Actualmente es
desarrollado y comercializado por la empresa Autodesk.
Es usado en su mayor parte para diseño arquitectónico.
Para realizar una pieza 3D es necesario realizar muchos pasos, ya
que no tiene una interfaz directa para realizarlos.
No tiene simuladores de esfuerzos para el diseño 3D.
Para diseñar una máquina no se puede dividir por piezas.
No se puede realizar ensambles a partir de piezas realizadas.
No está orientado para el diseño mecánico.
Autodesk Inventor es un paquete de modelado paramétrico de sólidos en 3D
producido por la empresa de software Autodesk.
Autodesk Inventor, lleva a los ingenieros más allá del diseño 3D, hacia el
Prototipo Digital, les proporciona un comprensivo conjunto de herramientas para
el diseño mecánico en 3D que les ayudara a diseñar, visualizar y simular productos
incluso antes de que sean reales.
Prototipos Digitales con inventor ayuda a las compañías a diseñar mejores
productos.
Reducen el impacto ambiental, el incremento de costos, para que lleguen a al
mercados más rápido
Autodesk Inventor se basa en técnicas de modelado paramétrico.
Los usuarios comienzan diseñando piezas que se pueden combinar en ensamblajes.
Corrigiendo piezas y ensamblajes pueden obtenerse diversas variantes.
Inventor se utiliza en diseño de ingeniería para producir y perfeccionar productos
nuevos, mientras que en programas como Autocad se conducen solo las
dimensiones.
Inventor también tiene herramientas para la creación de piezas metálicas.
Tiene simuladores de esfuerzos para diseño de elementos mecánicos.
Autodesk se basa en bocetos para el diseño.
Los bloques de construcción cruciales de Inventor son las piezas.
AUTOCAD AUTODESK INVENTOR
CUADRO COMPARATIVO AUTOCAD VS AUTODESK INVENTOR
DIAGRAMA 2: CUADRO COMPARATIVO AUTOCAD VS AUTODESK INVENTOR
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/AutoCAD y http://es.wikipedia.org/wiki/Autodesk_Inventor
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
15
Una vez analizados los sistemas automatizados por relés y plc‟s, puedo concluir que el
equipo que usare para programar mi prototipo será mediante el uso de un PLC.
El modelo y marca de PLC que utilizaré es el PLC XINJE cuyas características técnicas son
las siguientes (VER ANEXO F).
Unos de los principales inconvenientes que ha tenido el hombre con las máquinas es su
interacción por lo que junto con los avances tecnológicos el hombre ha creado sistemas de
comunicación que cumplan con el trabajo de interactuar el hombre con la máquina, para lo
cual se desarrollaron las HMI (Human Machine Interface o Interfaz Hombre Máquina), el
uso de esta tecnología será utilizado en este prototipo para que el operario se sienta mucho
más cómodo a la hora de manejar la máquina.
El modelo y marca de TOUCH PANEL que utilizaré para la programación de la HMI será
XINJE-TP760 el mismo que cumple con las siguientes características técnicas. (VER
ANEXO G).
16
1.7.2. FACTIBILIDAD ECONÓMICA
A continuación se presenta un análisis detallado de los costos generados en la elaboración
de este prototipo y su financiamiento.
1.7.2.1.PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIAMIENTO
TABLA 4: COSTOS DIRECTOS
COSTO DE MATERIA PRIMA Y MATERIALES
DIRECTOS
NOMBRE CANTIDAD UNIDADES COSTO
UNITARIO
COSTO
TOTAL
%
Torta de
Aluminio
12 Kg $ 14.00 $ 168.00 6.59%
Torta de
Hierro
15 Kg $ 18.00 $ 270.00 10.59%
Acero 1 Plancha $ 25.00 $ 25.00 0.98%
Acero
Inoxidable
1 Kg $ 22.00 $ 22.00 0.86%
Rodamientos 6 Kg $ 2.00 $ 12.00 0.47%
Pintura 1 1/4 galón $ 4.00 $ 4.00 0.16%
Madera 1 Plancha $ 50.00 $ 50.00 1.96%
Herrajes 2 Lb $ 7.00 $ 14.00 0.55%
Bobinado 1 _ $ 40.00 $ 40.00 1.57%
Sensor 1 _ $ 600.00 $ 600.00 23.54%
Placas
Electrónicas
2 _ $ 20.00 $ 40.00 1.57%
Material
Control
Industrial
1 _ $ 30.00 $ 30.00 1.18%
PLC 1 _ $ 250.00 $ 250.00 9.81%
Touch Panel 1 _ $ 1,024.00 $ 1,024.00 40.17%
TOTAL $ 2,549.00
Fuente: Materiales disponibles en el mercado ecuatoriano
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
17
TABLA 5: MANO DE OBRA
MANO DE OBRA Plaza Número USD
Diseñador 1 $ 3,000.00
Ayudante 1 $ 250.00
Maquinador 1 $ 300.00
TOTAL $ 3,550.00
Fuente: ATU Artículos de Acero S.A.
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
TABLA 6: COSTOS INDIRECTOS
PERMISOS Y LICENCIAS Sofware Cantidad USD
Austodesk Inventor 1 4000
TOTAL $ 4,000.00
Fuente: http://dasoft.com.mx/es-MX/product/762415285/Autodesk-Inventor-Inventor-LT
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
TABLA 7: COSTOS INDIRECTOS (RUBROS DE LA TESIS)
RUBROS DE LA TESIS
RUBRO USD
Dirección de Tesis 602
Certificado de Acta de
Grado
12
Derecho de Grado 86
Derecho de Título 22
Bono de Biblioteca 65
Aptitud Legal 22
TOTAL 809 USD
Fuente: Universidad Tecnológica Equinoccial
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
18
TABLA 8: COSTOS TOTALES DE 1 MÓDULO
COSTO TOTAL DEL MÓDULO
MÓDULO COMPLETO $ 10,908.00
Fuente: Cuadros de costos anteriores
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
FINANCIACIÓN.
En el caso de mi proyecto la financiación va a ser por empresa privada debido a que yo
todos los gastos en la fabricación de la máquina correrán por parte de las empresa ATU &
LAMINATI.
NOTA: La financiación será del 100% por la empresa privada, con el beneficio para las
mismas de tener en su propiedad la máquina en su totalidad.
19
1.7.2.2.ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO
Los siguientes datos muestran los costos que se generan en la empresa ATU Artículos de
Acero S.A. mensualmente y anualmente en área de despacho (conteo de herrajes).
TABLA 9: ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO
COSTOS POR CONTRATACIÓN DE PERSONAL
PERSONAL USD COSTO MENSUAL COSTO ANUAL
2 250 500 6000
COSTOS DEL MANEJO DE MÁQUINA
PERSONAL USD MENSUAL ANNUAL
OPERARIO 1 250 250 3000
INVERSIÓN
10980
TOTAL
13980
Fuente: ATU Artículos de Acero S.A.
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
Si analizamos los costos generados anualmente por el proceso de conteo de herrajes
podemos observar que se disminuiría en un 50 % los costos del mismo a partir de los 2
años 3 meses de implementar un sistema de conteo automático de herrajes.
A partir de los 2 años 3 meses la inversión de la máquina se verá cubierta en su totalidad, a
partir de este tiempo los gastos anuales que cubren este proceso disminuirán en un 50 %.
CAPÍTULO II
20
CAPÍTULO II
2. MARCO REFERENCIAL
El presente capítulo pretende dar a conocer las referencias tanto teóricas como conceptuales
utilizadas para el desarrollo de este prototipo.
2.1. MARCO TEÓRICO
A continuación se proporcionará información teórica que brinde el apoyo necesario para el
entendimiento del funcionamiento del prototipo.
INTRODUCCIÓN
Alrededor del mundo existen muchas empresas dedicadas a la automatización de procesos,
debido a los costos elevados que conlleva tener demasiado personan en industrias grandes,
por lo que muchas de las mismas se han visto obligadas a comprar estos sistemas a costos
elevados con tal de tener una mayor eficiencia, mayor productividad y bajar los costos de
fabricación de cada uno de sus productos.
Existen sistemas similares en el mercado internacional pero sus costos son demasiado
elevados, los principales proveedores de estos sistemas son empresas americanas, europeas
y asiáticas, por lo que importar los mismos resulta un costo adicional a los precios de los
mismos, ATU (LAMINATI) y sus principales accionistas han visto la necesidad que tiene
sobre un sistema de estos en su planta, para mejorar su eficiencia y para aumentar su
21
productividad, en nuestro país existe la capacidad de realizar sistemas parecidos por lo que
ATU ha tomado la decisión de apoyar estas iniciativas y dar el apoyo necesario para el
desarrollo de sistemas que sean de gran utilidad para su planta.
Para el desarrollo de las partes del diseño serán utilizadas las máquinas CNC con las que
cuenta la empresa las mismas que tienen herramientas CAD/CAM, estas tienen que ser
programadas para la elaboración de cualquier pieza.
2.2.DISEÑO Y LA FABRICACIÓN ASISTIDOS POR ORDENADOR (CAD/CAM)
Es una disciplina que estudia el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte
en todos los procesos involucrados en el diseño y la fabricación de cualquier tipo de
producto. Esta disciplina se ha convertido en un requisito indispensable para la industria
actual que se enfrenta a la necesidad de mejorar la calidad, disminuir los costes y acortar
los tiempos de diseño y producción. La única alternativa para conseguir este triple objetivo
es la de utilizar la potencia de las herramientas informáticas actuales e integrar todos los
procesos, para reducir los costes (de tiempo y dinero) en el desarrollo de los productos y en
su fabricación.
El uso cooperativo de herramientas de diseño y de fabricación ha dado lugar a la aparición
de una nueva tecnología denominada „Fabricación Integrada por Ordenador e incluso se
habla de la „Gestión Integrada por Ordenador‟ como el último escalón de automatización
22
hacia el que todas las empresas deben orientar sus esfuerzos. Esta tecnología consiste en la
gestión integral de todas las actividades y procesos desarrollados dentro de una empresa
mediante un sistema informático. Para llegar a este escalón sería necesario integrar, además
de los procesos de diseño y fabricación, los procesos administrativos y de gestión de la
empresa lo que rebasa el objetivo más modesto de esta asignatura que se centra en los
procesos de diseño y fabricación, básicos para la gestión integrada.
El termino CAD se puede definir como el uso de sistemas informáticos en la creación,
modificación, análisis u optimización de un producto. Dichos sistemas informáticos
constarían de un hardware y un software que se describe en el tema 2. El termino CAM se
puede definir como el uso de sistemas informáticos para la planificación, gestión y control
de las operaciones de una planta de fabricación mediante una interfaz directa o indirecta
entre el sistema informático y los recursos de producción. Así pues, las aplicaciones del
CAM se dividen en dos categorías:
Interfaz directa: Son aplicaciones en las que el ordenador se conecta directamente
con el proceso de producción para monitorizar su actividad y realizar tareas de
supervisión y control. Así pues estas aplicaciones se dividen en dos grupos:
Supervisión: implica un flujo de datos del proceso de producción al computador con
el propósito de observar el proceso y los recursos asociados y recoger datos.
23
Control: supone un paso más allá que la supervisión, ya que no solo se observa el
proceso, sino que se ejerce un control basándose en dichas observaciones.
Interfaz indirecta: Se trata de aplicaciones en las que el ordenador se utiliza como
herramienta de ayuda para la fabricación, pero en las que no existe una conexión
directa con el proceso de producción.
La parte del desarrollo del algoritmo de control será utilizado un PLC y un Touch Panel.
(VER ANEXO F y G) Los PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) o
Controlador de lógica programable, son dispositivos electrónicos muy usados en
Automatización Industrial.
2.3. RESEÑA HISTÓRICA DE LOS PLC’S
Los PLC fueron inventados en respuesta a las necesidades de la automatización de la
industria automotriz norteamericana por el ingeniero Estadounidense Dick Morley. Antes
de los PLC, el control, las secuenciación, y la lógica para la manufactura de automóviles
era realizada utilizando relés, contadores, y controladores dedicados. El proceso para
actualizar dichas instalaciones en la industria año tras año era muy costoso y consumía
mucho tiempo, y los sistemas basados en relés tenían que ser recableados por electricistas
especializados. En 1968 GM Hydramatic (la división de transmisiones automáticas de
General Motors) ofertó un concurso para una propuesta del reemplazo electrónico de los
sistemas cableados.
24
La propuesta ganadora vino de Bedford Associates de Boston, Masachusets. El primer
PLC, fue designado 084, debido a que fue el proyecto ochenta y cuatro de Bedford
Associates. Bedford Associates creó una nueva compañía dedicada al desarrollo,
manufactura, venta y servicio para este nuevo producto: Modicon (MOdular DIgital
CONtroller o Controlador Digital Modular). Una de las personas que trabajó en ese
proyecto fue Dick Morley, el que es considerado como "padre" del PLC. La marca
Modicon fue vendida en 1977 a Gould Electronics, y posteriormente adquirida por la
compañía Alemana AEG y más tarde por Schneider Electric, el actual dueño.
Uno de los primeros modelos 084 que se construyeron se encuentra mostrado en la sede de
Modicon en el Norte de Andover, Masachusets. Fue regalado a Modicon por GM, cuando
la unidad fue retirada tras casi veinte años de servicio ininterrumpido.
La industria automotriz es todavía una de las más grandes usuarias de PLC, y Modicon
todavía numera algunos de sus modelos de controladores con la terminación ochenta y
cuatro. Los PLC son utilizados en muchas diferentes industrias y máquinas tales como
máquinas de empaquetado y de semiconductores. Algunas marcas con alto prestigio son
ABB Ltd., Koyo, Honeywell, Siemens, Trend Controls, Schneider Electric, Omron,
Rockwell (Allen-Bradley), THINGET, General Electric, fraz max, Tesco Controls,
Panasonic (Matsushita), Mitsubishi e Isi Matrix machines. Tambien existe un rango de
PLCs fabricados para aplicaciones en automotores, embarcaciones, ambulancias y sistemas
moviles para el mercado internacional de SCM International,Inc..
