Repositorio Digital UTE - Universidad Tecnológica Equinoccial

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
“AUTOMATIZACIÓN DE DOS MÁQUINAS INDUSTRIALES
PARA LA PREPARACIÓN DE MADERA EN EL
“ASERRADERO SAN ANDRÉS””.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE
INGENIERO EN MECATRÓNICA
DIEGO FERNANDO SALAS GUACHALA
DIRECTOR: ING. LUIS ARMANDO HIDALGO. MSC
Quito, junio, 2014
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2014
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo DIEGO FERNANDO SALAS GUACHALA, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
Diego Fernando Salas Guachala.
C.I. 1722548193
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “AUTOMATIZACIÓN DE
DOS
MÁQUINAS
INDUSTRIALES
PARA
LA
PREPARACIÓN
DE
MADERA EN EL ASERRADERO SAN ANDRÉS”, para aspirar al título de
Ingeniero en Mecatrónica fue desarrollado por Diego Salas, bajo mi
dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple
con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación
artículos 18 y 25.
Ing. Luis Armando Hidalgo Msc.
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A mi amor eterno Nathy, Por siempre estar a mi lado, brindándome todo su
amor, entrega, dedicación y sobre todo por brindarme su inmenso amor,
conocimiento y sobre todo tenerme mucha comprensión y paciencia durante
estos años de mi vida y quien ha sido una pieza clave en mi desarrollo
profesional.Mil gracias porque siempre estas a mi lado sin condiciones.
AGRADECIMIENTO
Quiero expresar mis cordiales agradecimientos primero a la Universidad
Tecnológica
Equinoccial,
por
permitirme
culminar
mi
preparación
universitaria, mi más cordial agradecimiento a Dios, y a mis padres por su
gran sacrifico, hermanos, familiares, amigos, y profesores por haberme
brindado su apoyo para el desarrollo del presente trabajo de titulación.
ÍNDICE DEL CONTENIDO
RESUMEN ................................................................................................... xiii
ABSTRACT .................................................................................................. xiv
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................... 1
1.1.
OBJETIVOS...................................................................................... 6
2. MARCO TEÓRICO ................................................................................ 10
2.1. SIERRA CIRCULAR ................................................................................ 8
2.1.1.
LINEAMIENTOS PARA MANEJO DE SIERRA DE DISCO O
CIRCULAR DE MESA O BANCO. ............................................ 8
2.2.
REGRUESADORA O CEPILLADORA............................................ 10
2.2.1.
LINEAMIENTOS PARA EL MANEJO SEGURO DE
REGRUESADORA ................................................................. 11
2.3.
MECÁNICA DE LOS TORNILLOS DE FUERZA O POTENCIA ..... 13
2.3.1.
TIPOS DE ROSCAS. ............................................................... 17
2.4.
ENGRANES RECTOS .................................................................... 22
2.5.
MOTORES...................................................................................... 32
2.5.1.
SERVOMOTOR ....................................................................... 33
2.5.2.
MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE ALTERNA. ......... 34
2.6.
RODAMIENTO. .............................................................................. 40
2.6.1.
DESCRIPCIÓN. ....................................................................... 40
2.6.2.
TIPOS DE RODAMIENTOS. .................................................... 41
2.7.
PLC’S.............................................................................................. 42
2.7.1.
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE. ......................... 42
2.7.2.
FUNCIONES. ........................................................................... 42
2.7.3.
VENTAJAS. .............................................................................. 43
2.7.4.
HISTORIA DE LOS PLC’S. ...................................................... 44
i
2.7.5.
OTROS USOS ......................................................................... 45
2.7.6.
ESTRUCTURA. ........................................................................ 45
2.7.7.
ARQUITECTURA DE UN AUTÓMATA PROGRAMABLE. ...... 46
2.7.8.
CLASIFICACIÓN DE PLC. ....................................................... 47
2.7.9.
CPU.......................................................................................... 49
2.7.10. CONSOLA DE PROGRAMACIÓN. .......................................... 49
2.7.11. PERIFÉRICOS. ........................................................................ 50
2.7.12. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN. ...................................... 51
2.7.13. PLANO DE FUNCIONES (SÍMBOLOS LÓGICOS). ................. 52
2.8.
HUMAN MACHINE INTERFACE (HMI). ......................................... 53
2.8.1.
TIPOS DE HMI. ........................................................................ 54
2.8.2.
TAREAS DE UN SOFTWARE DE SUPERVISIÓN Y
CONTROL. ............................................................................. 55
3. METODOLOGÍA .................................................................................... 10
3.1.
ESPECIFICACIÓN DEL SISTEMA .......................................... 56
3.1.1.
DISEÑO MECÁNICO ............................................................... 57
3.1.2.
SISTEMA ELECTRÓNICO Y DE CONTROL ........................... 59
3.1.3.
PROTOTIPO VIRTUAL ............................................................ 59
3.1.4.
FABRICACIÓN ......................................................................... 61
4. DISEÑO................................................................................................. 57
4.1.
DISEÑO Y SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS DEL PROYECTO
MECATRÓNICO. .......................................................................... 66
4.1.1.
SISTEMA MECÁNICO. ............................................................ 66
4.1.2.
DISEÑO DE EJE “X” DEL SISTEMA DE CORTE. ................... 67
4.1.3.
DISEÑO DE EJE “Y” DEL SISTEMA DE CORTE. ................... 72
4.1.4.
CÁLCULO DEL TORQUE NECESARIO PARA MOVER EL
SISTEMA DE CORTE............................................................. 75
ii
4.1.5.
CALCULO Y DISEÑO DE ENGRANES RECTOS. .................. 76
4.1.6.
CÁLCULOS DE FUERZAS PARA RODAMIENTOS. ............... 82
4.1.7.
DATOS DEL RODAMIENTO. .................................................. 88
4.1.8.
CÁLCULOS DE LA TRANSMISIÓN Y PASO DE ROSCA
DEL SISTEMA DE ELEVACIÓN DE LA CEPILLADORA. ...... 89
4.1.9.
CÁLCULO DEL TORQUE PARA GIRAR EL PIÑÓN
CÓNICO. ................................................................................ 93
4.1.10. SELECCIÓN DEL ACTUADOR ELÉCTRICO PARA EL
MOVIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE CORTE Y ELEVACIÓN
DE LAS MÁQUINAS. ............................................................ 97
4.2.
SISTEMA ELECTRÓNICO Y DE CONTROL. ................................ 99
4.2.1.
CONTROLADOR. .................................................................. 100
4.2.2.
CONTROL DEL OPERADOR OP320-S SISTEMA HMI. ....... 100
4.2.3.
CONTROL TOUCH PANEL TH465........................................ 101
4.2.4.
SISTEMA DE AMPLIFICACIÓN SERVOMOTOR. ................. 103
4.2.5.
SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE PROTECCIÓN Y
MANDO. ............................................................................... 104
4.2.6.
SELECCIÓN DEL SOFTWARE PARA EL MODELADO
MECÁNICO. ......................................................................... 108
4.3.
ARQUITECTURA DE CONTROL ................................................. 109
4.3.1.
MODELADO MATEMÁTICO SIMPLIFICADO PARA
SISTEMAS AUTOMATIZADOS. ........................................... 109
4.4.
SIMULACIÓN. .............................................................................. 118
4.4.1.
SIMULACIÓN DEL PROYECTO EN SOLIDWORKS Y
MATLAB ............................................................................... 118
4.5.
CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA MECATRÓNICO. ................... 123
4.5.1.
4.6.
SISTEMA MECÁNICO. .......................................................... 123
SISTEMA ELECTRÓNICO Y DE CONTROL. .............................. 127
iii
4.6.1.
TABLERO DE CONTROL. ..................................................... 128
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ............................................................. 66
5.1.
MANUAL DE OPERACIONES. ..................................................... 140
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ..................................... 132
6.1.
CONCLUSIONES. ........................................................................ 143
6.2.
RECOMENDACIONES ................................................................. 144
BIBLIOGRAFÍA. ......................................................................................... 145
ANEXOS. ................................................................................................... 141
iv
ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Análisis FODA Del Aserradero San Andrés ..................................... 4
Tabla 2. Cuadro de pronóstico. ...................................................................... 5
Tabla 3. Paso del engrane. .......................................................................... 23
Tabla 4. Fórmulas para caracteristicas de dientes de engrane. .................. 24
Tabla 5 . Características geométricas de diente de engrane cónicos
rectos. ........................................................................................... 29
Tabla 6. Tipos de sellado motor trifásico. .................................................... 39
Tabla 7. Equivalencia de paso diametral. .................................................... 93
Tabla 8. Selección del actuador eléctrico para el movimiento de los
sistemas ........................................................................................ 98
Tabla 9. Parámetros técnicos del servomotor. ............................................ 99
Tabla 10. Tipos de gabinetes NEMA. ........................................................ 105
Tabla 11. Software SolidWorks & Autodesk Inventor ................................ 108
Tabla 12. Producción de madera en hora sistema automatizado. ............. 135
Tabla 13. Producción de madera en horas sin sistema automatizado. ...... 135
Tabla 14. Análisis de resultados. ............................................................... 137
v
ÍNDICE DE FIGURAS.
Figura 1. Sierra circular de banco. ................................................................. 9
Figura 2. Cepilladora, existente en el Aserradero ....................................... 11
Figura 3. Esquema de un tornillo de potencia .............................................. 13
Figura 4. Desarrollo de una vuelta del tornillo de potencia .......................... 14
Figura 5. Partes de la Rosca........................................................................ 17
Figura 6. Rosca en V Aguda ........................................................................ 18
Figura 7. Rosca Redondeada ...................................................................... 18
Figura 8. Rosca Unificada ............................................................................ 19
Figura 9. Rosca Cuadrada. .......................................................................... 19
Figura 10. Rosca Acme. .............................................................................. 20
Figura 11. Rosca Acme de Filete Truncado. ................................................ 20
Figura 12. Rosca Whitworth ......................................................................... 21
Figura 13. Rosca Sin Fin ............................................................................. 21
Figura 14. Rosca Trapezoidal ...................................................................... 22
Figura 15. Caracterisiticas de un engrane recto. ......................................... 22
Figura 16. Ángulo de presion del engrane. .................................................. 26
Figura 17. Geometría de engranes cónicos o biselados .............................. 28
Figura 18. Fuerzas aplicadas en engranes cónicos. .................................... 30
Figura 19. Servomotor CA ........................................................................... 34
Figura 20. Tipos de rotores .......................................................................... 35
Figura 21. Partes de un estator.................................................................... 36
Figura 22. Rotor de un motor AC ................................................................ 36
Figura 23. Configuración de arranque motores trifásicos. a) Arranque tipo
triangulo b) Arranque tipo estrella ................................................................ 38
Figura 24. Rodamiento de bolas .................................................................. 40
Figura 25. Proceso del PLC’S. ..................................................................... 46
Figura 26. Bloques del PLC’S. ..................................................................... 46
Figura 27. Funciones del PLC’S. ................................................................. 48
Figura 28.Terminal de programación compatible PC. .................................. 50
vi
Figura 29. Perifericos del PLC’s................................................................... 50
Figura 30. Lenguajes de programacion del PLC’s. ...................................... 51
Figura 31. Diagrama de contacto. ................................................................ 52
Figura 32. Diagrama de contacto y sus funciones. ...................................... 53
Figura 33. Función sistema HMI. ................................................................. 54
Figura 34. Componentes de la metodología mecatrónica ............................ 56
FIGURA 35. Sistema de corte tipo tupi de Otto MARTIN Maschinenbau
GmbH & Co.................................................................................................. 58
Figura 36. Proceso de construcion mecanica . ............................................ 62
Figura 37. Esquema de montaje del sistema eléctrico y de control ............. 63
Figura 38. Esquema del proceso de pruebas .............................................. 64
Figura 39. Esquematización del proceso de diseño y construcción de las
máquinas Sierra de circular de banco y Cepilladora. ................................... 65
Figura 40. Eje x sistema de corte................................................................. 67
Figura 41. Diagramas de la fuerza cortante y momento flextor................... 68
Figura 42. Sistema de corte eje Y ................................................................ 72
Figura 43. Cuadro de resistencia de materiales........................................... 73
Figura 44. Factores de confiabildad. ............................................................ 74
Figura 45. Factores de diseño ..................................................................... 74
Figura 46. Fuerzas ejercidas en el engrane ................................................. 81
Figura 47. Fuerzas ejercidas en el rodamiento. ........................................... 82
Figura 48. Diagrama cuerpo libre fuerza radial. ........................................... 83
Figura 49. Diagrama cuerpo libre fuerza radial Y. ........................................ 83
Figura 50. Diagrama de cortante y momento flector. ................................... 85
Figura 51. Diagrama cuerpo libre eje Z. ....................................................... 85
Figura 52. Diagrama cortante y momento flector eje Z. ............................... 87
Figura 53. Sistema de elevacion. ................................................................. 89
Figura 54. Diagrama de fuerzas sistema de elavacion ................................ 91
Figura 55. Esquema del accionamiento de un servomotor. ......................... 99
Figura 56. PLC’S xinje XC3. ...................................................................... 100
Figura 57. OP320s. .................................................................................... 101
Figura 58. Touch panel. ............................................................................ 103
vii
Figura 59. Esquema del servodriver .......................................................... 104
Figura 60. Porta fusibles. ........................................................................... 106
Figura 61. Interruptor para circuito. ............................................................ 106
Figura 62. Boton de parada ....................................................................... 107
Figura 63. Luces piloto. .............................................................................. 107
Figura 64. Contactor trifásico. .................................................................... 108
Figura 65. Modelo matemático servomotor AC .......................................... 110
Figura 66. Modelo matematico sistema mecanico de rotacion. ................. 112
Figura 67. Sistema de transmisión por engranes....................................... 113
Figura 68. Polos de la función de transferencia. ........................................ 116
Figura 69. Respuesta a un escalón del sistema. ....................................... 117
Figura 70. Representación del sistema en SolidWorks. ............................ 118
Figura 71. Diagrama de bloques del sistema mecánico diseñado. ............ 119
Figura 72. Simulación del sistema de corte en SimMechanics .................. 119
Figura 73. Sistema de corte aplicado las fuerzas correspondientes. ......... 120
Figura 74. Resultado de análisis del Eje X. ............................................... 121
Figura 75. Resultado de análisis del eje Y ................................................. 122
Figura 76. Maquinado del eje..................................................................... 124
Figura 77. Realizando el agujero de la chaveta con la máquina fresadora.124
Figura 78. Ubicando los rodamientos en el eje. ......................................... 125
Figura 79. Realizando las respectivas soldaduras a sistema. ................... 126
Figura 80. Cruceta XY, base del motor ..................................................... 126
Figura 81. Sistema montado en la máquina sierra de banco. .................... 127
Figura 82. Tablero de control. .................................................................... 128
Figura 83. Diagrama eléctrico de potencia para el sistema de corte. ........ 129
Figura 84. Diagrama Eléctrico Del Tablero De Control. ............................. 129
Figura 85. Grafcet del sistema de elevación .............................................. 130
Figura 86. Grafcet sistema de corte ........................................................... 131
Figura 87. Diseño mecánico del sistema de corte. .................................... 132
Figura 88. Tablero de control del sistema de corte con su pantalla HMI touch
panel. ......................................................................................................... 133
viii
Figura 89. Panel de control de la máquina cepilladora con su respectivo HMI
op320. ........................................................................................................ 134
Figura 90. Aumento de la producción de madera. ..................................... 136
ix
ÍNDICE DE ECUACIONES.
EC. 2.1 Torque………………………………………. .................................... 14
EC. 2.2 Avance de la rosca......................................................................... 14
EC. 2.3 Diametro medio de la rosca ........................................................... 15
EC. 2.4 Par de torsion levantar carga… ..................................................... 15
EC. 2.5 Autoaseguramiento ........................................................................ 15
EC. 2.6 Monento para subir la carga .......................................................... 15
EC. 2.7 Eficacia………….. ........................................................................ ..16
EC. 2.8 Paso circular .................................................................................. 23
EC. 2.9 Paso diametral ............................................................................... 23
EC. 2.10 Addendum .................................................................................... 24
EC. 2.11 Dedendum….. .............................................................................. 24
EC. 2.12 Holgura ......................................................................................... 24
EC. 2.13 Diametro exterior………………………………………………………25
EC. 2.14 Diametro de raiz ........................................................................... 25
EC. 2.15 Altura total .................................................................................... 25
EC. 2.16 Profundidad de trabajo ................................................................. 25
EC. 2.17 Espesor del diente........................................................................ 25
EC. 2.18 Ancho de cara .............................................................................. 26
EC. 2.19 Distancia entre dientes................................................................. 26
EC. 2.20 Relacion de contacto…………………………….. .......................... 27
EC. 2.21 Angulo de cono de paso piñon ..................................................... 28
EC. 2.22 Angulo de cono de paso engrane ................................................. 28
EC. 2.23 Engrane separados a 90° ............................................................. 28
EC. 2.24 Diametro de paso .......................................................................... 28
EC. 2.25 Paso circular ................................................................................. 29
EC. 2.26 Relacion de velocidad ................................................................... 29
EC. 2.27 Torque........................................................................................... 30
EC. 2.28 Carga transmitida .......................................................................... 31
EC. 2.29 Radio medio del piñon .................................................................. 31
EC. 2.30 Carga radial.. ................................................................................ 31
x
EC. 2.31 Carga axial.. .................................................................................. 32
EC. 4.1 Potencia de corte ............................................................................ 69
EC. 4.2 Potencia…………………………………… ........................................ 70
EC. 4.3 Potencia necesaria ......................................................................... 70
EC. 4.4 Momento Flextor ............................................................................. 70
EC. 4.5 Momento….. ................................................................................... 71
EC. 4.6 Esfuerzo permisible ........................................................................ 71
EC. 4.7 Momento flextor .............................................................................. 71
EC. 4.8 Modulo de seccion .......................................................................... 71
EC. 4.9 Diametro de eje x ............................................................................ 72
EC. 4.10 Diametro del eje y…………… ....................................................... 73
EC. 4.11 Potencia del motor ........................................................................ 75
EC. 4.12 Fuerza radial A .............................................................................. 87
EC. 4.13 Fuerza radial B .............................................................................. 87
EC. 4.14 Funcion de tranferencia motor AC .............................................. 111
EC. 4.15 Constante de par del motor......................................................... 111
EC. 4.16 Constante electrica del motor ..................................................... 111
EC. 4.17 Funcion de tranferencia motor AC con constantes ..................... 111
EC. 4.18 Formula despejada funcion de transferencia .............................. 111
EC. 4.19 Funcion de transferencia final ..................................................... 111
EC. 4.20 Funcion de tranferencias sistema mecanico de rotacion ............ 112
EC. 4.21 Funcion de transferencia ……………………………………………112
EC. 4.22 Funcion de transrencia de engranes .......................................... 113
EC. 4.23 Transformada z de la funcion de transferencia ........................... 113
EC. 4.24 Funcion de transferencia del sistema......................................... 114
xi
ÍNDICE DE ANEXOS.
Anexo 1. Material para diseño del eje. ....................................................... 147
Anexo 2. Esquema servodriver. ................................................................. 148
Anexo 3. Datos tecnicos del rodamiento. ................................................... 149
Anexo 4. Especificaciones Técnicas PLC XINJE XC3 ............................... 153
Anexo 5. Especificacion tecnica touch panel TH-465. ............................... 157
Anexo 6. Especificación técnica OP 320. .................................................. 160
xii
RESUMEN
El proyecto de tesis de grado trato sobre la automatización de dos tipos de
máquinas como son la cepilladora de madera y la sierra de banco, las cuales
utilizan un sistema HMI el cual se encarga de controlar el sistema de
elevación de la cepilladora de madera y la posición del sistema de corte
construido para la sierra de banco, que mediante servomotores realizan la
tarea, el sistema HMI nos permite tener un mejor ambiente de trabajo entre
el ser humano y la máquina. Para el diseño del proyecto se ha implementado
herramientas de diseño mecánico, electrónico y modelado, con las que se
realiza: el diseño de los tableros de control, las simulaciones, estudios
mecánicos de movimientos, principalmente para crear el prototipo virtual
antes de construir el prototipo físico. La metodología utilizada para encontrar
la solución se basa en dos bloques que son hardware y software. En esta
investigación, se estudió tecnologías aplicables a sistemas de clasificación
como: sistemas HMI, motores y programación en el software de ingeniería,
estas partes serán descritas detalladamente en este documento. Ya
construida la máquina se obtuvo mejorías en la calidad del terminado del
cepillado y del corte del larguero de cama, disminuyendo los costos de
producción, acortando los tiempos de entrega y producción.
xiii
ABSTRACT
The thesis project is about automating two types of machines such as wood
planer and table saw, which use an HMI system which is responsible for
controlling the lifting system planer and wood position of the cutting system
built for the table saw, that by servomotors perform the task, the HMI system
allows us to have a better working environment between human and
machine, the design for the project has been implemented mechanical
design tools , electronics and modeling, with which it is performed: the design
of dashboards, simulations, studies mechanical movements, mainly to create
the virtual prototype before building the physical prototype. The methodology
used for the solution is based on two blocks which are hardware and
software. In this research, applicable technologies to explore classification
systems such as HMI systems, motors and programming software
engineering, these parts will be described in detail herein. Already built the
machine was obtained improvements in the quality of the finished brushing
and cutting yards of bed, reducing production costs, shortening lead times
and production.
xiv
1. INTRODUCCIÓN
La madera, sustancia dura y resistente que constituye el tronco de los
árboles, fue el primer material empleado por el hombre debido a sus
características como: facilidad de conformación, bajo peso específico,
apariencia agradable y buenas propiedades mecánicas, térmicas y
acústicas, etc. Estas, y otras propiedades, han dado a la madera un campo
de aplicación extenso en la construcción y fabricación de muchos artefactos.
Debido a la facilidad de conformación y su apariencia agradable la madera
es el principal elemento en la fabricación de muebles, actividad que se la
viene realizando en el país desde hace mucho tiempo atrás de forma
artesanal casi en su totalidad.
La industria del mueble ha tenido un crecimiento importante dentro del
mercado nacional ya que sus diferentes diseños otorgan satisfacción y
confort en sus usuarios, siendo esta un área en explotación las industrias
han visto la necesidad de mejorar los procesos de fabricación.
Actualmente las máquinas para la elaboración de muebles tienen un papel
importante, por lo que se ha visto la necesidad de automatizar el control del
desplazamiento vertical de la mesa de una cepilladora, y el acoplamiento de
un nuevo sistema de corte para la sierra circular de banco.
La automatización industrial es el uso de sistemas electromecánicos
sistemas computarizados los cuales nos permiten controlar máquinas
industriales, siendo su objetivo principal reducir el tiempo del proceso o en
casos más objetivos sustituyendo a operadores humanos.
Los sistemas de automatización contienen un sinfín de instrumentos de la
industria como son los sensores, transmisores, actuadores, sistemas de
control automático, los cuales nos ayudan a supervisar y controlar los
diferentes tipos de proceso.
La automatización de maquinaria existe hacía ya muchos años viniendo
desde una escala pequeña de automatización como mecanismos simples los
1
cuales realizaban tareas sencillas, con el pasar de los años la
automatización evoluciono cuando a los mecanismos se les incluyo
computadoras
digitales
las
cuales
permitieron
realizar
trabajos
especializados.
En la actualidad la automatización avanzado a pasos agigantados a tal punto
que han reemplazado a seres humanos en su trabajo, ejemplo en la industria
automotriz la mayoría por no decir todas las ensambladoras de vehículos
tienen automatizado su sistema lo cual permite tener una mejor producción
en tiempos más cortos sin que exista riesgo para el obrero.
Por otra parte ningún sistema automatizado puede competir con los distintos
sentidos del ser humano, ninguna máquina competirá con la precisión del ojo
humano, tampoco con el oído ni con su sentido del gusto por la gran
cantidad de esencias que puede distinguir también sumamos la gran
precisión que se necesita para realizar cirugías, todo esto que más allá de
cualquier expectativa de los sistemas de automatización.
Existen diferente tipos de elementos que nos permiten realizar la
automatización como son los MICROCONTROLADORES (Circuito integrado
programable), PLC’s (Controlador lógico programable), los cuales nos
permiten manejar diferentes tipos de señales ya sean analógicas y digitales,
en la industria los más utilizados son los PLC’s por su gran acoplamiento con
las interfaces HMI (interfaz hombre máquina) que son comunes para el
manejo de PLC’s y por ende del sistema automatizado, también el PLC’s nos
permite realizar sistemas SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
(Control de Supervisión y Adquisición de Datos) que es un sistema que se
basa en computadoras lo cual nos permite supervisar y controlar variables
de proceso a distancia, realizando comunicación con los dispositivos de
campo (controladores autónomos) y controlando el proceso de forma
automática por medio de un software especializado. También provee de toda
la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios,
tanto del mismo nivel como de otros usuarios supervisores dentro de la
2
empresa
(supervisión,
control
calidad,
control
de
producción,
almacenamiento de datos, etc.).
El Aserradero San Andrés viene trabando desde ya hace 18 años tiempo en
el cual sus máquinas industriales no han tenido ningún tipo de mejora y
teniendo en cuenta las falencias que existen en la maquinaria de producción
nacional, por este motivo la empresa se ha estancado en prestar el mismo
nivel de servicio por todo este tiempo.
Viendo las falencias que presentan las diferentes máquinas como son la
sierra de circular de banco y la cepilladora la empresa ha decidido
automatizar las dos máquinas las cuales realizan el porcentaje mayor del
trabajo efectuado en el aserradero con 200 tablones en 40 horas de trabajo.
Siendo la mayor producción la preparación de largueros de cama los cuales
necesitan un cepillado ideal para luego realizar los dos cortes en la madera
para su finalización, teniendo en cuenta las falencias y los altos costos que
representan una máquina automatizada nacional e importada, se realizará la
automatización de las dos máquinas.
Las máquinas actuales utilizadas para realizar el cepillado y los cortes de la
madera no son los adecuados para las exigencias de la producción. Las
pérdidas de madera por el mar cepillado o corte son muy comunes con este
tipo de maquinaria además las dimensiones que se deben ubicar dependen
de la buena habilidad del obrero, con la conclusión de mejorar la producción
y el acabado de la madera, se propone diseñar e implementar la
automatización de las dos máquinas industriales, la automatización del
sistema de elevación de la cepilladora y la construcción de un nuevo sistema
de corte para la sierra circular de banco los cuales permitirán mejorar la
calidad y los tiempos de producción de la madera con un mejor ambiente de
trabajo para el obrero mediante el sistema HMI.
En la Tabla 1 FODA que se analizará se identificaron los siguientes
problemas y síntomas que tratamos de solucionar en el “Aserradero San
Andrés” para mejor el preparado de la madera.
3
Tabla 1. Análisis FODA Del Aserradero San Andrés
FODA
Oportunidades


