diseno y construcciongranadosbejarano

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO”

TESIS PROFESIONAL

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL

P R E S E N T A N

GRANADOS BEJARANO ERIK CHISTIAN ORDAZ GALVÁN ARGELIA

MÉXICO, D.F. ABRIL, 2008.

ÍNDICE

Objetivo

Introducción

Antecedentes

1 Generalidades

1.1 Sistemas automatizados.

1.1.1 Parte de Mando.

1.1.2 Parte Operativa.

1.1.3 Objetivos de la automatización.

1.2 Máquina de Inyección

1.3 Robots manipuladores.

1.3.1 Sensores y sistemas de control.

1.3.2 Estructura de robots manipuladores.

1.3.2.1 Tipos de articulaciones.

1.3.3 Anatomía de los robots.

1.3.3.1 Los 14 atributos de un buen robot

1.3.4 Aplicaciones.

1.3.5 Analogías y diferencias respecto al hombre

1.3.6 Elementos terminales.

1.4 Origen de los plásticos

1.4.1 Inicios en la utilización de plástico.

1.4.2 Interés en la disposición de plástico.

1.4.3 Proceso de reciclado del plástico

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1.4.3.1 Reciclaje primario

1.4.3.2 Reciclaje secundario

1.4.3.3 Reciclaje terciario

1.4.3.4 Reciclaje cuaternario

2. Análisis de los Componentes

2.1 Controlador Lógico Programable

2.1.1 Visión general del sistema (opcional).

2.1.2 Beneficios.

2.2 Actuadores neumáticos

2.2.1 Tipos de cilindros.

2.2.1.1 Cilindro de doble efecto.

2.2.1.2 Cilindros de simple efecto.

2.2.1.3 Guías externas.

2.3 Ventosas

2.3.1 Ventosas de aspiración

2.3.2 Dimensionado de las ventosas de aspiración

2.3.3 Parámetros a considerar para ventosas.

2.4 Banda Transportadora Conveyor

2.5 Motores de Corriente Directa (CD)

3. Diseño mecánico

3.1 Introducción

3.2 Cálculo de columnas

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3.3 Selección del motor para hacer girar el tornillo que produce el

desplazamiento

3.4 Cálculo de guías

3.5 Diámetro del eje

3.5.1 Husillo de presión con rigidez óptima

3.5.2 Unidad de soporte con rodamientos

3.6 Selección del motor para la base

3.7 Cálculo de engranes para reductor de velocidad

3.7.1 Giro del manipulador (Sección A)

3.7.2 Giro del manipulador (Sección B)

3.7.2.1 Diseño de ruedas dentadas (Engranes rectos)

3.7.3 Cálculo del eje de transmisión

3.8 Cálculos para cuñero

3.9 Cálculo de viga base del manipulador

3.10 Cálculos estáticos

3.11 Cálculo de cilindros neumáticos

3.11.1 Cálculo del cilindro en posición vertical

3.11.2 Cálculo de tapas

3.11.3 Cálculo del cilindro vertical como columna

3.11.4 Cálculo de cilindros en posición horizontal

3.12 Cálculo de la guía del pistón horizontal

3.13 Selección del motor-reductor para el giro del efector final

3.13.1 Placa para sujeción del motor-reductor

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3.14 Selección de ventosa

3.14.1 Cálculo del diámetro de ventosa necesario

3.14.2 Cálculo de la fuerza de elevación (FT)

3.14.3 Cálculo de la fuerza real de elevación

3.14.4 Placa para fijación de las ventosas

3.15 Selección del compresor

3.16 Selección de la unidad de mantenimiento para el área neumática

3.17 Modelado cinemático para un manipulador de 5 grados de libertad

4. Cálculos eléctrico – electrónicos

4.1 Introducción

4.2 Requerimientos eléctricos

4.3 Transistores de potencia

4.4 Driver L293

4.5 Fuente de alimentación

4.5.1 Diagrama y funcionamiento de la fuente de alimentación regulada

4.6 Relevador

4.6.1 Ventajas del Relevador

4.7 Electroválvulas

4.8 Diagrama estado – fase

5. Análisis de Costos

5.1 Costo de la guía del pistón horizontal

5.2 Costo de las 2 guías paralelas al eje

5.3 Costo de las columnas para la base

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5.4 Costo de la placa de aluminio para las ventosas

5.5 Costo de la placa soporte del gripper

5.6 Costo de fabricación del piñón

5.7 Costo de fabricación de engrane recto

5.8 Costo de la placa base de giro

5.9 Elementos neumáticos

5.10 Costo de electroválvulas

5.11 Costo de racor múltiple

5.12 Costo del pistón horizontal

5.13 Costo del pistón vertical

5.14 Costo de manguera

5.15 Costo bridas para tubos

5.16 Costo del motor de giro de manipulador

5.17 Costo de motor de base

5.18 Costo de motor-reductor de gripper

5.19 Costo de elementos electrónicos

5.20 Evaluación económica total del proyecto

5.21 Estudio de gastos por accidente de trabajo

5.22 Comparación del costo de la implementación del proyecto contra pago de accidente de trabajo.

Anexo 1

Gráfica 1

Tabla I

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Tabla II

Tabla III

Anexo 2

Matrices de transformación de coordenadas del manipulador (Denavit – 140

Harterberg)

Anexo 3

Diagrama neumático

Diagrama estado – fase

Diagrama de flujo para el programa de control del manipulador

Dibujos

Válvula de retención para vacío

Válvula de retención para vacío con ventosa

Escuadra de fijación

Unidad de mantenimiento

Soporte de rodamiento

Husillo de bolas

Manipulador

Ventosa

Cilindro neumático

Placa soporte del gripper

Placa del gripper

Unión de ventosa

Diagrama neumático

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Conclusiones

Referencias

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO

OBJETIVO

Adecuación de un sistema de producción en la inyección de plástico para reducir el número de

accidentes en el proceso, con la implementación de un manipulador de cinco grados de libertad.

INTRODUCCIÓN

En el presente trabajo se explica lo que es un manipulador, el tipo de operaciones que puede realizar,

su funcionamiento, diseño y construcción adecuándolo al proceso de inyección de plástico, teniendo

como finalidad, la seguridad del operador ya que esto representa reducción de gastos médicos y

beneficios para la empresa.

En el capítulo uno se hace la justificación del proyecto dando a conocer aspectos generales de lo que

es un manipulador, se describe el proceso de inyección de plástico y en que momento actúa el

manipulador.

En el segundo capítulo se hace referencia a los componentes que integran el manipulador, el

funcionamiento de cada uno de ellos y el porque de su selección dando a conocer sus ventajas y

desventajas, capacidades y rangos de trabajo.

En el capítulo tres se realiza el cálculo que constituye la parte mecánica del proyecto. Dentro de este

capítulo se encuentran los cálculos de dichos elementos para determinar si el material que se utiliza

es el adecuado y cumple con las necesidades mecánicas del proyecto

El capítulo siguiente tratan los aspectos electrónicos que comprende el manipulador como son:

transistores, relevadores, Controlador Lógico Programable (PLC), etc., y se definirán los

requerimientos eléctricos necesarios.

En el último capítulo se muestran los costos de cada elemento incluyendo los costos de manufactura

y su precio en lista. Además los precios de elementos que se seleccionaron tanto de catálogos como

de tiendas electrónicas. Se hace una comparación entre el costo que representa la implementación de

este proyecto contra el costo que representa para una empresa el que un trabajador sufra un

ii


accidente, esto incluye gastos médicos, pago de seguro de vida, pago de incapacidad y el paro en la

producción.

iii


ANTECEDENTES

El concepto de máquinas automatizadas se remonta a la antigüedad, con mitos de seres mecánicos

vivientes. Los autómatas, o máquinas semejantes a personas, ya aparecían en los relojes de las

iglesias medievales, y los relojeros del siglo XVIII eran famosos por sus ingeniosas criaturas

mecánicas.

Algunos de los primeros manipuladores empleaban mecanismos de realimentación para corregir

errores, mecanismos que siguen empleándose actualmente.

El primer auténtico controlador realimentado fue el regulador de Watt, inventado en 1788 por el

ingeniero británico James Watt.

El control por realimentación, el desarrollo de herramientas especializadas y la división del trabajo

en tareas más pequeñas que pudieran realizar obreros o máquinas fueron ingredientes esenciales en

la automatización de las fábricas en el siglo XVIII. A medida que mejoraba la tecnología se

desarrollaron máquinas especializadas para tareas como poner tapones a las botellas o verter caucho

líquido en moldes para neumáticos. Sin embargo, ninguna de estas máquinas tenía la versatilidad del

brazo humano, y no podían alcanzar objetos alejados y colocarlos en la posición deseada.

En un proceso de fabricación en el cual se utilizan manipuladores sin duda es indispensable la

automatización, el cual es un sistema de fabricación diseñado con el fin de usar la capacidad de las

máquinas para llevar a cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres humanos, y para

controlar la secuencia de las operaciones sin intervención humana

Los manipuladores robóticos crean productos manufacturados de mayor calidad y menor costo. Sin

embargo, también pueden provocar la pérdida de empleos no cualificados, especialmente en cadenas

de montaje industriales.

La seguridad debe ser esencial en el diseño de robots para el servicio humano.

iv


La propuesta de diseño es un manipulador de cinco grados libertad, el cual realizara la función del

operador, esto es, cuando el proceso de inyección termine se abrirá la puerta de la máquina y es aquí

cuando el manipulador extiende una de sus articulaciones y toma la cubeta por medio de unas

ventosas, después se contraerá y dejara la cubeta en una banda transportadora para posteriormente

llevarla al almacén fuera del área de trabajo.

Se pretende que el manipulador actué para 2 máquinas inyectoras cada 10 segundos.

Dentro de este proceso se observa que no interviene la mano del hombre y con esto se reduce los

riesgos de accidente y por consecuencia se vuelve un proceso más seguro para la integridad del

operador y se reducen los costos que generarían en la empresa.

Con este proyecto se procura reducir el número de basura plástica (PET). Porque la materia prima

que se utiliza en este proceso es pet reciclado. En nuestro país, el reciclado de PET, el plástico con el

que entre otros elementos se fabrican los envases de refrescos, creció más de 12 veces en los últimos

cinco años. De 780 toneladas de ese material reciclado en 1997 se pasó a más de 10 mil toneladas en

2002.

CAPÍTULO 1 GENERALIDADES

1



2


1.1 Sistemas automatizados.

La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente

por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos.

Un sistema automatizado consta de dos partes principales:

Parte de Mando.

Parte Operativa.

1.1.1 Parte de Mando.

Suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace poco se utilizaban

relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada).

En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema.

Éste debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes del sistema automatizado.

1.1.2 Parte Operativa.

Es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la máquina se

mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los

accionadores de las máquinas como motores, cilindros, compresores y los captadores como

fotodiodos o finales de carrera.

1.1.3 Objetivos de la automatización.

Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costos de la producción y mejorando

la calidad de la misma.

Mejorar las condiciones de trabajo del personal, incrementando la seguridad.

Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.


3


Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades necesarias en el

momento preciso.

Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos

para la manipulación del proceso productivo.

Integrar la gestión y producción.

1.2 Máquina de Inyección

Una máquina inyectora es un equipo capaz de plastificar el material polimérico (plástico) y

bombearlo hacia un molde en donde llena una cavidad y adquiere la forma del producto deseado.

Una máquina inyectora se compone de cuatro unidades principales:

1. Unidad de cierre

2. Unidad de inyección

3. Unidad de potencia

4. Unidad de control

Figura 1.1 Máquina de inyección


4


1.3 Robots manipuladores.

La mayor parte de los robots industriales actuales son esencialmente brazos articulados con un

número de grados de libertad que oscila entre 2 y 5, cuyos movimientos de tipo secuencial, se

programan mecánicamente o a través de una memoria o de un controlador lógico programable. No

permiten la combinación simultánea de movimientos ni el posicionamiento de su elemento terminal

(griper). De hecho, según la definición del “Robot Institute of America”, un robot industrial es un

manipulador programable multifuncional diseñado pera mover materiales, piezas, herramientas o

dispositivos especiales, mediante movimientos variados, programados para la ejecución de distintas

tareas.

En robótica subyace la idea de sustituir equipos capaces de automatizar operaciones concretas por

maquinas de uso mas general que puedan realizar distintas tareas.

El concepto “programable” es también básico. La realización por programa de las funciones de

control ofrece mucha mayor flexibilidad y la posibilidad de implantar funciones complejas

necesarias para controlar el manipulador.

Al incluir un manipulador en una aplicación industrial, estamos eliminando una cantidad

impresionante de artefactos que desde el punto de vista de la situación de la mano de obra, son

igualmente eficaces que los manipuladores.

Al ser más baratos, no tienen contrincante para las tareas en las que se encuentran trabajando. Su

limitación radica en que quedan excluidos de las tareas más complicadas o que requieren de cambios

de tareas frecuentes.

Para un manipulador el control de cierta forma es simple en comparación con un robot angular que

necesita una capacidad impresionante de control, ya que en éstos tenemos que combinar el

movimiento de por lo menos 2 ejes con control de ángulos, velocidades y aceleraciones.


5


Los manipuladores con solo contar con control punto a punto son también robots verdaderos, pero

más simples dado que la combinación de aceleraciones, velocidades e incluso su trayectoria, serán

las que resulten sin preocuparnos estrictamente de lo que ocurre en los puntos intermedios de la

trayectoria.

Un manipulador es controlado por medio de un computador y esta constituido por algunos

elementos rígidos conectados en serie mediante articulaciones prismáticas o de revolución. El final

de la cadena está fijo a una base soporte, mientras el otro extremo está libre y equipado con una

herramienta para manipular objetos.

1.3.1 Sensores y sistemas de control.

Los sistemas de control de robots pueden considerarse funcionalmente descompuestos según una

estructura jerárquica. En el nivel inferior se realizan las tareas de servocontrol y supervisión del las

articulaciones.

La mayor parte de los robots industriales emplean servomecanismos convencionales con

realimentaciones de posición y velocidad para generar señales de control sobre los actuadores de las

articulaciones. Típicamente, los parámetros del controlador son fijos aunque varíen

significativamente las condiciones de trabajo con la carga o con el propio movimiento.

Los primeros robots industriales eran programados exclusivamente por una guía manual,

almacenando la secuencia de posiciones en la memoria digital. La interacción con la tarea se

limitaba a la apertura o cierre de una pinza u otro órgano terminal, indicándolo a un equipo externo

o esperando una señal de sincronización, las aplicaciones típicas eran de “pick and place”, tales

como la carga y descarga de máquinas, realizando tareas con movimientos absolutamente definidos

y fijos. En cualquier caso los robots podían ser reprogramados para la realización de otras tareas.


6


1.3.2 Estructura de robots manipuladores.

Los robots manipuladores son esencialmente, brazos articulados. De forma más precisa, un

manipulador industrial convencional es una cadena cinemática abierta formada por un conjunto de

eslabones o elementos de la cadena interrelacionados mediante articulaciones o pares cinemáticos

(figura 1.5). Las articulaciones permiten el movimiento relativo entre los sucesivos eslabones.

Figura 1.5 Pares cinemáticas.

1.3.2.1 Tipos de articulaciones.

Existen diferentes tipos de articulaciones. Las más utilizadas en la robótica son las que indica en la

siguiente tabla (Tabla 1.1).

La articulación de rotación suministra el grado de libertad consistente en una rotación alrededor

del eje de la articulación. Esta articulación es, por mucho la mas empleada.

En la articulación prismática el grado de libertad consiste en una traslación a lo largo del eje de

la articulación.

En la articulación cilíndrica existen dos grados de libertad: una rotación y una traslación.

La articulación planar esta caracterizada por el movimiento de desplazamiento en un plano,

existiendo por lo tanto dos grados de libertad.

La articulación esférica combina tres giros en tres direcciones perpendiculares en el espacio.


7


Esquema Articulación Grados de Libertad.

Rotación

1

Prismática

1

Cilíndrica

2

Planar

2

Esférica (rotula)

3

Tabla 1.1 Tipos de articulaciones.

1.3.3 Anatomía de los robots.

1.3.3.1 Los 14 atributos de un buen robot.

Un buen robot debe poseer:

1) Una mano capaz de sostener y transportar la pieza o herramienta.


8


2) Un brazo capaz de mover la mano hasta cualquier punto del espacio (dentro de su alcance).

ad

5) ad acorde con la carga y cometido.

n ser humano.

edia).

acceso rápido a los

9) nuales que permitan a un operador mandar cada una de las funciones del robot

10) apaz de registrar todas las instrucciones del operador.

ciones en ausencia del

12) mas para poder repetir trabajos realizados en el pasado, o con alternancia

13) con la oficina, el taller y con la máquina en

14) e dialogar con un ordenador.

1.3.4 Aplicaciones.

En la actualidad se ha generalizado el uso de robots manipuladores en muchas aplicaciones que

pintar, etc. se encuentren siempre en el lugar determinado en el momento preciso.

3) Una muñeca capaz de orientar la pieza o herramienta en cualquier posición en el espacio.

4) Los músculos necesarios para sostener la pieza o herramienta y transportarla a la velocid

requerida.

Repetitivid

6) Velocidad de ejecución al menos igual a la de u

7) Una fiabilidad de al menos 400 horas de trabajo entre averías (m

8) Una construcción que permita un fácil mantenimiento, con un

componentes y su intercambiabilidad en caso de avería, disponiendo además de auto –

diagnóstico.