25
2.3.1. PLC en comparación con otros sistemas de control
Los PLC están adaptados para un amplio rango de tareas de automatización. Estos son
típicos en procesos industriales en la manufactura donde el costo de desarrollo y
mantenimiento de un sistema de automatización es relativamente alto contra el coste de la
automatización, y donde van a existir cambios en el sistema durante toda su vida
operacional. Los PLC contienen todo lo necesario para manejar altas cargas de potencia; se
requiere poco diseño eléctrico y el problema de diseño se centra en expresar las operaciones
y secuencias en la lógica de escalera (o diagramas de funciones). Las aplicaciones de PLC
son normalmente hechos a la medida del sistema, por lo que el costo del PLC es bajo
comparado con el costo de la contratación del diseñador para un diseño específico que solo
se va a usar una sola vez. Por otro lado, en caso de productos de alta producción, los
sistemas de control a medida se amortizan por sí solos rápidamente debido al ahorro en los
componentes, lo que provoca que pueda ser una buena elección en vez de una solución
"genérica".
Sin embargo, debe ser notado que algunos PLC ya no tienen un precio alto. Los PLC
actuales tienen todas las capacidades por algunos cientos de dólares.
Diferentes técnicas son utilizadas para un alto volumen o una simple tarea de
automatización, Por ejemplo, una lavadora de uso doméstico puede ser controlada por un
temporizador a levas electromecánico costando algunos cuantos dólares en cantidades de
producción.
26
Un diseño basado en un microcontrolador puede ser apropiado donde cientos o miles de
unidades deben ser producidas y entonces el coste de desarrollo (diseño de fuentes de
alimentación y equipo de entradas y salidas) puede ser dividido en muchas ventas, donde el
usuario final no tiene necesidad de alterar el control. Aplicaciones automotrices son un
ejemplo, millones de unidades son vendidas cada año, y pocos usuarios finales alteran la
programación de estos controladores. (Sin embargo, algunos vehículos especiales como son
camiones de pasajeros para tránsito urbano utilizan PLC en vez de controladores de diseño
propio, debido a que los volúmenes son pequeños y el desarrollo no sería económico.)
Algunos procesos de control complejos, como los que son utilizados en la industria
química, pueden requerir algoritmos y características más allá de la capacidad de PLC de
alto nivel. Controladores de alta velocidad también requieren de soluciones a medida; por
ejemplo, controles para aviones.
Los PLC pueden incluir lógica para implementar bucles analógicos, “proporcional, integral
y derivadas” o un controlador PID. Un bucle PID podría ser usado para controlar la
temperatura de procesos de fabricación, por ejemplo. Históricamente, los PLC‟s fueron
configurados generalmente con solo unos pocos bucles de control analógico y en donde los
procesos requieren cientos o miles de bucles, un Sistema de Control Distribuido (DCS) se
encarga. Sin embargo, los PLC se han vuelto más poderosos, y las diferencias entre las
aplicaciones entre DCS y PLC han quedado menos claras.
Resumiendo, los campos de aplicación de un PLC o autómata programable en procesos
industriales son: cuando hay un espacio reducido, cuando los procesos de producción son
27
cambiantes periódicamente, cuando hay procesos secuenciales, cuando la maquinaria de
procesos es variable, cuando las instalaciones son de procesos complejos y amplios, cuando
el chequeo de programación se centraliza en partes del proceso. Sus aplicaciones generales
son las siguientes: maniobra de máquinas, maniobra de instalaciones y señalización y
control.
2.3.2. Señales Analógicas y digitales
Las señales digitales o discretas como los interruptores, son simplemente una señal de
On/Off (1 ó 0, Verdadero o Falso, respectivamente). Los botones e interruptores son
ejemplos de dispositivos que proporcionan una señal discreta. Las señales discretas son
enviadas usando la tensión o la intensidad, donde un rango especifico corresponderá al On
y otro rango al Off. Un PLC puede utilizar 24V de voltaje continuo en la E/S donde valores
superiores a 22V representan un On, y valores inferiores a 2V representan Off. Inicialmente
los PLC solo tenían E/S discretas.
Las señales analógicas son como controles de volúmenes, con un rango de valores entre 0 y
el tope de escala. Esto es normalmente interpretado con valores enteros por el PLC, con
varios rangos de precisión dependiendo del dispositivo o del número de bits disponibles
para almacenar los datos. Presión, temperatura, flujo, y peso son normalmente
representados por señales analógicas. Las señales analógicas pueden usar tensión o
intensidad con una magnitud proporcional al valor de la señal que procesamos. Por
ejemplo, una entrada de 4-20 mA o 0-10 V será convertida en enteros comprendidos entre
0-32767.
28
Las entradas de intensidad son menos sensibles al ruido eléctrico (como por ejemplo el
arranque de un motor eléctrico) que las entradas de tensión.
2.3.3. Programación
Los primeros PLC, en la primera mitad de los 80, eran programados usando sistemas de
programación propietarios o terminales de programación especializados, que a menudo
tenían teclas de funciones dedicadas que representaban los elementos lógicos de los
programas de PLC. Los programas eran guardados en cintas. Más recientemente, los
programas PLC son escritos en aplicaciones especiales en un ordenador, y luego son
descargados directamente mediante un cable o una red al PLC. Los PLC viejos usan una
memoria no volátil (magnetic core memory) pero ahora los programas son guardados en
una RAM con batería propia o en otros sistemas de memoria no volátil como las memoria
flash.
Los primeros PLC fueron diseñados para ser usados por electricistas que podían aprender a
programar los PLC en el trabajo. Estos PLC eran programados con “lógica de escalera”
("ladder logic"). Los PLC modernos pueden ser programados de muchas formas, desde la
lógica de escalera hasta lenguajes de programación tradicionales como el BASIC o C. Otro
método es usar la Lógica de Estados (State Logic), un lenguaje de programación de alto
nivel diseñado para programas PLC basándose en los diagramas de transición de estados.
Recientemente, el estándar internacional IEC 61131-3 se está volviendo muy popular. IEC
61131-3 define cinco lenguajes de programación para los sistemas de control programables:
29
FBD (Function block diagram), LD (Ladder diagram), ST (Structured text, similar al
Lenguaje de programación Pascal), IL (Instruction list) y SFC (Sequential function chart).
Mientras que los conceptos fundamentales de la programación del PLC son comunes a
todos los fabricantes, las diferencias en el direccionamiento E/S, la organización de la
memoria y el conjunto de instrucciones hace que los programas de los PLC nunca se
puedan usar entre diversos fabricantes. Incluso dentro de la misma línea de productos de un
solo fabricante, diversos modelos pueden no ser directamente compatibles.
La estructura básica de cualquier autómata programable es:
Fuente de alimentación: convierte la tensión de la red, 110 ó 220V ac a baja tensión de cc
(24V por ejemplo) que es la que se utiliza como tensión de trabajo en los circuitos
electrónicos que forma el autómata.
CPU: la Unidad Central de Procesos es el auténtico cerebro del sistema. Es el encargado de
recibir órdenes del operario a través de la consola de programación y el módulo de
entradas. Después las procesa para enviar respuestas al módulo de salidas.
Módulo de entradas: aquí se unen eléctricamente los captadores (interruptores, finales de
carrera...). La información que recibe la envía al CPU para ser procesada según la
programación. Hay 2 tipos de captadores conectables al módulo de entradas: los pasivos y
los activos.
30
Módulo de salida: es el encargado de activar y desactivar los actuadores (bobinas de
contactores, motores pequeños...). La información enviada por las entradas a la CPU,
cuando está procesada se envía al módulo de salidas para que estas sean activadas (también
los actuadores que están conectados a ellas). Hay 3 módulos de salidas según el proceso a
controlar por el autómata: relés, triac y transistores.
Terminal de programación: la terminal o consola de programación es el que permite
comunicar al operario con el sistema. Sus funciones son la transferencia y modificación de
programas, la verificación de la programación y la información del funcionamiento de los
procesos.
Periféricos: ellos no intervienen directamente en el funcionamiento del autómata pero si
que facilitan la labor del operario.
2.3.4. Comunicaciones
Las formas como los PLC intercambian datos con otros dispositivos son muy variadas.
Típicamente un PLC puede tener integrado puertos de comunicaciones seriales que pueden
cumplir con distintos estándares de acuerdo al fabricante. Estos puertos pueden ser de los
siguientes tipos:
RS-232
RS-485
RS-422
Ethernet
31
Sobre estos tipos de puertos de hardware las comunicaciones se establecen utilizando algún
tipo de protocolo o lenguaje de comunicaciones. En esencia un protocolo de
comunicaciones define la manera como los datos son empaquetados para su transmisión y
como son codificados. De estos protocolos los más conocidos son:
Modbus
Bus CAN
Profibus
Devicenet
Controlnet
Ethernet I/P
Muchos fabricantes además ofrecen distintas maneras de comunicar sus PLC con el mundo
exterior mediante esquemas de hardware y software protegidos por patentes y leyes de
derecho de autor.
2.3.5. Campos de aplicación2
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy
extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este
campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus
posibilidades reales.
2 http://www.grupo-maser.com/PAG_Cursos/Auto/auto2/auto2/PAGINA%20PRINCIPAL/PLC/plc.htm
32
Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un
proceso de maniobra, control, señalización, etc. , por tanto, su aplicación abarca desde
procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales,
control de instalaciones, etc.
Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de
almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración
de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que
se producen necesidades tales como:
Espacio reducido
Procesos de producción periódicamente cambiantes
Procesos secuenciales
Maquinaria de procesos variables
Instalaciones de procesos complejos y amplios
Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso
Ejemplos de aplicaciones generales:
Desarrollo de los algoritmos de control para máquinas nuevas
Maquinaria industrial de plástico
Máquinas transfer
33
Maquinaria de embalajes
Maniobra de instalaciones:
Instalación de aire acondicionado, calefacción...
Instalaciones de seguridad
Señalización y control:
Chequeo de programas
Señalización del estado de procesos
2.3.6. Ventajas e inconvenientes
No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es
debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las
innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones me obligan e
referirme a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.
Ventajas
Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:
No es necesario dibujar el esquema de contactos
No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la
capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente
grande.
34
La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el
presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar
con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega.
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.
Mínimo espacio de ocupación.
Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al
eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías.
Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.
Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el
tiempo cableado.
Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo
útil para otra máquina o sistema de producción.
Inconvenientes
Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un
programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy
en día ese inconveniente esta solucionado porque las universidades ya se encargan
de dicho adiestramiento.
El coste inicial también puede ser un inconveniente.
35
Para la Operación de la HMI se utilizará un TP (Touch Panel o Pantalla Táctil). Una
pantalla táctil (touchscreen en inglés) es una pantalla que mediante un contacto directo
sobre su superficie permite la entrada de datos y órdenes al dispositivo. A su vez, actúa
como periférico de salida, mostrando los resultados introducidos previamente. Este
contacto también se puede realizar con lápiz u otras herramientas similares. Actualmente
hay pantallas táctiles que pueden instalarse sobre una pantalla normal. Así pues, la pantalla
táctil puede actuar como periférico de entrada y periférico de salida de datos.
2.4. RESEÑA HISTÓRICA DE LA HMI (INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA)
Las pantallas táctiles se han ido haciendo populares desde la invención de la interfaz
electrónica táctil en 1971 por el Dr. Samuel C. Hurst. Han llegado a ser comunes en TPVs,
en cajeros automáticos y en PDAs donde se suele emplear un estilo para manipular la
interfaz gráfica de usuario y para introducir datos. La popularidad de los teléfonos
inteligentes, de las PDAs, de las video consolas portátiles o de los navegadores de
automóviles está generando la demanda y la aceptación de las pantallas táctiles.
El HP-150 fue, en 1983, uno de los primeros ordenadores comerciales del mundo que
disponía de pantalla táctil. En realidad no tenía una pantalla táctil en el sentido propiamente
dicho, sino una pantalla de tubo Sony de 9 pulgadas rodeada de transmisores y receptores
infrarrojos que detectaban la posición de cualquier objeto no-transparente sobre la pantalla.
Las pantallas táctiles de última generación consisten en un cristal transparente donde se
sitúa una lámina que permite al usuario interactuar directamente sobre esta superficie,
36
utilizando un proyector para lanzar la imagen sobre la pantalla de cristal. Se sale de lo que
hasta hoy día se entendía por pantalla táctil que era básicamente un monitor táctil.
Las pantallas táctiles son populares en la industria pesada y en otras situaciones, tales como
exposiciones de museos donde los teclados y los ratones no permiten una interacción
satisfactoria, intuitiva, rápida, o exacta del usuario con el contenido de la exposición. (VER
ANEXO G)
La parte del desarrollo para el conteo de los herrajes será utilizando un sensor fotoeléctrico
(inflarojo) bipolar, el mismo que posee un emisor y receptor de alta respuesta.
2.5.SENSOR FOTOELÉCTRICO
Es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos
sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor
que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en
este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección,
clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de
superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.
Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida
representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un
transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir
electrónica para condicionamiento de la señal, compensación para sensibilidades cruzadas
como la temperatura y formateo de la señal de salida.
37
El sensor de luz más común es el LDR -Light Dependant Resistor o Resistor dependiente
de la luz-.Un LDR es básicamente un resistor que cambia su resistencia cuando cambia la
intensidad de la luz.
2.5.1. Fuentes de luz
Hoy en día la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs como fuentes de luz. Un
LED es un semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, pero con la característica de
que emite luz cuando una corriente circula por él en forma directa.
Los LEDs pueden ser construidos para que emitan en verde, azul, amarillo, rojo, infrarrojo,
etc. Los colores más comúnmente usados en aplicaciones de sensado son rojo e infrarrojo,
pero en aplicaciones donde se necesite detectar contraste, la elección del color de emisión
es fundamental, siendo el color más utilizado el verde.