Expandir el negocio a
Amenazas

llegar a tener
nivel nacional.
mayor
Seguir invirtiendo en la
competitividad
automatización de nuevas
en el campo
máquinas.
maderero.

mal uso del
sistema
automatizado
Fortalezas


Crecer como

Alcanzar la
empresa en
automatización de toda la
sector maderero.
maquinaria existente en
garantizar la
la empresa.

Mejorar el
preparado de la
calidad del
madera acorde
preparado de
con lo exigido
madera
por el cliente
Debilidades

antiguas



conservar

Diseñar un
Desarrollar nuevos
sistema de
máquinas
sistemas de
control de
no automatizar
automatización para la
calidad para
todas las
maquinaria.
disminuir las
máquinas del
perdidas y
aserradero.
mejorar la
nula experiencia
calidad del
en el sector de
terminado de la
automatización.
madera.
4
Con los problemas identificados en la Tabla 1. FODA realizada nos permite
elegir el desarrollo y la implementación de un sistema de automatización
para las siguientes máquinas.

Cepilladora de madera.

Sierra de circular de banco.
Siendo las dos máquinas las más importantes a la hora del terminado de la
madera ya que nos permiten realizar cortes o cepillado de la madera que en
la mayoría de los casos es el último procedimiento en el preparado de la
madera.
Tabla 2. Cuadro de pronóstico.
Síntomas
Pronóstico
Mejoras
Tener maquinaria
Mantener fallas
Invertir en la mejora
Antigua
regularmente.
de maquinaria
No poseer maquinas
Tener un acabado de
Mantener un sistema
Automatizadas
la madera no acorde
automatizado para el
al del cliente
preparado de madera
Personal no especializado
mal uso de
Capacitar al personal
En madera
maquinaria por ende
que realiza el trabajo
daño de maquinaria
mediante cursos.
Pérdida de clientes
Automatizar e
debido a la mala
implementar nuevos
preparación de la
diseños para la
madera
mejora del preparado
Madera mal preparada
de madera
La tabla 2. Nos demuestra que siendo la mala terminación en el preparado
de la madera y el mayor problema por el cual el cliente no tiene una buena
satisfacción el aserradero san Andrés ha decidido invertir en la
5
automatización de dos máquinas industriales, la cepilladora con la
automatización del sistema de elevación de la mesa de trabajo, la sierra
circular de banco con la implementación de un nuevo sistema de corte lateral
para el corte de largueros de cama, para de esta manera conseguir mejorar
el terminado de la madera solicitada por el cliente.
Para llegar a la solución planteada se ha decidido diseñar un nuevo sistema
de corte perpendicular al ya existente para realizar el corte de los largueros
de cama, y para el sistema de elevación se realizara un acoplamiento de un
mecanismo el cual funcione automáticamente y preciso.
1.1. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
 Automatizar dos máquinas industriales para la preparación de madera en
el Aserradero San Andrés.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
 Analizar el sistema de elevación mecánico existente en la máquina.
 Diseñar un mecanismo de posicionamiento para el nuevo sistema de
corte
 Diseñar un panel de control amigable con el obrero para el control del
sistema de elevación el sistema de corte.
 Simular e implementar los sistemas diseñados.
En la actualidad el preparado de la madera ha ganado gran mercado en
carpinterías y lugares afines a la fabricación de muebles, con sus diferentes
diseños y acabados, por lo que las carpinterías están en la obligación de ir
mejorando los procesos de fabricación para mejorar la calidad del terminado
de la madera y por ende del mueble y satisfacer las necesidades de los
clientes.
6
El objetivo de esta investigación es el de facilitar el control del
desplazamiento vertical de la mesa de una cepilladora de forma automática,
e implementando un nuevo sistema de corte para la sierra circular de banco,
ya que en El “Aserradero San Andrés “existen estas clases de maquinaria,
por lo que se ha visto la necesidad de implementar un sistema técnico para
facilitar el trabajo y evitar el esfuerzo físico del trabajador ayudando de esta
manera al adelanto de la industria y el mejor acabado en la madera.
Con la automatización del sistema de elevación y el acoplamiento del nuevo
sistema de corte se podrá realizar mejoras y reducir los tiempo del
preparado de la madera, porque se podrá realizar los dos cortes al larguero
de cama en el tiempo de uno y con la automatización de la cepilladora se
mejorara el posicionamiento de la medida necesitada para el preparado de la
madera y así se simplificara el trabajo a los obreros y se mejorara la
producción en el Aserradero.
7
2. MARCO TEÓRICO
En este capítulo se presentan los componentes principales que se utilizaran
para el desarrollo de la presente tesis, El proyecto se enfocó en generar un
proceso de reingeniería y mejoras a las principales máquinas que se utilizan
en la producción, las máquinas que entraran en proceso son la sierra de
banco y la cepilladora. La sierra de banco a la cual se le diseñó un nuevo
sistema mecánico de corte el cual consta de un sistema tipo tupi, y la
automatización del sistema de elevación de la máquina cepilladora
A continuación se detallaran todos los componentes a utilizarse.
2.1. SIERRA CIRCULAR
La
sierra
circular
es
una
máquina
para
aserrar
longitudinal
o
transversalmente maderas. Dotada de un motor eléctrico que hace girar a
gran velocidad una hoja circular. Empleando una hoja adecuada (En cuanto
a su dureza y a la forma de sus dientes), una sierra circular portátil puede
cortar cualquier cosa.
2.1.1. LINEAMIENTOS PARA MANEJO DE SIERRA DE DISCO O
CIRCULAR DE MESA O BANCO.
Es una máquina ligera y sencilla, cuya función esencial es cortar o aserrar
piezas
de
madera,
como
tableros,
rollizos,
tablones,
etc.
Consta
básicamente de una mesa fija con una ranura en el tablero que permite el
paso del disco de sierra, un motor y un eje porta-herramienta, como se
muestra en la Figura 1.
8
Figura 1. Sierra circular de banco.
La postura normal del trabajador es frontal a la herramienta, junto a la mesa,
y empujando con ambas manos la pieza, pero con ayuda de unos
dispositivos en madera o acrílicos diseñados para tal fin evitando posibles
accidentes por rapado. Cuando la máquina no está dotada de guías u otros
complementos, el corte se efectúa a pulso. Esta máquina destaca por su
sencillez de manejo y precisión de trabajo relativo, lo que facilita su uso por
personas no cualificadas que toman confianza hasta el extremo de
despreciar su peligrosidad. Se debe hacer hincapié en que el uso de esta
sierra será exclusivo para trabajos asequibles a ella, no permitiéndose
ejecutar tareas que resultan más seguras si se realizan con herramientas
manuales o con sierras circulares portátiles.
Los riesgos que se derivan del manejo de esta máquina son:
-
Contacto accidental con el dentado del disco en movimiento
-
Retroceso y proyección de la pieza de madera (rebote).
-
Proyección del disco o parte de él
-
Contacto con las correas de transmisión (si las hay)
Los volantes de la sierra deberán estar imprescindiblemente en un mismo
plano.
9
Esta tipo de máquina debe estar provista de carcasa superior, resguardo
inferior, recubrimiento de la correa de transmisión y por otros dispositivos
auxiliares.
2.2. REGRUESADORA O CEPILLADORA
Un cepillo de madera es una máquina herramienta que permite realizar la
operación del cepillado. El cepillado de la madera consiste en rebajarla
extrayendo de manera sucesiva, finas láminas de madera, para nivelarla,
alisarla y llevarla a la medida deseada.
Las características principales de nuestro cepillo son: 40cm. de ancho de la
mesa. Cilindro de 3 cuchillas. Dos rodillos de avance. Dos velocidades de
avance y sistema de embrague. Tableros rectificados. Motor de 5HP
trifásico, como se muestra en la Figura 2.
Las máquinas para trabajar la madera son especialmente peligrosas debido
a su alta velocidad de corte y a que, con frecuencia, requieren la presencia
del trabajador en el manejo de la pieza o alimentación de la misma.
Aunque todas las medidas preventivas que se indicaron para máquinas
herramientas destinadas al mecanizado de metales, acerca de órganos de
accionamiento, puesta en marcha, parada, caídas y proyecciones de
objetos, mantenimiento, elementos móviles, etc. son válidas para las
máquinas convencionales de carpintería, a continuación se describen las
máquinas que con mayor frecuencia se utilizan en esta actividad, haciendo
especial hincapié en los riesgos más relevantes que se derivan de su
manipulación.
10
Figura 2. Cepilladora, existente en el Aserradero
2.2.1. LINEAMIENTOS PARA EL MANEJO SEGURO DE
REGRUESADORA
La regruesadora o cepilladora de gruesos se utiliza para obtener una
superficie plana paralela a otra anteriormente preparada y a una distancia
prefijada de ésta. Consta esencialmente de una base fundida de una sola
pieza, que soporta la mesa, el árbol porta cuchillas y los dispositivos de
transporte y ajuste. La mesa es desplazable en altura, siendo la magnitud
del desplazamiento función del espesor de la pieza que se mecaniza,
oscilando las alturas máximas de trabajo entre 200-235 mm. El ajuste de la
mesa puede realizarse manualmente mediante un volante o mecánicamente.
En ambos casos, una regla graduada en milímetros indica la magnitud de la
apertura.
El mando del avance es totalmente independiente del mando del árbol porta
cuchillas y tiene su propio motor. La madera se sujeta muy cerca del árbol
porta cuchillas por medio de Prensores seccionados graduables, con lo que
todas las piezas de madera, de gruesos diferentes, quedan sujetas cuando
11
se reducen de espesor y el sistema de garras anti rebote evitan que la
madera se frene y devuelva de manera brusca.
Los riesgos que con mayor frecuencia se presentan en la regruesadora son
los siguientes:
-
Contacto con el árbol porta cuchillas
-
Atrapamiento entre el cilindro estriado de avance y la pieza
-
Retroceso imprevisto de la pieza en elaboración
-
Rotura y proyección de cuchillas
Los travesaños de presión han de estar tan próximos como sea posible al
cilindro de vuelo formado por las cuchillas con el fin de evitar las vibraciones
en piezas de poco espesor.
Los rodillos de arrastre y de extracción deben estar próximos a los
travesaños de presión con objeto de poder cepillar maderas cortas.
El mínimo de longitud de las piezas de reducir el espesor, es igual a la
distancia entre ejes de los cilindros de arrastre y de extracción más cinco
centímetros.
Se recomienda no introducir a la regruesadora más de una pieza de madera
a la vez, evitando que se trabe la máquina o sea expulsada una de las
piezas, generando lesiones al trabajador o daños a la máquina.
Partes de la cepilladora de madera.

Manubrio para cambio de altura

Perno para fijar árbol

Mesa de trabajo

Cubierta

Árbol o eje

Base de la máquina
12
Sistema de manubrio para cambio de altura.
El sistema para el cambio de altura de la sierra circular de mesa consta de
las siguientes partes: un eje y dos tornillos de potencia enlazados por
engranes cónicos.
2.3. MECÁNICA DE LOS TORNILLOS DE FUERZA O
POTENCIA
Este tipo de tornillos se utilizan para transformar un movimiento angular en
lineal, transmitiendo fuerza (prensas, gatos, husillos de avance de tornos,
etc.), como se muestra en la Figura 3.

dm= diámetro medio.

p = paso.

λ = ángulo de hélice, o de avance.
Se quiere calcular la relación entre el par T necesario para bajar y subir la
carga y la fuerza F.
Figura 3. Esquema de un tornillo de potencia
13
El filete de la rosca del tornillo se desarrolla sobre un plano una longitud
equivalente a una vuelta. Se hace un análisis de las fuerzas actuantes para
subir y bajar la carga como se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Desarrollo de una vuelta del tornillo de potencia
Momento o par de torsión requerido para dos fines; vencer el rozamiento en
la rosca y levantar la carga
𝑻=
𝑭𝒅𝒎
𝟐
𝒍+𝝅𝝁𝒅𝒎
∗ (𝝅𝒅𝒎−𝒖𝒍)
EC. 1
Dónde:
T = torque para levantar la carga (Nm)
F = fuerza de compresión axial (N)
dm = diámetro medio (m)
μ = coeficiente de fricción
𝑙 = avance de la rosca (m)
Para obtener el avance de la rosca se aplica la ecuación siguiente
𝑙 = 𝑛𝑝
EC. 2
14
Dónde:
n=Número de entradas de la roscas.
p=paso de la rosca (m).
DIÁMETRO MEDIO DE LA ROSCA.
𝑷
𝒅𝒎 = 𝒅 − 𝟐
EC. 3
Dónde:
d= diámetro externo de la rosca
p= paso de la rosca (m)
PAR DE TORSIÓN REQUERIDO PARA HACER DESCENDER LA
CARGA.
𝑻=
𝑭𝒅𝒎
𝟐
𝝅𝝁𝒅𝒎−𝒍
∗ (𝝅𝒅𝒎−𝒖𝒍)
EC. 4
Dónde:
T = torque para descender la carga (Nm)
En casos específicos en donde el avance es largo o la fricción es baja puede
suceder que la carga descienda por sí sola, haciendo que el tornillo gire sin
ninguna acción externa. En estos casos el par de torsión T de la ecuación
anterior será negativo o igual a cero. Cuando se tiene un momento positivo
se dice que el tornillo es autoasegurante, por lo tanto la ecuación de
autoaseguramiento es la siguiente.
𝝅𝝁𝒅𝒎 > 𝒍
EC. 5
Una expresión de eficiencia también será útil para evaluar los tornillos de
potencia si μ= 0 en la ecuación de momento para subir la carga.
𝐹𝑙
𝑇𝑜 = 2𝜋
EC. 6
15
Que como se eliminó la fricción de la rosca es el momento necesario para
elevar la carga. Por consiguiente la eficiencia es.
𝒆=
𝑻𝒐
𝑻
𝑭𝒍
= 𝟐𝝅𝑻
EC. 7
Dónde:
F = fuerza de comprensión axial
𝑙 = avance de la rosca (m)
T = torque para levantar la carga (Nm).
Las ecuaciones precedentes se han desarrollado para roscas cuadradas,
donde las cargas normales son paralelas al eje del tornillo.
NORMAS O ESTÁNDARES PARA DEFINICIÓN DE ROSCAS DE
TORNILLOS.
Una Rosca es una arista helicoidal de un tornillo (rosca exterior) o de una
tuerca (rosca interior), de sección triangular, cuadrada o roma, formada
sobre un núcleo cilíndrico, cuyo diámetro y paso se hallan normalizados.
Se denomina rosca al fileteado que presentan los tornillos y los elementos a
los que éstos van roscados (tuercas o elementos fijos). Las roscas se
caracterizan por su perfil y paso, además de su diámetro.
PARTES DE LA ROSCA.
El Paso es la distancia que hay entre dos hilos adyacentes, medida
paralelamente al eje de la rosca, y es el reciproco de numero de hilos por
pulgada.
 Diámetro mayor d es el mayor diámetro de la rosca.
 Diámetro menor dr es el diámetro de menor tamaño de la rosca.
16
El avance es la distancia que desplaza una tuerca paralelamente al eje de la
rosca de un tornillo, cuando se le da una vuelta en el caso de una rosca
simple (o de un solo filete) como la de la Figura 5 el avance es igual al paso.
Figura 5. Partes de la Rosca
Un elemento con rosca múltiple es aquel cuya rosca tiene dos o más filetes.
Los productos estandarizados como tornillos pernos, tuercas etc. tienen
rosca sencilla.
En un tornillo de rosca doble el avance es igual a dos veces el paso, y en
uno de rosca triple el avance es igual a tres veces el paso, etc.
2.3.1. TIPOS DE ROSCAS.
ROSCA EN V AGUDA
Como se muestra en la Figura 6, Se aplica en donde es importante la
sujeción por fricción o el ajuste, como en instrumentos de precisión, aunque
su utilización actualmente es rara.
17
Figura 6. Rosca en V Aguda
ROSCA REDONDEADA.
Como se muestra en la Figura 7. Se utiliza en tapones para botellas y
bombillos, donde no se requiere mucha fuerza, es bastante adecuada
cuando las roscas han de ser moldeadas o laminadas en chapa metálica.
Figura 7. Rosca Redondeada
ROSCA NACIONAL AMERICANA UNIFICADA.
Como se muestra en la Figura 8. Esta forma es la base del estándar de las
roscas en Estados Unidos, Canadá y Gran Bretaña.
18
Figura 8. Rosca Unificada
ROSCA CUADRADA
Como se muestra en la Figura 9 .Esta rosca puede transmitir todas las
fuerzas en dirección casi paralela al eje, a veces se modifica la forma de
filete cuadrado dándole una conicidad o inclinación de 5° a los lados.
Figura 9. Rosca Cuadrada.
19
ROSCA ACME
Como se muestra en la Figura10 .Ha reemplazado generalmente a la rosca
de filete truncado. Es más resistente, más fácil de tallar y permite el empleo
de una tuerca partida o de desembrague que no puede ser utilizada con una
rosca de filete cuadrado.
Figura 10. Rosca Acme.
ROSCA ACME DE FILETE TRUNCADO.
Como se muestra en la Figura 11 .La rosca Acme de filete truncado es
resistente y adecuada para las aplicaciones de transmisión de fuerza en que
las limitaciones de espacio la hacen conveniente.
Figura 11. Rosca Acme de Filete Truncado.
20
ROSCA WHITWORTH.
Como se muestra en la Figura 12. Utilizada en Gran Bretaña para uso
general siendo su equivalente la rosca Nacional Americana.
Figura 12. Rosca Whitworth
ROSCA SIN FIN.
Como se muestra en la Figura 13 .Se utiliza sobre ejes para transmitir
fuerza a los engranajes sin fin.
Figura 13. Rosca Sin Fin
ROSCA TRAPEZOIDAL.
Como se muestra en la Figura 14 .Este tipo de rosca se utiliza para dirigir la
fuerza en una dirección. Se emplea en gatos y cerrojos de cañones.
21
Figura 14. Rosca Trapezoidal
2.4. ENGRANES RECTOS
Los engranes rectos se utilizan para transmitir movimientos de rotación entre
ejes paralelos. Los dientes son paralelos al eje de rotación. Como se
muestra en la Figura 15.
Figura 15. Caracterisiticas de un engrane recto.
22
CARACTERÍSTICAS DE LOS DIENTES DE ENGRANE
Paso.
La distancia entre dientes adyacentes y el tamaño de los dientes se
contralan mediante el paso de los dientes
Existen tres tipos de indicar el paso que son de uso común en los engranes
1. paso circular
2. paso diametral
3. módulo métrico
Paso circular.
La distancia de un punto del diente de un engrane en el círculo de paso al
punto correspondiente del siguiente diente, medida a lo largo del circulo de
paso, es el paso circulas (ver figura).
𝝅
𝒑 = 𝑫𝑵
EC. 8
Paso diametral.
Es el sistema de paso que se usa con más frecuencia hoy, igual al número
de dientes por pulgada de diámetro de paso. Su definición básica es.
𝑷𝒅 = 𝑵⁄𝑫
EC. 9
Tabla 3. Paso del engrane.
Paso grueso (Pd < 20)
Paso fino (Pd >= 20)
1
2
5
12
20
72
1.25
2.5
6
14
24
80
1.5
3
8
16
32
86
1.75
4
10
18
48
120
64
23
PROPIEDADES DEL DIENTE DE ENGRANE.