Controles ma

por separado.

Una memoria c

11) Sistemas automáticos que permitan a la memoria controlar las opera

instructor humano.

Un banco de progra

(paso de piezas distintas en una misma cadena).

Dispositivos de seguridad y sistemas de conexión

que opera el robot.

Una interfaz capaz d

requieren movimientos repetitivos sencillos, pero la industria automovilística, que fue en un

principio la pionera en el uso de robots, continua siendo la que más los usa, siendo los tipos

principales de aplicación los siguientes: soldadura de puntos, pintura “spray”, manipulación de

partes de la carrocería, chasis y motor. En ninguna de estas aplicaciones es necesario el uso de un

sistema de visión, siempre y cuando se organice el trabajo en forma tal que las partes a soldar,


9


Las tres aplicaciones mencionadas requieren distintas herramientas (end efector) y forma de

programación.

a) Soldadura de puntos: En este caso la herramienta usada al extremo del brazo es una pinza de

soldar por puntos. El robot se programa generalmente por medio de una “caja de enseñanza”

para que soldé siguiendo un camino determinado y actuando la pinza cada cierto número de

b)

alizado

c)

n es similar a la usada en soldadura de punto, caja de

En nin

Si se u isión u otro tipo de sensor externo, este control se hace necesario, ya que la

trayectoria dependerá de la información recibida por el microprocesador [Audí, D.;1998].

centímetros. Las partes a soldar deben estar en la posición correcta o el robot soldará en

puntos desplazados. La caja de enseñanza tiene un teclado con el cual pueden controlarse las

articulaciones y actuar la herramienta de trabajo en la secuencia deseada por el operador. Las

señales producidas por el operador van entrando en la memoria del microcomputador

controlador del brazo y pueden ser después repetidas un número cualquiera de veces.

Pintura “spray”: La herramienta de trabajo es una pistola de pintar. El movimiento no es de

punto a punto, sino continúo. En este caso es más práctico tener una réplica de peso ligero y

tamaño natural del robot, con los mismos sensores que éste. Un operario especi

mueve la pistola como si estuviera pintando y los movimientos van entrando, a través de los

sensores, a la memoria del microprocesador de control y los éstos son replicados fielmente.

Debido al método de programación descritos, se usa el término “leading by the nose” en

inglés, o sea “guiar por la nariz”.

La carga y descarga de piezas podría parecer la tarea más sencilla. Sin embargo en muchos

casos resulta la más complicada debido a la dificultad de agarrar y colocar las piezas de

forma compleja. La programació

enseñanza.

guna de estas tareas es necesario controlar la trayectoria de la herramienta automáticamente.

sa un sistema de v


10


1.3.5 Analogías y diferencias respecto al hombre

arece útil comparar al robot con el hombre al intentar describir su anatomía, ya que existen

similitudes, aunque también, de momento, notables diferencias.

El cuerpo

ento que posibilita alcanzar las 3 coordenadas de posición de un punto en el

espacio.

• Muñeca: elemento que posibilita alcanzar los 3 ángulos de posición de un objeto en el

• Mano – herramienta: “end – efector” (elemento Terminal o ejecutor final).

P

• Tronco: columna o viga soporte (figura 1.6).

• Brazo: elem

espacio.

Figura 1.6 Elementos que forman un grupo motor de un eje de un robot eléctrico.


11


Sentidos: los sensores

• Visión.

de par.

sión, fuerza.

viles para disminuidos físicos).

Codificadores y resolvers: no fácilmente comparables. No obstante una buena imagen de ellos nos la

da la capacidad que tenemos de conocer la posición de nuestras extremidades manteniendo los ojos

cer o

Conexiones eléctricas u ópticas (cables y fibras ópticas).

•

r putador

erebro es más o menos potente, según el tipo de sofisticación y precio del

robot; podemos empezar por un controlador lógico programable y acabar con un ordenador

mpuesto por la unidad de programación y un controlador.

• Tacto: control de fuerza,

• Piel: pre

• Oído: Ordenes acústicas (automó

rad s.

Nervios: elemento transmisor de órdenes.

•

Músculos: Actuadores

Hidráulicos.

• Eléctricos.

• Neumáticos.

Ce ebro: Com

En este caso, el c

más o menos poderos, co


12


ientación

cualquiera en el espacio.

Los robots más completos van equipados con ellas, lo que nos da un robot con 6 grados de

ros tres ejes nos dan la posición). Los nombres de los movimientos de las

muñecas han sido tomados de los habitualmente usados en navegación aérea o marítima.

mpone de tres ejes de rotación en posición ortogonal, el primero

respecto al segundo y el tercero respecto al plano que definen los otros dos (este plano es

Las muñecas

Dijimos que una buena muñeca debe poseer tres ejes para conseguir una or

libertad (los ot

La muñeca clásica se co

paralelo al segundo eje y contiene el primer eje) (figura 1.7).

Figura 1.7 Muñeca de robot con tres ejes de rotación.

1.3.6 Elementos terminales.

Existen significativas diferencias entre los elementos terminales (end effectors) de un robot y la

mano del hombre. Las más notable consiste en que en el robot acoplamos, a veces, directamente la

herramienta, o máquina

s que cambiar la herramienta frecuentemente, se le provee de un

acoplamiento rápido, al estilo de los usados en los centros de mecanizado de control numérico.

portátil, al brazo sin pasar por la mano.

Cuando en un robot tenemo


13


La inmensa mayoría de los robots sólo cambian de elemento terminal al cabo de un largo período,

durante el que ejecutan un trabajo repetitivo. Por ello muchos de estos elementos son simples

mordazas de dos garras. Si las piezas a sujetar son de tipo cilíndrico todavía se simplifica más el

diseño de estas garras.

ano

del hombre capaz de efectuar la sujeción a través de un gran número de posibilidades, y con una

s e irregulares, pero

resultan algo voluminosas y pesadas.

s plásticos en México.

encontramos ante una industria joven que ha evolucionado en

forma acelerada y normalmente a índices superiores al mostrado por el Producto Interno Bruto

poderosas, hicieron aumentar el sector, originando el crecimiento dinámico de resinas

Cuando hay que sujetar piezas irregulares, frágiles o blandas, es cuando se hecha en falta la m

enorme capacidad para repartir la presión procurando no estropear las piezas.

Se han fabricado manos de 5 dedos intentando imitar la mano humana, pero las dificultades son

impresionantes.

A través de varios proyectos de desarrollo, se ha llegado a la construcción de manos de 3 dedos

articulados y con la capacidad de rotación respecto al punto donde están anclados, las cuales

cumplen bastante bien el cometido de sujetar gran número de objetos distinto

1.4. Origen de lo

Dentro de la petroquímica, la industria de resinas sintéticas es la que presenta una mayor relevancia,

la producción nacional para plásticos se remonta escasamente a 57 años la cual se ha caracterizado

por su dinamismo en los últimos años, además la cadena productiva ha impactado todos los sectores

de la economía nacional, es decir nos

Nacional (PIB) y al Manufacturero.

A principios de la década de los 40´s, comenzó la comercialización de los plásticos y el

conocimiento del desarrollo a nivel industrial que ha tenido este sector y la flexibilidad de sus

productos les ha permitido aplicarse en mercados que antes eran cautivos de materiales como, el

hierro, cobre y acero. Desde 1960 la infraestructura y capacidad de las regiones económicamente


14


termoplásticas, la demanda interna de resinas sintéticas mostró una caída significativa durante 1982-

1984 del orden del 12% en términos globales. En 1986 y 1987 presentó una moderada recuperación,

y en 1985, 1988 y 1989 un importante crecimiento del 4.5 por ciento.

es de tonelada y para el año

o pues abarcando mercado del vidrio, papel y metales

s

• El plástico reciclado no es apto para su reutilización en envases reciclados para la industria de

• Los plásticos reciclables son utilizados en la manufactura de otros productos tales como: fibras

o, esponjas plásticas, transversales para las vías de los

trenes, y textiles.

1.4.1 Inicios en la utilización de plástico.

La primera fábrica de plásticos se llamó Albany Dental Plate Company fundada en 1870. Su nombre

se explica con el hecho de que una de las primeras utilizaciones del celuloide que fue experimentada

por dentistas, felices de sustituir con ella la goma vulcanizada, entonces extremadamente cara,

utilizada para obtener las huellas dentales.

En 1990 la producción mundial de plásticos alcanzó los 100 millon

2,000 llegará a 160 millones de toneladas.

El consumo de plásticos sólo se encuentra por abajo del consumo del hierro y acero, pero debe

tomarse en cuenta que éstos tienen una densidad entre seis y sietes veces mayor a la de los plásticos.

Por esta razón, el volumen producido de plásticos fue mayor al del acero.

Los plásticos seguirán creciendo en consum

debido a sus buenas propiedades y su relación costo – beneficio.

1.4.2 Interés en la disposición de plástico

• Los plásticos reciclados no pueden ser utilizados para fabricar envases similares, como es el caso

del aluminio y del vidrio.

alimentos.

para alfombras, material de empaque y rellen


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1.4.3 Proceso de reciclado del plástico

En nuestro país, el reciclado de PET, el plástico con el que entre otros elementos se fabrican los

ese

iclado en 1997 se pasó a más de 10 mil toneladas en 2002.

bución de plantas entre otros.

cia, ya que algunas empresas lo usan como materia prima,

éste basa su importancia en la diferencia de precios que mantiene con el plástico original, en

en artículos con propiedades físicas y químicas

idénticas a la del material original. El reciclaje primario se hace en termoplásticos como PET

ario

envases de refrescos, creció más de 12 veces en los últimos cinco años. De 780 toneladas de

material rec

En el reciclaje del plástico se dan como puntos críticos: el conocimiento y/o la metodología de

cómo se realizan ciertas actividades, como por ejemplo la selección, el lavado, sistemas de molino,

aglutinado y distri

El plástico reciclado es de gran importan

algunas ocasiones se mezclan los dos para obtener mejor calidad y mejor precio, ya que productos

terminados solo con material reciclado poseen apariencia física y propiedades mecánicas menores

que los trabajados con plásticos originales.

1.4.3.1 Reciclaje primario

Consiste en la conversión del desecho plástico

(Polietileno Tereftalato), PEAD (Polietileno de alta densidad), PEBD (Polietileno de Baja

Densidad), PP (Poliestireno) y PVC (Cloruro de Polivinilo). Las propiedades de los termoplásticos

son la base de este reciclaje primario debido a la habilidad de estos de refundirse a bajas

temperaturas sin ningún cambio en su estructura ya que “tienen moléculas que se encuentran en un

alineamiento casi paralelo”.

Proceso de reciclaje prim

Es fundamentalmente el mismo para los distintos plásticos. Consiste en la separación, limpieza,

peletizado, moldeado por inyección y termo-formación.


16


Separación: La separación es tan difícil que algunos sistemas automatizados, además del

manual, han sido desarrollados.

Los métodos de separación pueden ser clasificados en separación macro, micro y molecular.

ce sobre el producto completo usando el reconocimiento óptico

del color o de la forma. La separación manual se incluye dentro de esta categoría, esta

año, peso, densidad, etc. Por otra parte la

a temperatura”.

pués del proceso de

olsas plásticas.

SOPLADORA: Máquina utilizada para la elaboración de envases.

La macro separación se ha

clasificación se ve auxiliada por un código de números. La micro separación puede hacerse

por una propiedad física específica como el tam

separación molecular “Involucra procesar el plástico pos disolución del mismo y luego

separar los plásticos basados en l

Limpieza: Los plásticos separados son generalmente contaminados con comida, papel,

piedras, polvo y pegamento. De ahí que, tienen que ser primero limpiados al granulárseles y

luego lavar este granulado en un baño de detergente. Otra opción de limpiado es la de

granular los plásticos repetidamente e irlo desechando sobre pantallas movibles. Se

recomienda usar hidrociclones cuando el desecho plástico está muy contaminado.

“El plástico contaminado es removido y al ser ligero, flota en la superficie en donde es

expulsado. Los contaminantes caen al fondo y se descargan”. Des

limpieza, los plásticos se llaman “hojuelas limpias” o “granulado limpio”.

Peletizado: El granulado limpio y seco puede ser ya vendido o puede convertirse en “pellet”.

Para esto, el granulado debe fundirse y pasarse a través de un tubo para tomar la forma de

espagueti al enfriarse en un baño de agua, una vez frío es cortado en pedacitos llamados

“pellets”.

Esta materia prima es derretida o transformada por medio de máquinas como:

EXTRUSORA: Máquina utilizada para la elaboración de rollos de b


17


INYECTORA: Máquina utilizada para la elaboración de una gran variedad de piezas

plásticas o sólidas.

Moldeo por inyección: El fundamento del moldeo por inyección es inyectar un polímero

fundido en

un molde cerrado y frío, donde solidifica para dar el producto.

Termoformación: En la termoformación, se calienta una preforma que, por lo común, es

o, se deforma

med

1.4.3.2 Re

El reciclaje secundario convierte al plástico en artículos con propiedades que son inferiores a las del

pol

plástico ivo del reciclaje

sec

incluye

extruso

cortadas a varias longitudes dependiendo de las especificaciones del cliente. Los plásticos

o se funden y tiene que acumularse en el centro de la mezcla y los

una lámina de polímero obtenida por extrusión, hasta que se reblandece y, lueg

iante una fuerza que se aplica al molde, donde se enfría.

ciclaje secundario

ímero original. Ejemplos de plásticos recuperados por esta forma son los termoestables o

s contaminados. El proceso de mezclado de plásticos es representat

undario. Este elimina la necesidad de separar y limpiar los plásticos. La mezcla de plásticos,

ndo tapas de aluminio, etiquetas de papel, polvo, etc., se muelen y funden juntas dentro de un

r. Los plásticos pasan por un tubo con una gran abertura hacia un baño de agua, y luego son

termoestables son partes que n

plásticos más viscosos tienden a salir, dándole al producto final una apariencia uniforme.

1.4.3.3 Reciclaje terciario

Éste degrada al polímero en compuestos químicos básicos y combustibles. Es fundamentalmente

diferente a los dos tipos de reciclaje mencionados anteriormente porque involucra un cambio

químico además del físico. Aquí las largas cadenas del polímero se rompen en pequeños

hidrocarburos (monómeros) o monóxido de carbono e hidrógeno. Actualmente el reciclaje terciario

cuenta con dos métodos principales: la pirólisis y la gasificación. Pero se están desarrollando otros

métodos como son metanólisis y glicólisis.


18


1.4.3.4 Reciclaje cuaternario

Consiste en el calentamiento del plástico con el objeto de usar la energía térmica liberada de este

proceso para llevar a cabo otros procesos, es decir, el plástico es usado como un combustible con

objeto de reciclar energía. La incineración puede incluirse en esta clasificación siempre que la

recuperación de carbón sea acompañada de un generador de vapor, “por el uso directo de gases de

horno de alta temperatura en un proceso que requiere una fuente de calor externa”. Estos gases de

umo son para recalentar, secar o templar hornos. Existen otras ventajas de la incineración tales

como:

a. Mucho menos espacio ocupado que en los rellenos sanitarios.

h

b. La recuperación de metales.

c. El manejo de diferentes cantidades de desecho.

Sin embargo, algunas de sus desventajas son la generación de contaminantes gaseosos, aunque ésta

sea mínima, y la gran inversión monetaria que representa.

CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES

19



20


2.1 Controlador Lógico Programable.

2.1.1 Visión general del sistema (opcional).

El sistema de MicroLogix 1200/1762 provee la funcionalidad entre los MicroLogix 1000/1761 y

sistemas de MicroLogix 1500/1764, usando la arquitectura de familia de MicroLogix y SLC. La

memoria de escritura de 6K proporciona un programa máximo de las palabras de 4K y los datos

máximos de las palabras de 2K con la conservación de datos de 100 %. Un módulo de memoria

opcional suministra programa y copia de seguridad de datos de carga de programa y la capacidad de

descarga. El reloj de tiempo real opcional permite la planificación de tiempo de las actividades de

control. El sistema operativo auto actualizable deja actualizar el software del sistema sin reemplazar

el equipo físico.

Figura 2.1 Controlador Lógico Programable.


21


2.1.2 Beneficios

Flexibilidad – el rango de I/O y opciones de comunicación lo deja configurar un controlador de

MicroLogix 1200 para diferentes aplicaciones:

• 24 o 40 I/O incorporadas. Las entradas pueden ser de 24V CC (pila o fuente) o de 120V CA.

Salidas a contactos relay o FET.

• Añada hasta 96 I/O digitales en 6 módulos de I/O análogos (dentro de los límites de la

capacidad de suministro de energía, por un total de 136 I/O máximo).

Extensión amplia de opciones de comunicación:

• Módem de radio DF1. El módulos de interfaz de comunicación DH-485 soporta, DeviceNet,

y Ethernet / IP.

• Los controladores MicroLogix 1200 también suministran un puerto de programación HMI

con los parámetros de comunicación fijos para proveer medios adicionales de comunicación

al controlador.

Alta funcionalidad

El MicroLogix 1200 / 1762 suministra un poderoso sistema con las siguientes características:

• Contador de alta velocidad de 20k-Hz.

• 20k - Hz de PTO (Tren de Salida de Pulsos) o PWM (Modulación de Ancho de Impulso).

• Memoria de 6K no borrable (4K máximo de escritura en programa, 2k máximo de escritura

en datos).