Los fototransistores son los componentes más ampliamente usados como receptores de luz,
debido a que ofrecen la mejor relación entre la sensibilidad a la luz y la velocidad de
respuesta, comparado con los componentes fotorresistivos, además responden bien ante luz
visible e infrarroja.
Las fotocélulas son usadas cuando no es necesaria una gran sensibilidad, y se utiliza una
fuente de luz visible. Por otra parte los fotodiodos donde se requiere una extrema velocidad
de respuesta.
38
2.5.2. Fuentes de luz habituales
TABLA 10: FUENTES DE LUZ HABITUAL
COLOR RANGO CARACTERÍSTICAS
INFRA/ROJO 890-950 nm
No visible, son relativamente inmunes a la luz
ambiente artificial. Generalmente se utilizan para
detección en distancias largas y ambientes con
presencia de polvo.
ROJO 660-700 nm
Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser
afectado por luz ambiente intensa, y es de uso
general en aplicaciones industriales.
VERDE 560-565 nm
Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser
afectado por luz ambiente intensa, generalmente se
utiliza esta fuente de luz para detección de marcas.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_fotoel%C3%A9ctrico
Autor: wikipedia
39
2.5.3. Modulación de la fuente de la luz
Con la excepción de los infrarrojos, los LEDs producen menos luz que las fuentes
incandescentes y fluorescentes que comúnmente iluminan el ambiente. La modulación de la
fuente de luz provee el poder de sensado necesario para detectar confiablemente con esos
bajos niveles de luz. Muchos de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs emisores de luz
modulada y receptores fototransistores.
Los LEDs, pueden estar “encendidos” y “apagados” (o modulados) con una frecuencia que
normalmente ronda un kilohercio. Esta modulación del LEDs emisor hace que el
amplificador del fototransistor receptor pueda ser “conmutado” a la frecuencia de la
modulación, y que amplifique solamente la luz que se encuentre modulada como la que
envía el emisor.
La operación de los sensores que no poseen luz modulada está limitada a zonas donde el
receptor no reciba luz ambiente y sólo reciba la luz del emisor. Un receptor modulado
ignora la presencia de luz ambiente y responde únicamente a la fuente de luz modulada.
Los LEDs infrarrojos son los más efectivos y son, además, los que tiene el espectro que
mejor trabajan con los fototransistores; es por tal motivo que son usados en muchas
aplicaciones. Sin embargo, los sensores fotoeléctricos son también utilizados, para detectar
contraste (detección de marcas) o color, y para esto se requiere que la luz sea visible. (VER
ANEXO D)
2.6.TEORÍA Y APLICACIONES DE MECANISMOS AUTOMÁTICOS
40
2.6.1. MECANISMOS
Si observamos a nuestro alrededor, observaremos que estamos rodeados de objetos que se
mueven o tienen capacidad de movimiento.
Los elementos de la transmisión por cadena de la bicicleta, los engranajes de un reloj, una
polea para elevar un peso son algunos de los mecanismos más sencillos que se encuentran
formando parte de muchos objetos.
Los mecanismos son elementos destinados a transmitir y transformar fuerzas y
movimientos desde un elemento motriz (motor) a un elemento receptor. Permiten al ser
humano realizar determinados trabajos con mayor comodidad y menor esfuerzo.
Según su función, los mecanismos se pueden clasificar en mecanismos de transmisión del
movimiento y en mecanismos de transformación del movimiento.
2.6.2. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO
Transmiten el movimiento, la fuerza y la potencia producidos por un elemento motriz
(motor) a otro punto.
2.6.2.1.TRANSMISIÓN LINEAL
41
Polea.- Es una rueda ranurada que gira alrededor de un eje, estando éste sujeto a una
superficie fija. Por la ranura de la polea se hace pasar una cuerda, cadena o correa, que
permite vencer una resistencia R, aplicando una fuerza F.
Polea fija.- Se encuentra en equilibrio cuando la fuerza F es igual a la resistencia R,
que representa a la carga; es decir, cuando F=R.
Sirve para cambiar la dirección del esfuerzo y nos permite subir o bajar cargas con
facilidad, aunque el esfuerzo aplicado es igual que el peso del objeto que se levanta.
Polea móvil.- Es un conjunto de dos poleas, una fija, y otra que puede desplazarse
linealmente. Se encuentra en equilibrio cuando F=R/2, es decir, el esfuerzo que
necesitamos es la mitad que el peso a levantar. A cambio, si tiramos de un metro de
cuerda, la carga sólo se levanta medio metro.
FIGURA 1: POLEAS
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Polipasto. Es un tipo especial de montaje constituido por dos grupos de poleas: fijas y
móviles.
42
A medida que aumenta el número de poleas, el mecanismo se hace más complejo, pero el
esfuerzo necesario para vencer la resistencia disminuye. Con el polipasto, es posible
levantar cargas muy elevadas.
FIGURA 2: POLIPASTO
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Palanca.- es una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo o articulación, también
llamada fulcro. En un punto de la barra se aplica una fuerza F con el fin de vencer una
resistencia R, que actúa en otro punto de la misma.
La palanca se encuentra en equilibrio cuando el producto de la fuerza F por su distancia al
fulcro, d es igual al producto de la resistencia R por su distancia al fulcro, r. Esta es la
denominada ley de la palanca, que matemáticamente se expresa así:
ECUACIÓN 1: LEY DE LA PALANCA
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Hay tres tipos de palanca: de primer, segundo y tercer grado:
43
FIGURA 3: TIPOS DE PALANCAS
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2.6.2.2.TRANSMISIÓN CIRCULAR
Ruedas o poleas.- Son sistemas de dos o más ruedas que se encuentran en contacto bien
directamente o a través de correas.
Las ruedas de fricción son que se encuentran en contacto directo. Una de la ruedas se
llama motriz o de entrada y al girar provoca el movimiento de la rueda conducida o de
salida, en sentido contrario.
FIGURA 4: RUEDAS DE FRICCIÓN
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44
Los sistemas de poleas con correas son conjuntos de poleas o ruedas situadas a cierta
distancia, que giran simultáneamente por efecto de una correa.
FIGURA 5: SISTEMAS DE POLEAS CON CORREAS
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Si tenemos una rueda motriz con un diámetro D1 que gira a una velocidad N1 y una rueda
conducida con un diámetro D2 que gira a una velocidad N2, se cumple que:
ECUACIÓN 2: RELACIÓN DE TRANSMISIÓN DE POLEAS
D1·N1 = D2·N2
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o lo que es lo mismo: i = D1/D2 = N2/N1 (relación de transmisión)
En la igualdad anterior, los diámetros se expresan en unidades de longitud (normalmente
milímetros) y las velocidades en revoluciones por minuto (r.p.m.)
Si la rueda motriz es más pequeña que la conducida, la segunda rueda gira más despacio
que la primera. Se dice entonces que el mecanismo es reductor.
Si la rueda motriz es más grande que la conducida, la segunda rueda gira más rápido que la
primera. Se dice entonces que el mecanismo es multiplicador.
45
Engranajes.- son juegos de ruedas que poseen salientes denominados dientes, que encajan
entre sí, de modo que unas ruedas arrastran a las otras. Todos los dientes han de tener la
misma forma y tamaño.
FIGURA 6: ENGRANAJES
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Autor: DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA I.E.S. VICTORIA KENT (ELCHE)
El movimiento del eje motriz se transmite al eje conducido a través de los engranajes.
En este caso, la relación de transmisión “i”, depende del número de dientes de cada rueda,
al que denominamos con la letra “Z”. Así, se cumple siempre que:
ECUACIÓN 3: RELACIÓN DE TRANSMISIÓN DE ENGRANES
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Transmisión por cadena.- es una “mezcla” de la transmisión por correa y los engranajes.
Permite transmitir movimiento entre ejes que están separados entre sí. Evita los
resbalamientos de las correas, por lo que permite transmitir más potencia.
46
FIGURA 7: TRANSMISIÓN POR CADENA
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Tornillo sinfín – corona.- es un mecanismo que sirve para transmitir un movimiento
circular entre dos ejes que se cruzan perpendicularmente.
Un tornillo gira engarzado a un engranaje (corona o piñón) de forma que se produce una
gran reducción de velocidad.
Es un mecanismo no reversible, ya que si gira el tornillo, también lo hace el engranaje, pero
si intentamos hacer girar esta último, el mecanismo permanece bloqueado.
FIGURA 8: TORNILLO SINFÍN-CORONA
Fuente: http://tecnokent.files.wordpress.com/2008/01/apuntes-de-mecanismos.pdf
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47
En el sinfín-corona de la figura, la relación de transmisión es igual al número de dientes de
la corona, ya que para que ésta dé una vuelta, el sinfín tiene que dar tantas como dientes
tenga.
Ejemplo: si la corona tiene 16 dientes, el sinfín deberá dar 16 vueltas para que la corona dé
una.
2.6.3. MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DEL MOVIMIENTO
Son aquellos mecanismos que transforman un movimiento circular en rectilíneo, o
viceversa.
Conjunto manivela-torno.- una manivela es una barra que está unida a un eje al que hace
girar. La fuerza necesaria para que el eje gire es menor que la que habría que aplicarle
directamente.
El mecanismo que se basa en este dispositivo es el torno, que consta de un tambor que gira
alrededor de su eje a fin de arrastrar un objeto. Con él, transformamos un movimiento
circular en rectilíneo.
48
FIGURA 9: CONJUNTO MANIVELA TORNO
Fuente: http://tecnokent.files.wordpress.com/2008/01/apuntes-de-mecanismos.pdf
Autor: DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA I.E.S. VICTORIA KENT (ELCHE)
Un torno está en equilibrio cuando se cumple la igualdad que puedes ver en el dibujo. De
esta forma, cuanto más larga sea la manivela y menor el diámetro del tambor, mayor será la
fuerza que podremos vencer.
Piñón – cremallera.- Se trata de un mecanismo en el que hay una rueda dentada engarzada
a una cremallera, es decir una barra recta dentada, Cuando la rueda dentada gira, la
cremallera se desplaza con un movimiento rectilíneo.
Este mecanismo es reversible, es decir, que si se desplaza la cremallera, hacemos girar el
piñón, con lo que estamos transformando un movimiento rectilíneo en circular.
Se utiliza en direcciones de automóviles, sacacorchos, puertas de corredera, taladradoras,
etc.
49
FIGURA 10: PIÑÓN - CREMALLERA
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Biela-manivela.- está formado por una manivela y una barra denominada biela. Ésta se
encuentra articulada por un extremo con dicha manivela y, por el otro, con un elemento que
describe un movimiento alternativo. Al girar la rueda, la manivela transmite un movimiento
circular a la biela que experimenta un movimiento de vaivén.
Este sistema también funciona a la inversa, es decir, transforma un movimiento rectilíneo
alternativo de vaivén en un movimiento de rotación.
Su importancia fue decisiva en el desarrollo de la locomotora de vapor, y en la actualidad
se utiliza en motores de combustión interna, limpiaparabrisas, máquinas herramientas, etc.
50
FIGURA 11: BIELA - MANIVELA
Fuente: http://tecnokent.files.wordpress.com/2008/01/apuntes-de-mecanismos.pdf
Autor: DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA I.E.S. VICTORIA KENT (ELCHE)
2.6.4. OTROS MECANISMOS
Trinquete.- Es un dispositivo de seguridad que permite el giro en un sentido y lo impide en
el contrario.
Se utiliza en relojería, como elemento tensor de cables de seguridad en máquinas
elevadoras, frenos, etc.
FIGURA 12: TRINQUETE
Fuente: http://tecnokent.files.wordpress.com/2008/01/apuntes-de-mecanismos.pdf
Autor: DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA I.E.S. VICTORIA KENT (ELCHE)
51
2.7.MECANISMOS AUTOMÁTICOS
Automatización Industrial (automatización; del griego antiguo auto: guiado por uno mismo)
es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o procesos
industriales sustituyendo a operadores humanos.
El alcance va más allá que la simple mecanización de los procesos ya que ésta provee a
operadores humanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo, la
automatización reduce ampliamente la necesidad sensorial y mental del humano. La
automatización como una disciplina de la ingeniería es más amplia que un mero sistema de
control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores y transmisores de
campo, los sistemas de control y supervisión, los sistema de transmisión y recolección de
datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las
operaciones de plantas o procesos industriales.
Las primeras máquinas simples sustituían una forma de esfuerzo en otra forma que fueran
manejadas por el ser humano, tal como levantar un peso pesado con sistema de poleas o
con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir formas naturales
de energía renovable, tales como el viento, mareas, o un flujo de agua por energía humana.
Los botes a vela sustituyeron a los botes de remos. Todavía después, algunas formas de
automatización fueron controlados por mecanismos de relojería o dispositivos similares
utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales -algún resorte, un flujo canalizado
de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas, tal como figuras en
52
movimiento, creación de música, o juegos. Dichos dispositivos caracterizaban a figuras
humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde 300 AC.
En 1801, la patente de un telar automático utilizando tarjetas perforadas fue dada a Joseph
Marie Jacquard, quien revolucionó la industria del textil.
2.7.1. APLICACIONES DE MECANISMOS AUTOMÁTICOS
Siendo su principal aplicación las industrias, en las que estos sistemas mecatrónicos buscan
satisfacer las necesidades de las mismas, de manera que se reduzcan tiempos de elaboración
de sus productos y generen una mayor productividad en sus líneas de producción.
Entre las aplicaciones con mayores logros de mecanismos automatizados está la robótica,
sistemas de transporte, sistemas de manufactura, máquinas de control numérico.
2.7.2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MECANISMOS AUTOMÁTICOS
VENTAJAS:
Reducción en la contratación del personal.
Son diseñados para funcionar las 24 horas del día.