Addendum, o altura de la cabeza (a): La distancia radical desde el
círculo de paso hasta el exterior de un diente.
𝒂 = 𝟏⁄𝑷𝒅

EC. 10
Dedendum, o altura del pie: La distancia radial desde el círculo de
paso hasta el fondo del espacio del diente.
𝒃 = 𝟏. 𝟐𝟎𝟎⁄𝑷𝒅 + 𝟎. 𝟎𝟎𝟐

EC. 11
Holgura (c): La distancia radial desde el exterior del diente hasta el
fondo del hueco entre dientes del engrane opuesto, cuando el diente
es totalmente engranado.
𝒄=𝒃−𝒂
EC. 12
Tabla 4. Fórmulas para caracteristicas de dientes de engrane.
Fórmulas para características de dientes de engranes, para un ángulo
de presión de 20°
Involuta de 20°,
profundidad
total
Propiedad
Símbolo
Paso fino
(Pd >= 20)
Paso grueso
(Pd < 20)
Addendum
A
1/Pd
1/Pd
Dedendum
B
1.25/Pd
1.200/Pd+0.002
Clearance
C
0.25/Pd
0.200/Pd+0.002
Diámetro exterior
El diámetro del circulo que encierra el exterior de los dientes del engrane
24
𝑫𝒐 = 𝑫 + 𝟐𝒂
EC. 13
Diámetro de raíz
También llamado diámetro de fondo, y es el diámetro del circulo que
contiene el fondo del espacio de diente, que es la circunferencia de raíz o
circulo de raíz.
𝑫𝒓 = 𝑫 − 𝟐𝒃
EC. 14
Altura total
También se llama profundidad total, y es la distancia radial del exterior.
𝒉𝒕 = 𝒂 + 𝒃
EC. 15
Profundidad de trabajo.
Es la distancia radial que un diente de engrane se introduce en el espacio
entre dientes del engrane correspondiente.
𝒉𝒌 = 𝟐𝒂
EC. 16
Espesor del diente.
Es la longitud del arco, medida en el círculo de paso, de un lado del diente al
otro lado. A veces a esto se le llama espesos circular y su valor teórico es la
mitad del paso circular.
𝒕 = 𝝅⁄𝟐𝑷𝒅
EC. 17
Ancho de cara.
25
Se llama también longitud del diente o ancho de flanco. Es el ancho del
diente, medido en dirección paralela al eje del diente.
𝑭 = 𝟏𝟐⁄𝑷𝒅
EC. 18
Distancia entre dientes
Es la distancia del centro del piñón al centro del engrane: es la suma de los
radios de paso de los dos engranes engranados.
𝑪 = (𝑫𝒈 + 𝑫𝒑 )/𝟐
EC. 19
Ángulo de presión
Como se muestra en la Figura 16. Es el que forma la tangente a los círculos
de paso y la línea trazada normal a la superficie del diente del engrane.
Figura 16. Ángulo de presion del engrane.
𝜙 = 20°
La forma de diente de 20° es la que se consigue con más facilidad en la
actualidad.
Relación de contacto
La relación de contacto se una para indicar el número promedio de dientes
en contacto durante la transmisión de potencia. Una relación mínima
26
recomendada es de 1.2 y las combinaciones típicas de engranes rectos
tienen valores de 1.5 o más.
𝒎𝒇 =
√𝑹𝒂𝒑𝟐 −𝑹𝒃𝒑𝟐 +√𝑹𝒂𝑮𝟐 −𝑹𝒃𝑮𝟐 −𝑪 𝐬𝐢𝐧 ∅
𝒑 𝐜𝐨𝐬 ∅
EC. 20
ENGRANES CÓNICOS.
Los engranes cónicos o biselados se utilizan para transmitir movimiento
entre flechas o ejes no paralelas, por lo regular a 90 entre sí. Algunos tipos
en el mercado son el cónico recto, el ZEROL biselado, el cónico en espiral y
el hipoide.
Engrane cónico recto.
Como se muestra en la Figura 17. Los dientes de los engranes cónicos o
biselados rectos son rectos y se ubican a lo largo de los elementos de un
cono. La superficie que pasará por la línea de paso de todos los dientes será
parte de un cono circular recto. Cuando se enlazan dos engranes cónicos se
interceptan los ejes de sus conos de paso en el mismo punto.
27
Figura 17. Geometría de engranes cónicos o biselados
El ángulo de la superficie del cono de paso depende de la relación del
número de dientes en los dos engranes que se enlazan.
Para el piñón el ángulo de cono de paso es.
𝜸 = 𝐭𝐚𝐧−𝟏 (
𝑵𝒑
⁄𝑵 )
𝑮
EC. 21
Dónde:
𝑁𝑃 = Número de dientes del piñón.
𝑁𝐺 = Número de dientes del engrane.
Angulo de cono de paso para el engrane.
𝚪 = 𝐭𝐚𝐧−𝟏 (
𝑵𝒑
⁄𝑵 )
𝑮
EC. 22
Estas ecuaciones se emplean si los dos ejes que soportan a los engranes
están separados a 90° en este caso.
𝜸 + 𝚪 = 𝟗𝟎°
EC. 23
Estos engranes se fabrican en el sistema de paso diametral con dientes
evolventes a 20°. El diámetro de paso se define para el extremo largo de los
dientes y se calcula de la misma manera que para engranes de talla recta o
cilíndricos.
𝑷𝒅 =
𝑵𝒑
𝒅
=
𝑵𝑮
𝑫
EC. 24
Dónde:
d = diámetro de paso del piñón (m)
D= diámetro de paso del engrane (m)
Pd = paso diametral (dientes/ pulg)
28
El paso circular se calcula de la misma manera que los engranes cilíndricos
detalla recta.
𝒑 = 𝝅𝒎
EC. 25
Dónde:
m = módulo (mm)
La relación de velocidad entre el piñón y el engrane en la línea de paso son
la misma.
𝑵𝒑 𝝎𝒑 = 𝑵𝑮 𝝎𝑮
EC. 26
Dónde:
𝑁𝑝 = numero de dientes del piñón
𝜔𝑝 = velocidad angular del piñón (rpm)
𝑁𝐺 = numero de dientes del engrane
𝜔𝐺 = velocidad angular del engrane (rpm)
Otras características de los engranes cónicos rectos se fabrican por lo
regular de acuerdo con las relaciones de la siguiente Tabla 5.|
Tabla 5 . Características geométricas de diente de engrane
cónicos rectos.
.
29
FUERZA EN ENGRANES CÓNICOS RECTOS
Debido a la forma cónica de los engranes biselados y a la forma evolvente
de los dientes, un conjunto de tres componentes actúa sobre los dientes de
los engranes biselados o cónicos. Utilizando la siguiente notación Wt para la
carga transmitida, Wr para la carga radial y Wx para la carga axial
suponiendo que las tres cargas actúan de forma concurrente en la parte
media de la cara de los dientes y el cono de paso, Como se muestra en la
Figura 18.
Figura 18. Fuerzas aplicadas en engranes cónicos.
La carga transmitida actúa tangencialmente respecto al cono de paso y es la
fuerza que genera el torque en el piñón y el engrane. El torque se puede
calcular a partir de la siguiente ecuación:
𝑻 = 𝝎𝒓 ∗ 𝒓
EC. 27
Dónde:
T = torque en (Nm)
𝜔𝑟 = Carga radial (N)
𝑟 = radio del piñón o del engrane (m)
30
En consecuencia al utilizar por ejemplo, el piñón, la carga transmitida es
𝑻
𝝎𝒕 = 𝒓𝒎
EC. 28
Dónde:
T = torque del piñón (Nm)
𝑟𝑚 = es el radio medio del piñón (mm)
El valor de 𝑟𝑚 puede calcularse a partir de
𝒓𝒎 = 𝒅⁄𝟐 − (𝟐) 𝐬𝐢𝐧 𝒚
𝑭
EC. 29
En el cual:
𝑑 = diámetro de paso del piñón (m)
𝐹 = Espesor ancho de cara del diente de engranes cónicos rectos (m)
La carga radial actúa hacia el centro del piñón, perpendicular a su eje lo que
Provoca flexión en el eje del piñón.
𝝎𝒓𝒑=𝝎𝒕 𝐭𝐚𝐧 ∅ 𝐜𝐨𝐬 𝒚
EC. 30
Dónde:
𝜔𝑡 = Carga transmitida (N)
𝜙 = Ángulo de presión en grados
𝜔𝑟𝑝 = Carga radial del piñón (N)
La carga axial actúa paralela al eje del piñón, tiende a empujarlo lejos del
engrane con el que enlaza. Provoca una fuerza de empuje en los
rodamientos del eje.
También genera un momento de flexión en el eje, porque actúa a una
distancia del eje que es igual al radio medio del engrane.
31
𝝎𝒙𝒑 = 𝝎𝒕 𝐭𝐚𝐧 ∅ 𝐬𝐢𝐧 𝒚
EC. 31
Dónde:
𝜔𝑥𝑝 = Carga axial (N)
2.5. MOTORES
Los actuadores eléctricos o motores son los encargados de dar el
movimiento a los diferentes ejes, se utilizan habitualmente motores eléctricos
de corriente continua o alterna controlados mediante señales. Estos
actuadores son capaces de girar y acelerarse controladamente en ambos
sentidos.
Los movimientos de estos mecanismos tienen que ser de gran rigidez y
resistir los esfuerzos generados por las fuerzas de corte o por los
desplazamientos a alta velocidad que generan los diferentes mecanismos en
su movimiento en vació (grandes inercias).
Los sistemas de transmisión deben producir movimientos regulares, estables
y ser capaces de reaccionar rápidamente en las aceleraciones y
desaceleraciones que es el caso del usillo de bolas antes ya mencionado.
Existen varios tipos de motores eléctricos, cada uno con propiedades
distintas. Los más comunes, son los motores de CC (corriente continua). En
este tipo particular, se podrá controlar la velocidad variando el voltaje en un
cierto rango; con una curva apropiada de voltaje se podrá parcialmente
controlar su aceleración, pero no se podrá controlar su posición y menos aún
su torque.
Otro tipo de motor muy difundido es el motor CA (corriente alterna) que
puede variar su torque en base al voltaje suministrado dentro de un pequeño
rango, y puede variar su velocidad en base al cambio de la frecuencia de CA
que se le suministra.
Los tipos de motores son:

Motores de corriente continúa
32

Motores de inducción

Servomotores

Motores por pasos

Motores lineales
El tipo de motor por el que nos inclinamos en el estudio de factibilidad
técnica, es el Servomotor CA o motor encoder.
2.5.1. SERVOMOTOR
Son dispositivos Electro-Mecánicos en el que la electricidad de entrada
determina la posición del motor. El eje de un servo puede ser posicionado a
cualquier ángulo enviando señales codificadas. Los servomotores de
Corriente Alterna (CA) han sido ampliamente utilizados en el campo de la
industria, por su alta potencia y alto par, esto le permite trabajar a pocas
revoluciones con grandes cargas de trabajo. El funcionamiento del motor es
prácticamente el mismo que un motor de CA convencional, pero con una
pequeña pero gran diferencia llamada ENCODER el cual está conectado al
mismo. El encoder controla las revoluciones exactas que tiene que dar el
motor enviando dichos datos a la tarjeta de control. El mismo encoder es el
encargado de frenar en el punto exacto que ordena la tarjeta así el encoder
puede darle una posición a la máquina. La máquina con control numérico
durante la comunicación con los motores calcula la parada por medio de la
rampa de desaceleración para evitar los desplazamientos no deseados
motivados por las inercias de los diferentes carros.
Y así los servomotores están ganando un lugar de privilegio en diversos
campos de la industria, en los cuales se valora sus extraordinarios
desempeño, cuando se busca implementar soluciones de automatización de
gran confiabilidad, como en la potenciación de máquinas herramientas CNC
33
y en la automatización de plantas industriales y robóticas en general. En la
siguiente Figura 19, mostramos a un servomotor.
Figura 19. Servomotor CA
La eficiencia energética y el funcionamiento correcto de los servomotores
son factores asociados en el diseño. Muchas veces no se tienen en cuenta y
ello origina funcionamientos inapropiados o aplicaciones con consumos que
pueden moderarse.
2.5.2. MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE ALTERNA.
Hay dos tipos de motores eléctricos de corriente alterna: el motor síncrono y
el motor a inducción. Cada uno de estos tipos puede usar corriente
monofásica o trifásica. En aplicaciones industriales, los motores trifásicos
son los más comunes, debido a su eficacia mayor que los motores
monofásicos. El motor síncrono es mucho menos generalizado que el motor
a inducción, pero se usa en unas aplicaciones especiales, que requieren una
velocidad absolutamente constante o una corrección del factor de potencia.
Los motores a inducción y los motores síncronos son similares en muchos
aspectos pero tienen algunos detalles diferentes.
Un motor eléctrico consta fundamentalmente de dos componentes: el estator
y el rotor.
34
Estator:
Consiste de dos devanados sujetos en su lugar por unas ranuras en el
núcleo de acero laminado estos estatores son de tres tipos: Polos salientes,
Ranurado, y Jaula de Ardilla; se los pueden observar en la Figura 20.
Los dos devanados consisten de dos bobinas aisladas dispuestas y
conectadas para que formen dos devanados separados el uno del otro a 90º
eléctricos; uno de estos devanados es el principal y el otro es el de arranque.
El devanado principal es de alambre grueso y colocado en el fondo de las
ranuras del estator. El de arranque es de alambre delgado y situado en lo
alto de las ranuras, encima del devanado principal.
El estator es la parte inmóvil del motor en donde circula la corriente eléctrica
por sus devanados, aquí se genera el “campo eléctrico giratorio”, como se
puede observar en la Figura 21.
Figura 20. Tipos de rotores
35
Figura 21. Partes de un estator
Rotor:
El rotor es la parte móvil del motor y es donde se transmite la potencia
mecánica, consta básicamente de un eje sólido hecho con piezas de acero
laminado en algunos tipos con devanados y en otros casos con barras
rotóricas superpuestas (motores jaula de ardilla o doble jaula de ardilla),
como se puede observar en la Figura 22.
Figura 22. Rotor de un motor AC
Se puede clasificar a los motores de corriente alterna por el tipo voltaje de
alimentación son dos tipos:
36
2.5.2.1.
MOTORES MONOFÁSICOS
Muchos motores están proyectados para funcionar con corriente alterna, los
motores de corriente alterna pueden suplir a los de corriente continua, en la
mayoría de los casos están menos sometidos a perturbaciones o averías.
Los motores de corriente alterna son particularmente adecuados para
aplicaciones de velocidad constante, ya que la velocidad está determinada
por la frecuencia de corriente alterna aplicada a los bornes del motor. No
obstante también se construyen motores de corriente alterna que tienen
características de velocidad variable dentro de ciertos límites.
Los motes de corriente alterna se proyectan para un suministro de corriente
alterna monofásica o trifásica. Tanto el motor monofásico como el trifásico
funcionan basados en el mismo principio. Este principio es que la corriente
alterna aplicada al motor genera un campo magnético giratorio y a su vez
este campo magnético giratorio hace girar al rotor del motor.
El motor sincrónico es un alternador al que se le hace funcionar como motor
y en el cual al estator se le aplica corriente alterna y al rotor corriente
continua. En el motor asincrónico el rotor no está conectado a fuente alguna
de energía.
De los dos tipos de motores de corriente alterna el asincrónico es el más
empleado.
2.5.2.2.
MOTORES TRIFÁSICOS
Los motores trifásicos son los aplicados en la industria por su gran eficiencia.
Un motor trifásico de igual potencia a uno monofásico tiene mayor eficiencia
y menor tamaño. La diferencia fundamental entre un motor trifásico y uno
37
monofásico consiste en que el estator se alojan tres bobinados en estrella o
triángulo como se puede ver en la Figura23; además no poseen bobinado
de arranque, ya que se ponen en marcha por sí solos. Para potencias
mayores a 2 hp es recomendable usar los trifásicos.
Figura 23. Configuración de arranque motores trifásicos. a) Arranque tipo
triangulo b) Arranque tipo estrella
Estos motores tienen las siguientes ventajas:
-
La puesta en marcha es inmediata.
-
Se acoplan fácilmente a cualquier clase de máquina.
-
El arranque, parada y control es rápido y efectivo y es posible controlarlo
remotamente.
-
Tiene gran potencia de arranque.
-
Mantenimiento es muy poco y su vida es larga.
Dentro de los motores sincrónicos existe el:
-
Motor en jaula de ardilla:
-
Motor con rotor bobinado:
Para el caso de nuestras instalaciones los motores eléctricos son especiales
y esto se debe a que trabajan en ambientes explosivos, tienen una
38
característica especial que es la de mantener un sellado del motor
(Enclosure type), de acuerdo a este nivel de “sellado” como se puede ver en
la Tabla 6, mostrada a continuación.
Tabla 6. Tipos de sellado motor trifásico.
Nombre
TEFC
(totally enclosed, fan-colled)
Características
Este
tipo
incluyen
de
un
motores
ventilador
externo acoplado al eje del
rotor para enfriamiento del
motor.
TENV
(totally enclosed,
nonventilated)
este tipo de motores no
tienen
un
ventilador
acoplado al eje del rotor, el
enfriamiento se produce por
convección
con
el
aire
circulante
Este tipo de motores son
TEAO
enfriados por ventiladores
externos al motor
totally enclosed, air-over)
39
2.6. RODAMIENTO.
Es un tipo de cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la fricción
entre un eje y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura, que le
sirve de apoyo y facilita su desplazamiento, Como se muestra en la Figura
24.
2.6.1. DESCRIPCIÓN.
El elemento rotativo que puede emplearse en la fabricación del rodamiento,
pueden ser: de bolas, de rodillos o de agujas.
En los rodamientos el movimiento rotativo, según el sentido del esfuerzo que
soporta, pueden ser axiales, radiales y axiales-radiales.
Un rodamiento radial es el que soporta esfuerzos radiales, que son
esfuerzos de dirección normal a la dirección que pasa por el centro de su
eje, como por ejemplo una rueda, es axial si soporta esfuerzos en la
dirección de su eje, ejemplo en quicio, y axial-radial si los puede soportar en
los dos, de forma alternativa o combinada.
La fabricación de los cojinetes de bolas o rodamientos es la que ocupa en
tecnología un lugar muy especial, dados los procedimientos para conseguir
la esfericidad perfecta de la bola. Los mayores fabricantes de ese tipo de
rodamientos emplean el vacío para tal fin. El material es sometido a un
tratamiento abrasivo en cámaras de vacío absoluto. El producto final no es
casi perfecto, también es atribuida la gravedad como efecto adverso.
Figura 24. Rodamiento de bolas
40
2.6.2. TIPOS DE RODAMIENTOS.
Cada clase de rodamientos muestra sus propiedades características, que
dependen de su diseño y que lo hace más o menos apropiado para una
determinada aplicación.
2.6.2.1.
RODAMIENTOS RÍGIDOS DE BOLAS.
Son usados en una gran variedad de aplicaciones. Son fáciles de diseñar, no
separables, capaces de operar en altas e incluso muy altas velocidades y
requieren poca atención o mantenimiento en servicio. Estas características,
unidas a su ventaja de precio, hacen a estos rodamientos los más populares
de todos los rodamientos.
2.6.2.2.
RODAMIENTOS DE UNA HILERA DE BOLAS CON CONTACTO
ANGULAR.
El rodamiento de una hilera de bolas con contacto angular tiene dispuestos
sus caminos de rodadura de forma que la presión ejercida por las bolas es
aplicada oblicuamente con respecto al eje. Como consecuencia de esta
disposición, el rodamiento es especialmente apropiado para soportar no
solamente cargas radiales, sino también grandes cargas axiales, debiendo
montarse el mismo en contraposición con otro rodamiento que pueda recibir
carga axial en sentido contrario.
2.6.2.3.
RODAMIENTOS DE AGUJAS.
Son rodamientos con rodillos cilíndricos muy delgados y largos en relación
con su menor diámetro. A pesar de su pequeña sección, estos rodamientos
tienen una gran capacidad de carga y son eminentemente apropiados para
41
las aplicaciones donde el espacio radial es limitado. Este tipo de
rodamientos es comúnmente muy utilizado en los pedales para bicicletas.
2.6.2.4.
RODAMIENTOS DE RODILLOS CÓNICOS.
El rodamiento de rodillos cónicos, debido a la posición oblicua de los rodillos
y caminos de rodadura, es especialmente adecuado para resistir cargas
radiales y axiales simultáneas. Para casos en que la carga axial es muy
importante hay una serie de rodamientos cuyo ángulo es muy abierto. Este
rodamiento debe montarse en oposición con otro rodamiento capaz de
soportar los esfuerzos axiales en sentido contrario. El rodamiento es
desmontable; el aro interior con sus rodillos y el aro exterior se montan cada
uno separadamente. Son los de mayor aplicación.
2.7. PLC’S.
2.7.1. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE.
Los controladores lógicos programables o PLC (programmable logic
controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados
en automatización industrial.
Como su mismo nombre lo indica, se ha diseñado para programar y
controlar procesos secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible
encontrar este tipo de equipos en ambientes industriales.
Los PLC sirven para realizar automatismos; son dispositivos electrónicos
que reproducen programas informáticos, que permiten controlar procesos.
2.7.2. FUNCIONES.
Para que un PLC logre cumplir con su función de controlar, es necesario
programarlo con cierta información acerca de los procesos que se quiere
42
secuenciar. Esta información es recibida por captadores, que gracias al
programa lógico interno, logran implementarla a través de los accionadores
de la instalación. Es decir, a través de los dispositivos de entradas, formados
por los sensores (transductores de entradas) se logran captar los estímulos
del exterior que son procesados por la lógica digital programada para tal
secuencia de proceso que a su vez envía respuestas a través de los
dispositivos de salidas (transductores de salidas, llamados actuadores).
Un PLC es un equipo comúnmente utilizado en maquinarias industriales de
fabricación de plástico, en máquinas de embalajes, en automóviles, entre
otras; en fin, son posibles de encontrar en todas aquellas maquinarias que
necesitan controlar procesos secuenciales, así como también, en aquellas
que realizan maniobras de instalación, señalización y control.
Dentro de las funciones que un PLC puede cumplir se encuentran
operaciones como las de detección y de mando, en las que se elaboran y
envían datos de acción a los preaccionadores y accionadores. Además
cumplen la importante función de programación, pudiendo introducir, crear y
modificar las aplicaciones del programa.
2.7.3. VENTAJAS.
Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentra que, gracias
a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos, pudiendo
realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son de tamaño
reducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten ahorrar dinero en
mano de obra y la posibilidad de controlar más de una máquina con el
mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los
controladores lógicos programables, o PLC’s, presentan ciertas desventajas
como es la necesidad de contar con técnicos cualificados y adiestrados
específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento.
43
2.7.4. HISTORIA DE LOS PLC’S.
En 1969 la División Hydramatic de la General Motors instaló el primer PLC
para reemplazar los sistemas inflexibles cableados usados entonces en sus
líneas de producción.
Ya en 1971, los PLCs se extendían a otras industrias y, en los ochentas, ya
los componentes electrónicos permitieron un conjunto de operaciones en 16
bits,- comparados con los 4 de los 70s -, en un pequeño volumen, lo que los
popularizó en todo el mundo.
En los 90s, aparecieron los microprocesadores de 32 bits con posibilidad de
operaciones matemáticas complejas, y de comunicaciones entre PLCs de
diferentes marcas y PCs, los que abrieron la posibilidad de fábricas
completamente automatizadas y con comunicación a la Gerencia en "tiempo
real".
Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que
tengan una o varias de las siguientes necesidades:
•
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.
•
Aplicaciones generales:
•
Maniobra de máquinas.
•
Maniobra de instalaciones.
•
Señalización y control.
•
Entre las ventajas tendremos:
•
Menor tiempo de elaboración de proyectos.
44
•
Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros
componentes.
•
Mínimo espacio de ocupación.
•
Menor costo de mano de obra.
•
Mantenimiento económico.
2.7.5. OTROS USOS
Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento de
máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar
operaciones
aritméticas,
manejar
señales
analógicas
para
realizar
estrategias de control, tales como controladores PID (Proporcional Integral y
Derivativo).
2.7.6. ESTRUCTURA.
Su estructura básica son dos o más planos de puertas lógicas, normalmente
AND y OR, que el programador debe conectar de forma adecuada para que
hagan la función lógica requerida. Suelen programarse con lenguaje en
escalera o también con bloques de funciones. Para aplicaciones de mayor
capacidad son sustituidos por FPGA.
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y
computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los
modernos sistemas de control distribuido.
Un PLC o Autómata Programable posee las herramientas necesarias, tanto
de software como de hardware, para controlar dispositivos externos, recibir
señales de sensores y tomar decisiones de acuerdo a un programa que el
usuario elabore según el esquema del proceso a controlar. Como se muestra
en la Figura 25.
45
ACTUADORES
SALIDAS
PROCESO
PLC
SENSORES
ENTRADAS
Figura 25. Proceso del PLC’S.
2.7.7. ARQUITECTURA DE UN AUTÓMATA PROGRAMABLE.
2.7.7.1.
BLOQUES PRINCIPALES DEL PLC
• CPU
• Bloque de entrada
• Bloque de salida
Figura 26. Bloques del PLC’S.
46
2.7.8. CLASIFICACIÓN DE PLC.
Debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones,
en su capacidad, en el número de I/O, en su tamaño de memoria, en su
aspecto físico y otros, es que es posible clasificar los distintos tipos en varias
categorías.
2.7.8.1.
PLC TIPO NANO.
Generalmente PLC de tipo compacto (Fuente, CPU e I/O integradas) que
puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un número
inferior a 100. Permiten manejar entradas y salidas digitales y algunos
módulos especiales.
2.7.8.2.
PLC TIPO COMPACTOS.
Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y módulos
de I/O en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O
hasta varios cientos ( alrededor de 500 I/O ) , su tamaño es superior a los
Nano PLC y soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como:

Entradas y salidas análogas

Módulos contadores rápidos

Módulos de comunicaciones

Interfaces de operador

Expansiones de i/o
2.7.8.3.
PLC TIPO MODULAR:
Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el
controlador final, estos son:
47

Rack

Fuente de Alimentación

CPU

Módulos de I/O

Comunicaciones.

Contaje rápido.
2.7.8.4.
FUNCIONES ESPECIALES.
De estos tipos existen desde los denominados MicroPLC que soportan gran
cantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten
manejar miles de I/O. Como se muestra en la Figura 27.
Bloques necesarios para el funcionamiento del PLC
•
Fuente de alimentación
•
Consola de programación
•
Periféricos
•
Interfaces.
Figura 27. Funciones del PLC’S.
48
2.7.9. CPU.
La Unidad Central de Procesos es el cerebro del sistema. En ella se ejecuta
el programa de control del proceso, el cual fue cargado por medio de la
consola de programación, lee las entradas. Y posteriormente procesa esta
información para enviar respuestas al módulo de salidas. En su memoria se
encuentra residente el programa destinado a controlar el proceso.
Bloques necesarios para el funcionamiento del PLC
•
Fuente de alimentación
•
Consola de programación
•
Periféricos
•
Interfaces
Módulos de E/S analógicos
Módulos Especiales
•
BCD Entradas y Salidas
•
Entradas de Termocuplas
•
Entradas de Termorresistencias (PT-100)
•
Salidas a Display
•
Memoria de Datos
2.7.10.
CONSOLA DE PROGRAMACIÓN.
Como se muestra en la Figura 28. La consola de programación es la que
permite comunicar al operario con el sistema, permitiendo escribir y poner a
punto programas. Algunas permiten ensayos de simulación y puesta en
servicio de los mismos.
Las consolas pueden estar constituidas por un dispositivo de presentación
visual (display) o bien un ordenador personal (PC) que soporte un software
especialmente diseñado para resolver los problemas de programación y
control.
Las funciones básicas de éste son las siguientes:
49
1. Transferencia y modificación de programas.
2. Verificación de la programación.
3. Información del funcionamiento de los procesos.
Figura 28.Terminal de programación compatible PC.
2.7.11.
PERIFÉRICOS.
Como se muestra en la Figura 29. Los periféricos no intervienen
directamente en el funcionamiento del autómata, pero sin embargo facilitan
la labor del operario.
Los más utilizados son:
•
Visualizadores
•
paneles de operación OP
•
Touch panel
Figura 29. Perifericos del PLC’s.
50
2.7.12.
LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN.
Los lenguajes de programación permiten al usuario generar rutinas o
secuencias, que una máquina pueda entender y ejecutar de manera
automática. Como se muestra en la Figura 30.
Programa: conjunto de instrucciones, órdenes y símbolos reconocibles por el
autómata que le permiten ejecutar la secuencia de control deseada.
Lenguaje de programación: conjunto total de estas instrucciones, órdenes y
símbolos.
El software o conjunto de programas son la forma básica de comunicación,
en la cual el operario le indica a la máquina lo que desea que ella haga.
Para que un PLC pueda realizar algún proceso industrial se debe introducir
un programa que tenga todas las instrucciones que debe seguir para
ejecutar una labor específica.
Figura 30. Lenguajes de programacion del PLC’s.
51
2.7.13.
PLANO DE FUNCIONES (SÍMBOLOS LÓGICOS).
La programación por símbolos lógicos incluye como bloques normalizados
algunas funciones secuenciales típicas en automatización como:
•
Temporizadores
•
Contadores
•
Bloques combinacionales
•
Bloques de tratamiento numéricos
•
Multiplexores
•
Demultiplexores
•
Sumadores
•
Multiplicadores
Nº menor de funciones que Las listas de instrucciones.
2.7.13.1. DIAGRAMAS DE CONTACTOS.
Debido a esto la programación por símbolos lógicos queda reservada a
aplicaciones en las que solo intervengan variables booleanas todo - nada, y
algunos bloques secuenciales elementales: temporizadores, contadores,
registros de desplazamiento, etc. Si a esto le sumamos que el usuario
habitual del autómata desconoce los símbolos lógicos Ł baja difusión de
estos lenguajes de programación.
Todas las funciones AND, OR, XOR, NAND y NOR tienen tres entradas y
una salida. Como se muestra en la Figura 31.
Si se desea realizar operaciones con más de tres entradas, se conectan
varios bloques en cascada
Figura 31. Diagrama de contacto.
52
La función inversora, NOT, tiene una entrada y una salida, y la función OR
exclusiva (XOR) posee dos entradas y una salida. Como se muestra en la
Figura 32.
Figura 32. Diagrama de contacto y sus funciones.
2.8. HUMAN MACHINE INTERFACE (HMI).
La sigla HMI es la abreviación en ingles de Interfaz Hombre Máquina. Los
sistemas HMI se podrá pensarlos como una ventana de un proceso. Esta
ventana puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o
en una computadora. Los sistemas HMI en computadoras se los conoce
también como software HMI o de monitoreo y control de supervisión. Las
señales del proceso son conducidas al HMI por medio de dispositivos como
tarjetas de entrada/salida en la computadora, PLC’s (controladores lógicos
programables), RTU (Unidades remotas de I/O) o DRIVER’s (Variadores de
velocidad de motores). Todos estos dispositivos deben tener una
comunicación que entienda el HMI. Como se muestra en la Figura 33.
53
Figura 33. Función sistema HMI.
2.8.1. TIPOS DE HMI.
Paquetes enlatados HMI. Son paquetes de software que contemplan la
mayoría de las funciones estándares de los sistemas SCADA. Ejemplos son
FIX, WinCC, Wonderware Intouch, etc.
Funciones de un software HMI.

Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en
tiempo real, estos datos se pueden mostrar como números, texto o
graticos que permitan una lectura más fácil de interpretar.
54

Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad
de ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente desde
la computadora.

Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro
del proceso y reportar estos eventos. Las alarmas son reportadas
basadas en límites de control pre-establecidos.

Control. Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores
del proceso y así mantener estos valores dentro de ciertos límites.
Control va más allá del control de supervisión removiendo la
necesidad de la interacción humana. Sin embargo la aplicación de
esta función desde un software corriendo en un PC puede quedar
limitada por la confiabilidad que quiera obtenerse del sistema

Históricos. Es la capacidad de mostrar y almacenar en archivos, datos
del proceso a una determinada frecuencia. Este almacenamiento de
datos es una poderosa herramienta para la optimización y corrección
de procesos.
2.8.2. TAREAS DE UN SOFTWARE DE SUPERVISIÓN Y CONTROL.

Permitir una comunicación con dispositivos de campo.

Actualizar una base de datos “dinámica” con las variables del
proceso.

Visualizar las variables mediante pantallas con objetos animados.

Permitir que el operador pueda enviar señales al proceso, mediante
botones, controles ON/OF, ajustes continuos con el mouse o teclado.

Supervisar niveles de alarma y alertar/actuar en caso de que las
variables excedan los límites normales.

Almacenar los valores de las variables para análisis estadístico y/o
control.
Controlar en forma limitada ciertas variables de proceso.
55
3. METODOLOGÍA
El sistema mecatrónico, es donde se integran tecnologías mecánicas,
eléctricas, electrónicas e informáticas. El estudio de este tipo de sistemas
debe abordarse en forma integrada para obtener mejores resultados,
particularmente en lo que concierne a su diseño.
Por lo mencionado se implementará la metodología del diseño mecatrónico
la cual nos permitirá construir máquinas de tipo mecatrónico.

Reducir los tiempos de diseño e implantación

Reducir los costos asociados al diseño y la implantación
Como se indica en el diagrama Metodología del Diseño Mecatrónico se
tendrá la siguiente Figura 34.
Figura 34. Componentes de la metodología mecatrónica
3.1.
ESPECIFICACIÓN DEL SISTEMA
En el quehacer de la Ingeniería de Proyectos el resultado en el diseño de un
producto, es una definición de formas, materiales y características que
cubren con una cierta expectativa.
56
Es fundamental tener una definición cuantitativa y cualitativa de las
especificaciones técnicas que se esperan cubrir, de otra forma se podrían
realizar productos que están fuera de una especificación deseada.
En general, las especificaciones técnicas nos permiten verificar si el
producto cubre los requerimientos que por diseño se han considerado.
Dichas especificaciones pueden ser muy particulares, dependiendo del
producto, dispositivo o máquina que se trate. Haciendo un esfuerzo por
mostrar solo algunas especificaciones técnicas de tipo general, se tendrá:

Geometría de producto

Dimensiones y tolerancias

Pruebas de aceptación

Propiedades físicas (color, peso, etc.)

Propiedades químicas

Capacidad de fuerza

Rendimiento

Formas de alimentación

Sensibilidad

Interfaz Hombre/Máquina

Medio de almacenamiento

Velocidad de respuesta

De seguridad

Parámetros de operación

Materiales

No. de ciclos de operación
3.1.1. DISEÑO MECÁNICO
Previo al diseño mecánico se realiza un avaluó de los mecanismos actuales
de cambio de altura de la mesa de trabajo de la Cepilladora, para definir los
57
cambios mecánicos requeridos, o como está previsto la inclusión un motor
para que realice el trabajo deseado.
Para la construcción del nuevo sistema de corte se ha decidido implementar
un sistema tipo tupi de como se muestra en la Figura.35 El cual nos
permitirá realizar el corte que deseamos realizar.
FIGURA 35. Sistema de corte tipo tupi de Otto
MARTIN Maschinenbau GmbH & Co.
El sistema fue elegido por su fácil posicionamiento y por la ubicación del
motor permite realizar el corte que se necesitara.
Con las propuestas ya planteadas se realizara un estudio de la estructura
mecánica donde se dispondrá el montaje de los nuevos sistemas ya sea el
sistema de elevación y el sistema de corte, los cuales serán escogidos
después del diseño de lo antes mencionado. Para esto se recopila
información sobre eficiencia de los sistemas de control de servomotores y
mediante estudios, exactitud del maquinado, tiempos,
movimientos,
requerimientos de calidad, costo de operación y mantenimiento; con el fin de
generar la referencia contra la cual este trabajo será comparada.
58
3.1.2. SISTEMA ELECTRÓNICO Y DE CONTROL
El sistema electrónico y de control, se analiza algunas variantes evaluando
sus ventajas y desventajas de los distintos tipos de tecnologías de control
existentes. Dirigiéndonos principalmente al sistema más amigable para el
usuario que son los sistemas HMI con su respectivo autómata programable
los PLC’s. El análisis consiste en la selección del dispositivo que ofrezca la
mayor
ventaja
en
cuanto
ahorro
de
hardware,
herramientas
de
programación, velocidad de procesamiento y costo de implementación.
Mediante los PLC’s y el sistema HMI se podrá mejorar la precisión de los
servomotores y con el sistema HMI se realizará un ambiente más amigable
para el usuario del sistema.
3.1.3. PROTOTIPO VIRTUAL
Nuestro prototipo será construido en dos partes un prototipo físico y las
pruebas de fabricación de diseño de sistemas. Para esto se va a utilizar dos
herramientas informáticas de diseño, estos software serán utilizados para el
diseño del modelo, análisis de movimientos y pruebas de diseño de
manufactura, las herramientas informáticas son:
3.1.3.1.
SOFTWARE DE DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA
MECÁNICO
El software elegido para el diseño y simulación para la parte mecánica es
SolidWorks que es un programa de diseño asistido por computadora para
modelado mecánico.
El programa permite modelar piezas y conjuntos y extraer de ellos tanto
planos como otro tipo de información necesaria para la producción. Es un
59
programa que funciona con base en las nuevas técnicas de modelado con
sistemas CAD.
3.1.3.2.
SOFTWARE DE MODELADO MATEMÁTICO
Para realizar el modelo matemático se elegirá el software Matlab que es un
software matemático con grandes aplicaciones y de rápida interacción con el
diseñador. La herramienta de este software que se va a utilizar es
SimMechanics, esta aplicación utiliza herramientas de modelado matemático
tridimensional, en vez de utilizar ecuaciones de modelado, esta aplicación
arma el modelo con uniones, cuerpos y elementos de fuerzas físicas, estas
simulan una máquina o mecanismo basándose en la inercia de cada
material.
3.1.3.3.
SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA DE
CONTROL.
El software de programación para PLC’s es el WinCC que es un software
para la programación de controladores lógicos programables.
Para efectuar la programación de PLC’s se utilizará la programación por
símbolos lógicos incluye como bloques normalizados algunas funciones
secuenciales típicas en automatización como:
•
Temporizadores
•
Contadores
•
Bloques combinacionales
•
Bloques de tratamiento numéricos
•
Multiplexores
•
Demultiplexores
60
•
Sumadores
•
Multiplicadores
3.1.4. FABRICACIÓN
Para la fabricación de la máquina se consideran tres partes que son:

La construcción mecánica,

Sistema electrónico

La instalación del sistema electrónico y de control.
De acuerdo a lo mencionado se irá ampliando cada una de las tres partes de
la fabricación así como el proceso para obtener los resultados esperados.
3.1.4.1.
CONSTRUCCIÓN MECÁNICA
La construcción estará basada en lo construido con el software mecánico
expuesto anteriormente. Tomando en cuenta que para la automatización de
la Cepilladora se tiene ya el sistema de elevación la cual será la base
fundamental del sistema mecánico de la máquina, para el nuevo sistema de
corte se procederá con lo propuesto en el software Solidworks. El proceso
de construcción seria la que muestra la Figura 36.
61
Construcción del sistema de corte.
El sistema de corte se lo utilizara para posicionar y soporta el
peso del nuevo motor para realizar el corte
Construccion de sistema de tramsmision
con este sistema se prodrá controlar tanto el posicionamiento
del sistema de corte como el sistema de elevación.
Construcción del sistema de fijacion de altura
Mediante este sistema se podrá deslizar el eje x del sistema de
corte en el eje z.
Figura 36. Proceso de construcion mecanica .
3.1.4.2.
IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA ELECTRÓNICO Y DE
CONTROL
Para instalar el sistema electrónico y de control primero se debe realizar
todas las pruebas de voltaje y corriente para posteriormente ser montados
en la estructura metálica que también aprobó todas las pruebas de
resistencia, el montaje se realizará como se ilustra en la Figura 37.
62
Figura 37. Esquema de montaje del sistema eléctrico y de control
3.1.4.3.
PRUEBAS.
Para las pruebas de las máquinas físicas se tomará en cuenta el sistema
mecánico y el sistema de control. Para al final realizar las pruebas a todas
las máquinas con sus sistemas completos como se ilustra en el siguiente
diagrama Figura 38.
63
Figura 38. Esquema del proceso de pruebas
Se resumirá con un esquema todo lo expuesto en los puntos anteriores
sobre el proceso de diseño y construcción de los sistemas automatizados,
en la FIGURA 39.
64
SISTEMA
MÉCANICO
IMPLEMENTACIÓN
CONSTRUCCI
SISTEMA
ÓN DEL
SISTEMA
IMPLEMENTACI
SISTEMA
DE
CONTROL
SIMULACIÓ
N
ÓN DEL
SISTEMA DE
CONTROL
ENSAMBLAJE
DE LA
MÁQUINA Y
PRUEBAS
IMPLEMENTACIÓN DEL
MÁQUINA
CONTROLADOR
COMPLETA
DATOS REALES
DE LA MÁQUINA E
INFORMACIÓN
Figura 39. Esquematización del proceso de diseño y construcción de las
máquinas Sierra de circular de banco y Cepilladora.
65
4. DISEÑO.
Se comenzará con el diseño del producto mecatrónico el cual consta de dos
partes fundamentales.