• 4 entradas de interrupción.

• 4 seguros de salida.

• 2 potenciómetros incorporados.

• Memoria opcional, reloj de tiempo real o el módulo de memoria / reloj de tiempo real.

• Poderoso set de instrucciones para soporte PID y ASCII.


22


• Software de programación RSLogix 500.

• Sistema operativo auto actualizable.

2.2 Actuadores neumáticos

En los sistemas hidráulicos y neumáticos la energía es transmitida a través de tuberías. Esta energía

es función del caudal y presión del aire o aceite que circula en el sistema.

El cilindro es el dispositivo mas comúnmente utilizado para conversión de la energía antes

mencionada en energía mecánica.

La presión del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de ese fluido es quien

establece la velocidad de desplazamiento del mismo. La combinación de fuerza y recorrido produce

trabajo, y cuando este trabajo es realizado en un determinado tiempo produce potencia.

Ocasionalmente a los cilindros se los llama "motores lineales".

En la figura 2.2, vemos un corte esquemático de un cilindro típico. Este es denominado de doble

efecto por que realiza ambas carreras por la acción del fluido.

Las partes de trabajo esenciales son: 1) La camisa cilíndrica encerrada entre dos cabezales, 2) El

pistón con sus guarniciones, y 3) El vástago con su buje y guarnición.

1)

CONEXIÓN CONEXIÓN

3) BUJE Y GUARNICIÓN

CAMISA 2) PISTON GUÍA DE PISTÓN VASTAGO

VASTAGO

CABEZAL

Figura 2.2 Corte esquemático de un cilindro de doble efecto.


23


2.2.1 Tipos de cilin

fecto.

do en la figura 2.2 constituye la conformación más corriente de los

cilindros hidráulicos y neumáticos, sin embargo para aplicaciones especiales existen variaciones

uración es deseable cuando se

necesita que el desplazamiento volumétrico o la fuerza sean iguales en ambos sentidos.

Figura 2.3 Cilindro de doble vástago.

En muchos trabajos la produc uso de estaciones de trabajo

operadas alternativamente por un cilindro de doble vástago (figura 2.4).

Figura 2.4 Estaciones de trabajo operadas por un cilindro de doble vástago.

dros.

2.2.1.1Cilindro de doble e

El cilindro de doble efecto mostra

cuyo principio de funcionamiento es idéntico al que hemos descrito

La figura 2.3 nos ilustra un cilindro de doble vástago. Esta config

CONEXIÓN CONEXIÓN

ción puede incrementarse mediante el

ESTACIÓN DE TRABAJO ESTACIÓN DE TRABAJO


24


Cada estació secuencia

progresiva por ejemplo, diferentes operaciones en una misma pieza.

ontactos o microválvulas para

establecer una secuencia (figura 2.5).

Figura 2.5 Vástago actuando en 2 microcontactos o microválvulas.

2.2.1.2 Cilindro

de fuerza en un solo sentido. El fluido es aplicado en la cara

delantera del cilindro y la opuesta conectada a la atmósfera como en la figura 2.6.

Figura 2.6 Cilindro de simple efecto

Después de que la carrera de

original por la acción de un resorte interno, externo, o gravedad u otro medio mecánico. El fluido

n puede realizar el mismo trabajo, o dos operaciones diferentes en una

Uno de los vástagos puede ser empleado para actuar sobre microc

de simple efecto.

Cuando es necesaria la aplicación

1

CONE

ESTACIÓN DE TRABAJOMICROVALVULAS O MICROCONTACTOS

VENTEO

EMPAQUETADURA DE VASTAGO

CONEXIÓN

retroceso se ha completado, el pistón es retornado a su posición


25


actúa sobre el área "neta" del pistón por lo tanto para el cálculo de fuerza debe restarse el área

representada por el vástago.

El resorte de retorno esta calculad exclusivamente para vencer la fricción propia del cilindro y "no"

para manejar cargas externas.

con resorte interior se emplean en carreras cortas (máximas 100mm.)

ya que el resorte necesita un espacio adicional en la construcción del cilindro, lo que hace que estos

cuadrada, camisa ovalada o cuadrada, o una guía interna como la mostrada

en la figura 2.7 que constituye la solución mas corriente y económica, el perno de guía que atraviesa

Los cilindros de simple efecto

sean mas largos que uno de doble efecto para la misma carrera.

2.2.1.3 Guías externas

Vástago de sección ovalo

el pistón está empaquetado en este para evitar perdidas de fluido entre cámaras.

Figura 2.7 Cilindro con guía interna

CONEXIÓN

GUÍA DE PISTÓN VASTAGO


26


Una aplicación típica de un cil a figura 2.8 donde se requiera

mantener una posición relativamente alineada.

Figura 2.8 Cilindro no rotativo

2.3 Ventosas.

on el comp ente activo que crea el enlace entre el manipulador y la pieza a

manipular. Hay una gran diversidad de piezas y aplicaciones de sujeción, así como una gran

herramienta sencilla y

económica para automatizar, en aplicaciones de sujeción repetitivas del tipo “tomar, transportar,

ión de materiales tales como, la cerámica, el vidrio o la madera. Son

adecuadas para un gran número de operaciones de manipulación, tales como clasificación,

indro no rotativo la observamos en l

VASTAGO NO

ROTATIVO

YUGO

PIEZA

Las ventosas s on

variedad de ventosas con diferentes tamaños, material, geometría y diseño.

Actualmente, las ventosas se utilizan ampliamente en la industria como

dejar”, siempre que las piezas tengan superficies planas y no porosas.

2.3.1 Ventosas de aspiración.

Son utilizadas para la manipulac

alimentación, sujeción, giro y apilado, y se utilizan como pinzas en dispositivos de elevación,

sistemas de alimentación y de almacenado, máquinas empaquetadoras y líneas de producción.


27


Las ventosas de aspiración son especialmente adecuadas cuando las piezas tienen las siguientes

características:

Dimensiones de difícil manejo.

Sensibles a deformarse.

sguños (rectificadas, pulidas, pintadas).

as, pero no porosas.

Distinción general entre dos tipos de aplicaciones de las ventosas de aspiración:

Gran superficie de aspiración y pequeña diferencia de presión.

Aquí la ventaja es que la fuerza de sujeción puede alcanzarse rápidamente y que hay poca

iales ligeramente porosos,

el aire difícilmente atraviesa el objeto.

Esto significa elevadas fuerzas de aspiración ya que las ventosas son más pequeñas. Lo cual

e a menudo es un factor

decisivo en espacios limitados.

A continuación se muestran los componentes más importantes de una ventosa de aspiración (figura

.9):

No magnetizables.

Superficies sensibles a ra

Superficies ondulad

deformación en las piezas blandas y flexibles. En el caso de mater

Pequeña superficie de aspiración y gran diferencia de presión.

permite reducir el radio de holgura de los manipuladores, lo qu

2


28


Línea de vacío

Vacuostato

Libertad angular

Escape rápido

Libertad vertical

Intercambiabilidad rápida

Generación de la fuerza de sujeción

Sensor de contacto con la pieza

Figura 2.9 Componentes de una ventosa de aspiración

2.3.2 Dimensionado de ventosas de aspiración.

La finalidad es definir el nivel de vacío y el tamaño de la superficie de aspiración, para que sean

compensadas de forma fiable todas las fuerzas que se producen durante la manipulación.

En movimientos lentos, como es el caso de la sujeción de piezas por aspiración en un movimiento

de balanceo, es suficiente considerar las fuerzas estáticas.

Con movimientos rápidos, también hay que considerar las fuerzas dinámicas.

Como principio general se aplica la siguiente ecuación (2.1):

( )S

znApupoF 13 ⋅⋅⋅⋅⋅−= η (2.1)


29


Los términos utilizados arriba son los siguientes:

A = Fuerza teórica de aspiración de la ventosa.

F = Carga de trabajo; fuerza debida al peso de la pieza sujetada; carga total en la zona de aspiración.

3n = Coeficiente de deformación. Los labios muy blandos (ventosas en forma de campana) se

deforman mucho cuando se crea el vacío, lo cual reduce la superficie efectiva de aspiración.

3n = 0,9 a 0,6.

po = Presión atmosférica: depende de la altitud sobre el nivel del mar.

pu = Depresión en la cámara hermética de aspiración.

S = Factor de seguridad a respetar ante el desprendimiento de la pieza.

No basta un simple estado de equilibrio; el objeto a sujetar debe ser presionado

contra la ventosa con una cierta fuerza.

S = 2 a 3.

z = Cantidad de ventosas.

η = Rendimiento del sistema, incluyendo las pérdidas por fugas.

Con movimientos rápidos, al peso de la pieza hay que añadir las fuerzas debidas al momento de

inercia de la masa y a la fuerza centrífuga. Esto produce también líneas de acción diferentes de la

fuerza total. Además, el centro de gravedad del objeto puede no coincidir con el centro de la

ventosa.

La fuerza F es siempre la resultante de todos los efectos estáticos y dinámicos, incluyendo un

margen para los movimientos superpuestos.


30


En casos de movimiento lateral y en los que la superficie de aspiración se halla vertical, debemos

considerar otra variable: el coeficiente de rozamiento µ. Puede tomarse µ = 0,5 para vidrio limpio y

seco, piedra y plástico, bajando hasta µ = 0,1 a 0,4 con superficies húmedas o aceitosas (figura

2.10), (ecuación 2.2).

Figura 2.10 Situación de fuerza en una ventosa

μF/nFs ⋅≥ 2 (2.2)

F = Suma de las fuerzas de desplazamiento.

sF = Fuerza producida por el vacío.

2n = Coeficiente de protección contra desplazamiento.

μ = Coeficiente de desplazamiento.

Con una ventosa horizontal, la fuerza de sujeción es menos del 50% del valor asignado para un eje

vertical.


31


2.3.3 Parámetros a considerar para ventosas.

Los materiales corrientes de las ventosas son perbunan (buna-N), silicona, poliuretano y neopreno.

También se utiliza la goma natural. En ciertas aplicaciones, puede ser indispensable que la ventosa

no marque la pieza, por ejemplo en piezas con acabados a espejo o metales pulidos.

Un método es utilizar caperuzas o laminados textiles bajo las ventosas.

Hay también ventosas de goma fluorada que no producen marcas.

La elección de las ventosas viene influida por la aplicación y por las cargas asociadas que presentan

la pieza y el entorno.

Son especialmente importantes las propiedades tales como la resistencia a la abrasión, resistencia al

aceite (resistencia química), adecuación para ser utilizadas en el sector de alimentación y la

resistencia a la temperatura a corto o a largo plazo.

La temperatura de la pieza puede variar en general entre –50 y 250°C.

Cualquier aplicación por encima de los 70° puede ser considerada como un caso especial y requerirá

generalmente materiales especiales. A temperaturas por debajo de cero grados, la dureza de las

ventosas puede aumentar, haciendo las ventosas prácticamente rígidas e impidiendo su adaptación a

la superficie de la pieza.

Los diámetros normales de las ventosas van desde 1 a 630 mm (ventosas de aspiración planas).

2.4 Banda Transportadora Conveyor.

La banda transportadora conveyor es un auxiliar en el transporte de materiales, se debe considerar

que para su utilización, debe estar diseñada exclusivamente para las dimensiones del material que va

a soportar. Si hubiera un movimiento brusco, existe la posibilidad de que se altere la posición del

material, por lo cual se debe calcular el proceso de manera que no existan estas alteraciones.


32


Algo importante de mencionar es que la banda transportadora conveyor esta integrada por una serie

de dispositivos que operan de la siguiente forma:

Estructura de soporte.

• Como su nombre lo indica, es el conjunto de elementos rígidos que sirven para

soportar a todos los demás componentes, su fabricación es de aluminio por ser un

material ligero y con alta resistencia mecánica.

Cadena de transporte.

• Esta es la cadena de movimiento continuo sobre la cual se desplaza el producto

hasta ser detenido por otro elemento, en caso de ser pernos de retención el pallet

tendrá fricción en su parte inferior, por lo cual la cadena debe estar lubricada

preferentemente con grasa, evitando así el desgaste de dichas superficies.

Pernos de retención.

• Estos son elementos que al ser habilitados obstruyen el paso del pallet,

deteniéndolo para una operación posterior; existen dos tipos de pernos de

retención los de entrada que se encuentran localizados siempre al inicio de una

estación y sirven para evitar que se junten dos piezas en caso de que se

encuentren próximos; los pernos de salida se localizan al final de la estación y

sirven para detener la pieza mientras es transportado.

Sensores.

• Son las terminales del sistema nervioso de esta máquina, los sensores son

interruptores de paso o de límite, según sea su utilidad. Estos sensores envían señales

cuando el producto pasa o se coloca sobre ellos, por lo que se denominan señales de

entrada, con estas señales se activa alguno de los dispositivos según estén

programados.


33


Cableado.

• Por medio de esta vía se difunden las señales y las operaciones ordenadas por el

programa hacia las terminales para que actúen o realicen las operaciones destinadas,

así como el monitorear en la computadora o en el tablero del Controlador Lógico

Programable las operaciones que se están realizando.

Tubería de distribución.

• Por medio de estos conductos se alimentan la válvulas para el funcionamiento de los

topes de retención y los elevadores de sujeción.

Computadora.

• Es una alternativa para la programación pero no es indispensable, ya que de manera

similar se puede realizar con la caja de enseñanza (Teach Pendant). Además de que el

monitoreo se puede realizar por medio del tablero del Controlador Lógico

Programable. De tal manera que la computadora es un equipo auxiliar más no

indispensable que se puede sustituir por otros equipos de menor costo.

2.5 Motores de Corriente Directa (CD).

Los motores de corriente directa son insuperables para aplicaciones en las que debe ajustarse la

velocidad, así como para aplicaciones en las que requiere un par grande. En la actualidad se utilizan

millones de motores de C.D. cuya potencia es de una fracción de caballo en la industria del

transporte como: automóviles, trenes y aviones, donde impulsan ventiladores, de diferentes tipos

para aparatos de a/c, calentadores y descongeladores: también mueven los limpiadores de parabrisas

y acción de levantamiento de asiento y ventanas. También son muy útiles para arrancar motores de

gasolina y diesel en autos, camiones, autobuses tractores y lanchas.


34


El motor de C.D. tiene un estator y un rotor (ARMADURA). El estator contiene uno no más

devanados por cada polo, los cuales están diseñados para llevar intensidades de corriente directas

que establecen un campo magnético.

La ARMADURA, y su devanado están ubicados en la trayectoria de este campo magnético y

cuando el devanado lleva Intensidades de Corriente, se desarrolla un par-motor que hace girar el

motor. Hay un CONMUTADOR conectado al devanado de la armadura, si no se utilizara un

conmutador, el motor solo podría dar una fracción de vuelta y luego se detendría.

Para que un motor de C.D. pueda funcionar, es necesario que pase una Intensidad de Corriente por el

devanado de Armadura. El estator debe de producir un campo (flujo) magnético con un devanado de

derivación o serie (o bien, una combinación de ambos).

El par que se produce en un motor de C.D. es directamente proporcional a la Intensidad de Corriente

de la armadura y al campo del estado. Por otro lado, la velocidad de motor la determinara

principalmente la Tensión de la Armadura y el campo del Estator. La velocidad del motor también

aumenta cuando se reduce el campo del estator. En realidad, la velocidad puede aumentar en forma

peligrosa cuando, por accidente, se anula el campo del estator. Como ya sabemos los motores de CD

pueden explotar cuando trabajan a velocidades muy altas. El motor de C.D. que se usa aquí, ha sido

diseñado para soportar posibles condiciones de exceso de velocidad.

Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o

energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este dispositivo se utiliza para convertir energía

mecánica en energía eléctrica se denomina generador, cuando convierte energía eléctrica en energía

mecánica se llama motor.

CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO

35



36


3.1 Introducción.

Los siguientes elementos a calcular constituyen la parte mecánica del proyecto. Dentro de este

capítulo se encuentran los cálculos de dichos elementos para determinar si el material que se utiliza

es el adecuado y cumple con las necesidades mecánicas del proyecto.

El cálculo de los elementos se realizo de acuerdo al orden en que esta constituido el manipulador, es

decir, desde la base hasta el efector final (ventosas).

3.2 Cálculo de columnas.

El proyecto requiere calcular cuatro columnas, las cuales tienen la misma longitud y están

soportando una misma carga. Estas columnas estarán soportando el peso completo del manipulador,

dos guías y un eje. El peso a soportar es de 196.2N, por seguridad se multiplicara este peso por un

factor de seguridad de 3(de acuerdo a nuestro criterio se tomo un factor de seguridad de 3 (este valor

puede ser mayor o menor dependiendo del criterio de la persona que realice el proyecto), quedando:

N6.588N(3)2.196 ==P

Esto quiere decir que las 4 columnas tendrán que soportar 588.6N, por lo que este valor se divide

entre cuatro para determinar el peso (P) que soportara cada columna:

147.15N4

588.6N==P

Sabiendo que la columna tendrá ambos apoyos empotrados y tiene una longitud l=1m, se

multiplicara la longitud por un factor de 0.5 para conocer la longitud efectiva ( ) de dicha columna: El

( ) m 0.5m15.0(3.1) 5.0

==⋅=

E

E

lll


37


Este valor sirve para posteriormente determinar si la columna es larga o intermedia. Esto se

analizara mas adelante.

El siguiente cálculo es calcular el radio de giro de la sección transversal (K), el cálculo se determina

con la siguiente formula:

AIK = (3.2)

Donde:

I = Momento de inercia.