Control de calidad más estrecho.
Mayor eficiencia.
Integración con sistemas empresariales.
53
Incremento de productividad y reducción de trabajo.
DESVENTAJAS:
Altos costos, son requerimientos de un gran capital.
No son capaces de adaptarse a cambios drásticos en la producción.
Un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación.
No son capaces de hacer diferentes tareas a más de las que fueron programados.
Por ejemplo, Japón ha tenido necesidad de retirar muchos de sus robots industriales cuando
encontraron que eran incapaces de adaptarse a los cambios dramáticos de los
requerimientos de producción y no eran capaces de justificar sus altos costos iniciales.
54
2.8.TEORÍA DE DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS
2.8.1. LA NATURALEZA DEL DISEÑO MECÁNICO
El diseño de elementos de máquinas es parte integral del más extenso y general campo del
diseño mecánico. Los diseñadores y los ingenieros de diseño crean aparatos o sistemas que
satisfagan necesidades específicas. En el caso típico, los aparatos mecánicos comprenden
piezas móviles que transmiten potencia y ejecutan pautas específicas de movimiento. Los
sistemas mecánicos están formados por varios aparatos mecánicos.
Por lo anterior, para diseñar componentes y aparatos mecánicos, el lector debe ser
competente en el diseño de los elementos individuales que componen el sistema. Pero
también debe poder integrar varios componentes y equipos en un sistema coordinado y que
satisfaga las necesidades de su cliente. De esta lógica viene el nombre de este libro, Diseño
de elementos de máquinas.
Imagine los numerosos campos en los que se puede usar el diseño mecánico. Platique sobre
ellos con su profesor y con sus compañeros de estudios. Intercambie opiniones con
personas que trabajen con diseños mecánicos en las industrias cercanas. Si es posible,
intente visitar sus empresas o reúnase con diseñadores e ingenieros de diseño en eventos de
sociedades profesionales. Considere los siguientes campos donde se diseñan y fabrican los
productos mecánicos.
Productos al consumidor: Electrodomésticos (ábrelas, procesadores de alimentos,
licuadoras, tostadores, aspiradoras, lavadoras de ropa), podadoras de pasto, sierras
55
de cadena, herramientas motorizadas, abrepuertas de cochera, sistemas de
acondicionamiento de aire y muchos otros más.
Sistemas de manufactura: Aparatos de manejo de materiales, transportadoras,
grúas, aparatos de transferencia, robots industriales, máquinas-herramientas,
sistemas automáticos de ensamblado, sistemas de procesamiento especiales, carros
estibadores y equipo de empaque.
Equipo para la construcción: Tractores con cargador frontal o con escariador,
grúas móviles, volteadoras de tierra, camiones de volteo, asfaltadoras, mezcladoras
de concreto, martillos motorizados, compresoras y muchos más.
Equipo agrícola: Tractores, cosechadoras (de maíz, trigo, tomates, algodón, frutas
y muchos otros cultivos), rastrillos, empacadoras, arados, arados de disco,
cultivadoras y transportadores.
Equipo de transporte: a) Automóviles, camiones y autobuses, ensamblados con
cientos de aparatos mecánicos, como componentes de suspensión (resortes,
amortiguadores y postes); cerraduras de puertas y ventanas, limpiadores de
parabrisas, sistemas de dirección, seguros y bisagras de cofre y cajuela; sistemas de
embrague y de frenos; transmisiones; ejes de impulsión; ajustadores de asiento y
muchos otros componentes de los sistemas de motor. b) Aviones, que tienen tren de
aterrizaje retráctil, accionamientos de alerones y timón, dispositivos de manejo de
carga, mecanismos de reclinación de asientos, docenas de broches, componentes
estructurales y cerraduras de puertas.
56
Barcos: Montacargas para izar el ancla, grúas para carga, antenas giratorias de
radar, tren del timón de dirección, engranes y ejes del tren de impulsión, y los
números sensores y controles para operar los sistemas a bordo.
Sistemas espaciales: Sistemas satelitales, el transbordador espacial, la estación
espacial y sistemas de lanzamiento; todos ellos contienen numerosos sistemas
mecánicos, como aparatos para desplegar antenas, trabas, sistemas de atraque,
brazos robóticos, dispositivos de control de vibración, dispositivos para asegurar la
carga, posicionadores para instrumentos, actuadores para los impulsores y sistemas
de propulsión.
2.8.2. EL PROCESO DEL DISEÑO MECÁNICO
El objetivo final de un diseño mecánico es obtener un producto útil que satisfaga las
necesidades de un cliente, y además sea seguro, eficiente, confiable, económico y de
manufactura práctica. Piense al contestar: ¿Quién es el cliente del producto o sistema que
diseñaré? Considere los siguientes escenarios:
El lector diseña un abrelatas para el mercado doméstico. El cliente final es la
persona que comprará el abrelatas y lo usará en la cocina de su hogar. Entre los
demás clientes podrán estar el diseñador del empaque del abridor, el equipo de
fabricación que debe producirlo en forma económica y el personal de servicio que
preparará la unidad.
El lector diseña una pieza de maquinaria de producción, para una planta
manufacturera. Entre los clientes están el ingeniero de manufactura, responsable
57
de la operación de producción; el operador de la máquina, el personal que la va a
instalar y el personal de mantenimiento que debe darle servicio para mantenerla en
buenas condiciones.
El lector diseña un sistema mecanizado para abrir una puerta grande en un
avión de pasajeros. Entre los clientes están la persona que debe operar la puerta en
servicio normal o en emergencias, las personas que deben pasar por la puerta
cuando se use, el personal que fabricará la cerradura, los instaladores, los
diseñadores que deben incluir las cargas que produce la cerradura durante el vuelo y
durante su funcionamiento, los técnicos de servicio que darán mantenimiento al
sistema y los diseñadores de interiores, que deben proteger la chapa cuando se use y
al mismo tiempo permitir el acceso para su instalación y mantenimiento.
Es esencial que el lector conozca los deseos y expectativas de todos los clientes, antes de
comenzar el diseño del producto. Los profesionales de ventas se ocupan, con frecuencia, en
conocer la definición de las expectativas del cliente; Pero es probable que los diseñadores
trabajen junto con ellos como parte de un equipo de desarrollo del producto.
Para determinar qué desea un cliente, existen muchos métodos. Con frecuencia se aplica
uno conocido como despliegue de la función calidad (QFD, por quality function
deployment) y busca 1) identificar todas las propiedades y los factores de funcionamiento
que desean los clientes, y 2) evaluar la importancia relativa de esos factores. El resultado
del proceso QFD es un conjunto detallado de funciones y requisitos de diseño para el
producto (vea la referencia 8)
58
También es importante considerar cómo se ajusta el proceso de diseño a todas las funciones
que deben cumplirse para que se entregue un producto satisfactorio para el cliente, y para
dar servicio al producto después de haber llegado a su vida útil. El total de esas funciones
que afectan al producto se llama proceso de realización del producto o PRP (vea las
referencias 3,10). Algunos de los factores comprendidos en el PRP son:
Funciones de mercadotecnia para evaluar los requerimientos del cliente.
Investigación para determinar la tecnología disponible que puede usarse en forma
razonable en el producto.
Disponibilidad de materiales y componentes que pueden incorporarse al producto.
Diseño y desarrollo del producto.
Prueba de funcionamiento.
Documentación del diseño.
Relaciones de vendedores y funciones de compradores.
Consideración de suministro global de materiales y de ventas globales.
Conocimientos de la fuerza de trabajo.
Planta e instalaciones físicas disponibles.
Capacidad de los sistemas de manufactura.
Sistemas de planeación de la producción y control de la producción.
Sistemas de apoyo a la producción y personal.
Requisitos de los sistemas de calidad.
Operación y mantenimiento de la planta física.
59
Sistemas de distribución para que los productos lleguen al cliente.
Operaciones y programas de ventas.
Objetivos de costo y demás asuntos de competencia.
Requisitos del servicio al cliente.
Problemas ambientales durante la fabricación, funcionamiento y disposición del
producto.
Requisitos legales.
Disponibilidad de capital financiero.
2.8.3. CONOCIMIENTOS NECESARIOS EN EL DISEÑO MECÁNICO
Los ingenieros de producto y los diseñadores mecánicos usan una amplia variedad de
capacidades y conocimientos en sus tareas diarias, inclusive las siguientes:
1. Trazado, dibujo técnico y diseño asistido por computadora.
2. Propiedades de los materiales, procesamiento de materiales y procesos de
manufactura.
3. Aplicaciones de la química, como protección contra la corrosión, galvanoplastia y
pintura.
4. Estática, dinámica, resistencia de materiales, cinemática y mecanismos.
5. Comunicación oral, atención, redacción técnica y trabajo en equipo.
6. Mecánica de fluidos, termodinámica y transferencia de calor.
60
7. Maquinas hidráulicas, los fundamentos de los fenómenos eléctricos y controles
industriales.
8. Diseño de experimentos y pruebas de funcionamiento de materiales y sistemas
mecánicos.
9. Creatividad, solución de problemas y gerencia de proyectos.
10. Análisis de esfuerzos.
11. Conocimientos especializados del comportamiento de elementos de máquinas,
como engranes, transmisiones de bandas, transmisiones de cadenas, ejes, cojinetes,
cuñas, acanaladuras, acoplamientos, sellos, resortes, uniones (atornilladas,
remachadas, soldadas, adhesivas), motores eléctricos, dispositivos de movimiento
lineal, embragues y frenos.
Se espera que el lector haya adquirido un alto nivel de competencia en los puntos 1 a 5 de
esta lista, antes de comenzar a estudiar este libro. Las competencias en los puntos 6 a 8
suelen adquirirse en otros cursos, ya sea antes, al mismo tiempo o después de estudiar el
diseño de elementos de máquinas. El punto 9 representa destrezas que se desarrollan en
forma continua durante los estudios académicos y a través de la experiencia. El estudio de
este libro le ayudará a adquirir conocimientos y destrezas importantes para los temas de los
puntos 10 y 11.
61
2.8.4. FUNCIONES, REQUISITOS DE DISEÑO Y CRITERIOS DE
EVALUACIÓN
Las funciones indican lo que debe hacer el dispositivo, mediante afirmaciones
generales no cuantitativas, donde se usen frases de acción tales como soportar una
carga, subir una caja, transmitir potencia a mantener unidos dos miembros
estructurales.
Los parámetros de diseño son declaraciones detalladas, en general cuantitativas,
de los valores esperados de funcionamiento, condiciones ambientales en las que
debe trabajar el dispositivo, las limitaciones de espacio o peso o materiales y
componentes disponibles que pueden usarse.
Los criterios de evaluación son declaraciones de características cualitativas
deseables en un diseño, que ayudan a que el diseñador decida qué opción de diseño
es la óptima; esto es, el diseño que maximice las ventajas y minimice las
desventajas.
62
FIGURA 13: Pasos en el Proceso de Diseño
Identificar los requisitos del cliente
Definir las funciones del dispositivo
Identificar los requisitos de diseño
Definir los criterios de evaluación
Proponer varios conceptos de diseño
alternativos
Evaluar cada alternativa propuesta
Validar cada alternativa de acuerdo
con cada criterio de evaluación
Seleccionar el concepto de diseño óptimo
Completar el diseño detallado del
concepto seleccionado
Definir especificaciones
_________
_________
___________________________
Crear los conceptos de
diseño
Toma de decisiones
Diseño detallado
Fuente: “Diseño de elementos y máquinas”, Edición IV, 2006, México, Capítulo I.
Autor: Robert Moot
Juntos, estos elementos pueden llamarse especificaciones para el diseño.
63
La mayor parte de los diseños pasan por un ciclo de actividades, tal como se muestra en la
figura 13. En el caso típico, el lector debe proponer más de un concepto de diseño posible
como alternativa. Es ahí donde se plantea la creatividad para producir diseños
verdaderamente novedosos. Cada concepto debe satisfacer las funciones y los requisitos del
diseño. Debe hacerse una evaluación crítica completa de las propiedades deseables, las
ventajas y las desventajas de cada concepto de diseño, para deducir qué concepto de diseño
es el óptimo y, en consecuencia, viable para producir.
2.9. ELECTROIMANES
Recibe el nombre de electroimán el conjunto formado por una bobina y un núcleo de hierro
colocado en el interior de la misma. El núcleo de hierro se imanta por influencia del campo
magnético creado por la bobina durante todo el tiempo que dure el paso de la corriente por
sus espiras, resultando un campo más intenso que el producido por la bobina.
2.9.1. RESEÑA HISTÓRICA
En 1819, el físico danés Hans Christian Ørsted descubrió que una corriente eléctrica que
circula por un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda
de una brújula. Basado en sus observaciones, el electricista británico William Sturgeon
inventó el electroimán en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de
herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Sturgeon demostró su potencia
levantando 4 kg con un trozo de hierro de 200 g envuelto en cables por los que hizo circular
la corriente de una batería. Sturgeon podía regular su electroimán, lo que supuso el
64
principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los
cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.
2.9.2. INTRODUCCIÓN
El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado. Una bobina con forma
de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de
forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos
magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o
ferromagnético (normalmente hierro dulce o ferrita) dentro de la bobina. El núcleo
concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la
propia bobina.
Los campos magnéticos generados por bobinas se orientan según la regla de la mano
derecha. Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección de la corriente
que circula por la bobina, el pulgar indica la dirección del campo dentro de la misma. El
lado del imán del que salen las líneas de campo se define como «polo norte».
Además, dentro de la bobina se crean corrientes inducidas cuando ésta está sometida a un
flujo variable. Estas corrientes son llamadas corrientes de Foucault y en general son
indeseables, puesto que calientan el núcleo y provocan una pérdida de potencia en forma de
calor.
65
2.9.3. ELECTROIMÁN E IMÁN PERMANENTE
La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo
magnético puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad
de corriente eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica
para mantener el campo.