El sistema mecánico.

El sistema electrónico de control.
Después de análisis realizado se utilizará las siguientes variables para el
diseño del proyecto mecatrónico.

Los materiales mecánicos a implementarse, serán de procedencia
nacional y los elementos electrónicos de control que no se los
encuentre en el país, serán importados del exterior.

Para el diseño del sistema de corte se utilizará el modelo máquina tupi
de eje fijo de Otto Martin elegido anteriormente.

La precisión de la máquina de corte y el sistema de posicionamiento es
mayor respecto al operario.
4.1.
DISEÑO Y SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS DEL
PROYECTO MECATRÓNICO.
4.1.1. SISTEMA MECÁNICO.
Realizando la Investigación varios tipos de sistemas mecánicos existentes
en el mercado industrial para máquinas de corte y cepillado, tomando en
cuenta que se dispone del sistema mecánico de elevación para la
Cepilladora y para el sistema de corte se comenzará de cero, el siguiente
paso es calcular la estructura mecánica que se utilizará para nuestro nuevo
sistema de corte, y como se dispone del sistema mecánico de elevación se
tendrá que realizar los respectivos cálculos para la automatización del
respectivo sistema.
66
4.1.2. DISEÑO DE EJE “X” DEL SISTEMA DE CORTE.
Eje en la posición “X” el cual soporta el peso del motor y las fuerzas que
producen los corte de la madera.
El material al utilizar es eje de transmisión SAE 1018
Figura 40. Eje x sistema de corte.
Para el diseño del eje se realizará los siguientes cálculos
Peso del motor
𝑃 = 245𝑁
Fuerza de corte de que produce la madera
𝐹𝑐 = 30.75𝑁
Para calcular la fuerza de corte de la madera se realizará los siguientes
cálculos con los siguiente datos investigados
Paso1
Se realizará el diagrama de cuerpo libre del eje X con la respectiva
sumatoria de fuerzas.
67
Figura 41. Diagramas de la fuerza cortante y momento flextor.
Σ𝐹𝑦 = 0
𝑅𝐴 − 245 = 0
𝑅𝐴 = 245 [𝑁]
Σ𝑀𝐴 = 0
68
245[𝑁] ∗ 1𝑚 = 𝑀𝐴
𝑀𝐴 = 245 [𝑁𝑚]
Paso 2. Para calcular la fuerza de corte de la madera primero se determinará
la potencia necesaria a utilizar para realizar el corte.
Se determinará con la siguiente ecuación.
𝑷= 𝑹∗𝑺∗𝑨
EC. 32
Siendo:
P= la potencia necesaria, en wattios
R= la presión de resistencia de la madera, en Newton.
Este valor de resistencia es muy similar al valor de la dureza. En el
valor de la potencia necesaria se ha puesto el valor de aserrado del
canelo una madera tropical la cual es la utilizada para realizar los
largueros de cama su valor es 6.566 N/cm2.
S= la superficie de la madera en la que se ejerce la presión, en cm 2.
A= la velocidad de avance de la madera en m/s.
La superficie sobre el diente ejerce la presión es el grueso de la vía de corte,
g’ (en cm), por la altura de corte h (en cm)
La velocidad de corte es el espesor de corte, también denominado mordida
m (en cm) que efectúa cada diente, por el número de dientes que pasan la
madera en la unidad de tiempo (s).
Como el número de dientes que pasan por segundo durante el corte es la
relación entre la velocidad periférica de la herramienta v (m/s) y el paso p (en
cm), resulta que la potencia necesaria es la siguiente.
69
𝑃 = 8.8
𝑃=
𝑚
𝑠
𝑔′ (𝑐𝑚)∗𝐻(𝑐𝑚)∗𝑚(𝑐𝑚)∗𝑣( )
𝑝(𝑐𝑚)
EC. 33
8.8 ∗ 0.3𝑐𝑚 ∗ 2.5𝑐𝑚 ∗ 0.03𝑐𝑚 ∗ 28.20𝑚/𝑠
4.7𝑐𝑚
𝑃 = 1.18 𝐶𝑉
𝑃 = 867.3 𝑤𝑎𝑡𝑡
Teniendo ya la potencia necesaria empleamos la siguiente formula.
𝑷=𝑭∗𝑽
𝐹=
EC. 34
867.3 𝑤𝑎𝑡𝑡
28.20 𝑚/𝑠
𝐹 = 30.75 [𝑁]
La fuerza determinada es la fuerza de corte la cual nos servirá para el diseño
del eje X.
Con la fórmula planteada también calculamos la potencia necesaria que
necesitamos para realizar el corte de la madera.
𝑃 = 867.3 𝑤𝑎𝑡𝑡
Con la fuerza de corte se determinara un momento flector.
𝑴𝒄 = 𝑭𝒄 ∗ 𝒅
EC. 35
𝑀𝑐 = 30.75 ∗ 1
𝑀𝑐 = 30.75 [𝑁𝑚]
Con el momento que produce el peso del motor y el momento de produce la
fuerza de corte se calculara un momento único momento flector para
determinar el diámetro del eje a calcular.
70
𝟐
𝑴 = √𝑴𝑨𝟐 + 𝑴𝒄𝟐
EC. 36
𝑀 = 246.92 [𝑁𝑚]
Diseño del eje
Material eje de transmisión SAE 1018
Propiedades mecánicas

Suministrado laminado en frio

Esfuerzo de cedencia 𝑆𝑦= 303.8 Mpa

Esfuerzo a la tracción 𝑆𝑢= 499.8 Mpa
𝝈𝒑𝒆𝒓𝒎 =
𝑺𝒚
𝑵
EC. 37
Dónde:
𝑆𝑦 = 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝑁 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
El factor de seguridad elegido es de 2.
Con el momento flector se calculara el diámetro de del eje con la siguiente
formula.
𝑴
𝒔
≤ 𝝈𝒑𝒆𝒓𝒎
EC. 38
Dónde:
𝑀 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑓𝑙𝑒𝑥𝑡𝑜𝑟
𝑆 = 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
Donde S está determinado por la siguiente ecuación.
𝒔=
𝝅∗𝑫𝟑
𝟑𝟐
EC. 39
71
Dónde:
𝐷 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
Remplazando en la ecuación EC.4.8 se tendrá.
𝟑
𝟑𝟐
𝑴
𝑫 = √ 𝝅 ∗ 𝝈𝒑𝒆𝒓𝒎
EC. 40
Entonces el diámetro del eje será.
3 32
246.92
𝐷=√ ∗
𝜋 151.91 ∗ 106
𝐷 = 0.254𝑚
Las medidas en stock: para el material SAE 1018 se encontrara en Anexo 1.
4.1.3. DISEÑO DE EJE “Y” DEL SISTEMA DE CORTE.
Para el diseño en el eje Y de la Figura 42. Se deberá tomar en cuenta las
fuerzas que provocan tanto el eje X y una fuerza de torque producida por el
motor que va a realizar el posicionamiento del sistema de corte.
Figura 42. Sistema de corte eje Y
72
Ecuación para calcular el diámetro del eje Y.
𝑫=[
𝟑𝟐𝑵 𝟐
𝝅
√[
𝑲𝟏 𝑴 𝟐
𝑺𝒏
𝟑
𝑻 𝟐
𝟏⁄
𝟑
] + 𝟒 [𝑺𝒀] ]
EC. 41
Dónde:
𝑀 = Momento flector
𝑇 = Torque
𝑁 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
𝐾1 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜𝑠
𝑠𝑛′ = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑎
𝑠𝑛′ = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑎
Se calculara de la siguiente manera.
𝑠𝑛′ = 𝑆𝑛 ∗ (𝐶𝑚) ∗ (𝐶𝑠𝑡) ∗ (𝐶𝑟) ∗ (𝐶𝑠)
Figura 43. Cuadro de resistencia de materiales.
73
𝑆𝑛 Se encontrara mediante la Figura 43.
Se Encontrará que el valor de 𝑆𝑛= 200 MPa.
𝑠𝑛′ = 200𝑀𝑃𝑎 ∗ (1) ∗ (1) ∗ (0.90) ∗ (0.900)
𝑠𝑛′ = 162 𝑀𝑃𝑎
𝐶𝑚 = 𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑗𝑎𝑑𝑜 = 1
𝐶𝑠𝑡 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 = 1
𝐶𝑟 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 = 0.90
Figura 44. Factores de confiabildad.
Figura 45. Factores de diseño
74
𝐶𝑆 = 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 7.62 = 1.00
Entonces se tendrá que:
𝑠𝑛′ = 200𝑀𝑝𝑎 ∗ (1) ∗ (1) ∗ (0.90) ∗ (1)
𝑠𝑛′ = 180𝑀𝑃𝑎
Con los valores ya calculados se procederá a calcular el diámetro del eje.
𝐷=[
𝐷=[
2
2
1/3
32𝑁 𝐾1 𝑀
3 𝑇
√[
] + [ ] ]
𝜋
𝑆′𝑛
4 𝑆𝑦
2
2
2
1/3
32 ∗ 2 1 ∗ 245 [𝑁]
3 30.75[𝑁𝑚]
√[
] + [
] ]
𝜋
180𝑀𝑝𝑎
4 303.8𝑀𝑝𝑎
2
𝐷 = 0.030𝑚
𝐷 = 1.18 𝑝𝑢𝑙𝑔
El diámetro elegido del eje es de 1 ¾ ya que el eje necesita ser maquinado.
Las medidas en stock: para el material SAE 1018 encontramos en Anexo 1.
4.1.4. CÁLCULO DEL TORQUE NECESARIO PARA MOVER EL
SISTEMA DE CORTE.
𝐷𝑎𝑡𝑜𝑠
𝐹𝑐 = 30.75𝑁
𝑇 = 30.75𝑁𝑚
𝑊=3
𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛
𝑷= 𝑻∗𝑾
EC. 42
75
𝑃 = 30.75𝑁𝑚 ∗ 0.3141
𝑟𝑎𝑑
𝑠
𝑃 = 9.66 𝑤𝑎𝑡𝑡
El motor que se utilizará para realizar el movimiento del sistema de corte es
un servomotor de 1.2 kw.
4.1.5. CALCULO Y DISEÑO DE ENGRANES RECTOS.
Para el diseño de los engranes rectos se ha tomado de referencia el libro de
Robert Mott Diseño de elementos de máquinas 6ta edición el cual nos
ayudado en el diseño y la construcción de los engranes rectos.
Como para el movimiento del sistema de corte el servomotor va a ser el que
realice el movimiento los engranes rectos lo que harán es transmitir tanto la
potencia como la velocidad designada al motor por lo tanto el engrane y el
piñón serán de la misma medida.
PASO DIAMETRAL.
𝑃𝑑 = 20 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠⁄𝑝𝑢𝑙𝑔
Se elegirá un paso de 20 ya que se utiliza para Pasos finos que lo tomamos
de la tabla 5.
Eligiendo un paso de 20 nos resulta un numero de dientes N = 72
DIÁMETRO DE PASO.
𝐷=
𝑁
𝑃𝑑
𝐷=
72
20
𝐷 = 3.6𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.09144 𝑚
76
ANCHO DE CARA.
𝐹=
12
𝑃𝑑
𝐹=
12
20
𝐹 = 0.6 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0152 𝑚
ADDENDUM.
𝑎=
1
𝑃𝑑
𝑎=
1
20
𝑎 = 0.05
DEDENDUM.
𝑏=
1.200
+ 0.002
𝑃𝑑
𝑏=
1.200
+ 0.002
20
𝑏 = 0.062
CLEARANCE.
𝑐=
0.200
+ 0.002
𝑃𝑑
𝑐=
0.200
+ 0.002
20
𝑐 = 0.012
77
DIÁMETRO EXTERIOR.
𝐷𝑜 = 𝐷 + 2𝑎
𝐷𝑜 = 3.6 + 2(0.05)
𝐷𝑜 = 3.7 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.094
DIÁMETRO DE RAÍZ.
𝐷𝑧 = 𝐷 − 2𝑏
𝐷𝑧 = 3.6 − 2(0.062)
𝐷𝑧 = 3.476 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.088 𝑚
ALTURA TOTAL.
ℎ𝑡 = 𝑎 + 𝑏
ℎ𝑡 = 0.05 + 0.062
ℎ𝑡 = 0.112 𝑝𝑢𝑙 = 0.0028 𝑚
PROFUNDIDAD DEL TRABAJO.
ℎ𝑘 = 2𝑎
ℎ𝑘 = 2(0.05)
ℎ𝑘 = 0.1 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.00254 𝑚
ESPESOR DEL DIENTE.
𝑡=
𝑡=
𝜋
2𝑃𝑑
𝜋
2(20)
𝑡 = 0.078 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.002 𝑚
78
DISTANCIA ENTRE CENTROS.
𝐶=
𝐷𝑝 + 𝐷𝐺
⁄
2
𝐶 = 3.6 + 3.6⁄2
𝐶 = 3.6 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0914 𝑚
RELACIÓN DE CONTACTO.
𝑚𝑓 =
√𝑅𝑎𝑃 2 − 𝑅𝑏𝑝 2 + √𝑅𝑎𝐺 2 − 𝑅𝑏𝐺 2 − 𝐶 𝑠𝑒𝑛𝜙
𝑝 𝑐𝑜𝑠𝜙
Dónde:
1. 𝜙 = 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛
𝜙 = 20°
2. 𝑅𝑎𝑃 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖ñ𝑜𝑛 =
𝑁𝑝 +2
2𝑃𝑑
𝑅𝑎𝑃 =
72 + 2
2(20)
𝑅𝑎𝑃 = 1.85 𝑝𝑢𝑙𝑔
𝑁𝑝
3. 𝑅𝑏𝑃 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖ñ𝑜𝑛 = (2𝑃 ) 𝑐𝑜𝑠𝜙
𝑑
𝑅𝑏𝑃 = (
72
) 𝑐𝑜𝑠20
2(20)
𝑅𝑏𝑃 = 1.69 𝑝𝑢𝑙𝑔
4. 𝑅𝑎𝐺 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑔𝑟𝑎𝑛𝑒 =
𝑁𝐺 +2
2𝑃𝑑
79
𝑅𝑎𝐺 =
72 + 2
2(20)
𝑅𝑎𝐺 = 1.85 𝑝𝑢𝑔
𝑁𝑝
5. 𝑅𝑏𝐺 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑔𝑟𝑎𝑛𝑒 = (2𝑃 ) 𝑐𝑜𝑠𝜙
𝑑
𝑅𝑏𝐺 = (
72
) 𝑐𝑜𝑠20
2(20)
𝑅𝑏𝐺 = 1.69 𝑝𝑢𝑙𝑔
6. 𝐶 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑠
𝐶 = 3.6 𝑝𝑢𝑙𝑔
𝜋
7. 𝑃 = 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 = 𝑃𝑑
𝑃=
𝜋
20
𝑃 = 0.157𝑝𝑢𝑙𝑔
Remplazando en la fórmula de relación de contacto se tendrá.
𝑚𝑓 =
𝑚𝑓 =
√1.852 − 1.692 + √1.852 − 1.692 − 𝐶 𝑠𝑒𝑛𝜙
𝑝 𝑐𝑜𝑠𝜙
√1.852 − 1.692 + √1.852 − 1.692 − 3.6 ∗ 𝑠𝑒𝑛20
0.157 ∗ 𝑐𝑜𝑠20
𝑚𝑓 =
0.75 + 0.75 − 1.23
0.147
𝑚𝑓 = 1.83
Este valor es cómodamente mayor que el mínimo recomendado que es de
1.20.
80
Teniendo determinado el tamaño del engrane y del piñón se calculara las
fuerzas que actúan sobre ellos.
Fuerzas Del Engrane.
Figura 46. Fuerzas ejercidas en el engrane
FUERZA TANGENCIAL.
𝐹𝑡 =
𝐹𝑡 =
2∗𝑇
𝐷
2 ∗ 30.75𝑁
0.09144 𝑚
𝐹𝑡 = 672.57 𝑁
FUERZA RADIAL
𝐹𝑟 = 𝐹𝑡 ∗ 𝑡𝑔20°
𝐹𝑟 = 672.57 ∗ 0.363
𝐹𝑟 = 244.8 𝑁
Con estas fuerzas que actúan en el engrane se podrá determinar los
rodamientos necesarios para mejorar el sistema.
81
4.1.6. CÁLCULOS DE FUERZAS PARA RODAMIENTOS.
Para realizar el cálculo de los rodamientos se tomará en cuenta las cargas
aplicadas al sistema como se muestra en la Figura 47. y de ahí se partirá
para seleccionar el tipo de rodamiento adecuado.
Figura 47. Fuerzas ejercidas en el rodamiento.
Como el sistema diseñado produce los dos tipos de cargas tanto carga axial
como carga radial se usará el rodamiento de rodillos cónicos el cual nos
permitirá tener un mejor desempeño en el accionar del sistema de corte.
82
CALCULO DE FUERZA RADIAL PARA EL SISTEMA.
Diagrama de cuerpo libre del sistema.
Figura 48. Diagrama cuerpo libre fuerza radial.
Realizamos el diagrama de cuerpo libre en Y, calculamos las fuerzas.
Figura 49. Diagrama cuerpo libre fuerza radial Y.
Σ𝑀1 = 0
0.1𝐹𝐵𝑦 + 0.2𝐹𝐴𝑦 − 245𝑁 = 0
83
𝐹𝐵𝑦 =
245 − 0.2𝐹𝐴𝑦
0.1
(1)
Σ𝐹𝑦 = 0
−𝐹𝑟 + 𝐹𝐵𝑦 + 𝐹𝐴𝑦 = 0
𝐹𝐵𝑦 = 𝐹𝑟 − 𝐹𝐴𝑦
𝐹𝐵𝑦 = 244.8 − 𝐹𝐴𝑦 (2)
1 𝑒𝑛 2
245 − 0.2𝐹𝐴𝑦
= 244.8 − 𝐹𝐴𝑦
0.1
−0.2𝐹𝐴𝑦 + 0.1𝐹𝐴𝑦 = 24.48 − 245
𝐹𝐴𝑦 = 2205.2 𝑁
Remplazando FAy en 2
𝐹𝐵𝑦 = 2450 𝑁
84
DIAGRAMA DE CORTANTE Y MOMENTO FLECTOR
Plano XY
Figura 50. Diagrama de cortante y momento flector.
Se realizara el diagrama de cuerpo libre en Z, se calculara las fuerzas.
Figura 51. Diagrama cuerpo libre eje Z.
85
Σ𝑀1 = 0
0.1𝐹𝐵𝑧 + 0.2𝐹𝐴𝑧 − 245𝑁 = 0
𝐹𝐵𝑧 =
0.2𝐹𝐴𝑧 + 245
0.1
(1)
Σ𝐹𝑦 = 0
−𝐹𝑡 + 𝐹𝐵𝑧 − 𝐹𝐴𝑧 = 0
𝐹𝐵𝑧 = 𝐹𝑡 + 𝐹𝐴𝑧
𝐹𝐵𝑧 = 672.57 − 𝐹𝐴𝑧 (2)
1 𝑒𝑛 2
0.2𝐹𝐴𝑧 + 245
= 672.57 + 𝐹𝐴𝑧
0.1
−0.2𝐹𝐴𝑧 + 0.1𝐹𝐴𝑧 = 67.25 + 245
𝐹𝐴𝑧 = −1777.5 𝑁
Remplazando FAz en 2 tememos
𝐹𝐵𝑧 = −1105.25 𝑁
86
DIAGRAMA DE CORTANTE Y MOMENTO FLECTOR
Plano XZ.
Figura 52. Diagrama cortante y momento flector eje Z.
Entonces
Fuerza radial en A
𝑭𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂𝒍 𝑨 = √𝑭𝑨𝒛 𝟐 + 𝑭𝑨𝒚 𝟐
EC. 43
𝐹𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 𝐴 = 2.83 𝐾𝑁
Fuerza radial en B
𝑭𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂𝒍 𝑩 = √𝑭𝑩𝒛 𝟐 + 𝑭𝑩𝒚 𝟐
EC. 44
87
𝐹𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 𝐵 = 2.68 𝐾𝑁
Para el cálculo de las fuerzas axiales en los rodamientos se tomará en
cuenta solo el peso del eje:
𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒 1𝑚 = 25𝐾𝑔
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 = 25 − 9.8
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 = 245 𝑁
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝐴 =
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝐵 =
245
2
245
2
= 122.5𝑁
EC. 45
= 122.5𝑁
EC. 46
4.1.7. DATOS DEL RODAMIENTO.
Para el cálculo de rodamiento usamos el programa de la empresa Schaeffler
el cual está ubicado en la web de dicha institución la cual ayuda tanto a
profesionales como a estudiante a la hora de elegir el rodamiento y así poder
tener una mejor decisión de los tipos y cuales se podrá tener disponibilidad.
Las siguientes imágenes nos muestran losas cargas permitidas que el
rodamiento puede tolerar por ende el rodamiento escogido para el sistema
de corte es el rodamientos de rodillos cónicos 30207-A
Este rodamiento se podrá encontrar muy fácilmente en el mercado.
Los datos técnicos del rodamiento. Revisar Anexo 2.
88
4.1.8. CÁLCULOS DE LA TRANSMISIÓN Y PASO DE ROSCA DEL
SISTEMA DE ELEVACIÓN DE LA CEPILLADORA.
Datos de la máquina construida:
𝐏𝐢ñ𝐨𝐧𝐞𝐬 𝐜ó𝐧𝐢𝐜𝐨𝐬 𝐫𝐞𝐜𝐭𝐨𝐬:
𝑁𝑝 = 10 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
Número de vueltas de los piñones 42.25
𝐄𝐧𝐠𝐫𝐚𝐧𝐞𝐬 𝐜ó𝐧𝐢𝐜𝐨𝐬 𝐫𝐞𝐜𝐭𝐨𝐬:
𝑁𝐺 = 18 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
𝐓𝐨𝐫𝐧𝐢𝐥𝐥𝐨 𝐝𝐞 𝐩𝐨𝐭𝐞𝐧𝐞𝐜𝐢𝐚
Rosca cuadrada
1
𝑃𝑎𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑜𝑠𝑐𝑎 𝑝 = 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.00635𝑚
4
Total peso a subir
Figura 53. Sistema de elevacion.
89
WT = peso de la mesa + peso de accesorios + peso de madera
Peso de la mesa 166.8 lb = 75.82 Kg
Peso de accesorios 76 lb = 34.54 Kg
Peso de la madera
Máxima Dimensión de la madera aserrada sugerida por la Norma Chilena
CNH 174
Longitud = 6m
Ancho= 0.3m
Espesor = 0.1 m
Densidad= 1000 kg/m3 para madera muy pesada
Volumen = 0.3 x 0.1 x 6= 0.18 m3
𝐷=
𝑀
𝑉
𝑀 =𝐷∗𝑉
𝑀 = 1000 ∗ 0.18
𝑀 = 180 𝐾𝑔
WT = 75.82Kg + 34.54Kg + 180Kg
WT = 290.36Kg = 2845.56 N
Torque para subir la carga
𝑇=
𝐹𝑑𝑚 𝑙 + 𝜋𝜇𝑑𝑚
∗(
)
2
𝜋𝑑𝑚 − 𝜇𝑙
90
Fuerza
Figura 54. Diagrama de fuerzas sistema de elavacion
𝐹=
𝐹=
𝑊𝑇
2
2845.56 𝐾𝑔
= 1422.78 𝑁 = 1.42 𝐾𝑁
2
Diámetro medio.
𝑑𝑚 = 𝑑 −
𝑝
2
𝑑 = 1.125 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0286 𝑚
𝑝 = 0.25 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.00635 𝑚
𝑑𝑚 = 0.0286 𝑚 −
0.00635 𝑝𝑢𝑙𝑔
2
𝑑𝑚 = 0.0254 𝑚
Avance.
𝑙=𝑛𝑝
91
𝑙 = 1 ∗ 0.00635 𝑚
𝑙 = 0.00635 𝑚
𝑅𝑜𝑏𝑒𝑟𝑡 𝑀𝑜𝑡𝑡𝑡 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑚𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎 𝜇 = 0.15 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜
𝑇=
1422.78 ∗ 0.0254 0.00635 + 𝜋 ∗ 0.15 ∗ 0.0254
(
)
2
𝜋 ∗ 0.0254 − 1.15 ∗ 0.00635
𝑇 = 18.07 ∗ 0.232
𝑇 = 4.19 𝑁𝑚
Torque para bajar la carga.
𝑇=
𝑇=
𝐹𝑑𝑚 𝜋µ𝑑𝑚 − 𝑙
∗(
)
2
𝜋𝑑𝑚 − 𝜇𝑙
1422.78 ∗ 0.0254 𝜋 ∗ 0.15 ∗ 0.0254 − 0.00635
(
)
2
𝜋 ∗ 0.0254 + 0.15 ∗ 0.00635
𝑇 = 1.25 𝑁𝑚
Condición de autoaseguramiento.
𝑙 < 𝜋𝜇𝑑𝑚
0.00635 < 𝜋 ∗ 0.15 ∗ 0.0254
0.00635 < 0.012
Eficiencia de la rosca.
𝑒=
𝑒=
𝐹𝑙
2𝜋𝑇
1422.78 ∗ 0.00635
2 ∗ 𝜋 ∗ 4.19
𝑒 = 0.34
92
4.1.9. CÁLCULO DEL TORQUE PARA GIRAR EL PIÑÓN CÓNICO.
𝑃𝑖ñ𝑜𝑛: 𝑁𝑃 = 10 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
𝐸𝑛𝑔𝑟𝑎𝑛𝑒: 𝑁𝐺 = 18 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
Paso circular.
𝑝 = 𝜋∗𝑚
𝑝=
5
𝑝𝑢𝑙𝑔 = 15.875𝑚𝑚
8
Módulo.
𝑚=
𝑚=
𝑝
𝜋
15.875
𝜋
𝑚 = 5.053𝑚𝑚 ≈ 5𝑚𝑚
De la Tabla 7. Se elegirá un valor de Pd = 5 dts/pulg.
Tabla 7. Equivalencia de paso diametral.
93
Diámetro de paso.
𝐷=
𝑁𝐺
𝑃𝑑
𝑑=
18
5
𝐷 = 3.6 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0914 𝑚
Cabeza.
𝑎𝐺 =
0.54
+
𝑃𝑑
0.46
2
𝐺
𝑃𝑑 (𝑁
)
𝑁
𝑃
𝑎𝐺 =
0.54
0.46
+
2
5
5(18)
10
𝑎𝐺 = 0.136 𝑝𝑢𝑙𝑔 =
0.00345 𝑚
Diámetro exterior.
𝐷𝑜 = 𝐷 + 2𝑎𝐺 𝑐𝑜𝑠Γ
𝐷𝑜 = 3.6 + 2 ∗ 0.136 ∗ 𝑐𝑜𝑠60.95
𝐷𝑜 = 3.95 ≈ 4𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.102 𝑚
Distancia de cono exterior.
𝐴𝑜 =
𝐴𝑜 =
𝐷
2𝑠𝑒𝑛Γ
3.6
2𝑠𝑒𝑛60.95
𝐴𝑜 = 1.716 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0436 𝑚
94
Ancho de cara.
𝐹=
𝐹=
𝐴𝑜
3
1.716
3
𝐹 = 0.572 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.00145 𝑚
𝐹𝑚𝑎𝑥 =
10
𝑃𝑑
𝐹𝑚𝑎𝑥 =
10
5
𝐹𝑚𝑎𝑥 = 2 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0508 𝑚
Profundidad total.
ℎ𝑘 =
2
𝑃𝑑
ℎ𝑘 =
2
5
ℎ𝑘 = 0.4 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.01 𝑚
Calculo para el piñón.
Diámetro de paso.
𝑑=
𝑁𝑝
𝑃𝑑
𝑑=
10
5
𝐷 = 2 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0508 𝑚
95
Cabeza.
𝑎𝑝 = ℎ𝑘 − 𝑎𝐺
𝑎𝑝 = 0.4 − 0.136
𝑎𝑝 = 0.264 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0067 𝑚
Diámetro exterior.
𝑑𝑜 = 𝑑 + 2𝑎𝑝 𝑐𝑜𝑠𝛾
𝑑𝑜 = 2 + 2 ∗ 0.264 ∗ 𝑐𝑜𝑠29.05
𝑑𝑜 = 2.46 ≈ 2.5𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0635 𝑚
Radio medio.
𝑟𝑚 =
𝑟𝑚 =
𝑑 𝐹
− 𝑠𝑒𝑛𝛾
2 2
2 0.572
−
𝑠𝑒𝑛29.05
2
2
𝑟𝑚 = 0.86 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0218 𝑚
Carga transmitida.
𝑊𝑡 =
𝑊𝑡 =
𝑇
𝑟𝑚
4.19
0.0218
𝑊𝑡 = 191.9 𝑁
Carga radial.
𝑊𝑟𝑝 = 𝑤𝑡 𝑡𝑎𝑛∅𝑐𝑜𝑠𝛾
𝑊𝑟𝑝 = 191.9 ∗ 𝑡𝑎𝑛20 ∗ 𝑐𝑜𝑠29.05
96
𝑊𝑟𝑝 = 61.1 𝑁
Carga axial.
𝑊𝑥𝑝 = 𝑤𝑡 𝑡𝑎𝑛∅𝑠𝑒𝑛𝛾
𝑊𝑥𝑝 = 191.9 ∗ 𝑡𝑎𝑛20 ∗ 𝑠𝑒𝑛29.06
𝑊𝑥𝑝 = 33.9 𝑁
Torque de giro del piñón cónico.
𝑇𝑝 = 𝑊𝑟𝑝 ∗ 𝑟𝑝
𝑇𝑝 =
𝑟𝑝 =
𝑑
2
2
= 1 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0.0254 𝑚
2
𝑇𝑝 = 61.1 ∗ 0.0254
𝑇𝑝 = 1.55 𝑁𝑚
4.1.10.
SELECCIÓN DEL ACTUADOR ELÉCTRICO PARA EL
MOVIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE CORTE Y ELEVACIÓN DE
LAS MÁQUINAS.
Realizando un estudio de las posibles alternativas que son utilizadas es los
diferentes mecanismos de las máquinas industriales se han llegado a
determinar los siguientes criterios:

Voltajes

Tamaño del actuador

Costo

Precisión

Entre otros
97
Tabla 8. Selección del actuador eléctrico para el movimiento de los sistemas
PROPIEDADES
MOTO REDUCTOR
SERVOMOTOR
TORQUE DEL MOTOR
3
5
RESOLUCIÓN
3
5
2
5
4
5
MANTENIMIENTO
3
4
COSTO
4
3
19
28
DEL
MOTOR
VELOCIDAD
REQUERIDA
FACILIDAD
DE
CONTROL
TOTAL
El estudio de las alternativas de la Tabla 8 debido al torque, la precisión y la
facilidad del control se decidió utilizar un servomotor que son apropiados
para accionar toda clase de máquinas y aparatos de uso industrial que
necesitan reducir la velocidad de giro y aumentar el torque necesario para
mover objetos grandes y tener una gran precisión, como en este caso en
que se requiere movilizar el sistema con una gran precisión. El servomotor
opera de igual forma que un motor de corriente continua. Se compone de un
rotor o parte móvil que proporciona el torque para mover a la carga y un
estator o parte fija de la máquina que suministra el flujo magnético.
El motor elegido para realizar el movimiento de piñón es un servomotor con
serie 110SY-M04030 con los parámetros técnicos que se muestran en la
Tabla 9. El cual será manejado por un controlador PLC y un sistema HMI.
98
Tabla 9. Parámetros técnicos del servomotor.
4.2. SISTEMA ELECTRÓNICO Y DE CONTROL.
La Figura 54. Muestra el sistema electrónico y de control, que va a ser
seleccionado para la amplificación y comunicación con el servomotor.
Figura 55. Esquema del accionamiento de un servomotor.
El sistema electrónico y de control presentado en la figura 54 se lo va a
utilizar en los dos sistemas tanto en el sistema de corte con en el sistema de
elevación ya que los dos funcionan con un servomotor y un controlador con
un sistema HMI.
99
4.2.1. CONTROLADOR.
El sistema de automatización de las máquinas industriales, se encontrara
comandado por un PLC Xinje XC3 como se muestra en la Figura 56. Que
cumple con las funciones de controlador. Lo cual nos ofrece ciertas
características confiables que nos facilitan el control de los sistemas HMI y
de los servomotores.
Figura 56. PLC’S xinje XC3.
4.2.2. CONTROL DEL OPERADOR OP320-S SISTEMA HMI.
Con el equipo HMI OP320 de la Figura 57. Se pueden visualizar estados de
servicio y valores actuales del proceso de un control Xinje CX acoplado.
Adicionalmente se pueden hacer entradas en el OP3, las cuales se
100
describen en el control. En el OP3 también pueden ejecutarse funciones
para el diagnóstico de la máquina.
El OP3 es adecuado tanto para su montaje fijo en armarios de distribución y
pupitres de mando como también para su aplicación como aparato manual.
Figura 57. OP320s.
La fase de configuración y fase de control de procesos de la op320 se
encontraran en el Anexo 6.
4.2.3. CONTROL TOUCH PANEL TH465.
El siguiente sistema HMI es la pantalla táctil de 4.3 pulgadas, como se
muestra en la Figura 58. Con diseño aerodinámico exhibición de 65536
colores verdaderos, BMP de la ayuda, cuadros del formato del JPEG
La biblioteca rica del cuadro 3D puede hacer la pantalla más vivo
101
Espacio componente flexible de la selección, diseño de pista uno mismo
definido de la animación
El ajuste de interruptor simple para cambiar los modos, área exacta del tacto
ajusta la función colección de datos Uno mismo-definida y excepto la función
Apoye los varios modos del proceso de los datos, tales como mapa de la
tendencia de tiempo, mapa XY de la tendencia…
2 puertos del USB pueden realizar la duplicación y la transferencia de los
datos
Dos puertos de COM pueden la comunicación independientemente y la
realizan que multi-THs comunique con un PLC.
Como se había plateado anteriormente con el fin de poder lograr una
verdadera interfaz HMI, se incluye este dispositivo electrónico en el
desarrollo del proyecto, esta pantalla es como se presenta en la figura, una
de sus principales ventajas se la plantea en el hecho de ser un dispositivo de
libre aplicación, es decir lo único que se necesita para realizar un trabajo de
aplicación en donde intervengan este elemento es adquirir la pantalla, el
software controlador de esta pantalla se lo expone libremente a los usuarios
por parte de la empresa Xinje Electronic CO. Ltda. De esa manera cualquier
empresa o cualquier diseñador podrá hacer uso de las ventajas que esta
pantalla ofrece sin la necesidad de estar sujeto a licencia alguna, entre sus
principales
características
encontramos
las
descritas
en
la
tabla.
Estructuralmente la pantalla táctil TH-465 está formando como se indica en
la figura ahí se presenta el modelo frontal de la pantalla, donde encontramos
una entrada USB, la pantalla táctil de trabajo o visualización y un led
indicador de inicio.
102
Figura 58. Touch panel.
4.2.4. SISTEMA DE AMPLIFICACIÓN SERVOMOTOR.
El servoamplificador (driver) es el sistema de amplificación más apto para los
motores escogidos. Este dispositivo efectúa el seguimiento de señales en
tiempo real, además muestra el comportamiento de los motores en la
máquina. En la Figura 59. Se observa el esquema de un driver o
servoamplificador.
Se concluyó que, el driver más idóneo es el SD 15 MT se lo puede observar
en el Anexo 2. A continuación se indicara el significado de cada sigla del
servoamplificador.
103
Figura 59. Esquema del servodriver
Dónde:
D
15
ServoDrive AC que utiliza el sistema de modulación del vector espacial.
Módulo de corriente nominal (15/20/30/50/75A)
MT Código de función (M: Proporciona un sistema de control digital o
analógico)
La conexión del driver con el servomotor se la encuentra en el Anexo 2.
4.2.5. SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE PROTECCIÓN Y MANDO.
4.2.5.1.
ESTANDARIZACIÓN DE PROTECCIÓN NEMA.
Tablero de control.
NEMA (National Electrical Manufacturers Association):
Este es un conjunto de estándares creado, como su nombre lo indica, por la
Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (E.U.). Los estándares más
104
comúnmente encontrados en las especificaciones de los equipos son los
siguientes.
Tabla 10. Tipos de gabinetes NEMA.
Tipo 1
Para propósitos generales
Tipo 2
A prueba de goteos
Tipo 3
Resistente al clima
Tipo 3R
Sellado contra la lluvia
Tipo 3S
Sellado contra la lluvia, granizo y polvo
Tipo 5
Sellado contra polvo
Tipo 6
Sumergible
Tipo 6P
Contra entrada de agua durante sumersiones
prolongadas a una profundidad limitada
Tipo 7
Locales peligrosos, Clase I – equipos cuyas
(A,B,C o D)*
interrupciones ocurren en el aire
Tipo 8
Locales peligrosos, Clase I - aparatos sumergidos en
(A,B,C o D)*
aceite
Tipo 9 (E,F o
Locales peligrosos, Clase II
G)*
Tipo 10
U.S. Bureau of Mines – a prueba de explosiones (para
minas de explosión con gas)
Tipo 11
Resistente al acido o a gases corrosivos – sumergidos
en aceite
Tipo 13
A prueba de polvo
Nema 5
Uso industrial. Un gabinete diseñado para usarse en industrias en las que se
desea excluir materiales tales como polvo, pelusa, fibras. El resto de los
tipos de NEMA pueden denominarse a grandes rasgos como se muestra en
la TABLA 10.
Por la razón anterior se utilizara un gabinete industrial NEMA 5.
105
Elementos de seguridad.
Porta fusible.
En la Figura 60. Se muestra el fusible eléctrico, denominado inicialmente
como aparato de energía y de protección contra sobrecarga de corriente
eléctrica por fusión.
Figura 60. Porta fusibles.
Elementos de mando
-Interruptor para circuito eléctrico.
Sirve para desviar o interrumpir el curso de la corriente eléctrica.
Figura 61. Interruptor para circuito.
106
-Botón de parada.
En la Figura 62. Se muestra el elemento de paso de señal eléctrica utilizado
en los sistemas de posicionamiento, es un pulsante de encendido y
apagado, este tipo de dispositivos son comúnmente utilizados en máquinas
industriales.
Figura 62. Boton de parada
-Luces piloto.
Como se muestra en la Figura63. Son elementos de señal siendo el color
verdad de aviso de inicio del proceso y el rojo el aviso de fin del proceso,
utilizado en los sistemas de posicionamiento, este tipo de dispositivos es
comúnmente utilizado en máquinas industriales.
Figura 63. Luces piloto.
107
Contactor trifásico.
Como se muestra en la Figura 64. Es un componente electromecánico que
tiene como objetivo establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en
el circuito de potencia o en el circuito de mando, tan pronto se de tensión a
la bobina del contactor.
Figura 64. Contactor trifásico.
4.2.6. SELECCIÓN DEL SOFTWARE PARA EL MODELADO MECÁNICO.
En este estudio se escogerá el software más conveniente para el interfaz de
diseño y modelado mecánico de la máquina.
Tabla 11. Software SolidWorks & Autodesk Inventor
PROPIEDADES
SOLIDWORKS AUTODESK
Motor de calculo
5
3
Interfaz grafico
4
2
Velocidad
3
5
Trabajo con mayor cantidad de ensambles
4
2
Usuario amigable
4
3
Interacción con software matemático
Conocimiento del software
Total
5
3
5
2
30
20
108
Para el diseño y modelado mecánico de todo lo que tiene que ver con la
máquina, ya sea la estructura metálica o los soportes de los motores, el
software a utilizarse será SolidWorks, este software tiene como principal
ventaja un alto rendimiento en diseño 3D, como también la comunicación e
integración con otros software de diseño. SolidWorks es un programa de
diseño mecánico en 3D, intuitivo y fácil de manejar, que nos permite plasmar
nuestras ideas de forma rápida sin necesidad de realizar operaciones
complejas y lentas. Me será de gran ayuda puesto que es una herramienta
versátil y precisa que facilita enormemente la modificación rápida de
operaciones tridimensionales y de croquis sin tener que rehacer los diseños
ya dibujados.
4.3. ARQUITECTURA DE CONTROL
Para describir la arquitectura de control es necesario realizar el
modelamiento matematico del sistema de corte y posicionamiento para
posteriormente poder cotejar los resultados tanto con las simulaciones como
con el modelo real armado.
4.3.1. MODELADO MATEMÁTICO SIMPLIFICADO PARA SISTEMAS
AUTOMATIZADOS.
Se realizará el modelado matemático del sistema de corte y el sistema de
elevación, se analizara el modelo a partir de la dinámica de movimiento.
4.3.1.1.
ESTUDIO DEL MOVIMIENTO DEL SISTEMA DE CORTE.
El estudio comienza analizando los parámetros del servomotor y el sistema
de trasmisión del sistema de corte.
109
Dónde:
Velocidad máxima servomotor 3000-3300 rpm
Motor 220V, 5ª, 60 Hz, 1,2 Kw
Paso 6 vuelta por 1 pulg, o 25,4 mm
𝑤 = 3000 +
3300
= 3150𝑟𝑝𝑚
2
2 x 𝜋𝑟𝑎𝑑
𝑟𝑎𝑑
𝑤 = 310𝑟𝑝𝑚 Χ (
) = 329.8
60𝑠
𝑠
𝑃 =𝑇x𝑤
𝑇=
𝑇=
𝑃
𝑤
1200𝑤
= 3.86𝑁𝑚
𝑟𝑎𝑑
32.86 𝑠
De acuerdo a Iván Tabares (1997) en la Figura 65. Se muestra el modelo
matemático para el servomotor AC. Solo se utilizan dos fases de
alimentación, puesto que los motores solo necesitan de dos bobinas para su
mejor desempeño.
Figura 65. Modelo matemático servomotor AC
110
La función de transferencia utilizada para este tipo de motores es la que se
muestra en la Ec 4.14.
𝜽(𝒔)
𝑲
𝑬(𝒔) = ∆ 𝑬(𝒔) = 𝒔(𝟏+𝑻𝒔)
EC. 47
Dónde:
𝒌𝒕
𝑲 = 𝒃+𝒌𝒗
EC. 48
𝒋
𝑻 = 𝑩+𝒌𝒗
EC. 49
Entonces:
𝑬(𝒔) =
𝒌𝒕
𝑩+𝒌𝒕
𝒋
𝒔+(
)𝒔𝟐
𝑩+𝒌𝒗
𝑬(𝒔) = 𝒌𝒕⁄(𝒃 + 𝒌𝒗)𝒔 + 𝒋𝒔𝟐
EC. 50
EC. 51
Para calcular kt y kv se asume que j = 1.
Dónde:
B= 68,4 Kg
Kt constante de par del motor
Kv constante eléctrica del motor
B peso del cuerpo a mover
E voltaje del motor.
𝑻 = 𝒌𝒕 ∗ 𝒊(𝒕)
𝑘𝑡 =
EC. 52
3.86 𝑁𝑚
= 0.772
5𝐴
𝐸 = 220 𝑉
𝑊 = 3150
𝑟𝑎𝑑
𝑠
𝐸 = 𝑘𝑣 x 𝑤(𝑠)
111
𝑘𝑣 =
220𝑉
= 0.069
350 𝑟𝑎𝑑⁄𝑠
De acuerdo con K. Ogata (1995) el modelo matemático del sistema
mecánico de rotación está dado por la ecuación EC .53.
Figura 66. Modelo matematico sistema mecanico de rotacion.
𝟏
𝟐
𝑴𝒓𝟐 = 𝒋𝜽 = 𝑻(𝒔)
𝟏
𝑻(𝒔) = 𝟐 𝑴𝒓𝟐 𝜽
EC. 53
EC. 54
Dónde:
M
Masa del cilindro
T
Torque alrededor del eje
r
Radio del cilindro
Para la transmisión de potencia por engranajes se tiene:
Como se muestra en la Figura 67. Según K. Ogata (1996). Las velocidades
angulares de los motores suelen ser mucho más elevada que el nivel de
rotación que hay que dar a la carga. O por el contrario, el par necesario en la
carga es bastante más alto que el dado por el motor. Para adaptar la
potencia mecánica entregada por el motor a la carga se hace uso de los
trenes de engranajes. Estos sistemas mecánicos transmiten la energía de un
punto a otro, adaptando la velocidad angular y el par mecánico.
112
Figura 67. Sistema de transmisión por engranes.
𝑻(𝒔) =
𝜽𝟐 (𝒔)
𝜽𝟏 (𝒔)
EC. 55
La relación de transmisión del sistema de transmisión por engrane es: por
una vuelta der r1, r2 gira una vuelta
Entonces:
Relación= 1rev/𝜋
De modo que:
𝟏
𝒁(𝒔) = 𝝅𝜽 /(𝒔)
EC. 56
113
A continuación se muestran los diagramas de bloques.
SISTEMA
MECANICO
ROTACIONAL
SERVOMOTOR
𝜃(𝑠)
𝑇(𝑠)
𝐸(𝑠)
ENGRANAJE
1
𝑀𝑟 2 𝜃
2
𝑘𝑡
(𝑏 + 𝑘𝑣)𝑠 + 𝐽𝑠 2
𝑍(𝑠)
1/𝜋𝜃(𝑠)
𝑍(𝑠)
𝜃(𝑠)
𝐸(𝑠)
1
𝑘𝑡 x ( 𝑀𝑟 2 𝜃)
2
(𝑏 + 𝑘𝑣)𝑠 + 𝐽𝑠 2
𝐸(𝑠)
1/𝜋𝜃(𝑠)
1
𝑘𝑡 x ( 𝑀𝑟 2 𝜃) Χ 0.3183
2
(𝑏 + 𝑘𝑣)𝑠 + 𝐽𝑠 2
𝐺(𝑠) =
𝐺(𝑆) =
1
2
𝑘𝑡 𝑥 ( 𝑀𝑟 2 𝜃)𝛸 0.3183
(𝑏+𝑘𝑣)𝑠+𝐽𝑠 2
𝑍(𝑠)
EC. 57
0.772 X (12.2 X 0.0302 )X 0.3183
(68.4 + 0.069)𝑠 + (𝑠 2 )
𝐺(𝑠) =
0.002698
+ 68.469𝑠
𝑠2
114
Utilizando la herramienta informática de Matlab se obtienen los polos y ceros
de esta función de transferencia.
Programa realizado en Matlab.
>> num=[0.002698];
>> den=[1 68.469 0]
den =
1.0000 68.4690
0
>> sys=tf(num,den)
sys =
0.002698
------------s^2 + 68.47 s
Continuous-time transfer function.
>> [z,p,k]=tf2zp(num,den)
z=
Empty matrix: 0-by-1
p=
0
-68.4690
k=
0.0027
115
>> pzplot(sys)
A continuación se la gráfica muestra los polos y ceros de la función de
transferencia. Figura 68.
Figura 68. Polos de la función de transferencia.
Uno de los polos está en el origen, y el otro en el semiplano izquierdo del
plano complejo. Esto justifica que el sistema es críticamente estable.
>> stepplot(sys)
En la Figura 69. Se presenta la gráfica de la respuesta del sistema a un
impulso escalón.
116
Figura 69. Respuesta a un escalón del sistema.
La respuesta del sistema ante un escalón se muestra en la Figura 69. Este
resultado permite concluir que, el motor comenzará a girar indefinidamente.
Esto es debido a que el sistema es críticamente estable.
Los cálculos para el sistema de corte son similares para el sistema de
elevación puesto que el movimiento lo realiza un motor similar, y un mismo
sistema de transmisión por engranes, por lo cual se puede concluir que el
resultado sería el mismo.
117
4.4. SIMULACIÓN.
La simulación del proyecto mecatrónico se la va a realizar en los software de
diseño que son: SolidWorks y Matlab con su herramienta SimMechanics,
estas herramientas informáticas nos serán de gran ayuda para reconocer
algún problema antes de la construcción del proyecto.
4.4.1. SIMULACIÓN DEL PROYECTO EN SOLIDWORKS Y MATLAB
Para la simulación del prototipo se utilizara el programa de diseño CAD
SolidWorks con el módulo SimMechanics de Matlab, el cual nos permitirá
hacer la representación del modelo mecánico mediante bloques en Simulink,
El diseño del sistema
mecánico del proyecto fue elaborado en 3
dimensiones en software SolidWorks Figura 70.
.
Figura 70. Representación del sistema en SolidWorks.
118
Con el módulo SimMechanics de Matlab se realizará el modelo mecánico
mediante
bloques
en
Simulink,
el
cual
conserva
las
principales
características del modelo mecánico diseñado en SolidWorks. Figura 71.
Figura 71. Diagrama de bloques del sistema mecánico diseñado.
La Figura 71. Muestra como Matlab cambia las ecuaciones matemáticas y
físicas normalmente utilizadas en modelado matemático, por eslabones,
articulaciones y accionamientos eléctricos.
La Figura 72. Muestra el sistema de corte en una simulación de programa
SimMechanics.
Figura 72. Simulación del sistema de corte en SimMechanics
119
Mediante software SolidWorks y con la herramienta de Simulación se ha
determinado que el material elegido para el diseño de los ejes es el indicado,
también habiendo elegido un muy buen Factor de Seguridad como se
demostrará en las siguientes figuras.
En la Figura 73. Siguiente se mostrará el sistema ubicando las fuerzas que
se emplean en él.
Figura 73. Sistema de corte aplicado las fuerzas correspondientes.
A continuación se analizará los ejes por separado justamente como se
diseñaron.
120