A = Área.

Para obtener el momento de inercia ( ) con respecto al eje X, tenemos: Ix


38


Donde:

h = Longitud por lado de la base de la columna

Y y X = ejes

x = Centroide

( )

28-

4

4

mx1075.612

m03.0

(3.3) 12

m03.0

==

==

==

=

IyIx

IyIx

hIyIx

h

Para el área (A) tenemos:

( ) 24-2

2

m9x10m03.0

(3.4)

==

=

A

hA

Para el centroide (x):

m015.02

m03.0

(3.5) 2

==

=

x

hx

Con el valor obtenido del momento de inercia y el área, se puede determinar el radio de giro de la

sección transversal (K):


39


m0086.0

m10x5.7m10x9

m10x75.6

(3.6)

2524

48

=

==

=

−−

−

K

K

AIK

Para determinar si la columna es larga ò intermedia se tienen dos relaciones.

(3.8) .intermedia columna una Es Si

(3.7) larga columna una Es Si

CcKl

CcKl

≤⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

>⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Kl obtenemos: Determinando el factor de relación de esbeltez

13.58m0086.0

m5.0==

Kl

Para determinar la relación de esbeltez que indica el límite entre columnas intermedias y largas (Cc),

se calcula de la siguiente forma:

CED

ECcσπ 22

= (3.9)

Sabemos que el modulo de elasticidad (E) para un acero estructural A-36 es de GPa y el

esfuerzo de cedencia

910210×

)( CEDσ vale 250 MPa, teniendo estos valores, se puede determinar la relación

de esbeltez Cc:

( )

76.128Pa10250

Pa1021026

92

=××

=

Cc

Cc π


40


Obteniendo así:

76.128 y 13.58 == CcKl

Haciendo la relación tenemos que:

76.12813.58 <

Esto quiere decir que la columna es intermedia.

El siguiente cálculo es el factor de seguridad (F. S.) recomendado por A. I. S. C. (American Institute

of Steel Construction), que es:

El limite del factor de seguridad (F. S.) recomendado por A. I. S. C. va de 1.67 a 1.92.

88

3

35.. 3

3

CcKl

CcKl

SF⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+= (3.10)

Calculando:

( )( )

( )( )

818.1..

76.128813.58

76.128813.583

35.. 3

3

=

−+=

SF

SF

Este factor de seguridad sirve para determinar el esfuerzo admisible ( ADMσ ) del material el cual

indica la carga máxima que puede soportar la columna, y se calcula de la siguiente manera.


41


CEDADM SF

CcKl

σσ..

21 2

2

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−

= (3.11)

( )( ) ( ) .MPa .49123250

818.176.1282

13.581 2

2

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=ADMσ

Conociendo el esfuerzo admisible, podemos determinar la carga admisible (P ) como sigue: ADM

( )( ) kN .411111000

1091049.123

(3.12) 46

=××

=

⋅=−

ADM

ADMADM

P

AP σ

Lo cual nos indica que este tipo de perfil es recomendable, ya que la máxima carga a soportar es de

588.6N y tenemos una carga admisible de 111.41 kN.

Dados los resultados de los cálculos, observamos que el acero estructural A-36 es adecuado para lo

que se requiere en este proyecto ya que soporta la carga del manipulador, es un material comercial y

es económico.

3.3 Selección del motor para hacer girar el tornillo que produce el desplazamiento.

Para que se produzca el giro del husillo de bolas se requiere un motor que aporte una potencia de

1/16 HP y 1200 rpm, dicho motor tendrá que ser de Corriente Directa (C.D.).

El motor seleccionado, que cumple con dichas características, es el siguiente:


42


Figura 3.1 Motor de imán

permanente modelo 6034

3.4 Cálculo de guías

El manipulador cuenta con dos guías que son las que soportan el peso del manipulador para que el

eje de rotación que se encuentra en el centro no tenga que soportar mucha carga. Tomamos las guías

como vigas para realizar el cálculo de flexión. El peso del manipulador es de 196.2 N pero por fines

de seguridad aumentamos la carga a 392.4N, por lo que cada apoyo soportara una carga de 98 N por

que se trata de 2 guías con 2 apoyos cada una.

El primer paso es calcular el peso de la carga repartida, esto se logra sacando la densidad del

material que es un acero inoxidable.

Marca: Bodine Electric Company Número de modelo 6034 Categoría 90V/130V Velocidad (rpm) 1200 Amperaje (A). 0.78 / 1.0 Caballos de fuerza (HP) 1/16 / 1/8 Carga radial (kg) 24.9 Longitud (m) 0.13 Peso (kg) 2.3

Especificaciones:

Tabla 1


43


Donde: φ = diámetro de la viga.

M = masa de la viga. δ = densidad del material. = volumen. V w = peso. g = gravedad q = carga repartida a lo largo de la viga.

( )( ) ( )( )

( )( )( )

N/m2.24m2

N4.48wq

N4.48sm81.9kg93.4gMw

kg93.4m1028.6kg/m7860Mkg/m7860

m1028.6201.0M

2m0.0

2

343

3

3422

===

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⋅=

=×=

=

×===

⋅==

−

−

l

lrVVδ

δ

ππ

φ

La carga repartida en la viga será de 24.2N/m

El siguiente paso es calcular las reacciones en A y B que en este caso son iguales por ser simétrica la

viga.

Donde:

RA = RB = Reacciones. B

( ) ( ) ( ) N2.1222m

1m48.4N2m0.92m98N

2m1.08m98N

=++== BA RR

Ahora se calculan los momentos para cada uno de los puntos en que se tienen apoyos o fuerzas.


44


00

=Σ=Σ

B

A

MM

MA,B,C,D,E = Momentos

[ ] ( )( )

[ ] ( )( )

[ ] ( )( )

[ ] ( )( ) mN0122.2N99.936N0.098m21m84N.108V"" Area

mN84.1081.136N122.2N0.08m21m9N8.108V"" Area

mN89.1081.136N0.08m21m84N.108V"" Area

mN84.10899.936N122.2N0.92m210V"" Area

⋅=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−+⋅=+=

⋅=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−+⋅=+=

⋅=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡+⋅=+=

⋅=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ++=+=

DBDB

EDED

CECE

ACAC

MM

MM

MM

MM

Por lo que el diagrama de cortantes y de momentos queda de la siguiente manera:


45


Quedando un momento máximo de 108.89 mN ⋅ en el punto más critico. El siguiente paso es

calcular la flexión máxima (y ) en el punto más crítico. max

Donde:

E = Módulo de Young o Módulo de Elasticidad del Acero. Acero

Mmax = Momento máximo

( )( ) 42

2

Acero

m64.12m4.93kg121

M121

193GPa

==

=

=

y

y

I

lI

E

( )( ) m1044.31.64mPa10193

m108.89N

(3.13)

1049max

maxmax

−×=×

⋅=

=

y

EIM

y

La flexión que presenta este material es muy pequeña así que se opta por utilizarlo, porque lo que se

requiere es que la viga no se deforme ya que transporta al manipulador, así que es factible utilizar

este material

El último paso es calcular el diámetro del material.

El limite de cedencia ( ) del acero inoxidable que se utilizara (Acero Austenitico) es: cσ

MPa276=cσ


46


Por seguridad, el material se trabajara a un tercio de su límite de cedencia por lo que quedara de la

siguiente forma:

MPa92=cσ

La formula para determinar el diámetro (d) de la guía es:

( )( ) m1029.2

Pa1092πmN108.8932

32

23

6

3 max

−×=×

⋅=

=

d

Md

cπσ

El diámetro mínimo requerido para la guía es de 2.29x10-2m, por lo que se seleccionara una barra de

Acero Austenitico de 2.3x10-2m ya que esta medida es más comercial y el material soportara los

requerimientos.

3.5 Diámetro del eje.

Para motor de 1/16 Hp y 1200 rpm seleccionado anteriormente.

En este eje solamente actúan esfuerzos de torsión y el valor teórico del factor de concentración de

esfuerzos (Kt) para un eje en rotación, en este caso con una carga repentina (choque menor)

equivalente a:

Kt = 1.0 a 1.5

NOTA: El valor de Kt se obtiene de tablas, en este caso del libro Diseño de Elementos, Autor

Hollowenko.

Y el esfuerzo de torsión permisible (Ss) = 8000 psi según el código ASME para un eje de acero

comercial sin cuñero.


47


Si:

(3.14) )()(16 223ttbb MKMK

Ssd +=

π

Como no se tienen esfuerzos de flexión la formula quedara:

( )

(3.15) 16

16

3

23

SsMKd

MKSs

d

tt

tt

π

π

=

=

Para determinar el momento flexionante (M ) se aplica la siguiente ecuación: t

( ) pulglb 281.3rpm1200

Hp16/163000

(3.16) rpm

63000

⋅==

×=

t

t

M

HpM

Sustituyendo estos datos para determinar el diámetro:

Para Kt = 1.0

( )( ) 332

3 pulg 10088.2lb/pulg 8000

pulglb 28.30.116 −×=⋅

=π

d

Entonces:

pulg127.0pulg 10088.23 33 =∴×= − dd

El diámetro del eje para K = 1.0 es de 0.127 pulg. t


48


Para Kt = 1.5

( )( ) 332

3 pulg 10132.3lb/pulg 8000

pulglb 28.35.116 −×=⋅

=π

d

Entonces:

pulg146.0pulg 10132.33 33 =∴×= − dd

El diámetro del eje para K = 1.5 es de 0.146 pulg. t

Para cualquiera de estos dos resultados, según las dimensiones normales de los ejes el más cercano

es según datos del fabricante del motor. "16/15

3.5.1 Husillo de precisión con rigidez óptima.

De acuerdo con los datos de los cálculos para determinar el diámetro del eje para poder lograr que el

manipulador se desplace derecha-izquierda se tomo la decisión de seleccionar un husillo de bolas de

marca SKF, el cual contiene los siguientes datos técnicos.

Diámetro nominal

Paso derecha

Longitud Coeficiente carga

dinámica

Par de carga “T”

Peso de la tuerca

Referencia

0.2 m 0.5 m 2 m 8.2kN 0.14Nm 2.0kg/m PN20X5R


49


3.5.2 Unidad de soporte con rodamientos.

En cada extremo del husillo de bolas de colocaran dos apoyos para su soporte.

De acuerdo con el manual de SKF los extremos mas adecuados para el soporte del tornillo son:

Pasador roscado

(endurecido) o pasador

cilíndrico (DIN6325)

Referencia de unidad

de rodamiento (de apoyo)

Tuerca autoblocante

llave de gancho

Referencia de

rodamiento SKF

Tuerca autoblocante

referencia

Medida “C”

0.02m PLBU20 13.3kN 7201BEGA2 CN7012 HN1 8x40


50


3.6 Selección del motor para la base.

El motor seleccionado para el giro de la base es de ¼ de HP, 1200 rpm y sus especificaciones son

las siguientes:

Figura 3.2 Motor de imán permanente modelo 6435 (Corriente Directa)


51


Especificaciones:

Marca: Bodine Electric Company

Número de modelo 6435

Categoría 90V / 130V

Velocidad (rpm) 1200

Amperaje (A) 1.4/1.8

Caballos de fuerza (HP) 1/8 / 1/4

Longitud (m) 0.15

Carga radial (kg) 24.9

Peso (kg) 3.1

Tabla 2

3.7 Cálculo de engranes para reductor de velocidad.

Los siguientes cálculos fueron realizados para diseñar el engrane y el piñón el cual reducirá la

velocidad en el giro del manipulador.

3.7.1 Giro del manipulador (Sección A).

NOTA: Los cálculos para el giro del manipulador (sección A y B) se realizaron en Sistema Inglés

puesto que las fórmulas están hechas para este Sistema.


52


Datos:

C = 5”

A

Donde: C = Distancia entre centros. Pd = Paso diametral. Dp = Diámetro primitivo. Rv = Relación de velocidad Np = Número de dientes del piñón. Ng = Número de dientes del engrane. Dg = Diámetro del engrane

Dp = 2”

Dg = (Dp) (Rv) = (2”) (4) = 8” (3.17)

Np = (Dp) (Pd) = (2”) (14”) = 28 dientes piñón (3.18)

Ng = (Dg) (Pd) = (8) (14) = 112 dientes en el engrane

"52

822

=+

=+

=DgDpC (3.19)

8”

2” ¼ HP 1200 rpm rpm=1200

¼ HP

Profundidad total = 20°

Pd = 14

Rv = 4 Dp = 2”

Rv = 4


53


(

3.20)

(3.21) 3.22)

(3.23)

(3.24)

Radio de la circ. base = Radio primitivo (cos20°) (3.25)

112 dientes, esto reducirá 4

3.7.2 Giro del manipulador (Sección B).

"0826.014157.1157.1

"834.7)154.02(142.8

"834.1)154.02(142.2

)Pr2(

"142.8)71.0*2(8)(2"142.2

"142.2)071.0*2(8)(2

"0112.014157.0157.0lg

"154.014157.2157.2Pr

"071.01411

2

2

===

=×−=

=×−=

×−=

=+=+==

=+=+=

===

===

===

PdAlturaPie

otalofundidadTpieDiámetrode

zaAlturaCabeDgnteriorpiñóDiámetroex

zaAlturaCabeDpPd

oClaroHue

PdotalofundidadT

PdzaAlturaCabe

eng

piñón

D

eng

D

pie

pie

ext

ext

pext

φ

φ

φ

φ

φ

(

Radio de la circ. piñón = (1) (cos20°) = 0.939”

Radio de la circ. engrane = (4) (cos20°) = 3.758”

Para la sección A se selecciono un piñón de 28 dientes y un engrane de

veces las revoluciones por minuto (rpm).

Datos: rpm=1200

total = 20°

¼ HP ProfundidadPd = 14Dp = 2” Rv = 4


54


8”

2”

B

¼ HP 1200 rpm

C = 5

Rv = 4

Dp = 2”

Dg = (Dp) (Rv) = (2”) (4) = 8”

Np = (Dp) (Pd) = (2”) (14”) = 28 dientes piñón

Ng = (Dg) (Pd) = (8) (14) = 112 dientes engrane

"52

822

=+

=+

=DgDpC

"142.2)071.0*2(8)(2

"0112.014157.0157.0lg

"154.014157.2157.2Pr

"071.01411

2=+=+=

===

===

===

zaAlturaCabeDpPd

oClaroHue

PdotalofundidadT

PdzaAlturaCabe

pextDφ


55


"0826.014157.1157.1

"834.7)154.02(142.8

"834.1)154.02(142.2

)Pr2(

"142.8)71.0*2(8)(2"142.2

2

===

=×−=

=×−=

×−=

=+=+==

PdAlturaPie

otalofundidadTpieDiámetrode

zaAlturaCabeDgnteriorpiñóDiámetroex

eng

piñón

D

eng

pie

pie

ext

ext

φ

φ

φ

φ

Radio de la circ. base = Radio primitivo (cos20°)

Radio de la circ. piñón = (1) (cos20°) = 0.939”

Radio de la circ. engrane = (4) (cos20°) = 3.758”

Para la sección B se selecciono un piñón de 28 dientes y un engrande de 112 dientes, y esto reducirá

4 veces más las revoluciones por minuto (rpm) de la sección A que era de 300 rpm, quedando en 75

rpm.

3.7.2.1 Diseño de ruedas dentadas (engranes rectos)

NOTA: Algunos cálculos se realizaron en Sistema Inglés ya que las fórmulas están hechas para este Sistema.

Diseño por resistencia (dientes)

Donde:

S = Esfuerzo.

M = Momento de torsión t

k = Factor de esfuerzo por fatiga

N = Número de dientes

y = Factor de forma.

Vm = Velocidad tangencial en el diámetro primitivo

S = Esfuerzo admisible o


56


NOTA: Para el cálculo del esfuerzo “S” los cálculos se realizaron en Sistema Inglés debido a que

las fórmulas así lo requieren.

(3.26)

( )

pulglb 31.13rpm 1200

HP 35.035.6305rpm

35.63025600

60022

3

⋅=

==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=<=

t

t

om

pdt

M

HPM

SV

SyNkPMS

π

Para 28 dientes

131114.0

14

===

kyPd

Los valores para “y” y “K” son tomados de la tabla I y III respectivamente, dichas tablas se

encuentran en el anexo 1.

( )

( )(( )

)2

2

3

2

3

lb/pulg 17.459 28114.0)131(14pulg13.13lb22

=

⋅==

SyNkPM

S dt

ππ

NOTA: EL resultado del esfuerzo “S” se da en unidades de Sistema Inglés, a continuación se da el

resultado en unidades del Sistema Internacional:

S = 120 kPa=120x103 N/m2


57


( )( )

26

26

mN 7x10137.1 MPa 137.17MPa 137.9

m/s 19.3600600

m/s 3.1912

rpm 1200m0508.012

m0508.0"21428

N/m x10137.9 MPa 137.93MPa 413.7MPa 7.413

600600

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+=

===

====

===

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

p

pn

dp

o

u

om

p

S

NDV

PND

S

SV

S

ππ

σ

(3.27)

Diseño por desgaste

Donde:

F = Fuerza dinámica en libras d

F = Fuerza tangencial t

b = Ancho de la rueda

C = Constante que depende de la forma del diente del material utilizado y del grado de exactitud en la talla.