Cuando una corriente pasa por la bobina, pequeñas regiones magnéticas dentro del material,
llamados dominios magnéticos, se alinean con el campo aplicado, haciendo que la fuerza
del campo magnético aumente. Si la corriente se incrementa, todos los dominios terminarán
alineándose, condición que se denomina saturación. Cuando el núcleo se satura, un mayor
aumento de la corriente sólo provocará un incremento relativamente pequeño del campo
magnético. En algunos materiales, algunos dominios pueden realinearse por sí mismos. En
este caso, parte del campo magnético original persistirá incluso después de que se retire la
corriente, haciendo que el núcleo se comporte como un imán permanente. Este fenómeno,
llamado remanencia, se debe a la histéresis del material. Aplicar una corriente alterna
decreciente a la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por encima de su punto de
Curie reorientará los dominios, haciendo que el campo residual se debilite o desaparezca.
En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes
permanentes suelen ser superiores. Además, es posible fabricar imanes permanentes que
producen campos magnéticos más fuertes que un electroimán de tamaño similar.
66
2.9.4. DISPOSITIVOS QUE USAN ELECTROIMANES
Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita un campo
magnético variable rápida o fácilmente. Muchas de estas aplicaciones implican la
deflección de haces de partículas cargadas, como en los casos del tubo de rayos catódicos y
el espectrómetro de masa.
Los electroimanes son los componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados
en los frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los
frenos electromagnéticos se adhieren directamente a los rieles. Se usan electroimanes muy
potentes en grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, y para separar
magnéticamente metales en chatarrerías y centros de reciclaje. Los trenes de levitación
magnética usan poderosos electroimanes para flotar sin tocar la pista. Algunos trenes usan
fuerzas atractivas, mientras otros emplean fuerzas repulsivas.
Los electroimanes se usan en los motores eléctricos rotatorios para producir un campo
magnético rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante
que impulse la armadura. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre
es usado más a menudo debido a su relativo bajo costo, y a veces se emplea aluminio para
reducir el peso.
2.10. MATERIALES PARA EL DISEÑO DISPONIBLES EN EL ECUADOR
67
2.10.1. ACERO
Los aceros son aleaciones de hierro-carbono forjables, con porcentajes de carbono variables
entre 0,008 y 2,14%. Se distinguen de las fundiciones, también aleaciones de hierro y
carbono, en que la proporción de carbono puede variar entre 2,14% y 6,70%. Sin embargo
la mayoría de las aleaciones comerciales no superan el 4,5% de carbono.
FIGURA 14: ACERO
Fuente:http://www.novacero.com/ws/novacero/novacero.nsf/paginaprinc/32A42E1EF26EF0D10525714E00
81D3B7?OpenDocument
Autor: Novacero
La diferencia fundamental entre ambos materiales es que los aceros son, por su ductilidad,
fácilmente deformables en caliente utilizando forjado, laminación o extrusión, mientras que
las fundiciones son frágiles y se fabrican generalmente por moldeo. Además de los
componentes principales indicados, los aceros incorporan otros elementos químicos.
Algunos son perjudiciales (Impurezas) y provienen de la chatarra, el mineral o el
combustible empleado en el proceso de fabricación; es el caso del azufre y el fósforo. Otros
se añaden intencionalmente para la mejora de alguna de las características del acero
(Aleantes); pueden utilizarse para incrementar la resistencia, la ductilidad, la dureza,
68
etcétera, o para facilitar algún proceso de fabricación como puede ser el mecanizado.
Elementos habituales para estos fines son el níquel, el cromo, el molibdeno y otros. La
densidad promedio del acero es 7850 kg/m3.
TIPOS DE ACERO POR EL % DE CARBÓN:
Aceros bajo carbón: Tienen un porcentaje menor al 0.25 % de C, estos elementos
son de utilidad en la fabricación de muchas piezas de conformado con prensas como
la chapa metálica carrocerías de vehículos, etc, es evidente que su uso al ser tan
amplio puede abarcar componentes de todas las maquinas y/o equipos utilizados por
el hombre, en ocasiones se lo alía con elementos para mejorar sus propiedades de
resistencia generándose los denominado aceros alta resistencia y baja aleación, otra
característica común de estos elementos es su ductilidad o maleabilidad.
Aceros medio carbón: El porcentaje de carbón de estos elementos está entre el 0.25
% y 0.6 % C de preferencia son usado en elementos que se requiere resistencia
mecánica, como ruedas guías y mandos finales de equipo caminero
Aceros alto en carbono: El porcentaje llega hasta 1,4% desde los 0.6 % C son aceros
muy resistentes se los alía con elementos como manganeso, cromo suelen equipar
los punzones corte y cizallado, y en general son utilizados como herramientas.
Aceros Inoxidables: Son aquello que están aleados con cromo, para evitar la normal
tendencia del hierro de formar óxidos por esta razón suelen ser costosos en el
mercado nacional se encuentra en dos calidades el Acero 306 y Aceros 304, siendo
69
la diferencia la calidad de aleación y su aplicabilidad específica para alimentos del
primero.
Fundiciones: conocidas como hierro se la puede encontrar en varias clasificaciones como
gris, blanca, nodular y maleables tiene contenidos de carbón que superan el 2% y llegan
hasta el 4%, su aplicación se da en los bloques de motores y es usual verla en las tapas y
rejillas de alcantarillado.
Aceros mecanizables.- Tienen su utilidad en la fabricación de maquinaria de
precisión gracias a las muy buenas tolerancias dimensionales que se obtiene con la
ayuda de máquinas herramientas, esto se logra con ayuda de S, Bi y PB.
Aceros para estampado en frio.- útil en fabricación de herrajes y elementos de gran
producción.
Aceros para resorte.- Son resistentes a la fatiga y con un límite de elasticidad
elevado
Aceros Ultraresitentes de baja aleación.- tiene una cantidad significativamente
menor de elementos de aleación pero su resistencia es muy superior a los aceros no
aliados esto se logra mediante la optimización de los procesos de fabricación.
70
2.10.2. ALUMINIO
El aluminio se emplea con frecuencia en aplicaciones estructurales y mecánicas. Sus
propiedades atractivas son el bajo peso, buena resistencia a la corrosión, facilidad relativa
de formado y maquinado y apariencia agradables. Su densidad es, aproximadamente, la
tercera parte de la del acero. Sin embargo, su resistencia también es menor.
FIGURA 15: ALUMINIO
Fuente: http://www.aluminiosfisa.com/
Autor: FISA
El sistema internacional de la designación de la aleación es aceptado lo más extensamente
posible nombrando el esquema para las aleaciones labradas. Cada aleación se da un número
de cuatro cifras, donde el primer dígito indica los elementos de aleación principales.
1000 series son aluminio esencialmente puro con un contenido de aluminio mínimo
del 99% por peso y pueden ser trabajo endurecido
2000 series se alean con cobre, pueden ser la precipitación endureció a las fuerzas
comparables a acero. Referido antes como duraluminio, eran una vez que las
71
aleaciones aeroespaciales más comunes, pero fueran susceptibles a el agrietarse de
corrosión de tensión y son substituidos cada vez más por 7000 series en nuevos
diseños.
3000 series se alean con el manganeso, y pueden ser trabajo endurecido
4000 series se alean con silicio. También se conocen como silumin
5000 series se alean con magnesio, derivan la mayor parte de su fuerza de la
solución que endurece, y pueden también ser trabajo endurecido a las fuerzas
comparables a acero
6000 series se alean con magnesio y silicio, son fáciles de trabajar a máquina, y
pueden ser precipitación endurecida, pero no a las altas fuerzas que 2000, 5000 y
7000 puede alcanzar.
7000 series se alean con cinc, y pueden ser precipitación endurecida a las fuerzas
más altas de cualquier aleación de aluminio.
8000 series son una categoría miscelánea
Con la aleación estándar que se trabaja y la que comúnmente encontramos en nuestro país
es la AA 6063 y AA 6005.
72
2.10.3. HIERRO
Es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. Tiene de número
atómico 26 y es uno de los elementos de transición del sistema periódico. Fue descubierto
en la prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar armas; el objeto más antiguo,
aún existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.C.
El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la
utilización y el trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa
central hasta la mitad del siglo XIV. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente
a temperatura ordinaria; es difícil magnetizarlo en caliente, y a unos 790 °C desaparecen las
propiedades magnéticas. Tiene un punto de fusión de unos 1.535 °C, un punto de ebullición
de 2.750 °C y una densidad relativa de 7,86. Su masa atómica es 55,845. El metal existe en
tres formas alotrópicas distintas: hierro ordinario o hierro-a (hierro-alfa), hierro-g (hierro-
gamma) y hierro-d (hierro-delta). La disposición interna de los átomos en la red del cristal
varía en la transición de una forma a otra. La transición de hierro-a a hierro-g se produce a
unos 910 °C, y la transición de hierro-g a hierro-d se produce a unos 1.400 °C. Las distintas
propiedades físicas de las formas alotrópicas y la diferencia en la cantidad de carbono
admitida por cada una de las formas desempeñan un papel importante en la formación,
dureza y temple del acero.
Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro,
bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de
la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido
ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro
73
hidratado, una sustancia pardo-rojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín o
herrumbre. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas
presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una
pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución
electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el
hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La
reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del
metal acaba agujereándose. Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una
capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras
sustancias. La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el
metal, que vuelve así a ser activo. La siguiente imagen ilustra la oxidación del hierro. La
mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el
hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para
obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan
en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de
hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre. Según estimaciones para 2000, la
producción anual de hierro se situaba en torno a los 1.010 millones de toneladas.
74
2.11. MARCO CONCEPTUAL
ELECTROIMÁN: es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce
mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha
corriente.
FEEDER BOWL: son los dispositivos más comunes usados para alimentar a los
componentes individuales (piezas) en aplicaciones industriales de automatización.
HMI: (Human Machine Interface) se usa para referirse a la interacción entre
humanos y máquinas.
PLC: (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés)o Controlador de
lógica programable, son dispositivos electrónicos muy usados en Automatización
Industrial.
SENSOR FOTOELÉCTRICO: Un sensor fotoeléctrico es un dispositivo
electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz.
TOUCH SCREEN: Una pantalla táctil (touchscreen en inglés) es una pantalla que
mediante un contacto directo sobre su superficie permite la entrada de datos y
órdenes al dispositivo. A su vez, actúa como periférico de salida, mostrando los
resultados introducidos previamente. Este contacto también se puede realizar con
lápiz u otras herramientas similares. Actualmente hay pantallas táctiles que pueden
instalarse sobre una pantalla normal. Así pues, la pantalla táctil puede actuar como
periférico de entrada y periférico de salida de datos.
CAPÍTULO III
75
CAPÍTULO III
3. METODOLOGÍA
En el presente capítulo se busca encontrar la metodología adecuada para adquirir los datos
que nos serán útiles para el desarrollo del prototipo.
3.1.METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
La forma de adquirir datos para comprobar si el prototipo de máquina contadora de herrajes
o piezas se encuentra a la venta en el mercado nacional, fué encuestando a cinco empresas
nacionales reconocidas dedicadas a la venta e importación de maquinaria industrial,
obteniendo los siguientes datos:
ENCUESTA (VER ANEXO)
SI NO
1. ¿Vende alguna máquina para contar piezas (herrajes)? 0 5
76
FIGURA 16: Tabulación pregunta 1 de la Encuesta
Fuente: Encuesta realizada a empresas ecuatorianas
Autor: Fausto Díaz Ulloa
De las 5 empresas encuestadas ninguna vende alguna máquina parecida o igual a la que se
pretende diseñar e implementar.
SI NO
4. ¿Me puede importar alguna? 0 5
FIGURA 17: Tabulación pregunta 4 de la Encuesta
Fuente: Encuesta realizada a empresas ecuatorianas
Autor: Fausto Díaz Ulloa
0%
100%
1. ¿Vende alguna máquina para contar piezas (herrajes)?
SI NO
0%
100%
4. ¿Me puede importar alguna?
SI NO
77
De las 5 empresas encuestadas, ninguna me dio razón de poderme importar una máquina de
estas características, debido a que no conocen alguna empresa con la que trabajan que tenga
en stock algo parecido.
NOTA:
Las preguntas 2, 3 y 5 se encuentran en blanco por lo que no fueron tabuladas (VER
ANEXO M)
78
Las empresas encuestadas fueron:
1. PROMACO (Proveedora de Maquinaria y Comercio)
ENCUESTADO: Ing. Eduardo Fernández (GERENTE GENERAL)
(VER ANEXO M)
2. SIVASA (Servicios Industriales Vallejo Araujo S.A.)
ENCUESTADO: Ing. Eduardo Fernández (GERENTE DE MAQUINARIA)
(VER ANEXO M).
3. MAQUINESA S.A.
ENCUESTADO: Ing. Carlos Valdez B. (ADMINISTRADOR)
(VER ANEXO M).
4. REPRINTER S.A.
ENCUESTADO: Ing. (GERENTE GENERAL)
(VER ANEXO M).
5. ECUATORIANA DE MAQUINARIA CIA. LTDA.
ENCUESTADA: (DUEÑA)
3.2.METODOLOGÍA MECATRÓNICA
La metodología mecatrónica tiene la finalidad de encontrar las herramientas necesarias para
el desarrollo del cualquier producto, en este caso el desarrollo del prototipo.