SIMULACIÓN DEL EJE X.
El software nos permitirá analizar el factor de diseño en cual nos indica que
se ha escogido un factor de diseño mayor al máximo permitido para el
material.
La siguiente Figura 74. Muestra que el factor de seguridad recomendado es
de 1.7, distribuido por todo el eje. Al nosotros escoger un factor de seguridad
de 2 estamos por arriba del el límite y se podrá concluir que el eje está bien
diseñado y no se tendrá ningún problema de seguridad.
Figura 74. Resultado de análisis del Eje X.
121
SIMULACIÓN DEL EJE Y.
El diseño del eje Y será similar al eje X aumentando un toque generado por
el motor aunque es mínimo el movimiento que va a realizar no se debe
despreciar fuerzas.
Figura 75. Resultado de análisis del eje Y
Con estos análisis se podrá concluir que nuestro sistema diseñado está
acorde con lo planificado y que la construcción puede ser aplicada.
122
4.5. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA MECATRÓNICO.
4.5.1. SISTEMA MECÁNICO.
La construcción del sistema mecánico se la dividirá en varias partes, se
comenzara maquinando los ejes del sistema de corte, continuando con la
construcción de la chumacera del sistema, la base del motor, y el sistema de
engranes, para lo detallado se utilizara acero de transmisión para los ejes y
acero forjado para la chumacera, para la construcción del engranes se utilizó
acero ASSAB.
A continuación se detallaran los pasos para la construcción del sistema de
corte.
4.5.1.1.
ESTRUCTURA METÁLICA.
Materiales de la estructura del sistema de corte.

Acero de transmisión AISI 1018.

Acero Forjado.

Rodamiento de rodillos cónicos 30207a

Engrane y piñón. Diseñados.
Maquinaria empleada para la construcción.

Torno.

Fresadora.

Suelda.

Herramientas varias.
123
El desarrollo del producto comenzará con el maquinado del acero de
transmisión. El cual visto en el diseño necesita el maquinado en el lugar
donde serán ubicados los rodamientos.
En la Figura 76. Se muestra el eje maquinado y el torno en el cual fue
realizado.
Figura 76. Maquinado del eje.
Con la máquina fresadora se realiza el agujero de la chaveta en el eje el cual
nos servirá para sujetar el engrane, como se muestra en la Figura 77.
Figura 77. Realizando el agujero de la chaveta con la máquina
fresadora.
124
A continuación se montaran los rodamientos en el eje diseñado, seguido se
colocara la chumacera con su respectivo retenedor, como se muestra en la
Figura 78.
Figura 78. Ubicando los rodamientos en el eje.
Siguiendo con la estructura del sistema se realizará soldaduras tanto de la
cruceta del eje XY como de la base del motor, como se muestra en la Figura
79. La soldadura se a realizo con suelda eléctrica.
125
Figura 79. Realizando las respectivas soldaduras a sistema.
Después de tener listo el eje Y, se seguirá ubicando las demás piezas las
cuales son la cruceta XY y la base del motor.
Figura 80. Cruceta XY, base del motor
126
Por ultimo como se muestra en la Figura 81. Montamos el sistema en la
máquina sierra de banco para luego colocar el engrane respectivo.
Figura 81. Sistema montado en la máquina sierra de banco.
Con lo mencionado y visto en las figuras, se terminará la construcción del
sistema mecánico de corte.
4.6. SISTEMA ELECTRÓNICO Y DE CONTROL.
Se realizara el montaje del actuador, se construirá el tablero de control y se
desarrollara los respectivos programas para la puesta a punto de los
sistemas.
127
Cabe detallar que el sistema de control de las máquinas automatizadas son
similares por lo cual se detallara únicamente uno sabiendo q los tableros de
control son similares.
4.6.1. TABLERO DE CONTROL.
El tablero de control constara de las siguientes componentes.

Gabinete metálico.

Plc (controlador).

Servodriver.

Contactor.

Elementos de mando, seguridad y señal.

Cables de potencia.

Cables de seguridad.

Sistema HMI.
A continuación se integraran todos los elementos. Como se muestra en la
Figura 82.
Figura 82. Tablero de control.
128
Como se muestra en la Figura 82. El tablero de control el cual se encuentra
integrado por el controlador PLC el servo driver y los elementos de mando y
señal. A continuación se presentara el diagrama de eléctrico del tablero
Figura 83.
Figura 83. Diagrama eléctrico de potencia para el sistema de corte.
La Figura 84. Muestra el diagrama del tablero de control.
Figura 84. Diagrama Eléctrico Del Tablero De Control.
129
El diseño del tablero de control para el sistema de elevación de la máquina
cepilladora es similar al del sistema de corte ya que integra los mismos
componentes y desarrolla el mismo funcionamiento.
Para el sistema de elevación se realizó el siguiente proceso:
Mediante una pantalla OP320 2A,y un plc xinje XCR manejamos el
servomotor y con él la dirección del motor la cual nos permite subir y bajar la
mesa para el cepillado de madera. También se podrá manejar distancias
ingresando los datos por pantalla. Como se muestra en la Figura 85.
0
Pantalla OP30
1
Encendido servomotor
Inicio del movimiento
2
Movimiento servotor
Ingreso de datos
3
Movimiento
servomotor por datos
Final del proceso
4
Apagado servomotor
Apagado del proceso
Figura 85. Grafcet del sistema de elevación
130
Para el sistema de corte se realizó el siguiente proceso.
Mediante una pantalla touch panel y un plc se manejara el posicionamiento
del servomotor con el sistema de corte, se podrá seguir dando movimiento
al servomotor para ubicar al sistema en la posición que sea necesaria,
mediante la pantalla y un contactor se podrá dar inicio a los motores q
realizan los respectivos cortes. Como se muestra en la Figura 86.
0
Pantalla touh panel TH465
TH
1
Encendido servomotor
Posicionamiento del sistema
2
Revisión del posicionamiento
Arranque de motores
3
Corte de largueros de
cama
Apagado del sistema
4
Ubicación del sistema
posición inicial
Fin del proceso
Figura 86. Grafcet sistema de corte
131
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
El proyecto se enfocó en generar un proceso de reingeniería y mejoras a las
principales máquinas que se utilizan en la producción, las máquinas que
entraron en proceso son la sierra de banco y la cepilladora, con esto se
conseguirá mejorar la producción de largueros de cama el cual tiene mayor
demanda.
La sierra de banco a la cual se le diseñó un nuevo sistema mecánico de
corte el cual consta de un sistema tipo tupi como se muestra en la figura el
sistema consta de dos ejes. Como se muestra en la Figura 87.
Figura 87. Diseño mecánico del sistema de corte.
El eje Y, tiene un longitud de un metro, el cual se diseñó con una chumacera
que constará de dos rodamientos de rodillos cónicos que permiten tener un
mejor movimiento del sistema, también se diseñó el sistema de transmisión
el cual contiene engrane y piñón el cual tendrá el accionamiento del
servomotor.
132
El eje X, tiene una longitud de un metro, este eje está conformado por la
base del motor. El motor trifásico sujetado al eje X, es que realizará el corte
a la madera.
Con el sistema mecánico construido se consiguió realizar la construcción de
un tablero de control para controlar el servomotor elegido, el tablero constará
de un PLC, servodriver, elementos de seguridad y una pantalla HMI touch
panel como se muestra en la figura. La cual permitirá al operario tener un
mejor desempeño en el trabajo. Como se muestra en la Figura 88.
Figura 88. Tablero de control del sistema de corte con su pantalla HMI touch
panel.
133
Para la automatización de la cepilladora, se realizó el análisis del sistema de
elevación que contiene el cual está integrado por dos tornillos de potencia
los cuales son movidos por un sistema de engrane piñón, al cual se integrará
un servomotor para remplazar el movimiento actual que realiza el operario.
Para el control del servomotor de la cepilladora se realizará un tablero de
control el cual constará de un PLC, un HMI que será un OP320, el
servodriver para controlar el servomotor y varios elementos de seguridad.
Como se muestra en la Figura 89.
Figura 89. Panel de control de la máquina cepilladora con su respectivo HMI
op320.
La realización del proyecto permite generar la meta final, la puesta en
marcha de los equipos industriales para el “Aserradero San Andrés”, el cual
en su actualidad genera un aproximado de 200 tablones terminados cada 40
134
horas, produciendo en su mayoría largueros de cama el cual es el principal
producto de la empresa, con los sistemas integrados nos deja como
resultado de un incremento del 40%, es decir ya no se producirá 200
tabones sino 280 tablones en 40 horas de trabajo como se muestra las
siguientes Tablas 12, 13.
Tabla 12. Producción de madera en horas sistema automatizado.
Día
Cantidad de madera
1
2
3
4
5
Horas
56
112
168
224
280
8
16
24
32
40
Tabla 13. Producción de madera en horas sin sistema automatizado.
Día
1
2
3
4
5
Cantidad de madera sin sistema
automatizado
Horas
40
80
120
160
200
8
16
24
32
40
La Figura 90. Muestra el aumento de producción de madera, realizando las
pruebas de funcionamiento de la máquinas automatizadas nos da como
resultado un aumento progresivo del preparado de la madera ya que en
subió la producción paulatinamente cada día hasta llegar a completar las 40
horas de trabajo.
135
315
280
245
210
175
Cantidad de madera
140
cantidad de madera sin
sistema automatizado
105
70
35
0
8
16
24
32
40
Figura 90. Aumento de la producción de madera.
Analizando los costos del proyecto y con los resultados obtenidos del
funcionamiento de las máquinas. Se realizará un estudio para determinar los
resultados que se obtendrán en el futuro.
Como se observa anteriormente la producción del tablones para largueros
de cama aumento en un 40% en 40 horas de trabajo este resultado genera
un nuevo ingreso para la empresa, y no solo ingreso económico también
genera menor riesgo laboral ya que los operarios ya no tienen la necesidad
de hacer el doble de esfuerzo y con eso reduce significativamente el tener
problemas de columna que era los más habitual al realizar el trabajo.
136
Tabla 14. Análisis de resultados.
PRODUCCIÓN DE TABLONES EN 40
RESULTADOS
horas DE TRABAJO
ANTERIOR
ACTUAL
200
PRODUCCIÓN GENERADA
280
80 TABLONES
3920 usd
1120 usd
UTILIDAD
2800 usd
ganancia neta 30%
336 usd
La tabla 14, muestra la producción generada y la utilidad producida teniendo
al final una ganancia neta de 336 dólares cada cuarenta horas que son el
30% del nuevo excedente de la producción con eso se podrá concluir que a
partir del sexto mes de funcionalidad de las máquinas se recuperará lo
invertido en ellas siendo una muy buena inversión ya q a partir de ese
tiempo las ganancias netas serán para la empresa.
Las nuevas máquinas de la empresa mejoraron la presentación tanto como
industria artesanal y en el terminado del producto generando mayor
demanda en el producto generado.
Con esto la empresa queda muy satisfecha de haber realizado la inversión, y
en un futuro próximo analizará el poder seguir mejorando tanto la calidad de
sus productos como sus máquinas.
ANÁLISIS DEL COSTO DEL PROYECTO.
Con el siguiente análisis del costo del proyecto se podrá realizar un estudio
para determinar el tiempo en el cual se podrá recuperar la inversión
realizada en el proyecto.
137
Inversión.
Se define a inversión al capital que será utilizado para obtener un cierto
producto o servicio.
Inversión fija.
Se considera como inversión fija al costo de implantación de proyecto,
dentro de este se incluyen los costos de: construcción, maquinaria, equipos,
puesta en marcha e imprevistos.
A continuación se determina cada uno de ellos.
Costo de construcción:
DETALLE
COSTO EN DÓLARES
OBRA MECÁNICA
250.00
OBRA ELECTRICA
320.00
TOTAL
570.00
Costo de materiales.
Materiales parte mecánica
DETALLE
COSTO EN DÓLARES
ACERO DE TRANSMISION
73.00
ACERO FORJADO
28.00
ACERO ASABB
18.12
2 RODAMIENTOS
7.56
2 RETENEDORES
4.36
OTROS
TOTAL
30
161.04
138
Materiales parte eléctrica y de control
DETALLE
2 SERVOMOTOR CON DRIVER
COSTO EN DÓLARES
1320.00
2 PLC XINJE
480
1 OP320
160
1 TH465 TOUCH
260
2 GABINETES
60
ELEMENTOS DE MANDO
60
CABLES
20
OTROS
50
TOTAL
2410.00
Costo de puesta en marcha.
Los costos de puesta en marcha incluyen valores tales como. Lubricantes,
investigación y de más insumos que se pueden necesitar en la diferentes
pruebas que se realizan hasta poner a punto los equipos
DETALLE
COSTO EN DÓLARES
PUESTA EN MARCHA EQUIPOS
320
OTROS
120
TOTAL
440.00
IMPREVISTOS.
Se toma como imprevistos a costos de elementos pequeños que no se han
considerado en otros rubros, además de posibles variaciones de los precios
139
en el tiempo que demora desarrollar el proyecto, se recomienda tomar un
aproximando del 5% de la suma de los anteriores rubros.
DETALLE
COSTO EN DÓLARES
Imprevistos
179.500
INVERSIÓN TOTAL
DETALLE
COSTO EN DÓLARES
Costo de construcción
570.00
Costo de materiales
2571.04
Puesta en marcha
440.00
Imprevistos
179.50
Total
3760.54
Financiamiento.
La empresa cuenta con capital propio, para financiar el 100% del costo del
proyecto, con lo que se hace innecesario algún tipo de crédito, el capital
que se aportara para el proyecto es de tres mil setecientos sesenta con
54/100 dólares de los Estados Unidos de América.
5.1. MANUAL DE OPERACIONES.
En el manual de funcionamiento y operación, se proporciona la información
necesaria para la operación correcta de la máquina, se sugiere que lea
cuidadosamente el manual antes de utilizar la máquina.
ADVERTENCIA
Cualquier máquina es potencialmente peligrosa. Este manual pretende dar
una guía de previsiones de seguridad. Si usted tiene alguna duda debe
140
buscar la guía de un profesional calificado antes que se produzca un daño
usted mismo o a otros.
MANUAL DE OPERACIONES
A continuación se muestran los pasos que se deben seguir para un correcto
uso de las máquinas automatizadas.
Máquina de cepillado.
1. Utilizar
respectivos
implementos
de
seguridad
como
gafas,
protecciones para los oídos y guantes.
2. Antes de conectar la fuente de alimentación, leer el manual de
operaciones.
3. Comprobar que todos los elementos de la máquina se encuentran
correctamente conectados en sus correspondientes terminales de
salida o entrada, sin forzar los mismos.
4. Comprobar que el conjunto mecánico se encuentra dentro de su
espacio de movimiento, libre de posibles obstáculos, así como que el
cableado se encuentre en correcto posicionamiento.
5. Conectar la fuente de alimentación.
6. Verificar si la máquina se encuentra energizada activando el breaker
de seguridad.
7. Encontrar el selector marcha - paro para encender la máquina, luz
verde encendido.
8. Colocar la medida a ser utilizada en la máquina.
9. Verificar en el HMI que el sistema esta correcto y no existe
problemas.
10. Cuando el sistema este correcto comenzar a realizar el trabajo del
regruesamiento de la madera.
11. No operar ninguna máquina en estado de ebriedad o bajo el efecto de
estupefacientes.
141
Máquina sierra de banco con sistema de corte.
1. Utilizar
respectivos
implementos
de
seguridad
como
gafas,
protecciones para los oídos y guantes.
2. Antes de conectar la fuente de alimentación, leer el manual de
operaciones.
3. Comprobar que todos los elementos de la máquina se encuentran
correctamente conectados en sus correspondientes terminales de
salida o entrada, sin forzar los mismos.
4. Comprobar que el conjunto mecánico se encuentra dentro de su
espacio de movimiento, libre de posibles obstáculos, así como que el
cableado se encuentre en correcto posicionamiento.
5. Conectar la fuente de alimentación.
6. Verificar si la máquina se encuentra energizada activando el breaker
de seguridad.
7. Encontrar el selector marcha - paro para encender la máquina, luz
verde encendido.
8. Verificar en el HMI que el sistema esta correcto y no existe
problemas.
9. Cuando el sistema este correcto comenzar a realizar el trabajo de
reducción de la madera.
10. No operar ninguna máquina en estado de ebriedad o bajo el efecto de
estupefacientes.
142
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
6.1. CONCLUSIONES.