(3.28) ( )

ds

c

tm

tmt

FFSbyPFs

FbCVFbCVFFd

>=

++

+=05.005.0


58


( )

( )

( )( )

( ) ( ) kN 53.m/s 3.19

HP 1/43300033000

m/s .19312

rpm 1200m 0.050812

N 8.265m 0.0508mN 1.4822

m1.48Npulglb 13.13rpm 0012

HP 1/435.6302535.63025

2

2

===

===

=⋅

==

⋅=⋅===

mt

pm

p

tt

t

VHPF

nDV

DM

F

nHPM

ππ

NOTA: La ecuación para determinar b se dan los cálculos en Sistema Inglés, pero el resultado

también se da en unidades de Sistema Internacional.

m 0.0142 pulg 615.014

5.25.2

41

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

=

ππ

d

d

Pb

P

=dPPara un error “e” de acuerdo con un 14 no se encuentra una gráfica en la cual se aclare cual es

el error. Por lo tanto tomamos el valor más cercano, en este caso para un 11 ya que a partir del

6 la gráfica se mantiene horizontal. Los valores para “e” se tomaron de la gráfica 1 que se

encuentra en el anexo 1. El valor de “C” se toma de la tabla II en el anexo 1.

=dP

=dP

( ) 6.640" pulgada de milésima 640623320 ===C = 0.1686 m

( )[ ]

( )

N 65.89

N 58.26m 0.1686m 0.0142sm 3.19 0.05

N 26.85m 0.1686m 0.0142sm 3.19 0.05

N 26.58

=

+×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+=

d

d

F

F


59


Acero 1040

( )( )(

N .57752

m 0.00560.112m 0.0142mN104x7.82

112.0

0056.0"2244.014

mN82.74x10MPa 82.74

pulglb12000

26

26

2

=

=

=

====

===

s

s

dc

F

F

y

mP

P

S

ππ

)

De acuerdo con el cálculo de diseño por desgaste tenemos que y si cumple el requerimiento

de diseño y el material soportara la carga y condiciones de trabajo.

dS FF >

3.7.3 Cálculo del eje de transmisión.


60


Diagrama de Cuerpo Libre (eje de transmisión).

nHPM t

35.63025= Momento de Torsión

n = 300 rpm HP = ¼

300)¼)(35.63025(

=tM

tM = 52.52 lb⋅ pulg = 5.93 N⋅m

( )( ) m/s .19312

rpm 1200m 0.050812

===ππ nD

V pm

kN 3.53.1916m/s

P)33000(1/4H33000===

mt V

HPF

kN 7.8)0.5kN)(tan23(20tan =°=°= tFFr Cálculo de reacciones plano xy.


61


N 18.2m 0.0762

m) N)(0.0508 (26.10m 0.0762

m) N)(0.0254 (2.44

N 10.3m 0.0762

m) N)(0.0254 (26.10m 0.0762

m) N)(0.0508 (2.44

=+=

=+=

D

A

R

R


62


Cálculo de reacciones plano xz.

N 38.93m 0.0762

m) N)(0.0508 (58.40

N 19.46m 0.0762

m) N)(0.0254 (58.40

==

==

D

A

R

R

Cálculo del momento flexionante en el engrane de 0.127 m.

mN 1.090)mN 898.0()mN 624.0(

mN 558.0)mN 944.0()mN .2610(

22

22

⋅=⋅+⋅=

⋅=⋅+⋅=

c

b

R

R


63


Cálculo del diámetro

Ss = Esfuerzo permisible eje con cuñero = 6000 psi = 41.37 MPa = 41.37x106 N/m2

k = Factor combinado de choque y fatiga aplicada Mb f

k = Factor combinado de choque y fatiga aplicada Mt t

m 01.0

m 011

)mN 93.55.1()mN 900.12() 7x103.41(

16

)()(16

63

22

mN6

3

223

2

=

=

⋅•+⋅•=

+=

−

d

xd

d

MkMkS

d ttbbs

π

π

3.8 Cálculos para cuñero. HP = ¼ V=250 rpm δ = Acero 1020


64


Donde:

b = ancho

t = altura

l = longitud

D = diámetro

σ y = esfuerzo en el eje y.

δ = esfuerzo cortante

m 02570.0)N/m m(62.05x10 0.0047

N 749.53)(m 4700.0

N .53749MPä 62.05

N .53749m 9500.0mN 21.7

m7.12N pulglb 02.63rpm 250

)HP 4/1(25.63025

N/m62.05x10MPa 05.262

MPa 124.112

N/m 124.11x1011MPa.124

m 0.00474

m 0.0194

26

26

26

==

===

=⋅

=

⋅=⋅==

====

==

====

l

lAF

F

M

Dtb

t

V

y

δ

σδ

σ

Esfuerzo de compresión

;AF

=σ

2

9.53N7411MPa.124 tl •=


65


m00251.0

2m 0.0047MPa 11.124

N 35.749=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=l

3.9 Cálculo de viga base del manipulador.

( )

( )N/m 59.53

m 0.2N 10.791

N 791.10m/s81.9kg .11kg .11

kg/m 5027m104m104

kg/m 0275

2

334

34

3

==

==

=×=

×=

=

=

−

−

q

WmmV

Vmδ

δ

( ) ( )( ) N 39.53m0.2

m 0.1m 0.2N/m 53.95m 0.2

m 0.1N 96=+== BA RR


66


[ ] ( )( )

[ ] ( )( ) 047.99N53.39N0.1m21m9N06.5""

mN069.50.1m47.99N53.39N210""

0

=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−+⋅=+=

⋅=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ++=+=

=

CBCB

ACAC

A

VAreaMM

VAreaMM

M


67


( )( )

( )( )m 108.6

m106.3N/m 01207mN 906.5

m106.3

m 0.2kg 1.1121

121

GPa 720

9max

4329max

max

43

2

2

−

−

−

×=

××⋅

==

×=

=

=

=

yEI

My

I

I

mbI

E

z

z

z

3.10 Cálculos estáticos.

( ) ( )m131.020m0655.0)N62.2( NM C −−=


68


N .6222

0mN 79.2

=Σ=Σ

⋅−=

Y

X

C

FF

M

( )( )

090N4

m73N.5m2.79N0.4m7.36N

=Σ=Σ

⋅−=⋅−−=

Y

X

B

B

FF

MM

9.2N0

=Σ=Σ

Y

X

FF

3.11 Cálculo de cilindros neumáticos.

En este trabajo se realiza el cálculo para el diseño de uno de los actuadores neumáticos que

componen el manipulador. Las aplicaciones óptimas exigen el uso de actuadores modernos. Los

cilindros son utilizados en muchas ramas industriales. Los cilindros neumáticos son seleccionados

en función de la fuerza necesaria y de la presión de trabajo. Al hacerlo, deberán aplicarse diversos

criterios, tales como la fuerza de pandeo admisible del vástago y el consumo de aire. En neumática

se trabaja con la energía almacenada por la presión y el caudal de un fluido.

A continuación se harán los cálculos correspondientes para el diseño de un cilindro neumático,

determinando así el diámetro del émbolo, del vástago y el espesor de la pared de dicho cilindro.


69


3.11.1 Cálculo del cilindro en posición vertical

Conociendo la presión con la que se va a trabajar, el cilindro en posición vertical se calcula de la

misma forma en que se calculo el cilindro en posición horizontal. Para este caso el peso que va a

cargar es mayor que la carga a la que va a estar sometido el pistón horizontal, por lo tanto la fuerza

tendrá que ser mayor.

Sabiendo que la presión de operación es de:

P = 10 bar = 1 MPa = 1x106 N/m2

Determinamos la presión de trabajo con la que en realidad va a trabajar el pistón:

26 N/m 1.2x10.2MPa1MPa 0.20MPa 1

MPa 02.0MPa 06.2 Si

==

+=+=≤

PP

PoPPo

Diámetro del émbolo.

2m000157.0MPa 1

N 156.96

N 96.156kg16MPa 10bar1

=

=

=

=

====

A

A

PFA

AFP

FP


70


( )

m 0.007R

m 007.02

m 140.0

14m0.0

m 700015.04

44

2

2

=

==∴

=

=

=∴•

=

R

D

D

ADDA

π

ππ

Con los resultados obtenidos por cálculos se sabe que el émbolo tendrá un diámetro de 0.014 m, lo

cual es confiable este diámetro pero no seguro (confiable) a la vista del usuario, por lo que en tablas

de cilindros neumáticos podemos determinar un diámetro para el émbolo de 0.035 m y 0.02 m de

diámetro para el vástago.

D = 0.035 m Diámetro interior.

t = Espesor mínimo requerido………………… (m)

P = 1.20 MPa = 1.2x106 N/m2

Po = 1 MPa = 1x106 N/m2

R = Radio interior del diseño = 0.0175 m

E = Eficiencia de las soldaduras.

S = Esfuerzo máximo permisible a tensión del material seleccionado para fabricar el recipiente a la

temperatura de diseño = SAE 1010 = 413.7 MPa = 413.7x106 N/m2

L = Radio de abombado de la tapa…………….. (m)

R = Radio de esquina o de nudillos……………. (m)

L1= Longitud entre líneas de tangencia del recipiente.


71


T = Temperatura de diseño.

E = Para unión simple por un solo lado sin solera de respaldo: SIN = 0.60

t

RECIPIENTE R

D.I.

2..ID

Material del cuerpo: Acero de baja aleación SAE 1010

Presión de operación: 1 MPa

Presión de diseño: 1.20 MPa

Esfuerzo de trabajo: (S) = 413.7 MPa

Eficiencia (E) = 0.60

Diámetro inferior (D. I.) = 0.035 m

Corrosión permisible (C) = 0.0m

El siguiente cálculo nos muestra el radio que tendrá el cilindro:

( ) m .01750m 0.02

m 350.02

..==+=+ RCID


72


Para determinar el espesor de la pared del cilindro, tomaremos una eficiencia (E) de 0.60, la cual es

usada para soldaduras de unión simple por un solo lado sin solera de respaldo:

E = 0.60

Cálculo del espesor de la pared

( )( ) ( )

m 10 x 8.5

MPa 1.20 0.60.60 MPa 413.7m 0.0175MPa 1.20

6.0

5−=

−=

−=

t

PSEPRt

Conociendo que el espesor t es igual a 8.5x10-5m, lo sumaremos con el diámetro interior y así

conocer el diámetro exterior:

(3.29)

( )m 0.03517..

105.82035.0)(2.... 5

=+=+= −

EDmxmtIDED e

Esfuerzos generados en la pared del cilindro

trPi

r =σtrPi

L 2=σ


73


( )

( )( )

26

26

N/m 102.94x10 MPa 102.94m 0.0000852m 0.0175MPa 1

N/m 205.88x10MPa 205.88m 0.000085

m 0.0175MPa 1

===

===

L

r

σ

σ

( )( )( )( )( )( )0,MPa 14.154

0,0,MPa 49.102

,0,MPa 88.205

,

===

==

=

CaC

A

AB

B

xyx

yxy

ϑσ

ϑσ

.41MPa1542

205.88MPa102.94MPa2

=

+=

+=

a

a yx σσ


74


MPa 51.47

2MPa 205.88MPa 49.102

2

max

min

2

22

max

±==

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

±=

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −±==

ϑϑ

ϑσσ

ϑ

r

r

r yx

(3.30)

Para º45=α

MPa 1.34813

)45(2cos2

MPa 205.88MPa .941022

MPa 205.88MPa 49.102

22cos22

=

°⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−+

=

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−

+=

a

a

yxyxyx

a sen

σ

σ

αϑασσσσ

σ

(3.31)

MPa 014.46

2cos2sen2

−=

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

a

yxyx

a

ϑ

αϑασσ

ϑ (3.32)

Fuerza del émbolo.

La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del diámetro del

cilindro y del rozamiento entre juntas. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente

formula:

Fteor = A P (3.33)

Donde:

o Fteor = Fuerza teórica del émbolo ……………….….….[N]


75


2mo A = Superficie útil del émbolo………………………..... [ ]

o P = Presión de trabajo …………………………...…….. [kPa, ] 25 N/m10

( )

2

22

m000962.0

4

m035.04

=

==

A

DA ππ (3.34)

( ) N 296N/m1010m000962.0 252 =×=teorF

En la práctica es necesario conocer la fuerza real. Para determinarla se tiene que tener en cuenta los

rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones de 1 MPa) se puede suponer que las

fuerzas de rozamiento representan de 3% a 20% de la fuerza calculada.

Cilindro de doble efecto (fuerza en el avance):

Rn FPAF −⋅= (3.35)


76


Cilindro de doble efecto (fuerza en el retorno):

Rn FpAF −⋅= ´ (3.36)

Donde:

o Fn = Fuerza efectiva o real del émbolo………………… [N] 2mo A = Superficie útil del émbolo…………….…………... [ ]

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅=

4

2DA π

o A’ = Superficie útil del anillo del émbolo…….……….. [ ] 2m

( )4

´ 22 π⋅−= dDA

o P = Presión de trabajo …………………………………. [kPa, ] 25 N/m10

o F = Fuerza de rozamiento (3% a 20%)……………….. [N] R

o D = Diámetro del émbolo ………………………………[m]

o d = Diámetro del vástago ……………………………….[m]


77


El diámetro del émbolo y del vástago, son los siguientes:

D = 0.035 m

d= 0.020 m

Superficie del émbolo:

( ) 22

2

m000962.04

035.0

(3.37) 4

==

=

π

π

mA

DA

Superficie anular del émbolo:

( )

( )2

22

22

m 0.000648'4

m) 200.0(m) 035.0(

(3.38) 4

'

=

−=

−=

A

A

dDA

π

π

Fuerza real de empuje del émbolo en el avance:

( )

N602.10

N178.1N/m1010m00001178.0178.1

(3.39) 252

=

−×=

−⋅=

n

n

Rn

F

F

FPAF

Fuerza teórica de tracción del émbolo en el retorno:

pAFteorica ⋅= '

( )4

' 22 πdDA −=


78


( ) 222 m 064800.04

)m 002.0()m 350.0(' =⋅−=πA

( ) N 47.95361010m 800064.0 252 =×= mNFteórica

Resistencia de rozamiento: N 178.1=RF

Fuerza real de tracción del émbolo en el retorno:

RFpAFn −⋅= '

N 817.110x10m 800064.0 252 −⎟⎠⎞⎜

⎝⎛= mNFn

N 6.77564=Fn

Consumo de aire

Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la

instalación. Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de embolo determinados, el

consumo de aire se calcula de la siguiente manera:

La relación de compresión se calcula de la siguiente forma:

3.101 trabajodePresión 3.101 + en kPa (referida a nivel del mar) (3.40)

Sustituyendo los datos para nuestro pistón:

Relación de compresión:

87.10kPa101.3kPa 1101.3

kPa101.3kPa 1000kPa 101.3

==+


79


Formula para calcular el consumo de aire para un cilindro de doble efecto:

( ) compresión deRelación 44

222

⋅⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⋅+

⋅⋅= ndDSDSV ππ (3.41)

( )minlV= Cantidad de aire

S= Longitud de carrera ( )m

n= Ciclos por segundo

Teniendo, así:

( )min87.10min12

4)m 0.02()m 350.0(m .40

4)m 503.0(m 4.0

222lciclosV ⋅⋅⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ ⋅−⋅+

⋅⋅=

ππ

[ ] min87.10min12m103m 1085.3 3634 lciclosxxV ⋅⋅+= −−

min6.50minm 0506.0

3 lV ==

Con estos cálculos, nos percatamos que la pared del cilindro es muy chica, por lo que tendremos que

adoptar medidas de diseño y seguridad, teniendo así un espesor de pared de 0.005 m, para tener un

diámetro de émbolo de 0.035 m y un diámetro para el vástago de 0.02 m, y el actuador tendrá una

carrera de 0.4 m.


80


3.11.2 Cálculo de tapas.

( ) ( )( )( )( )

( )( )m 028830.0

115302.0m 502.060.0MPa 7.413

MPa 133.0m 250.0

pulg984.0m025.060.0

MPa .7413MPa 133.0'

(3.42) '

==

=

======

=

tt

t

dESPC

SEPCdt

Los datos del espesor de la pares del cilindro y de la tapa son muy pequeños para poder elaborar un

cilindro de esas características. Por lo que apoyándonos en factores de diseño, seguridad y la

confianza que debe proyectar el pistón tomaremos espesores de materiales comerciales.

De acuerdo con la norma internacional DIN ISO 9001 el espesor de la pared del material debe ser de

0.002 m para un diámetro interior de 0.025 m y una carrera de 0.4 m

El mismo criterio se aplica para el actuador neumático inferior que es el que realiza el movimiento

de elevación del manipulador.


81


3.11.3 Cálculo del cilindro vertical como columna

El cilindro que esta en posición vertical va a ser el que cargue el cilindro en posición vertical y el

efector final, esto por lógica, tiene un peso determinado, por lo que se hará el análisis del cilindro,

visto como columna. Esto se hará con el fin de saber la carga admisible que soportara el material

con el cual se diseño.