3.2.1. ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
79
FIGURA18: ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
RE
QU
ER
IMIE
NT
OS
MECÁNICOS
ELÉCTRICOS
INFORMÁTICOS
Vibroalimentadora
Mini Banda
Transportadora
Motor DC 12 VDC
XC THINGET TOOLS
TOUCHWIN EDIT TOOL
Panel de Control
Electroimán
Base de Hierro
Base de Aluminio
Vibradores
V1
V2
V3
Ejes
Bases
Banda
BT1
BT2
BT3
V= 115[V]
I=2.6 [A]
P=300 [Watts]
Motor con moto-reductor de
12 Volts: 163 RPM, 3.3 Amps
PULSADOR (Encendido)
EMERGENCY STOP
Luz Piloto
PLC (XC3-24T-E)
TOUCH PANEL (TWIN)AUTODESK INVENTOR
WINDOWS MOVIE MAKER
I1
I2
I3
I4
I5
AUTOCAD
P1
P2
P3
P4
P5
(VER ANEXO B)
(VER ANEXO B)
(VER ANEXO B)
(VER ANEXO A)
(VER ANEXO A)
(VER ANEXO A)
80
Es necesaria por la
fuerte vibración,
ayuda a mantener fija
a Vibroalimentadora
Se necesita una base
estable y no muy densa
para que los vibradores
laterales puedan
soportar su peso
Son de tol de 1.2 mm
de espesor y ayudan a
producir la vibración en
4 sentidos del plato de
alimentación
V1 V3V2 BT1 BT2 BT3
Elaborados en acero
inoxidable.
Todas las bases están
elaboradas en platina
de 3 mm de espesor
La Banda de
Trasmisión es de PVC
Pulsador para
encender al prototipo.
Botón de emergencia
que pausará la máquina
por completo.
Luz que indica que la
equipo tiene
alimentación.
P1 P3P2 P4 P4
Es el cerebro del
prototipo, el que
ejecuta el algoritmo
de control.
Pantalla táctil que servirá para
la ejecución de la HMI
(Interfaz Hombre Máquina)
Software de
programación para
elaborar el algoritmo
de control en el PLC
Software de
programación y
elaboración de la HMI
(Interfaz Hombre
máquina)
Software de diseño y
simulación en 3D,
utilizado para el
ensamble y simulación
del prototipo.
I1 I3I2 I4 I5
Software de diseño,
utilizado para la
elaboración de los
Planos de las piezas
del prototipo.
Software de edición de
del video de simulación
3D del prototipo
Fuente: Materiales y Equipos disponibles en el Ecuador
Autor: Fausto Díaz Ulloa
81
3.2.2. DISEÑO SIMULTÁNEO DE LOS COMPONENTES MECATRÓNICOS
DEL PROYECTO
Se procederá con el diseño del prototipo tomando en cuentas el modelo que mejor se ajustó
para el diseño del mismo.
3.2.2.1. INTRODUCCIÓN
Para el diseño simultáneo de las componentes mecatrónicas del prototipo fue utilizado el
software de diseño y simulación 3D Autodesk Inventor, en el mismo que se desarrollaron
por separado pieza por pieza cada una de las partes que componen al modelo para su
posterior ensamble (VER ANEXOS A, B y C).
3.2.2.2. VIBRO-ALIMENTADORA
BASE DE HIERRO.- debido a sus propiedades mecánicas utilizamos hierro para la base
que servirá de peso para empotrar la vibro-alimentadora, utiliza una base de caucho para
amortiguar la vibración producida por el electroimán.
FIGURA 19: BASE DE HIERRO
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
82
BASE SUPERIOR DE ALUMINIO.- fué necesario utilizar aluminio debido que los
vibradores laterales no pueden tener demasiado peso sobre ellos, y el aluminio cumple con
los requerimientos necesarios para diseñar la base que servirá para ajustar el plato de
alimentación.
FIGURA 20: BASE SUPERIOR DE ALUMINIO
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
VIBRADORES LATERALES DE ACERO INOXIDABLE.- elaborados en tol de 1,2
mm de espesor, son los que producen la vibración alrededor de la base superior.
FIGURA 21: VIBRADORES LATERALES DE ACERO INOXIDABLE
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
83
PLATO DE ALIMENTACIÓN.- elaborado en acero inoxidable de .8 mm de espesor al
mismo que se le transmite la vibración, produciendo que las piezas suban por un espiral del
mismo material de ancho de 15 mm.
FIGURA 22: PLATO DE ALIMENTACIÓN
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
TAPA METÁLICA DE ACERO INOXIDABLE.- sirve de protección para que los
vibradores laterales trabajen sin complicaciones al igual que disminuye el sonido que es
producido por el electroimán.
FIGURA 23: TAPA METÁLICA
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
84
3.2.2.3. BANDA TRANSPORTADORA
BASES FIJAS.- estas bases están sujetas con la base rectangular superior por medio de
tornillos, tiene un acople circular para la inserción del eje, el material utilizado es platina de
3 mm de espesor la misma que fue troquelada y doblada para su elaboración.
FIGURA 24: BASES FIJAS
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
BASES DE TENSIÓN.- estas bases se mueven para tensionar a la banda de PVC, están
sujetas con la base rectangular superior por medio de tornillos, tiene un acople circular para
la inserción del eje, el material utilizado es platina de 3 mm de espesor la misma que fue
troquelada y doblada para su elaboración.
85
FIGURA 25: BASES DE TENSIÓN
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
BASE SUPERIOR.- está elaborada en platina de 3mm, troquelada y cumple la función de
sostén de las bases de los ejes.
FIGURA 26: BASE SUPERIOR
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
86
BASES LATERALES.- está elaborada en platina de 3mm, troquelada y cumple la función
de mantener firme a la banda transportadora, en la base izquierda está acoplado el motor.
FIGURA 27: BASES LATERALES
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
87
EJES.- están elaborados en acero inoxidable, a los extremos de los mismos se empotrarán
rodamientos para permitir el movimiento de los rodillos de transmisión.
FIGURA 28: EJES
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
EJE DEL MOTOR.- está elaborado en acero inoxidable, a los extremos del mismo se
empotrarán rodamientos para permitir el movimiento del rodillo motriz, en uno de sus
extremos se acoplará el motor.
FIGURA 29: EJE DEL MOTOR
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
88
GUIAS LATERALES.- están elaboradas en tol de 2mm de espesor, troqueladas y
dobladas en ángulos de 90o, cumplen la función de mantener una ruta recta de los herrajes
transportados.
FIGURA 30: GUIAS LATERALES
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
RODILLOS.- están elaborados en madera, fijados a los ejes y recubiertos de cinta de
trasmisión para banda PVC.
FIGURA 31: RODILLOS
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
89
3.2.2.4. ELECTROIMÁN
ELECTROIMANES DE CORRIENTE ALTERNA
El núcleo de hierro, según sabemos es una barra que se coloca dentro de la bobina. Sobre el
electroimán hay una pequeña barra de hierro sujetado a la base superior del plato de
alimentación, como se muestra en la figura.
FIGURA 32: VIBRO-ALIMENTADORA
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
Cuando hablamos de imanes, podemos decir que una barra de hierro imanada atrae
pequeñas limaduras de ese metal.
Si cortamos la corriente que recorre la bobina del electroimán, cesa el campo magnético y
con ello la fuerza de atracción, con lo que la pieza de hierro dejara de vibrar por no ser más
atraída.
90
FIGURA 33: GRÁFICO DE CORRIENTE ALTERNA
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
Volviendo a la Fig. 33 de la corriente alterna, pero observando un poco la Fig. 32 de la
vibro-alimentadora. Una tensión alternada dará origen a una corriente alternada que recorre
la bobina. Y una corriente alternada se caracteriza porque cambia constantemente la
polaridad. En cada ciclo de la tensión alternada tendremos que la corriente recorre la
bobina, medio ciclo en un sentido y medio ciclo en sentido contrario.
Pero debemos advertir que en el instante en que se produce el cambio de polaridad, la
corriente se anula, vale cero, es decir, que en ese instante se anula también el campo
magnético del electroimán.
Ahora bien, cualquiera que sea el polo de la parte superior del electroimán, la barra de
hierro es atraída, produciéndose vibración al no poder unirse con el electroimán, pero en el
momento en que se produce la inversión de polaridad de la corriente y ésta se anula, cesa
también el campo magnético y la barra de hierro se queda fija en la base superior del plato
91
de alimentación. Luego vuelve a ser atraída y así continua el proceso. De esta manera es
como se produce la vibración necesaria para que los herrajes suban por el espiral del plato
de alimentación.
En resumen, la atracción sobre núcleos de hierro que producen los electroimanes
alimentados por corriente alternada no es uniforme, sino que se corta dos veces por cada
ciclo de la corriente.
CÁLCULOS:
DISEÑO DEL TRANSFORMADOR - ELECTROIMÁN
El transformador diseñado para la vibro-alimentadora es de 300 watts, con un voltaje de
entrada de 115 [V], y un voltaje de salida de 60 [V].
1. Calculamos el área de bobinado, tal como muestro en la figura siguiente:
FIGURA 34: ÁREA DE BOBINADO DEL ELECTROIMÁN
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
92
ECUACIÓN 4: ÁREA DEL BOBINADO DEL ELECTROIMÁN
Fuente: http://geociti.es/CapeCanaveral/2404/ELECTROIMANES.htm
Autor: CapeCanaveral
Donde:
2. Relación VUELTA x VOLTIO
ECUACIÓN 5: RELACIÓN VUELTA POR VOLTIO
Fuente: http://geociti.es/CapeCanaveral/2404/ELECTROIMANES.htm
Autor: CapeCanaveral
3. Cálculo del número de vueltas para la bobina primaria y secundaria.
ECUACIÓN 6: NÚMERO DE VUELTAS
Fuente: http://geociti.es/CapeCanaveral/2404/ELECTROIMANES.htm
Autor: CapeCanaveral
93
PRIMARIA:
SECUNDARIA:
4. Como sabemos la potencia (300 watts), procedemos a calcular la corriente máxima
para ambas bobinas primaria y segundaria.
ECUACIÓN 7: CORRIENTE DEL ELECTROIMAN
Fuente: http://geociti.es/CapeCanaveral/2404/ELECTROIMANES.htm
Autor: CapeCanaveral
PRIMARIA:
94
SECUNDARIA:
5. Selección del tipo de alambre de cobre para el bobinado tanto de la bobina primaria
como la secundaria (VER ANEXO H)
PRIMARIA:
ALAMBRE DE COBRE: # 17 o #18, de diámetro 1.15mm y 1.024mm respectivamente.
SECUNDARIA:
ALAMBRE DE COBRE: # 14 o #15, de diámetro 6mm y 4.8mm respectivamente.
95
6. Al no unir la placa superior de hierro junto con la chapa E, obtendremos el
electroimán buscado.
FIGURA 35: ELECTROIMÁN
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
CÁLCULO DE EL CAMPO MAGNÉTICO GENERADO EN LA BOBINA
PRIMARIA
Partiendo de los datos del diseño de nuestro transformador:
INPUT: 115 V, 60 Hz, 300 Watt, 2.6 [A]
BOBINA PRIMARIA: 314 [vueltas]
96
BOBINA SECUNDARIA: 164 [vueltas]
OUTPUT: 60 [V], 5 [A]
ECUACIÓN 8: RELACIÓN VUELTAS-VOLTAJE
Fuente: http://geociti.es/CapeCanaveral/2404/ELECTROIMANES.htm
Autor: CapeCanaveral
Nota: Si el voltaje de salida es la mitad del de entrada, la corriente de salida será el doble de
la de entrada.
CAMPO MAGNÉTICO GENERADO POR LA BOBINA PRIMARIA SERÁ:
ECUACIÓN 9: CAMPO MAGNÉTICO
Fuente: http://geociti.es/CapeCanaveral/2404/ELECTROIMANES.htm
Autor: CapeCanaveral
B = Campo Magnético
I = Corriente
N = # de Vueltas
L = longitud
97
CHAPA E.- elaborada de la unión de láminas de hierro de .8 mm de espesor, estructura en
la que se realizará el bobinado.
FIGURA 36: CHAPA E
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
98
CHAPA SUPERIOR.- elaborada de la unión de láminas de hierro de .8 mm de espesor,
estructura que se mantendrá fija en la Base de aluminio para producir una atracción
electromagnética cuando la bobina esté energizada.
FIGURA 37: CHAPA SUPERIOR
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
99
3.2.2.5. COMPONENTES ELECTRÓNICAS
CONTROL DE VELOCIDAD DE LA BANDA TRANSPORTADORA
Para el control de velocidad de la banda transportadora utilizo un circuito básico utilizando
un circuito integrado LM555 de modo astable. Para la realizar los cálculos utilizo las
fórmulas dadas en el datasheet del mismo, obteniendo la siguiente placa de control.
FIGURA 38: CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD
Fuente: Datasheet LM55
Autor: Fausto Díaz Ulloa
100
REGULADOR DE VOLTAJE (DIMMER)
Este circuito atenuador o dimmer nos permitirá variar el voltaje alterno de la red, de tal
forma que con él se puede tener control sobre la cantidad de corriente que pasa a la carga y
así la potencia que en estas se va a consumir, este principio del dimmer se lo utiliza para
controlar la frecuencia de vibración del plato de alimentación
Su funcionamiento se basa en ajustar el tiempo de disparo del elemento activo (TRIAC), lo
que permite asimismo ajustar el voltaje efectivo aplicado a la carga. El TRIAC (BT 136) a
utilizar depende de la potencia de la carga. El DIAC es de 32V+-4V a 3A como el DB2.
FIGURA 39: CIRCUITO ELECTRÓNICO PARA VARIAR LA FRECUENCIA DE
VIBRACIÓN DE LA VIBROALIMENTADORA
Fuente: http://www.circuitstoday.com/
Autor: Circuits Today
101
3.2.3. SIMULACIÓN Y PROTOTIPO.
La simulación del prototipo fué elaborada en una plataforma de simulación 3D, en la cual
se construyeron virtualmente cada una de las piezas que posee el prototipo para la
validación y correcto funcionamiento del mismo. (Ver videos del CD “SIMULACIÓN
TOTAL” y “VIBROALIMENTADORA”).