Como resultado del desarrollo de este proyecto de tesis se obtuvo dos
máquinas automatizadas que permitieron mejorar la producción en el
aserradero, cumpliendo con los requerimientos y especificaciones
planteadas.

Los sistemas diseñados fueron capaces de mejorar tanto el producto
como la forma de trabajar del operario ya que al tener una buena
interfaz de comunicación hombre máquina como el sistema HMI nos
ayudó a mejorar el desempeño de los operarios.

Las ventajas obtenidas de la automatización del sistema de elevación
y el sistema de corte son principalmente el fácil control y manipulación
de los sistemas sin realizar esfuerzo físico.

El sistema HMI incorporado en el proyecto ayuda mucho al operario
de la máquina, ya que no se necesita que el operador tenga estudios,
para poder manejar el sistema.

La
utilización
de
servomotores
fue
esencial
para
que
los
posicionamientos tanto del sistema de corte como el sistema de
elevación tengan la precisión exacta deseada.

El uso del PLC’s nos ayudó a manejar tanto el sistema del servodriver
para los servomotores como las pantallas HMI.
143
6.2. RECOMENDACIONES

Leer el manual de operación antes de comenzar a utilizar las máquinas

El tablero de control solo debe ser manipulado por personas
capacitadas en el tema.

Mantener el tablero de control libre de humedad o altas temperaturas.

Ubicar un sistema anti incendios para precautelar la seguridad de los
operarios.

El sistema de corte podrá ser utilizado para mejoras en un futuro ya
que aún se puede implementar ciertos acondicionamientos como la
movilidad en el eje Y de sistema, ubicación de sensores de
temperatura.

No tratar de trabajar en las máquinas cuando los sistemas HMI estén
apagados.

Realizar los mantenimientos preventivos rutinarios de las máquinas y
tableros de control.
144
BIBLIOGRAFÍA.
1. Santiago Vignote Peña, Isaac Martínez Rojas, (2006), Tecnología de
la madera, (3ra Ed.), isbn 84-8476-263-7
2. Mott, R, (2006), DISEÑO DE ELEMENTOS DE MAQUINAS (4ª Ed.),
Estados Unidos: Prentice Hall.
3. Hibbeler, R, (2006), Mecánica de Materiales (6ª Ed.), Estados Unidos:
Prentice Hall.
4. Alciatore, G, (2008), INTRODUCCION A LA MECATRONICA Y
SISTEMAS DE MEDICION (3ª Ed.), México: Mc Graw Hill.
5. Boltón,
W.
(2006).
Mecatrónica
SISTEMAS
DE
CONTROL
ELECTRÓNICO EN INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA (3ª.
Ed.). México: Alfaomega.
6. Ogata, K, (2002), Modern Control Engineering (4a. Ed.), Estados
Unidos: Prentice Hall.
7. Flores, A, (2009), Manual de Motores Eléctricos, folleto pdf.
8. Lombard, M, (2011). SolidWorks 2011 Assemblies Bible, Estados
Unidos: Wiley Publishing Inc.
9. J. Pedro Romera / J. Antonio Lorite / Sebastián Montoro. (2000),
Control
y
automatización industrial. Edición: 2000 ISBN: 84-283-
2077-2
145
10. Dorantes
Gonzalez,
Dante
Jorge,
Manzano
Herrera,
Moisés;
Sandoval Benítez, Guillermo; Vasquez López, Virgilio, (2004),
Automatización y control. Prácticas de laboratorio, (3ra Ed), McGraw
Hill.
11. MENGUAL, Pilar, (2009), STEP 7 - Una Manera Fácil De Programar
PLC De Siemens, ISBN 978-607-7686-55-2.
12. José Miguel Molina, (2010), Programación grafica para ingenieros
(1ra Ed), Barcelona España, MARCOMBO S.A.
13. Enrique Mandado Pérez, (2009), Autómatas programables y sistemas
de automatización, (2da Ed), Barcelona España, MARCOMBO S.A.
14. Joan Domingo Peña, Antoni Grau Saldes, Hermicio Martínez García,
(2003), Diseño y aplicaciones con autómatas programables, (1ra Ed.),
Editorial OUC.
15. Gilberto Enríquez Herper, (2004), Fundamentos de control de
motores eléctricos en la industria, (1er Ed), Editorial LIMUSA S.A.
16. Aurelio José Díaz Fernández –Raigoso, (2011), Sistemas de
regulación y control, (1ra Ed), Editorial MARCOMBO S.A.
17. Edwin Javier Morales Gordon, (2010), Tesis, Automatización de una
sierra circular para optimizar el desplazamiento vertical de la mesa en
la fábrica artesanal de muebles morales, Universidad Técnica de
Ambato, Ambato Ecuador.
146
ANEXOS.
Anexo 1. Material para diseño del eje.
147
Anexo 2. Esquema servodriver.
148
Anexo 3. Datos tecnicos del rodamiento.
Rodamiento
Índice
1 Entradas
2 Resultados
3 Avisos
1 Entradas
Rodamiento:
Denominación
30207-A
Diámetro interior
d
35.000 Mm
Diámetro exterior
D
72.000 Mm
Ancho
B
18.250 Mm
Capacidad de carga dinámica C
54000 N
Capacidad de carga estática C0
59000 N
Carga límite de fatiga
Cu
6800 N
Velocidad de referencia
n_ref
6400.0 1/min
Velocidad límite
n_lim
10700.0 1/min
Velocidad límite del aceite
n_lim_o 10700.0 1/min
Velocidad límite de la grasa
n_lim_g 8000.0 1/min
Frecuencias básicas:
Frecuencias de paso, anillo interior
Frecuencias de paso, anillo exterior
Frecuencias de paso, elementos rodantes
Frecuencia de paso del anillo sobre el elemento rodante
Velocidad de rotación del conjunto de elementos rodantes, para anillo
BPFI
9.892 1/
1s
BPF 7.107 1/
O
BSF
9s
2.905 1/
6s
RPF 5.811 1/
B
3s
FTF_ 0.418 1/
149
interior giratorio
i
Velocidad de rotación del conjunto de elementos rodantes, para anillo
exterior giratorio
FTF_
1s
0.581 1/
9s
Condiciones de lubricación:
Lubricantes admisibles
aceite o grasa
Tipo de lubricación
Lubricación con grasa
Tipo de grasa
GA01
Clase ISO VG
Introducir las viscosidades
Denominación del lubricante
Viscosidad a 40ºC
ny 40
102.0 mm²/s
Viscosidad a 100ºC
ny 100
12.9 mm²/s
Ensuciamiento
limpieza normal
Flujo de calor externo
dQ/dt
0.0 kW
Otras condiciones:
Temperatura ambiente
t
20 °C
Probabilidad de supervivencia 90 %
Condiciones de rotación
Anillo interior giratorio
Carga Caso de carga 1:
Proporción
q
Velocidad de giro
n_i
Tipo de movimiento
Rotatorio
Carga radial
Fr
245.0 N
Carga axial
Fa
484.1 N
Temperatura media de funcionamiento T
100.000 %
30.00 1/min
70 °C
2 Resultados
Deformaciones Caso de carga 1:
Desplazamiento en dirección x DelVx 0.0046 Mm
Desplazamiento en dirección y DelVy 0.0008 Mm
150
Frecuencias de paso Caso de carga 1:
Frecuencias de paso, anillo exterior
BPFO 3.5539 1/s
Frecuencias de paso, anillo interior
BPFI 4.9461 1/s
Frecuencias de paso, elementos rodantes
BSF
1.4528 1/s
Frecuencia de paso del anillo sobre el elemento rodante RPFB 2.9056 1/s
Velocidad de giro de la jaula
FTF
0.2091 1/s
Factores de carga y cargas equivalentes Caso de carga 1:
Carga estática equivalente P0 548.51 N
Carga dinámica equivalente P_i 872.56 N
Rozamiento y velocidad térmicamente admisible Caso de carga 1:
Momento de rozamiento en función de la velocidad M0
4.9 N mm
Momento de rozamiento en función de la carga
M1
33.2 N mm
Momento de rozamiento total
MR
38.1 N mm
Potencia de rozamiento total
NR
0.00 kW
Velocidad térmicamente admisible
n_theta_r 6500 1/min
Lubricación Caso de carga 1:
Viscosidad de funcionamiento Ny
30.4 mm²/s
Viscosidad de referencia
ny1
365.6 mm²/s
Relación de viscosidad
kappa 0.08
Comportamiento de rodamientos 30207-A:
Coeficiente de seguridad estática
S0_min > 100.000
Duración de vida total en horas (nominal) Lh10
Carga estática equivalente máxima
P0_max
Velocidad equivalente
N
Carga dinámica equivalente
P
> 1000000 h
548.51 N
30.0 1/min
872.56 N
151
Para los siguientes casos de carga, la viscosidad de funcionamiento es
menor que la viscosidad de referencia.
La relación de viscosidad kappa es menor de 0,1. La duración de vida
efectiva puede ser sensiblemente más corta que la duración calculada.
No sobredimensionar los rodamientos. - Las duraciones de vida nominales
(según DIN ISO 281) de más de 60.000 horas conllevan normalmente unos
rodamientos sobredimensionados.
C0/P>50 - Para un funcionamiento continuo, se requiere una carga mínima
de P>C/50. La carga mínima requerida para un funcionamiento sin
deslizamiento no ha sido alcanzada para los siguientes supuestos de carga:
152
Anexo 4. Especificaciones Técnicas PLC XINJE XC3
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
En la tabla se observara las especificaciones de potencia de este tipo de
PLC.
Descripción de los niveles de potencia que maneja el plc XC3RT-E
NOMBRE
Rango de operación
Tensión nominal
110-240 v AC
Frecuencia nominal
50/60 Hz
Corriente
40 A/110v AC – 60 A/200v AC
Potencia máxima
12W
Potencia para el uso de sensores
24 v DC / 400 mA
Fuente interna DC
24 V DC
Tensión nominal de entradas
24 v DC
Corriente admisible a las entradas
7 mA
Tiempo de respuesta
10 ms
153
Dimensiones del PLC xinje.
154
Características del PLC
Numero Nombre
1
Numero
Entrada y terminales 11
del
suministro
Nombre
Orificios de instalación
de
energía
2
Terminal de entrada
12
Tornillos para quitar o
instalar los terminales
3
4
Puerto para instalación 13
Indicador
de tarjeta BD
para las entradas LED
COM 2
14
Acción
luminosos
LED:
PWR
(power), RUN (rum),
ERR (error)
5
COM 1
6
Tapa
15
para
Puerto 16
Cable e expansion
Terminales de salida
COM
7
Terminales de salida
17
Accion
LED
PWR
(power)
8
9
Terminales de salida 18
Puerto para conectar
24V
la expansión
Indicador
luminoso 19
para las salidas LED
Entrada y terminales
del
suministro
de
energía
10
Puerto para conectar
expansiones
FUNCIONES BÁSICAS.
Las principales funciones básicas del PLC XC3-24RT-E se detallaran a
continuación
155
1. Operaciones a gran velocidad, con un rango de operación entre 0.2y
0.5 microsegundos.
2. La programación se la realizará de dos formas, la primera en forma de
escalera y la segunda en lista de comandos.
3. Las instrucciones s seguir por el PLC son de acuerdo al control de
orden básico, de transferencia de datos, comparaciones aritméticas,
bucles de datos; además cuenta una salida de pulsos, un controlador
de alta velocidad, interrupciones, control PID
4. Este tipo de PLC´S nos permite realizar un mayor control de
actuadores ya que cuenta con siete unidades de expansión, y una
tarjeta BD.
5. Los PLC’s XC se encuentran equipados con un reloj en tiempo real el
cual nos facilita su funcionamiento.
6. Tiene un tamaño cómodo y compacto el cual facilita su instalación
7. Cuenta con puertos de comunicación tales como RD232 y RS485, los
cuales nos permiten trabajar con varios instrumentos periféricos,
como los sistemas HMI.
FUNCIONES ESPECIALES.
Entre las funciones especiales más destacadas se tiene.
1. Cuenta con un controlador de alta velocidad que puede llegar a una
frecuencia de 80 kHz.
2. Comunicación de gran alcance.
3. Puede cumplir las funciones de maestro o esclavo de acuerdo a los
requerimientos del usuario.
4. Pulsos de salida de alta velocidad de hasta 400 Hz
5. Cuenta con una función de interrupción que actúa de acuerdo al
tiempo real y el tiempo de alta velocidad.
6. Cuenta con un bloque de programación en lenguaje c el cual nos
permite hacer más eficientes nuestros programas.
7. Tiene un control PID y una función de ajuste
156
8. Se cuenta con una función secuencial, la cual es ideal para realizar
instrucciones secuenciales, la cual puede ser aplicada a la salida de
los pulsos, comunicación y control.
9. Cuenta con una función de modulación PWM.
Anexo 5. Especificacion tecnica touch panel TH-465.
Pantalla táctil TH 465
La parte posterior de la pantalla TH-465 es como se indica en la figura donde
encontramos:

Soque de alimentación

Puerto serial COM_1

Puerto serial COM_2

Puerto USB_B

Puerto USB_A
Las dimensiones de esta pantalla TH-465 se describen como se indica en la
figura a, b, c respectivamente.
157
Características generales de la pantalla TH-465.
Artículo
TH465-M
Voltaje de entrada
Corriente
de
DC20-DC28V
la
consumición
De la energía permiso
Eléctrico
momentáneo apagado
Voltaje de Withstand
Impedancia aislada
Interfaz
130mA
Menos que 10ms
AC1000V-10mA
1
minuto
(señal y tiempo)
DC500V- sobre 10MΩ (señal y
tiempo)
COM1
Ayuda RS-232
COM2
Ayuda RS-232/RS422/RS485
USB1
USB-A (acordar con USB2.0)
158
USB2
USB-A (acordar con USB2.0)
USB3
USB-B (acordar con USB2.0)
Temperatura
de
la
de
la
operación
Temperatura
reserva
Temperatura
(ninguna
condensación)
Oscilación
del 10-25Hz
Withstand
(X,
Y,
Z
cada
dirección 30 minutos 2G)
Ruido del voltaje: 1000Vp-p,
El Anti-jamming
pulso 1us, 1 minuto
Aire circundante
Construcción
-20-60
del 20-85%
ambiente
Ambiente
50
de
Ningún gas corrosivo
la
protección
IP65
Tipo
65536 colores verdaderos
Tamaño de pantalla
4.3 pulgadas
Más de 50000 horas, 24 horas
Utilice la vida
que
funcionan
cuando
la
temperatura circundante es 25
Especificación de
la pantalla
Resolución
480*272
Contraste
No ajustable
Chino,
Carácter
Memoria
coreano,
japonés
Tamaño de carácter
Cualquie tamaño y fuente
El panel de tacto
modo de la resistencia 4-wire
Pantalla
8MB
Cámara
Construcción
inglés,
enfriamiento
Dimensión exterior
de
Refrigeración por aire natural
152.0*102.0*41.8m m
Dimensión de montaje 144.0*94.0m m
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Anexo 6. Especificación técnica OP 320.
Fase de configuración y fase de control de procesos.
Ajuste de áreas de Datos
Antes de poner en funcionamiento el OP320, debe ser preparado, es decir
proyectado, para la tarea de visualizar datos del control. Para ello deben
ajustarse áreas de datos en la memoria del control, a través de las cuales el
OP320 puede comunicar con el control.
Configuración mediante ProTool
La configuración para el OP3 se crea en un ordenador de configuración
(PC/PG) con el software de configuración ProTool. Una vez terminada la
configuración, es transferida al OP320. Durante el servicio, el OP320
comunica con el control acoplado y reacciona con ayuda de los datos
previos proyectados a los desarrollos del programa en el control.
La siguiente figura muestra un croquis de la fase de configuración y de la
fase de control de procesos:
Fase de configuración y de control de procesos
Comunicación
Para poder comunicar la OP320-S se deberá construir el cable de conexión
a continuación presentamos la configuración de pines que debe realizar
Conexión de pines en un conector DB9
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