El cilindro tiene una carrera (longitud) de 0.4 m, y un diámetro (ancho) de 0.02 m y soportara una

carga de 156.86 N, por razones de seguridad tomaremos un factor de seguridad de 2 (este valor

puede ser mayor o menor dependiendo del criterio de la persona que realice el proyecto), por lo que

se tiene que el cilindro soportara 313.72 N.

m4.0=l

m .20

)m .40(5.0

5.0

=

=

=

E

E

E

l

l

ll


82


De tablas se conocen los valores para el modulo de elasticidad y el esfuerzo a la cedencia, que son:

E=210 GPa

MPa 025=CEDσ

Para determinar el radio de giro de la sección transversal, se utiliza la siguiente fórmula:

Área

inercia de Momento

:donde

=

=

=

A

I

AIk

( )

49

4

4

24

2

2

m 10x85.764

)m 002.0(64

m 01x14.34

m 200.04

−

−

=

⋅=

⋅=

=

⋅=

⋅=

Ix

Ix

dIx

A

A

dA

π

π

π

π

m 005.0m5x10.2m 0114.3mx1085.7 25

24

49

==== −−

−

xAIk


83


Conociendo el radio de giro y sabiendo la longitud de la columna, se hace la relación entre y k. l

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

klSi > CC Columna Larga

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

kl ≤ C Columna Intermedia Si C

08.40m4.99x10

0.2m3 == −k

λ

Ahora se determinara la relación de esbeltez (Cc), la cual se comparara con el radio de giro y se

sabrá si nuestra columna es larga o intermedia:

2

2

2

mN3

C

mN6

mN92

2

128.76x10kPa 128.76C

10250)10210(2

2

==

×

×=

=

π

σπ

C

CEDC

C

EC (3.43)

Haciendo la relación del radio de giro y la relación de esbeltez:

40.08 ≤ 128.76

Nos damos cuenta que es una COLUMNA INTERMEDIA, este resultado lo ocuparemos para

realizar los cálculos del factor de seguridad.

Calculando el factor de seguridad (F.S.):


84


38

3

8

3

35..

cCk

cCkSF

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−+=

λλ

Según tablas el factor de seguridad va de 1.67 – 1.92

( ) ( )

77.1..

)76.128(808.40

)76.128(808.403

35.. 3

3

=

−+=

SF

SF

Nuestro factor de seguridad es de 1.77 por lo que estamos dentro del rango de seguridad.

Con los datos obtenidos anteriormente, podemos calcular el esfuerzo admisible ( ADMσ ) para el

material:

( )

2

2

2

mN6

mN6

2m

N3

2

2

2

134.4x10

250x101.77

)02(128.76x140.081

..

21

=

×⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−

=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−

=

ADM

ADM

CED

C

ADM SF

Ck

σ

σ

σ

λ

σ (3.44)

El esfuerzo admisible es de 134.4x106 N/m2

Conociendo el esfuerzo admisible, ahora determinaremos el peso admisible ( ) que podrá

soportar la columna:

ADMP


85


A = Área de la columna

kN 2.21742

1000m)10)(3.141510(134.40 3

mN6

2

=

××=

⋅=

−

ADM

ADM

ADMADM

P

P

AP σ (3.45)

El peso máximo admisible que podrá soportar la columna es de 422.217 kN.

3.11.4 Cálculo del cilindro en posición horizontal.

La primera condición es conocer la presión de trabajo con la que va a trabajar el cilindro neumático,

y ésta es:

Po = 10 bar = 1x106N/m2 esta presión es la necesaria para poder extender y contraer el brazo del actuador.

Conociendo la presión de trabajo, y con la siguiente relación, determinamos la presión de trabajo

con la que en realidad va a trabajar el pistón:

2

22

2

2

mN6

mN6

mN6

mN6

mN6

x1021.

x102.0x101

x102.0

x1006.2 Si

=

+=

+=

≤

P

P

PoP

Po


86


( )

m2.47x10R

m2.47x102

m4.94x10

m4.94x10

mx1092.14

44

mx1092.1

x101N22.19

N22.19

10x1

3

33

3

25

2

25mN6

mN6

2

2

−

−−

−

−

−

=

==∴

=

=

=∴•

=

=

=

=

=

=

=

R

D

D

ADDA

A

A

PoFA

AFPo

F

Po

π

ππ

Diámetro del émbolo:

D = Diámetro

R = Radio

F = Fuerza

P = Presión A = Área

Lo anterior nos indica que el émbolo tendrá por cálculos un diámetro de 4.94x10-3 m. Pero en

catálogos no existe tal diámetro, por lo que se tomara un diámetro normalizado para los

correspondientes cálculos. El diámetro ha tomar es de 0.025 m, el cual servirá para los 0.4 m de

carrera necesarios.

D = 0.025 m Diámetro interior.

t = Espesor mínimo requerido………………… (m)

P = 1.2 MPa = 1.2x106 N/m2

Po = 1 MPa = 1x106 N/m2

R = Radio interior del diseño = 0.0124 m


87


E = Eficiencia de las soldaduras.

S = Esfuerzo máximo permisible a tensión del material seleccionado para fabricar el recipiente a la

temperatura de diseño = SAE 1010 = 60000 = 414 MPa=414x1062lb/pulg N/m2

L = Radio de abombado de la tapa…………….. (m)

R = Radio de esquina o de nudillos……………. (m)

L1= Longitud entre líneas de tangencia del recipiente.

T = Temperatura de diseño.

E = Para unión simple por un solo lado sin solera de respaldo: SIN = 0.60

t

RECIPIENTE R

D.I.

2..ID

Material del cuerpo: Acero de baja aleación SAE 1010

6 Presión de operación: 145.037 (Po) = 1 MPa = 1x102lb/pulg N/m2

Presión de diseño: 175.037 (P) = 1.2 MPa = 1.2x106 2lb/pulg N/m2

Esfuerzo de trabajo: (S) = 60000 = 414 MPa = 414x1062lb/pulg N/m2


88


Eficiencia (E) = 0.60

Diámetro inferior (D. I.) = 0.0249 m

Corrosión permisible (C) = 0.0

El siguiente cálculo nos muestra el radio que tendrá el cilindro:

( ) m0124.00.02

m0249.02

..==+=+ RCID

Para determinar el espesor de la pared del cilindro, tomaremos una eficiencia (E) de 0.60, la cual es

usada para soldaduras de unión simple por un solo lado sin solera de respaldo:

E = 0.60

Cálculo del espesor de la pared

( )( ) ( )

m 6x10

1.2x106.060.0414x10m 0.01241.2x10

6.0

5

mN6

mN6

mN6

22

2

−=

−=

−=

t

PSEPRt

Conociendo que el espesor (t) es igual a 6x10-5m, lo sumaremos con el diámetro interior y así

conocer el diámetro exterior:

( )m 250.0..

m10620249m.0)(2.... 5

=+=+= −

EDxtIDED e

Lo anterior indica que el espesor de pared para el cilindro es muy pequeño por lo que por razones de

seguridad para su operación se tomara un espesor de 0.003 m. Entonces se tendría lo siguiente:


89


( )m 031.0..

m 0.0032m 0249.0)(2....m003.0

=+=+=

=

EDtIDED

t

e

Esfuerzos generados en la pared del cilindro

iP = Presión de operación r = Radio interior t = Espesor de pared

trPi

r =σ trPi

L 2=σ

( )

( )2

2

2

2

mN6

5-m

N6

mN6

5-m

N6

103.3x10m)2(6x10

0.0124m1x10

206.6x10m 6x10

0.0124m1x10

==

==

L

r

σ

σ


90


= Esfuerzos en “x” xσ= Esfuerzos en “y” yσ= Esfuerzo cortante “yx” yxϑ= Esfuerzo cortante “xy” xyϑ

a = abscisa del centro maxϑ = Esfuerzo máximo

( )( )( )( )( )( )0,x1095.154

0,0,x103.103

,0.x106.206

,

2

2

2

N6

mN6

mN6

=

=

=

=

=

=

CaC

A

AB

B

xyx

yxy

ϑσ

m

ϑσ

2

22

mN6

mN6

mN6

x1095.1542

x106.206x103.1032

=

+=

+=

a

a yx σσ

2

22

mN6

min

max

2

mN6

mN6

22

max

x1065.51

2x106.206x103.103

(3.46) 2

±==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −±=

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −±==

ϑϑ

ϑσσ

ϑ

r

r

r yx


91


Para º45=α

( )

2

2222

mN6

mN6

mN6

mN6

mN6

154.95x10

º452cos2

x106.206x103.1032

x106.206x103.103

(3.47) 2sen2cos22

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−

+=

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +−

+=

a

a

yxyxyx

a

σ

σ

αϑασσσσ

σ

2mN651.65x10

(3.48) 2cos2sen2

−=

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

a

yxyx

a

ϑ

αϑασσ

ϑ

Con estos cálculos nos damos cuenta de cual es la presión con la que trabaja el cilindro.

Fuerza del émbolo.

La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del diámetro del

cilindro y del rozamiento entre juntas. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente

formula:

Fteor = A P (3.49)

Donde:

o Fteor = Fuerza teórica del émbolo ……………..….…….[N] 2mo A = Superficie útil del émbolo……………………….... [ ]

o P = Presión de trabajo …………………………...……. [kPa, bar, ] 25 N/m10

( )

2

22

m 49000.0

(3.50) 4

m 502.04

=

==

A

DA ππ


92


( ) N490N/m 1010m 49000.0N/m1010

252

25

=×=

×=

teorFP

En la práctica es necesario conocer la fuerza real, para determinarla se tiene que tener en cuenta los

rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones de ) se puede suponer

que las fuerzas de rozamiento (F

25 N/m1010×

R) representan de 3% a 20% de la fuerza calculada.

CILINDRO DE DOBLE EFECTO (FUERZA EN EL AVANCE):

Rn FPAF −⋅= (3.51)

CILINDRO DE DOBLE EFECTO (FUERZA EN EL RETORNO):

Rn FPAF −⋅= ´ (3.52)

Donde:

o Fn = Fuerza efectiva o real del émbolo………………… [N] 2mo A = Superficie útil del émbolo…………….…………..... [ ]


93


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅=

4

2DA π

2mo A’ = Superficie útil del anillo del émbolo…….…….….. [ ]

( )4

´ 22 π⋅−= dDA

o P = Presión de trabajo …………………………………………. [kPa, bar, ] 25 N/m10

o FR = Fuerza de rozamiento (3% a 20% de fuerza efectiva)……. [N]

o D = Diámetro del émbolo ………………………………………[m]

o d = Diámetro del vástago …………………………………….…[m]

El diámetro del émbolo y del vástago, son los siguientes:

D = 0.025 m

d= 0.01 m

Superficie del émbolo:

( ) 242

2

m10x9.44m025.0

(3.53) 4

−==

=

π

π

A

DA

Superficie anular del émbolo (superficie útil del anillo del émbolo):

( )

( )24-

22

22

m4.12x10'4

m).01.0(m)025.0(´

(3.54) 4

'

=

−=

−=

A

A

dDA

π

π


94


teórica)fuerza la de (10% N49N490

==

R

teor

FF

Fuerza real de empuje del émbolo en el avance:

( )

N441

N49N/m1010m00049.0

(3.55)

252

=

−×=

−⋅=

n

n

Rn

F

F

FPAF

Fuerza teórica de tracción del émbolo en el retorno:

pAFteorica ⋅= '

( )4

' 22 πdDA −=

( ) 24-22 m4.12x104π(0.01m)(0.025m)' =⋅−=A

( ) 412.3N1010m4.12x10 2mN524 =×= −

teóricaF

Resistencia de rozamiento: N178.1=RF

Fuerza real de tracción del émbolo en el retorno:

RFpAFn −⋅= '

( ) 1.178N10x10m4.12x10 2mN524 −= −Fn


95


410.8N=Fn

Consumo de aire

Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la

instalación. Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de embolo determinados, el

consumo de aire se calcula de la siguiente manera:

La relación de compresión se calcula de la siguiente forma:

2

2

mN6

mN6

x103.101 trabajodePresion x103.101 +

en kPa (referida a nivel del mar) (3.56)

Sustituyendo los datos para nuestro pistón:

Relación de compresión:

87.10x103.101x103.1101

x103.101x101000x103.101

2

2

2

22

mN6

mN6

mN6

mN6

mN6

==+

Formula para calcular el consumo de aire para un cilindro de doble efecto:

( ) compresión deRelación 44

222

⋅⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⋅+

⋅⋅= ndDSDSV ππ (3.57)

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ minl V= Cantidad de aire

S= Longitud de carrera ( )m

n= Ciclos por minuto


96


Teniendo, así:

( ) min87.10min124

π(0.01m)(0.025m)0.4m4

π(0.025m)0.4m222

lciclosV ⋅⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ⋅−⋅+

⋅⋅=

[ ] min87.10min12m1.6x10m1.9x10 3434 lciclosV ⋅⋅+= −−

min65.45minm04565.

3 lV ==

Con todos estos cálculos, nos podemos percatar que la pared del cilindro es muy chica, por lo que

tendremos que adoptar medidas estándar, teniendo así un espesor de pared de 5x10-3 m, para tener

un diámetro de émbolo de 0.025 m y un diámetro para el vástago de 0.01 m, y el actuador tendrá una

carrera de 0.4 m.

3.12 Cálculo de la guía del pistón horizontal

El manipulador cuenta con una guía para realizar la extensión del brazo de forma horizontal. La

guía se calcula en su posición crítica es decir en la máxima extensión del pistón horizontal. El

material de la guía es acero inoxidable que cuenta con E=193 GPa =193x109 N/m2, una densidad

de 3mkg 6078=P y un límite de cedencia 2m

N6276x10MPa 276 ==Cσ .


97


El cálculo del volumen de la guía se realiza de la siguiente manera.

Donde:

V = Volumen de la guía

L = Longitud

A = Área

d = Diámetro

(3.58)

( ) 342

2

m2x10.14.04

m02.0

4

−=⋅=

⋅⋅

=⋅=

π

π

V

LdALV

La masa (m) y el peso (W) de la guía se calculan de la siguiente forma:

N 25.99.81kg 3294.0

kg 3294.07860m102.1

2

3

sm

mkg34

=

⋅=⋅=

=

⋅=⋅= −

WW

gmWm

xPVm

Por tanto tenemos que:

q= carga repartida

mN12.23

0.4mN25.9==

=

q

lWq


98


El peso que soportara la guía en su extremo es el peso del gripper (sujetador) el cual es:

N 272.1981.9kg96.1 2sm =⋅=

⋅=

gripper

grippergripper

W

gmW

Para la guía se calculara primero el momento de torsión que se genera en esta y las reacciones

producidas

( )( )( )( ) ( )( )

( )( )N 19.28

N 722.19m 0.4 322.240mN 862.9

m 0.4N 19.227m 0.2m 0.4 232.240

mN

mN

=

−−==

⋅−=

−−==

∑

∑

A

A

A

A

RRFy

MM

Para 4.00 ≤≤ x

2223.24N91.28mN628.9

223.2491.282

mN xxM

xv

−+⋅−=

−=


99


Si Si mN628.9

N91.28⋅−=

=Mv

0=x 4.0=x 0

N22.19=

=Mv

Para calcular el diámetro de la guía es necesario conocer momento de inercia en “y” ( ) por tanto

tenemos que

Iy

( )( )527.0

m 0.4kg 0.987121

121

2

2

==

=

Iy

mlIy (3.59)

( )( )

11max

mN9

maxmax

1046.9

527.010193mN628.9

2

−=

⋅==

xy

xEIM

y

2mN610x276MPa 762 ==CσEl límite de cedencia del material es de pero por seguridad los

cálculos se realizan a 31 de esto es decir:

2mN6x10923

1 =Cσ

Entonces se tiene que el diámetro (d) es

( )( )

mx1002.1

x1092mN 866.932

32

2

3

mN6

3 max

2

−=

⋅⋅

=

⋅=

d

d

MdC

π

σπ


100


Por lo anterior se puede entender que por cálculo de este elemento el diámetro de la guía debe ser de

1.02x10-2m. La guía que se empleara tendrá un diámetro de 0.02m por razones de medidas estándar.

3.13 Selección del motor-reductor para el giro del efector final.

Para el giro del efector final se necesita un motor de corriente directa de 0.02 de HP. El motor

seleccionado tiene las siguientes especificaciones:

Caballos de fuerza (HP) 1/50

Torque (kg–m) 111

Peso aproximado (kg) 3.85

Amperaje (A) 0.62

Voltaje (V) 24

Velocidad (rpm) 36 Figura 3.3 Motor-reductor para gripper

(sujetador) Tabla 3

3.13.1 Placa para sujeción del motor-reductor.

El motor seleccionado va a estar fijo a una placa de aluminio con dimensiones de 0.1m x 0.2m x

0.01m.


101


3.14 Selección de ventosas

El efector final del manipulador no contiene un gripper (sujetador) de pinzas sino que consta de una

serie de ventosas que funcionan al crearse una fuerza de vació en ellas para lograr sostener el

producto.

3.14.1 Cálculo del diámetro de ventosas necesario.

[mm10003.1

7604=•••

••= t

nw

PvD

π] (3.60)

Donde:

n = Numero de ventosas.

w = Peso de la pieza. ……………………………..kgf.

t = Coeficiente de seguridad.

Pv = Presión de vacío. ……………………………mmHg.

Las unidades de medida de estas formulas se dan en kilogramos fuerza y milímetros de mercurio

dado que así lo requiere la formula.

El número de ventosas que se va a utilizar para este manipulador son 3.

El peso de la cubeta es de 250gr que convertidos a kgf nos dan .250 kgf.

Para conocer el coeficiente de seguridad tenemos:

t = Coeficiente de seguridad.