Para validar y asegurar el correcto funcionamiento del prototipo se realizo la simulación
virtual de análisis de esfuerzos para los elementos más vulnerables, obteniendo resultados
positivos por lo que se procedió a la fabricación de los mismos tal como se muestra en los
siguientes informes. (Ver videos: “Equivalent Stress (BASE HIERRO) FINAL” y
“Equivalent Stress (BASE ALUMINIO) FINAL”).
3.2.3.1. ANÁLISIS DE ESFUERZOS PARA LA BASE SUPERIOR DE ALUMINIO
FIGURA 40: BASE SUPERIOR DE ALUMINIO (ANÁLISIS DE ESFUERZOS)
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
102
INTRODUCCIÓN
Autodesk Inventor Professional Stress Analysis fué usado para simular el
comportamiento de esta pieza mecánica en condiciones de cargas estructurales. La
tecnología ANSYS generó los resultados presentados en este informe.
GEOMETRÍA
TABLA 11: ESTADÍSTICA DE BASE SUPERIOR
DE ALUMINIO
Dimensiones de la caja 236.0 mm
236.0 mm
50.0 mm
Masa 1.453 kg
Volumen 5.36e+005 mm³
Nodos 1869
Elementos 827
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
Las dimensiones de la caja representan longitudes en las direcciones globales de X, de Y y
de Z.
103
DATOS DEL MATERIAL
Las siguientes suposiciones al comportamiento del material aplicadas para este análisis son:
Linear.- la tensión es directamente proporcional al estiramiento.
Constante.- todas las propiedades temperatura-independientes
Homogénea.- son las propiedades que no cambia en todo el volumen a través de la
pieza.
Isotrópicas.- propiedades del material que son idénticas en todas las direcciones.
TABLA 12: Aluminum-6061
Módulo de Young 6.89e+004 MPa
Radio de Poisson 0.33
Densidad de Masa 2.71e-006 kg/mm³
Fuerza producida por la extensión 275.0 MPa
Fuerza final producida por la extensión 310.0 MPa
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
CARGAS Y COACCIONES
El siguiente cuerpo de cargas que actúan sobre la pieza. La columna de Posición se aplica
sólo a la velocidad rotatoria. La posición representa un punto sobre el eje de rotación.
104
TABLA 13: Definiciones del Cuerpo de Cargas
Nombre Magnitud Vector Posición
Velocidad Rotacional 1.0 deg/s 0.4104 deg/s
-3.645e-016 deg/s
-0.9119 deg/s
2.0 mm
-76.1 mm
120.0 mm
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
Las cargas siguientes y coacciones que actúan sobre regiones específicas de la pieza. Las
regiones fueron definidas seleccionando superficies, cilindros, bordes o vértices.
TABLA 14: Definiciones de Cargas y Coacciones
Nombre Tipo Magnitud Vector
Fuerza 1 Fueza Superficial 100.0 N 0.0 N
91.19 N
-41.04 N
Fuerza 2 Fueza Superficial 100.0 N 91.19 N
0.0 N
-41.04 N
Fuerza 3 Fueza Superficial 100.0 N 0.0 N
-91.19 N
-41.04 N
Fuerza 4 Fueza Superficial 100.0 N -91.19 N
0.0 N
-41.04 N
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
Nota: los datos del vector corresponden a los componentes globales de X, de Y y de Z.
105
RESULTADOS
La tabla siguiente enlista todos los resultados estructurales generados por el análisis. La
sección siguiente proporciona las figuras que demuestran cada resultado contorneado sobre
la superficie de la pieza.
El factor de seguridad fue calculado usando la teoría de tensión máxima equivalente para
materiales dúctiles. El límite de tensión fue especificado por la fuerza de producción
extensible del material.
TABLA 15: RESULTADOS ESTRUCTURALES
Nombre Mínimo Máximo
Tensión Equivalente (Equivalent Stress) 1.016e-002 MPa 1.812 MPa
Tensión Principal Máxima (Maximum
Principal Stress)
-0.404 MPa 1.202 MPa
Tensión Principal Minima (Minimum
Principal Stress)
-1.858 MPa 0.1099 MPa
Deformación (Deformation) 3.445e+004 mm 6.778e+004 mm
Factor de Seguridad 15 N/A
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
106
GRÁFICOS:
FIGURA 41: Tensión Equivalente (Equivalent Stress) de la Base de Aluminio
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
107
FIGURA 42: Tensión Principal Máxima (Maximum Principal Stress) de la Base de
Aluminio
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
108
FIGURA 43: Tensión Principal Mínima (Minimum Principal Stress) de la Base de
Aluminio
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
109
FIGURA 44: Deformación (Deformation) de la Base de Aluminio
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
110
FIGURA 45: Factor de Seguridad (Safety Factor) de la Base de Aluminio
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
111
3.2.3.2. ANÁLISIS DE ESFUERZOS PARA LA BASE DE HIERRO
FIGURA 46: BASE DE HIERRO (ANÁLISIS DE ESFUERZOS)
Fuente: Diseño elaborado en Autodesk Inventor 2009
Autor: Fausto Díaz Ulloa
INTRODUCCIÓN
Autodesk Inventor Professional Stress Analysis fué usado para simular el
comportamiento de esta pieza mecánica en condiciones de carga estructurales. La
tecnología ANSYS generó los resultados presentados en este informe.
112
GEOMETRÍA
TABLA 16: ESTADÍSTICA DE BASE DE HIERRO
Dimensiones de la caja 220.0 mm
220.0 mm
85.0 mm
Masa 12.85 kg
Volumen 1.809e+006 mm³
Nodos 2555
Elementos 1201
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
Las dimensiones de la caja representan longitudes en las direcciones globales de X, de Y y
de Z.
DATOS MATERIALES
Las siguientes suposiciones al comportamiento del material aplicadas para este análisis son:
Linear.- la tensión es directamente proporcional al estiramiento.
Constante.- todas las propiedades temperatura-independientes
Homogénea.- son las propiedades que no cambia en todo el volumen a través de la
pieza.
Isotrópicas.- propiedades del material que son idénticas en todas las direcciones.
113
TABLA 17: HIERRO
Módulo de Young 1.68e+005 MPa
Radio de Poisson 0.29
Densidad de Masa 7.1e-006 kg/mm³
Fuerza producida por la extensión 332.0 MPa
Fuerza final producida por la extensión 464.0 MPa
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
CARGAS Y COACCIONES
El siguiente cuerpo de cargas que actúan sobre la pieza. La columna de Posición se aplica
sólo a la velocidad rotatoria. La posición representa un punto sobre el eje de rotación.
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
Las cargas siguientes y coacciones que actúan sobre regiones específicas de la pieza. Las
regiones fueron definidas seleccionando superficies, cilindros, bordes o vértices.
TABLA 18: Definiciones del Cuerpo de Cargas
Nombre Magnitud Vector Posición
Velocidad Rotacional 1.0 deg/s 0.0 deg/s
-0.4104 deg/s
-0.9119 deg/s
-76.1 mm
-2.0 mm
85.0 mm
114
TABLA 19: Definiciones de Cargas y Coacciones
Nombre Tipo Magnitud Vector
Fuerza 1 Fueza Superficial 100.0 N 0.0 N
91.19 N
-41.04 N
Fuerza 2 Fueza Superficial 100.0 N 91.19 N
0.0 N
-41.04 N
Fuerza 3 Fueza Superficial 100.0 N 0.0 N
-91.19 N
-41.04 N
Fuerza 4 Fueza Superficial 100.0 N -91.19 N
0.0 N
-41.04 N
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
Nota: los datos del vector corresponden a los componentes globales de X, de Y y de Z.
115
RESULTADOS
La tabla siguiente enlista todos los resultados estructurales generados por el análisis. La
sección siguiente proporciona las figuras que demuestran cada resultado contorneado sobre
la superficie de la pieza.
El factor de seguridad fue calculado usando la teoría de tensión máxima equivalente para
materiales dúctiles. El límite de tensión fue especificado por la fuerza de producción
extensible del material.
TABLA 20: RESULTADOS ESTRUCTURALES
Nombre Mínimo Máximo
Tensión Equivalente (Equivalent Stress) 9.838e-004 MPa 1.115 MPa
Tensión Principal Máxima (Maximum
Principal Stress)
-6.779e-002 MPa 0.7833 MPa
Tensión Principal Minima (Minimum
Principal Stress)
-0.6408 MPa 1.235e-002 MPa
Deformación (Deformation) 1.068e+004 mm 2.213e+004 mm
Factor de Seguridad 15.0 N/A
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
116
GRÁFICOS:
FIGURA 47: Tensión Equivalente (Equivalent Stress) de la Base de Hierro
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
117
FIGURA 48: Tensión Principal Máxima (Maximum Principal Stress) de la Base de
Hierro
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
118
FIGURA 49: Tensión Principal Mínima (Minimum Principal Stress) de la Base de
Hierro
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
119
FIGURA 50: Deformación (Deformation) de la Base de Hierro
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
120
FIGURA 51: Factor de Seguridad (Safety Factor) de la Base de Hierro
Fuente: Autodesk Inventor Professional Stress Analysis
Autor: Fausto Díaz Ulloa
Nota: El diseño de cada una de las componentes se lo puede observar en los ANEXOS A,
B y C, al igual que el ensamble total del prototipo en el ANEXO I.
121
3.2.3.3. JUSTIFICACIÓN DEL MATERIAL UTILIZADO
Para justificar el uso del material utilizo el método de la energía de distorsión que se
emplea para esfuerzos normales y esfuerzos combinados. Se determinan los esfuerzos
normales máximo y mínimo. Entonces la ecuación de diseño es:3
ECUACIÓN 10: MÉTODO DE LA ENERGÍA DE DISTORSIÓN
Fuente: MOTT, Robert, “Diseño de elementos y máquinas”, Edición IV, 2006, México
Autor: Robert Mott
Donde:
NOTA: Los datos de los esfuerzos y factor de seguridad obtengo de las Tablas 15 y 20 para
el ALUMINIO 6061 y HIERRO DÚCTIL A536-84 GRADO 60-40-18 respectivamente,
mientras que los datos para resistencia de fluencia obtengo de de las TABLAS de las
PROPIEDADES TÍPICAS DEL ALUMINIO Y PROPIEDADES DE DISEÑO PARA EL
HIERRO COLADO (VER APÉNDICES N y O)
3 MOTT, Robert, “Diseño de elementos y máquinas”, Edición IV, 2006, México, Apéndices 8 y 9.
122
CÁLCULOS PARA EL ALUMINIO 6061
DATOS:
COMPROBACIÓN:
RESULTADO: El esfuerzo del elemento es menor al esfuerzo de diseño con el factor de
seguridad 15 recomendado por el análisis de esfuerzos realizado, por lo tanto las
dimensiones y el material son los adecuados.
123
CÁLCULOS PARA EL HIERRO DÚCTIL A536-84 GRADO 60-40-18
DATOS:
COMPROBACIÓN:
RESULTADO: El esfuerzo del elemento es menor al esfuerzo de diseño con el factor de
seguridad 15 recomendado por el análisis de esfuerzos realizado, por lo tanto las
dimensiones y el material son los adecuados.
CAPÍTULO IV
124
CAPÍTULO IV
4. DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO
En el presente capítulo se realizará la construcción del prototipo físico para culminar el
proceso del desarrollo mecatrónica, a su vez se presentará un manual y guía de
funcionamiento del prototipo.
4.1.CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
Para poder sistematizar el proceso de construcción de cada una de las componentes del
prototipo se presenta a continuación 2 diagramas visuales.
Las piezas que pasan por el diagrama 1 son:
VIBRO-ALIMENTADORA
Plato de alimentación.
Vibradores Laterales.
Tapa metálica de acero inoxidable.
BANDA TRANSPORTADORA
Bases Fijas.
Bases de Tensión.
Base Superior.
Bases Laterales.
125
Guías Laterales.
Las piezas que pasan por el diagrama 2 son:
VIBROALIMENTADORA
Base de Hierro.
Base de Aluminio.
BANDA TRANSPORTADORA
Ejes.
Rodillos.
126
DIAGRAMA 3: PROCESO DE CONSTRUCCIÓN # 1
DISEÑO DE LAS PIEZAS
TROQUELADO
(CORRE CÓDIGO CNC)
PIEZAS LISTAS
DOBLADO o ROLADO
SACAMOS LOS PLANOS
SIMULACIÓN
(General código CNC)
MATERIAL
DIAGRAMA VISUAL 1: PROCESO DE CONSTRUCCIÓN
SOLDADO MIG
(en algunos casos)
PULIDO
BONDERIZADO PINTADO
SUPERVISIÓN
SECADO
Fuente: ATU ARTICULOS DE ACERO S.A.
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
127
DIAGRAMA 4: PROCESO DE CONSTRUCCIÓN # 2
DISEÑO DE LAS PIEZAS
TORNO Y FRESADORA PIEZAS LISTAS
SACAMOS LOS PLANOS
SIMULACIÓN
(Matricería)
MATERIAL
DIAGRAMA VISUAL 2: PROCESO DE CONSTRUCCIÓN
SUPERVISIÓN
Fuente: ATU ARTICULOS DE ACERO S.A.
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
128
4.2.CREACIÓN DE GUÍAS Y MANUAL DE FUNCIONAMIENTO
INTRUDUCCIÓN:
La máquina cuyas especificaciones se muestran detalladamente en el siguiente manual de
funcionamiento y operación proporcionarán la guía adecuada para el buen funcionamiento
de la misma.
Lea primero detenidamente las instrucciones y recomendaciones de seguridad.
El presente Manual de funcionamiento y operación contiene
información adicional con relación a la seguridad. Esta información
viene identificada con un triángulo más un signo de admiración, al igual
que varias señales de advertencia de acuerdo a los requerimientos. Lea
atento todas las instrucciones y actúe de acuerdo con ellas. En caso de
incumplimiento las consecuencias podrían ser graves tanto para el
aparato, como para otros objetos, además de muy lesivos para las
personas.