102


Dinámico ≥ 4

Elevación horizontal

Estático ≥ 2

Dinámico ≥ 8

Elevación vertical

Estático ≥ 4

Como la cubeta será elevada verticalmente tendrá que realizar el mismo movimiento; por lo cual se

toma el coeficiente de seguridad para una elevación vertical y en forma dinámica por lo cual nos da:

t = 8

En tablas se encuentra que un cabezal aspirador tipo VAK-1/4 que trabaja a 6 bar., crea una

depresión (vacio) en función de la presión de funcionamiento.

Presión de vació: 0.86 bar.

Pv = 0.86 bar. = 645.053 mmHg.

Sustituyendo los valores anteriores en la ec. (3.60) se tiene:

( ) 10083

kgf250.003.1mmHg053.645

7604••••=

πD (3.61)


103


Como resultado tenemos un diámetro para la ventosa de:

D = 15 mm = 0.015m

De acuerdo con los datos obtenidos se seleccionara una ventosa tipo: VAS-15-1/8-NBR marca

FESTO.

3.14.2 Cálculo de la fuerza de elevación (FT).

81.9033.11004760

2

••••

•=DPvFT

π (3.62)

Donde:

Pv = Presión de vació…………………………… mmHg.

D = Diámetro de la ventosa……………………... mm.

FT = Fuerza teórica……………………………..... N

Sustituyendo los valores conocidos, se obtiene:

( ) ( )(

N19.15

81.9033.11004mm15

760mmHg053.645 2

=

••

•=

T

T

F

F π )

3.14.3 Cálculo de la fuerza real de elevación.

Para este cálculo se tiene que tomar en cuenta los siguientes parámetros.

o Posición horizontal o vertical del peso a levar.

o Velocidad lineal o angular de traslación.

o Frenado.


104


La fuerza real de elevación (FR) será:

N899.181N19.15

(3.63). 1

=•=

=•=

R

TR

F

tFF

Este valor es solo para el trabajo de una ventosa pero en este proyecto se utilizaran 3 ventosas por lo

que el resultado obtenido será:

( )( ) N69.53N899.1 ==RF

Por lo que 5.69N es la fuerza total real de elevación que aportan 3 ventosas.

6P = 10 bar = 145.037 lb/pulg = 1 MPa= 1x10 N/m2

F = 19.229 N

25

mN6 m10x9.1

1x1019.229N

2

−==

=

=

=

A

PFA

FPAAFP

3.14.4 Placa para fijación de ventosas.

Las ventosas calculadas anteriormente van a estar fijas a una placa de aluminio de dimensiones:

0.05m x 0.2m x 0.01m.


105


3.15 Selección del compresor.

Para la selección del compresor que se va a utilizar se toma en cuenta la el consumo de corriente

eléctrica, la potencia de salida, presión de operación, la capacidad del tanque, entre otras cuestiones.

De acuerdo al estudio se selecciono un compresor marca EVANS el cual tiene las siguientes

características

Hp: ½ Hp

Uso: Profesional.

No. de fases: Monofasico 110/220v

Modelo cabeza: CE040

Capacidad del tanque: 40 l

Presión máxima: 8x105N/m2

Gasto PCM: 4.5kg.

No. de cilindros: 1

3.16 Selección de la unidad de mantenimiento para el área neumática.

La unidad de mantenimiento que se selecciono para suministrar aire a los pistones y a las ventosas

tiene las siguientes características:


106


FRC – 1/8 – S – B FRCS – 1/8 – S – B

Referencia Unidad de mantenimiento Con llave Funda metálica de protección FRS – 1/8 – S Fluido Aire comprimido Función Filtro sinterizado con depósito de condensación;

regulador de émbolo; lubricador directamente proporcional.

Conexiones G 1/8 Caudal nominal 840 l/min Presión máxima 1.4x106N/m2 Presión de trabajo máximo 7 x105N/m2

Funcionamiento del lubricador A partir de 2.4 l/min min. 1x10-6 m3Caudal de

aceite máx. 18 x10-6 m3

Capacidad de filtraje Normal : 40 μm: cartucho tipo LPF: 5 μm de porosidad media

Peso 3.6 N Tabla 4. Características de la unidad de mantenimiento.

Esta unidad se compone de los siguientes elementos:

Filtro sinterizado, con separador de agua, purifica el aire comprimido de suciedad, óxidos y agua

condensada. El regulador de presión mantiene el valor constante en la salida, compensando las

oscilaciones de la entrada. El cabezal de regulación puede bloquearse por medio de un tornillo.

El manómetro está incluido en el suministro. El lubricador proporcional enriquece el aire purificado

con una niebla de aceite dosificable.


107


3.17 Modelado cinemático para un manipulador de 5 grados de libertad.


108


y0

x0

z0

x1

y1

z1

x2

y2

θ3

z2 y3

x3

z3

x4

y4

z4

x5

z5

y5

θ5

d1

d2

d4 d5

Parámetros de coordenadas de los elementos de un manipulador

i ai θi αi di 1 180º 90º 0 d1 2 90º 0 0 d2

θ3 90 0 0 3 4 -90º 0 0 d4

L5 θ5 0 0 5 θ3 = 90º θ5 = 0 d1 = 2 m d2 = 0.4 m d4 = 0.4 m L5 = 0.15 m

CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO

109



110


4.1 Introducción.

En este capítulo se tratan todos los aspectos electrónicos que comprende el manipulador como son:

transistores, relevadores, microcontrolador, etc. Se definirán los requerimientos eléctricos

necesarios.

4.2 Requerimientos eléctricos:

VOLTAJE:

• Una máquina inyectora de plástico consume: 440 VCA

• La máquina etiquetadora consume: 12VCD

• La banda transportadora consume: 110 VCA

• Manipulador:

o Motor para la base: 24 VCD

o Motoreductor para efector final: 24 VCD

• Controlador Logico Programable (PLC)

VARIABLES A CONTROLAR:

NÚMERO DE ENTRADAS: 15

NÚMERO DE SALIDAS: 19

ELEMENTOS DE ELECTRÓNICA:

Transistores para amplificar la señal del sensor del encoder,

Para la etapa de potencia del microcontrolador: transistores, diodos, relevadores, drivers,

optoacopladores.


111


ELEMENTOS DE CONTROL:

Encoder, sensor infrarrojo, microcontrolador, sensores de límite.

PROGRAMACIÓN:

Micrologix 5000 Allen Bradley (diagramas de escalera).

4.3Transistores de potencia.

Los transistores de potencia son utilizados comúnmente en las aplicaciones de control de maquinaria

para encender o apagar la corriente (figura 4.1). Los transistores generalmente se utilizan como

interruptores en aplicaciones de control de maquinaria en este caso será utilizado como interruptor

para amplificar la señal que reciba del microcontrolador ATMEL8515 puesto que esta no es la

suficiente grande como para energizar las bobinas de los relevadores y las electro válvulas que

utiliza el manipulador.

Figura 4.1 TIP 41


112


4.4 Driver L293

El L293 es un driver que se puede utilizar para el control simultáneo, bidireccional de dos motores

pequeños.

Diagrama de conexión

Figura 4.2 Driver L293

Diagrama de conexión para 2 motores (figura 4.3).

Figura 4.3 Conexión de dos motores


113


4.5 Fuente de alimentación.

Todo circuito requiere para su funcionamiento de una fuente de alimentación eléctrica de energía,

puesto que la corriente y voltaje que proporciona la línea comercial no es la adecuada para que su

funcionamiento sea el correcto.

La fuente de alimentación regulada para su correcto funcionamiento se constituye a base de 4 etapas

de funcionamiento que en el siguiente diagrama a bloques se muestra (figura 4.4).

Figura 4.4 Fuente de alimentación

4.5.1 Diagrama y funcionamiento de la fuente de alimentación regulada

Figura 4.5 Diagrama de alimentación regulada


114


Primera etapa: transformador.

Como puede notarse la primera etapa de la fuente corresponde al transformador.

Existen un sin fin de tipos de transformador de poder, entre ellos tenemos:

• Transformador elevador: nos eleva la corriente

• Transformador de baja potencia

El transformador es un dispositivo que permite obtener voltajes mayores o menores en este caso

utilizaremos un reductor de voltaje

Un transformador se compone de dos embobinados eléctricamente aislados entre sí, devanados

sobre el mismo núcleo de hierro o de aire.

Segunda etapa: rectificación.

La segunda etapa de nuestra fuente de alimentación es la que queda constituida por la rectificación,

en este punto, la señal inducida al secundario, será nuevamente inducida pero ahora a una señal

directa.

La rectificación es a base de 4 diodos, por lo que su rectificación será de onda completa y esta

conectado en "tipo puente".

El funcionamiento de este rectificado es el siguiente:

Cuando la tensión V es positiva quedan polarizados en directa los diodos y D2 circulando la

corriente desde D1 pasando por la resistencia de carga y cerrándose por D2, en el próximo

semiciclo se cortan los diodos D1 y D2 pero se ponen en directa los diodos D3 y D4

estableciéndose una corriente que sale de D3 pasa por la resistencia y se cierra a través de D4

circulando por la resistencia la corriente en una sola dirección. Esto provocara que los

semiciclos de la corriente alterna se induzcan para formar una onda muy similar a la de la

figura de abajo, lo que provoca que nuestra C.A de entrada quede más parecida a la de C.D

(figura 4.6).

http://www.monografias.com/trabajos/metalprehis/metalprehis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/aire/aire.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/label/label.shtml#dio

http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/direccion/direccion.shtml


115


Figura 4.6 Rectificado

Ahora bien, la corriente proporcionada no es la requerida para alimentar un dispositivo eléctrico,

puesto que aun es pulsante. Ahora bien para ello existe la tercera etapa de la fuente la cual nos

alisara mas las crestas.

Tercera Etapa: Filtro

Esta etapa, tiene como función, "alisar" o "reducir" a un mínimo la componente de rizo y elevar el

valor promedio de tensión directa.

El filtro es a base de elementos pasivos como es el capacitor.

El funcionamiento es el siguiente:

Por cada ciclo de la señal rectificada, el capacitor, se carga al valor pico, cuando la amplitud del

voltaje rectificado comienza a disminuir, el capacito empieza a descargarse.

Su eficiencia depende de la constante de tiempo, puesto que un carga de bajo valor pide más

corriente haciendo que el capacitor se descargue mas rápidamente y el filtraje sea menor.

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/veref/veref.shtml

http://www.monografias.com/trabajos6/meti/meti.shtml


116


Cuarta Etapa: Regulador de Voltaje.

Para la etapa de regulación de voltaje utilizaremos el transistor 7805 que estará entregando 5volts

La función de este transistor de potencia consiste en asumir el hecho de soportar la alta corriente que

necesitamos.

4.6 Relevador

El Relevador es un interruptor operado magnéticamente. Este se activa o desactiva dependiendo de

la conexión cuando el electroimán es energizado es decir lo alimentamos los contactos del relevador

cambiaran de estado. Esta operación causa que exista conexión o no.

Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño brazo, llamado armadura, por el

electroimán. Este pequeño brazo conecta o desconecta las terminales antes mencionadas.

4.6.1 Ventajas del Relevador

- Permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al dispositivo para

hacerlo funcionar.

- El Relevador es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas que

consumen gran cantidad de corriente.

- Con una sola señal de control, puedo controlar varios relevadores a la vez.

Figura 4.7 Relevador

http://www.monografias.com/trabajos7/mafu/mafu.shtml


117


4.7 Electroválvulas

Estas válvulas se utilizan cuando la señal proviene de un temporizador eléctrico, un final de carrera

eléctrico, presostatos o mandos electrónicos. En general, se elige el accionamiento eléctrico para

mandos con distancias extremamente largas y cortos tiempos de conexión.

Las electroválvulas o válvulas electromagnéticas se dividen en válvulas de mando directo o

indirecto. Las de mando directo solamente se utilizan para un diámetro luz pequeño, puesto que para

diámetros mayores los electroimanes necesarios resultarían demasiado grandes.

4.8 Diagrama estado – fase

El diagrama estado – fase para el proceso de fabricación de cubetas se encuentra en el Anexo 3.

http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/natlu/natlu.shtml

CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS

118



119


5.1 Costo de la guía del pistón horizontal

El material de fabricación de la guía del pistón horizontal es de acero inoxidable que cuenta con un

diámetro de 20mm, modulo de elasticidad de E=193GPa, densidad de 37860 mKg=δ y un limite

de cedencia MPC 276=σ . De acuerdo con o anterior el costo de la guía es:

Material: Acero inoxidable.

Diámetro: 20mm.

Longitud: 400mm

Peso: .9877.0 Kg

Costo de material por Kg.: $70.

Costo de la materia prima: $69.139

Costo por corte: $60

Costo de ingeniería: $1000

Costo total: $1129.139

5.2 Costo de las 2 guías paralelas al eje.

El material de fabricación de las guías paralelas al eje es de acero inoxidable que cuenta con un

diámetro de 20mm, modulo de elasticidad de E=193GPa, densidad de 37860 mKg=δ y un limite

de cedencia MPC 276=σ . De acuerdo con lo anterior el costo de las guías se multiplicara por 2:

Material: Acero inoxidable.

Diámetro: 20mm.

Longitud: 2000m


120


Peso: 4.93Kg.

Costo de material por Kg.: $70





5.3 Costo de las columnas para la base.

Las columnas de la base en donde se encuentra apoyado el manipulador están diseñadas de acero

1010 el numero de columnas es 4 las cuales tienen las mismas características por tanto el costo total

se encuentra multiplicado por el numero de columnas.

Material: Acero 1010

Ancho de caras: 0.03x0.03m.

Longitud: 1m

Peso: 7.074Kg.







121


5.4 Costo de placa de aluminio para las ventosas.

La placa para las ventosas puede ser adquirida a la medida necesaria, el único maquinado que se

realizara sobre ella consiste en las 3 perforaciones que servirán para sujeción de las ventosas.

Material: Duraluminio

Dimensiones de la placa: 10x5cm

Ancho de placa: 83 pulgadas. 0.9525cm.

Peso: 0.1375Kg.



Costo por maquinado: $60

Costo por ingeniería: $200


5.5 Costo de placa soporte de gripper

La placa de soporte del gripper es de Duraluminio que igualmente será adquirida a medida, el

maquinado que se le realizara es únicamente de 3 perforaciones para la sujeción de esta en e pistón y

su guía.

Material: Duraluminio

Dimensiones de la placa: 20x10cm

Ancho de la placa: 83 pulgadas. 0.9525cm.

Peso: 0 .55Kg.



122



Costo de maquinado: $60



5.6 Costo de fabricación de piñón.

El costo total del piñón será multiplicado por 2, puesto que es el número de piezas que se requiere.

Material: Acero 1010.

Redondo: 2 41 pulgadas.


Espesor del piñón: 21 pulgada.



Costo por maquinado: $1,250

Costo por tratamiento térmico: $850

Costo por ingeniería: $3,000

Costo total: $10,250.22


123


5.7 Costo de fabricación de engrane recto.

El costo total del engrane será multiplicado por 2, puesto que es el número de piezas que se requiere.


Redondo: 8 41 pulgadas.



Costo de materia prima: $20.44

Espesor del : 21 pulgada.

Costo por maquinado: $3,750

Costo por tratamiento térmico: $3,400

Costo por ingeniería: $3,000

Costo total: $20,460.88

5.8 Costo de la placa base de giro.


Dimensiones de la base: 20x20cm

Ancho de placa: 83 pulgadas.

Peso: 3.144Kg.



Costo por maquinado: $120


124




5.9 Elementos neumáticos.

Costos de ventosas.

De acuerdo con los cálculos obtenidos del peso a manipular sujeto a las ventosas estas resultan de un

diámetro de 15mm, para una buena sujeción del producto se ocuparan 3 ventosas las cuales se

seleccionaron del catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con neumática), el diseño de

fuelle mejora la posibilidad de adaptación, con lo que es posible sujetar piezas que tienen superficies

desiguales. Las ventosas seleccionadas fueron

Referencia Ventosas: VAS-15- 81 -NBR.

Conexión: G 81 .

Paso nominal: 3mm.

Diámetro de sujeción aprovechable: 12mm.

Peso: 0.011Kg.

Costo por ventosa: $79.74


5.10 Costo de electroválvulas.

De acuerdo con las necesidades del proyecto las electroválvulas seleccionadas son de tipo MFH-

35 G 8

1 -B las cuales se seleccionaron del catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con

neumática).

Referencia Electroválvula: MFH- 35 G 8

1 -B


125


Fluido: Aire comprimido filtrado sin lubricación

Presión de funcionamiento: de 3 a 10bar

Corriente continua: 12volts.

Conexión: G 81

Peso: 0.400Kg.

Costo por Electroválvula: $1,324

Costo total: $3,972

5.11 Costo de Racor múltiple.

El Racor múltiple fue seleccionado para la conexión de las tres ventosas es decir tomando en cuenta

los datos de las ventosas se selecciono un tipo QSLV3- 81 - 6, el racor fue seleccionado del

catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con neumática).

Referencia del racor: QSLV3- 81 - 6

Conexión: R 81

Paso nominal: 2mm.

Conexión para tubo de diámetro exterior: 6mm.

Peso: 0.039Kg.

Costo: $23.87

Costo total: $71.61


126


5.12 Costo del pistón horizontal.

De acuerdo a los cálculos realizados para el diseño del pistón horizontal se puede seleccionar un

pisto que cumpla con las características requeridas del catalogo de FESTO PNEUMATIC

(Automatizar con neumática).