129
TABLA 21: DESCRIPCIÓN GENERAL (MÁQUINA DVNSL)
MODELO: DVNSL COUNTER 1587
VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN: 110VAC
FRECUENCIA: 50-60 HZ
CONSUMO DE CORRIENTE: 2.6 A
Fuente: Datasheet de los componentes Electrónicos y especificaciones dadas por el
diseñador.
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
4.2.1. AJUSTES-INSTALACIÓN-SEGURIDAD
Inspeccionar que la máquina se encuentre conectada al regulador
adecuado de 110VAC.
Inspeccionar que no haya ningún tipo de obstrucción física, tanto
en la vibro-alimentadora como en la banda transportadora.
130
Verificar que las bases tanto de la vibro-alimentadora y de la banda
transportadora estén firmes.
Verificar que ningún cable se encuentre desconectado en el tablero
de control.
Verificar que no se encuentre ningún tipo de obstrucción en los
alrededores del sensor.
Cerciorarse que el ventilador del tablero no tenga ningún tipo de
limalla que no permita su correcto funcionamiento.
Cerciorarse que el tablero de control se encuentre cerrado
totalmente.
En este momento la máquina se encuentra en óptimas condiciones para su correcto
funcionamiento.
131
ELEMENTOS DE MANEJO Y FUNCIÓN
FIGURA 52: TABLERO DE CONTROL
Fuente: Tablero de Control de la máquina DVNSL
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
1 PANTALLA TÁCTIL
2 CONTROL DE VELOCIDAD DE LA BANDA TRANSPORTADORA.
3 CONTROL DE FRECUENCIA DE VIBRACIÓN.
4 BOTÓN DE EMERGENCIA
5 BOTÓN DE ENCEDIDO
6 LUZ PILOTO
132
DESCRIPCIÓN
El prototipo de máquina dosificadora y contadora de herrajes está compuesta de un plato de
alimentación (Feeder Bowl), una banda transportadora y un sensor, que se encuentran
operados mediante una Interfaz Hombre Máquina (HMI) cuyo algoritmo de control se
realiza en un PLC y un touch panel.
PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DE LA MÁQUINA
ÁREA FÍSICA Y TEMPERATURA
Monte la máquina sobre una superficie llana.
La temperatura de trabajo mínima es de 5 o
C (41 F) y la máxima de 40 o
C (104 F).
No exponer a lluvia ni humedad.
No monte la máquina en las inmediaciones de fuentes de calor y presérvelo del sol
directo.
Mantener un área de trabajo de almenes 1,5 metros alrededor del dispositivo.
ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
¡Conecte el dispositivo sólo a red con toma de tierra!
¡En caso de conexión equivocada, no se asumirá
responsabilidad alguna!
133
Compare siempre la tensión con la frecuencia eléctrica que se indica en la descripción
general de la máquina (VER TABLA 19).
La desviación puede ser de hasta ± 10 %.
PUESTA EN MARCHA
La máquina se pone en funcionamiento una vez encendido el interruptor que se
encuentra al lado derecho del botón de emergencia (ROJO).
Una luz indicara que el dispositivo se encuentra alimentado correctamente.
Se podrá observar que la pantalla táctil se encienda,
Se deberá regular la velocidad de la banda transportadora y la frecuencia de
vibración de la vibroalimentadora para el tipo de herraje que se desea contar, para lo
cual se usan los dimmer ubicados sobre los botones de encendido (NEGRO) y paro
de emergencia (ROJO).
A continuación se detalla gráficamente el funcionamiento de la Interfaz Hombre
Máquina (PANTALLA TÁCTIL).
134
FIGURA 53: PANTALLA DE PRESENTACIÓN HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
135
FIGURA 54: PANTALLA PRINCIPAL HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
136
FIGURA 55: CONFIGURACIÓN PANTALLA PRINCIPAL HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
137
FIGURA 56: SELECCIÓN PROGRAMA A EJECUTAR HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
138
FIGURA 57: VISUALIZADORES DE LAS CANTIDADES DE PIEZAS A CONTAR HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
139
FIGURA 58: BOTONES DE INICIO Y PARO HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
140
FIGURA 59: VISUALIZADOR DEL NÚMERO DE PROGRAMAS CONTADOS HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
141
FIGURA 60: SETUP HMI (PANTALLA PRINCIPAL)
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
142
FIGURA 61: SETUP HMI (UBICACIÓN PANTALLA PRINCIPAL)
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
143
FIGURA 62: ESPECIFICACIONES DE LA PANTALLA SETUP HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
144
FIGURA 63: SELECCIÓN DEL NÚMERO DE PROGRAMA A ABRIR HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
145
FIGURA 64: VENTANA DE SELECCIÓN HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
146
FIGURA 65: INGRESO DEL NÚMERO DE PIEZAS A CONTAR
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
147
FIGURA 66: VENTANAS DE INGRESO DEL NÚMERO DE PIEZAS A CONTAR HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
148
FIGURA 67: VENTANA DE SELECCIÓN PARA GUARDAR PROGRAMAS HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
149
FIGURA 68: SELECCIÓN DEL PROGRAMA A EJECUTAR HMI
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
150
FIGURA 69: INDICADOR DE PROGRAMA EJECUTANDOSE
Fuente: HMI THINGET (TouchWin)
Autor: Fausto Díaz Ulloa
151
MANTENIMIENTO Y LIMPIEZA
Todas las piezas de la máquina son removibles para que su mantenimiento y limpieza sean
fáciles de realizar. El funcionamiento del dispositivo está previsto para un funcionamiento
permanente en condiciones normales, por lo que no se requiere de un mantenimiento
regular. ¡Se recomienda realizar una limpieza preventiva cada 6 meses!.
Desconectar el conector de alimentación de la red antes de
proceder a la limpieza.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
TABLA 22: ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA MÁQUINA
BANDA TRANSPORTADORA
ALIMENTACIÓN VELOCIDAD
3 VDC 35 RPM, 1 Amp (No Load)
6 VDC 77 RPM, 2.4 Amps (No Load)
9 VDC 120 RPM, 2.9 Amps (No Load)
12 VDC 163 RPM, 3.3 Amps (No Load)
PESO APROXIMADO 1.5 lb
MEDIDAS 0.35" x 1.25"
Diámetro del motor: 1-3/4 "
Longitud del eje: 1-1/4 "
152
Diámetro del motor: 1-3/4 "
Longitud de eficacia general: 7-3/4 "
VIBROALIMENTADORA
ALIMENTACIÓN 115 VAC
FRECUENCIA 60 Hz
POTENCIA 3 KW
MASA 30 Kg
PESO 294 N
V (OUT) 60 VDC
CORRIENTE 2.6 Amperios
PLC
(Ver ANEXO F)
TOUCH PANEL
(Ver ANEXO G)
Fuente: Datasheet de los componentes Electrónicos y especificaciones dadas por el diseñador.
Autor: Fausto Díaz Ulloa.
CONFORMIDAD
Si la máquina se encuentra operando de acuerdo a las especificadas dadas en el presente
manual, certifico el correcto funcionamiento de la misma.
Fausto Díaz Ulloa
DISEÑADOR
FONO: 091478073
CAPÍTULO V
153
CAPÍTULO V
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1.CONCLUSIONES:
El diseñar una máquina va más allá de aplicar los conocimientos adquiridos en la
Universidad, es tener el suficiente ingenio para lograr plasmar lo que desea fabricar.
En el mercado nacional no existe algún tipo de máquina que realice la función de
contar piezas por lo que el diseño del prototipo es factible de realizar.
El funcionamiento correcto de un electroimán depende de las especificaciones
eléctricas que se den a la hora de diseñarlo.
La frecuencia de vibración depende del valor de la corriente que se le es
suministrado al electroimán.
Los prototipos virtuales nos brindan una gran ayuda a la hora de realizar pruebas de
esfuerzos y cargas a los elementos más vulnerables en nuestro diseño para
garantizar su correcto funcionamiento.
154
5.2.RECOMENDACIONES:
Al momento de diseñar un elemento ser muy cautos a la hora de seleccionar el tipo
de material que se va a utilizar.
Utilizar software de ayuda para la elaboración de los elementos en 3D, para tener
una idea real de cómo se verá nuestros elementos fabricados.
Simular virtualmente cada uno de los componentes de una máquina que se va a
diseñar.
Investigar a fondo sobre cada elemento que se desea diseñar para procurar tener el
menor número de fallas posibles en un diseño nuevo.
Ser muy cautos a la hora de programar el algoritmo de control para el
funcionamiento de una nueva máquina.
Elaborar planos de cada uno de los elementos a fabricar lo más acotados posibles,
para evitar errores a la hora de su fabricación.
155
BIBLIOGRAFÍA
LIBROS:
1. MOTT, Robert, “Diseño de elementos y máquinas”, Edición IV, 2006, México,
Capítulo I.
2. BOYLESTAD, Robert, NASHELSKY, Louis, “Electrónica Teoría de Circuitos”,
Edición VI, 2008, USA, Capítulo XIII.
3. SCHILLLING, Donald, Charles Belove, “Circuitos Electrónicos”, Edición III,
1993, USA, Capítulo I.
4. NEAMEN, DONALD A.”Análisis y Diseño de Circuitos Electrónicos”, Edición IV,
2000, USA, Capítulos I y II.
5. CALERO PEREZ, Roque, CARTA GONZALEZ, José Antonio, “Fundamentos De
Mecanismos y Máquinas para Ingenieros”, Edición, 1999, Capítulos I, II y III”.
6. “KALPAKLIAN, Serope, SCHMID, Steven R. “Manufactura, Ingeniería y
Tecnología”, Edición V, 2008, Capítulos II y III.
7. “DORANTES GONZALEZ, Dante Jorge, MANZANO HERRERA, Moises,
SANDOVAL BENITEZ, Guillermo, ”Automatización y Control: Prácticas de
Laboratorio”, 2004, Capítulos I y II
156
8. KALPAKLIAN, Serope, SCHMID, Steven R.”Manufactura, Ingeniería y
Tecnología”, Edición V, 2008, Capítulos I, II y III.
9. NORTON, Robert L. “Diseño de Maquinaria: Síntesis y Análisis de Máquinas y
Mecanismos”, Edición III, 2005, Capítulos I y II
PÁGUINAS WEB:
1. http://www.novacero.com/ws/novacero/novacero.nsf/paginaprinc/32A42E1EF26EF
0D10525714E0081D3B7?OpenDocument
2. http://tecnokent.files.wordpress.com/2008/01/apuntes-de-mecanismos.pdf
3. http://www.bannerengineering.com/es-MX/products/application/86/372
4. http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/maquinas/
5. http://geociti.es/CapeCanaveral/2404/ELECTROIMANES.htm
6. http://usuarios.multimania.es/udtecno/UD/Electroimanes.pdf
7. http://www.thinget.com/0/index.html
157
8. http://es.wikipedia.org/wiki/Electroim%C3%A1n
9. http://www.circuitstoday.com/
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17. ANEXOS
ANEXOS
ANEXO A
PLANOS DE LOS COMPONENTES DE LA BANDA TRANSPORTADORA
ANEXO B
PLANOS DE LOS COMPONENTES DE LA VIBROALIMENTADORA
ANEXO C
PLANOS DE LOS COMPONENTES DEL ELECTROIMÁN
ANEXO D
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL SENSOR
ANEXO E
PLANOS DEL SENSOR
ANEXO F
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL PLC
ANEXO G
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL TOUCH PANEL
ANEXO H
TABLA AWG (AMERICAN WIRE GAUGE)
TABLA AWG (AMERICAN WIRE GAUGE)
En muchos sitios de la Internet y también en libros y manuales, especialmente de origen
norteamericano, es común encontrar la medida de los conductores eléctricos (cables o
alambres) indicados con la referencia AWG (American Wire Gauge).
Esta tabla de conversión les permitirá saber el diámetro y superficie o área de sección del
conductor, conociendo el número AWG.
AWG Diam. mm Area mm2 AWG Diam. mm Area mm2
1 7.35 42.40 16 1.29 1.31
2 6.54 33.60 17 1.15 1.04
3 5.86 27.00 18 1.024 0.823
4 5.19 21.20 19 0.912 0.653
5 4.62 16.80 20 0.812 0.519
6 4.11 13.30 21 0.723 0.412
7 3.67 10.60 22 0.644 0.325
8 3.26 8.35 23 0.573 0.259
9 2.91 6.62 24 0.511 0.205
10 2.59 5.27 25 0.455 0.163
11 2.30 4.15 26 0.405 0.128
12 2.05 3.31 27 0.361 0.102
13 1.83 2.63 28 0.321 0.0804
14 1.63 2.08 29 0.286 0.0646
1.45 1.65 30 0.255 0.0503
ANEXO I
FOTOGRAFIAS REALISTAS 3D DEL ENSAMBLE DEL PROTOTIPO
VIBRO ALIMENTADORA (FEEDER BOWL)
MINI BANDA TRANSPORTADORA (MINI CONVEYOR)
ELECTROIMÁN
PROTOTIPO DE MÁQUINA DOSIFICADORA Y CONTADORA DE HERRAJES
ANEXO J
PLANOS DE LA FÁBRICA
ANEXO K
DATASHEET DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS
154
ANEXO L
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
ANEXO M
ENCUESTA Y EMPRESAS ENCUESTADAS
ENCUESTA
NOMBRE DE LA EMPRESA: ____________________________________
1. ¿Vende alguna máquina para contar piezas (herrajes)?
SI NO
SI:
2. ¿Qué precio tiene?
_______________________________________________________________
3. ¿De qué capacidad?
_______________________________________________________________
NO:
4. ¿Me puede importar alguna?
SI NO
5. ¿Cuánto me costaría?
________________________________________________________________
ANEXO N
TABLA DE LAS PROPIEDADES TÍPICAS DEL ALUMINIO
ANEXO O
TABLA DE PROPIEDADES DE DISEÑO PARA EL HIERRO COLADO