Referencia del pistón: 32298-DSN-25-400-P

Embolo: 25mm.

Carrera: 400mm.

Fuerza de empuje min. a 6 bar: 267N.

Fuerza de retorno: 220N.

Conexiones: G 81

Costo: $1285

Costo total: $1285

5.13 Costo del pistón vertical.

La selección del pistón vertical se apoya en los cálculos realizados previamente, este es igualmente

seleccionado del catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con neumática). El pistón

seleccionado cuenta con la característica del vástago rectangular antigiro.

Referencia del pistón: 158011-DNGU-35-400-PPV-A

Embolo: 35mm.

Carrera: 400mm.

Fuerza de retorno min. a 6 bar: 415N

Conexiones: G 81


127


Carrera de amortiguación: 19mm.

Costo: $1552

Costo total: $1552

5.14 Costo de manguera.

El tubo de plástico fue seleccionado por las características de conexión de las electroválvulas y el

racor de la misma manera fue seleccionado del catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con

neumática).

Referencia de la manguera: PAN-6x1

Diámetro en milímetros: 6mm.

Diámetro interior: 4mm.

Material: Poliamida.

Cantidad: 10m

Precio por metro: $22.55

Radio mínimo: 32mm.

Peso: 0.016 mKg .

Corto total: $225.5

5.15 Costo de Bridas para tubos

Son utilizadas para conducir ramales de tubos, las características de estas fueron tomadas del

catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con neumática).

Referencia: PB-172.

Diámetro máximo de gancho: 45mm.


128


Espesor: 1.2mm

Ancho: 4.6mm.

Longitud: 172mm.

Material: Poliamida

Peso: 0.003mm.

Costo: $2

Costo total: $40

5.16 Costo de motor de giro de manipulador.


Modelo: 6034

Velocidad: 1200RPM.

Amper: 0.78 a 1A.

Potencia: 1/16

Carga radial: 55lbs.

Costo: $1300

5.17 Costo de motor de base.


Modelo: 6435

Velocidad: 1200RPM.

Voltaje: 120Volts.

Amper: 1.4 a 1.8A.


129


Potencia: 1/4HP.

Carga radial: 55lbs.

Costo: $1200

5.18 Costo de motor-reductor de gripper

Modelo: 6130

Velocidad: 18RPM.

Voltaje: 24Volts.

Amper: 1.4 a 1.8A.

Potencia: .02HP.

Torque: 111 lbs-pulgada

Costo: $2000

5.19 Costo de elementos electrónicos.

Elemento Referencia Costo unitario Cantidad Total

Transistor Tip 41 7805 $5.17 $4.348 7 1 $36.19 $4.348

Sensor 550500A $10 16pza. $160

Driver L2093 $30 2pza. $60

Relevadores RAS-0510 $12 3pza. $36

Transformador 24Volts

2Ampers $97 1pza. $97

Capacitor 30volts 220μ f $3.47 1pza. $3.47

Puente de

diodos 3Ampers $6 1pza.

$6

Tabla fenolica 30*30cm $79.13 1pza. $79.13

Termo fit GNP ¼ 6mm $5 2m. $10


130


La cotización de los elementos electrónicos se realizo en varias tiendas del Distrito Federal en

Noviembre del 2006 por esto los precios de dichos elementos pueden sufrir variación.

5.20 Evaluación económica total del proyecto:

Costos de los elementos diseñados y calculados.

Elemento Costo

Guía del pistón horizontal $1,129.13

Guías paralelas al eje $2,810.02

Columnas de la base $1,225.92

Placas de las ventosas $266.18

Placas de soporte de gripper $284.75

Piñones $10,250.22

Engranes $20,460.88

Placade base de giro $502.88

Total $36,929.98

Costo de los elementos calculados y seleccionados.

Elementos Costo

Ventosas $239.22

Electroválvulas $3,972.00

Racor múltiple $71.61

Pistón horizontal $1,285.00

Pistón vertical $1,552.00

Manguera $225.50

Bridas para tubos $40.00

Motor de giro de manipulador $1,300.00

Motor de base de manipulador $1,200.00


131


Motor de gripper $2,000.00

Costo de ingeniería $45,000.00

Total $56,885.33

Elementos electrónicos

Elemento Total

Transistor $40.53

Sensor $160

Driver $60

Relevadores $36

Transformador $97

Capacitor $3.47

Puente de diodos $6

PLC (con accesorios) $37,506

Tabla fenolica $79.13

Termo fit $10

Costo de ingeniería $30,000

Total $67,998.13

Programación

Elemento Costo

Programación $30,000.00

Total $30,000.00


132


Costos totales

Elementos Costos

Diseñados y calculados $36,929.98

Calculados y seleccionados $56,885.33

Electrónicos $67,998.13

Programación $30,000.00

Total $191,813.44

5.21 Estudio de gastos por accidente de trabajo

RIESGOS DE TRABAJO:

1. De conformidad al artículo 58 de la Ley del Seguro Social, el asegurado que sufra un riesgo

de trabajo tiene derecho a: Si el accidente lo incapacita para trabajar recibirá mientras dure la

inhabilitación al trabajo, el ciento por ciento del salario que estuviese cotizando al momento

del riesgo.

2. Recibir atención médica dentro del término de 52 semanas. Si se declara la incapacidad

permanente total del asegurado, éste recibirá una pensión mensual definitiva equivalente al

70% del salario base que estuviera cotizando.

3. En caso de incapacidad permanente total por enfermedad de trabajo, la pensión será del 70%

del salario promedio de las 52 cotizaciones últimas o de las que tuviera en caso de ser menor

el tiempo cotizado.

4. Si la incapacidad declarada es permanente parcial superior a 50%, el asegurado recibirá una

pensión que será otorgada por la institución de seguros que elija.


133


De acuerdo con un estudio realizado en el banco HSBC, el pago de seguro por accidente va de

acuerdo al plan de seguro que se contrate. Según el pago mensual o anual que realice es la prima que

recibe el trabajador en caso de sufrir un accidente y estar incapacitado para trabajar.

5.22 Comparación del costo de la implementación del proyecto contra pago de accidente de

trabajo

Costo de implementación de proyecto: $191,813.44

Pago de prima por incapacidad y pérdida de alguna extremidad superior: $300,000.00

El resultado de esta comparación demuestra que la implementación del proyecto es viable, ya que es

más barato implementarlo que pagar el seguro por accidente de un trabajador, además de que se esta

cuidando la integridad del mismo.

ANEXO 1

134


ANEXO 1

135


ANEXO 1

136


Número de dientes

Forma evolvente o compuesta a 14 ½° y profundidad total

Forma evolvente a 20° y profundidad total

Forma evolvente “stub” a 20°

12 0,067 0,078 0,099 13 0,071 0,083 0,103 14 0,075 0,088 0,108 15 0,078 0,092 0,111 16 0,081 0,094 0,115 17 0,084 0,096 0,117 18 0,086 0,098 0,120 19 0,090 0,100 0,123 20 0,092 0,102 0,125 21 0,094 0,104 0,127 23 0,097 0,106 0,130 25 0,099 0,108 0,133 27 0,101 0,111 0,136 30 0,104 0,114 0,139 34 0,106 0,118 0,142 38 0,108 0,122 0,145 43 0,110 0,126 0,147 50 0,113 0,130 0,151 60 0,115 0,134 0,154 75 0,117 0,138 0,158 100 0,119 0,142 0,161 150 0,122 0,146 0,165 300 0,122 0,150 0,170

Cremallera 0,124 0,154 0,175

Tabla I. Factor de forma y – para utilizar en la ecuación de resistencia de Lewis.

ANEXO 1

137


Materiales Error del diente – pulgadas

Piñón Engranaje

Diente de forma evolvente

0,0005 0,0001 0,0002 0,003

hierro fundido hierro fundido 14 ½° 400 800 1600 2400

acero hierro fundido 14 ½° 550 1100 2200 3300

acero acero 14 ½° 800 1600 3200 4800

hierro fundido hierro fundido 20° y profun-didad total

415 830 1660 2490

acero hierro fundido 20° y profun-didad total

570 1140 2280 3420

acero acero 20° y profun-didad total

830 1660 3320 4980

hierro fundido hierro fundido 20° “stub” 430 860 1720 2580 acero hierro fundido 20° “stub” 590 1180 2360 3540 acero acero 20° “stub” 860 1720 3440 5160

Tabla II. Valores del factor de deformación C – para verificar cargas dinámicas.

ANEXO 1

138


Factor del esfuerzo de

fatiga K Número de dureza Brinell promedio del

piñón de acero y el engranaje de acero

Límite de fátiga superficial ses

14 ½° 20°

150

200

250

300

400

Número de dureza Brinell, BHN

Piñón de acero Engranaje

50.000

70.000

90.000

110.000

150.000

30

58

96

144

268

41

79

131

196

366

150

200

250

150

200

Hierro fundidio

Hierro fundidio

Hierro fundidio

Bronce fosforado

Bronce fosforado

50.000

70.000

90.000

50.000

65.000

44

87

144

46

73

60

119

196

62

100

Piñón de hierro fundido Piñón de hierro fundido

Engranaje de hierro fundido Engranaje de hierro fundido

80.000

90.000

152

193

208

284

Tabla III. Valores de ses y K para algunos materiales.

ANEXO 2

139


ANEXO 2

140


MATRICES DE TRANSFORMACIÓN DE COORDENADAS DEL MANIPULADOR (DENAVIT – HARTERBEG)

cos 180º -cos 90º • sen 180º sen 90º • sen 180º 0 sen 180º cos 90º • cos 180º -sen 90º • cos1 80º 0

0 sen 90º cos 90º d1 0 0 0 1

0A1=

cos 90º -cos 0 • sen 90º sen 0 • sen 90º 0 sen 90º cos 0 • cos 90º -sen 0 • cos 90º 0

0 sen 0 cos 0 d2 0 0 0 1

1A2=

cos θ3 -cos 90º • sen θ3 sen 90º • sen θ3 0 sen θ3 cos 90º • cos θ3 -sen 90º • cos θ3 º 0

0 sen 90º cos 90º 0 0 0 0 1

2A3=

cos(-90º) -cos 0 • sen(-90º) sen 0 • sen(-90º) 0 sen(-90º) cos 0 • cos(-90º) -sen 0 • cos(-90º) 0

0 sen 0 cos 0 d4 0 0 0 1

3A4=

cos θ5 -cos 0 • sen θ5 sen 0 • sen θ5 0 sen θ5 cos 0 • cos θ5 -sen 0 • cos θ5 0

0 sen 0 cos 0 L5 0 0 0 1

4A5=

ANEXO 2

141


0 1 0 0 0 0 1 d2 1 0 0 d1 0 0 0 1

sen θ3 0 -cos θ3 0 0 1 1 d2

cos θ3 0 sen θ3 d1 0 0 0 1

0 sen θ3 -cos θ3 -cos θ3 • d4 -1 0 0 d2 0 cos θ3 sen θ3 sen θ3 • d4 + d1 0 0 0 1

sen θ3 • sen θ5 sen θ3 • cos θ5 -cos θ3 -cos θ3 • L5 – cos θ3 • d4 - cos θ5 sen θ5 0 d2

cos θ3 • sen θ5 cos θ5 • cos θ3 sen θ3 sen θ3 • L5 + sen θ3 • d4 + d1 0 0 0 1

0 1 0 0 -1 0 0 700 0 0 1 1850 0 0 0 1

0A2=

0A3=

0A4=

0A5=

0A5=

ANEXO 3

142


ANEXO 3

143


Diagrama neumático

50%

50%

50%

50%

4 2

1 3S5

4 2

51

3

4 2

51

3

Marca Denominación del componente Cilindro doble efecto Fuente de aire comprimido Válvula antirretorno estranguladora Válvula antirretorno estranguladora Unidad de mantenimiento Cilindro doble efecto Válvula antirretorno estranguladora Válvula antirretorno estranguladora Válvula de 4/n vías Tobero de succión de vacío Tubo de aspiración Válvula de 5/n vías Válvula de 5/n vías Tubo de aspiración Tubo de aspiración

ANEXO 3

144


ANEXO 3

144


ANEXO 3

145


Diagrama de flujo para el programa de control del manipulador

ANEXO 3

146


ANEXO 3

147


DIBUJOS

148


1 Lado de aspiración

2 Lado del tubo flexible

13

8.1

11

36

6.5

48.1 12


INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial

ESIME U P A ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia

FECHA: 17-04-08 VÁLVULA DE RETENCIÓN PARA VACÍO

ACOT.: mm DIBUJO No. 1

149

8.1

20

28

16 13

8.1

25

10.6

30

8.1

1


ESIME U P A ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia

FECHA: 17-04-08 VÁLVULA DE RETENCIÓN PARA VACÍO CON VENTOSA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 2

150

52

36

10.2

5.5

48

21.3

14.7

5.5

5.5

3.5

21

41.4

1.5

16


ESIME U P A

ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia

FECHA: 17-04-08 ESCUADRA DE FIJACIÓN DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL

PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 3

151


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 UNIDAD DE MANTENIMIENTO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL


152


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 SOPORTE DE RODAMIENTO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL


153


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 HUSILLO DE BOLAS DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL


154


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 MANIPULADOR DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL


155


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 VENTOSA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL


156


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 CILINDRO NEUMÁTICO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL


157


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 PLACA SOPORTE DEL GRIPPER DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL

PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No.10

158


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 PLACA DEL GRIPPER DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL


159


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 UNIÓN DE VENTOSAS DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL


160

Denominación del componente Cilindro doble efecto Fuente de aire comprimido Válvula antirretorno estranguladora Válvula antirretorno estranguladora Unidad de mantenimiento Cilindro doble efecto Válvula antirretorno estranguladora Válvula antirretorno estranguladora Válvula de 4/n vías Tobero de succión de vacío Tubo de aspiración Válvula de 5/n vías Válvula de 5/n vías Tubo de aspiración Tubo de aspiración

50%

50%

50%

50%

4 2

1 3S5

4 2

51

3

4 2

51

3


ESIME U P A


FECHA: 17-04-08 DIAGRAMA NEUMÁTICO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL


161

CONCLUSIONES 162


Conclusiones:

La realización de este proyecto nos lleva a la conclusión de que es un proyecto viable puesto que al

realizar los cálculos de cada elemento y su funcionamiento hemos obtenido resultados favorables, ya

que las metas se han ido cumpliendo con buenos resultados; dichas metas que fueron propuestas al

principio de este proyecto son:

• Reutilizar de forma conveniente el número de botellas de plástico recicladas cada día.

• Lograr obtener la mejor calidad en el producto final.

• Reducir los accidentes en los trabajadores.

• Automatizar el proceso de inyección de plástico.

Las dos primeras metas se cumplen ya que la automatización del proceso ofrece un beneficio para la

sociedad y por consiguiente al medio ambiente al poder reutilizar las botellas de plástico que

muchos llaman basura, además de entregar productos con una excelente calidad.

Debido a que el proceso es de forma automática el obrero no pone en riesgo su integridad física y

solo se dedicara a poner en marcha el proceso y por consiguiente la empresa reducirá los gastos que

tendría que cubrir en caso de algún accidente hacia el operador.

El beneficio más grande que se obtiene al implementar este proyecto es que se automatiza el proceso

y la empresa se mantiene actualizada y como resultado de esto su producción aumentará y será

constante.

REFERENCIAS

163


Referencias: [Audí, D.; 1988] Audí Piera, Daniel. Cómo y cuándo aplicar un robot industrial.

Editorial: Marcombo Barcelona, España. 164 pp.

[Controlador; 2002] “Automatización” Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico_programable Accesado el 25 de septiembre de 2006

[Estrucplan; 1998] “Aplicaciones del plástico” Disponible en: http://www.estrucplan.com.ar/articulos/verarticulo.asp?idarticulo=305 Accesado el 27de agosto de 2006

[Estrucplan; 1998] “Reciclado del plástico” Disponible en: http://www.estrucplan.com.ar/articulos/verarticulo.asp?idarticulo=305 Accesado el 27de agosto de 2006

[Fu, K.S., Etal; 1990] Fu, K. S., Gonzáles, R. C. Robótica (control, detección, visión e inteligencia). Editorial: Mc. Graw Hill. España. 575 pp. [Farrando, R.; 1991] Farrando Boiv, Ramón. Circuitos Neumáticos, eléctricos e

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Accesado el 16 de septiembre de 2006. [Lugo, M.; 2002] Lugo De Lille, Michelle. Ingeniería Plástica

Disponible en: http://www.ingenieriaplastica.com/novedades/nov/cipres.html

Accesado el 16 de septiembre de 2006

[Moreno, J.; 2002] Moreno, Julio José. Historia del Plástico Disponible en: http://www.arqhys.com/arquitectura/plastico- historia.html

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http://www.ingenieriaplastica.com/novedades/nov/cipres.html

mailto:[email protected]

REFERENCIAS

164


[Morton – Jones; 1993] Morton – Jones. Procesamientote plásticos: inyección, moldeo, hule, PVC. Editorial: LIMUSA Noriega Editores Universidad Autónoma de Nuevo León, México. 302 pp. [FESTO PNEUMATIC; 2005] Catálogo FESTO PNEUMATIC “Automatizar con Neumática”. [Baldor; 1998] “Motores de Corriente Directa”

Disponible en: http://www.baldor.com.ar/motorescorrientedirecta Accesado el 30 de noviembre de 2006

diseno y construcciongranadosbejarano

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