report e tec nico final tor no

PROGRAMA DE TRANSFERENCIA DE TECNOLOGA

PARA LA RECONVERSIN DE MQUINAS-

HERRAMIENTA MANUALES A CNC

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REPORTE TCNICO DE PROYECTO

FUNDACIN CENTRO NACIONAL DE ALTA TECNOLOGA CENAT ESCUELA DE INGENIERA EN PRODUCCIN INDUSTRIAL ITCR DEPARTAMENTO DE MECATRNICA ITESM Campus Monterrey

RECONVERSIN DE UN TORNO MANUAL

A TECNOLOGA CNC

Participantes: MC Miguel de Jess Ramrez, CMfgT

Ing. Carlos Luis Espinoza , MBA MSc Oscar Gamboa,

Ing. Ronald Soto, Ing. Ana Luca Moreira, Prof. ITCR

Ing. Eligio Astorga, Prof. ITCR Ing. Inti Barboza, CENAT

Tec. Pablo Campos, ITCR

Cartago, Costa Rica, Julio del 2009.




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Resumen Ejecutivo En pases en vas de desarrollo como Costa Rica, la micro, pequea y mediana industria metal-mecnica tiene un limitado acceso al uso de tecnologa de Control Numrico por Computadora (CNC) en mquinas-herramienta (MH) utilizadas en los procesos de manufactura, lo anterior es debido al alto costo de dicha tecnologa, la cual es extranjera en su gran mayora. Esto impide el desarrollo de manufactura con calidad competitiva en mercados cada vez ms globalizados. El concepto de Control Numrico Universal busca solucionar esta problemtica suministrando tecnologa de CNC de bajo costo para este sector industrial. El CNU pretende ser el inicio para la creacin de una geotecnologa en el rea de los CNCs cuyos fundamentos estn sustentados en las caractersticas de los requerimientos de la micro, pequea y mediana industria metal-mecnica de los pases en vas de desarrollo. Para lograrlo el CNU sigue la tendencia mundial de los desarrollos basados en computadoras personales (PCs) y el concepto de sistemas abiertos, con lo cual se obtiene un CNC adaptable a cualquier ambiente industrial sin importar la plataforma tecnolgica de las MH. La arquitectura del CNU toma como base el desarrollo realizado por la Comunidad Econmica Europea denominado OSACA (Open System Architecture for Controls within Automation Systems). El CNU tiene una arquitectura modularizada que consta de unidades funcionales (UFs), los cuales son mdulos de programas de aplicacin que realizan tareas especficas. El presente trabajo busca desarrollar e implementar la tecnologa de Control numrico por computadora (CNC) a bajo costo en mquinas de torneado manuales para lograr su automatizacin con el fin de apoyar la modernizacin tecnolgica de la pequea y mediana industria metalmecnica de Costa Rica. En el proyecto participarn el ITCR como gestor del proyecto y el ITESM, Campus Monterrey como desarrollador e implementador de la tecnologa. En la primera fase el CENAT ser el patrocinador y en fases posteriores se podr contar tambin con la participacin directa de las empresas en las donde se implementar la tecnologa. Uno de los puntos ms importantes del proyecto es el de establecer las bases y lineamientos para crear un Centro de Automatizacin de Mquinas-Herramientas manuales a bajo costo en las instalaciones del ITCR basado en la experiencia y tecnologa desarrollada por el ITESM, Campus Monterrey.




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Fase 1 Reconversin de un Torno Manual a CNC

ndice

Resumen Ejecutivo ......................................................................................................... 2 Participacin ITESM ........................................................................................................ 4 Introduccin ..................................................................................................................... 5 Motivacin ........................................................................................................................ 5 Justificacin Econmica ................................................................................................ 6 Objetivos .......................................................................................................................... 7 Metodologa ..................................................................................................................... 8 Resultados ..................................................................................................................... 10

a. Diagnstico de la MH manual a automatizar. .......................................................... 10 b. Seleccin de los componentes de automatizacin. ................................................. 13 c. Compra de los componentes de automatizacin. .................................................... 14 d. Acondicionamiento mecnico de la mquina-herramienta. ...................................... 14 e. Desarrollo de caja de conexiones. ........................................................................ 18 f. Desarrollo de un control numrico por computadora ............................................ 25 g. Integracin del Control a la MH ............................................................................ 28 h. Capacitacin ......................................................................................................... 30

Conclusiones y Lneas Futuras ................................................................................... 31 Reconocimientos .......................................................................................................... 32 Referencias .................................................................................................................... 33




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Participacin ITESM En el proyecto participaron estudiantes de las carreras de Mecatrnica y Mecnico Administrador del ITESM, Campus Monterrey bajo el esquema de proyecto de intercambio de verano, iniciando su estancia en Costa Rica el 2 de junio y terminndola el 3 de Julio del 2009. Los estudiantes fueron: Melissa Ivett Villanueva Acevedo Antonio Rodriguez Reyna Emilio Gabriel Luna Elizondo Felipe Isa Lopez Ruelas Fernando Irazoqui Pedrn Jess lerma Kuri Juan Carlos Velasco Chzaro Marco Antonio Arriaga Pea




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Introduccin El presente reporte describe la automatizacin de mquinas-herramienta manuales utilizando una propuesta de bajo costo para su automatizacin construyendo aplicaciones de controles CNC basadas en una arquitectura de referencia abierta denominada Control Numrico Universal (CNU). La propuesta consiste en utilizar una plataforma basada en computadoras personales, actuadores a bajo costo, dispositivos mecnicos, componentes electrnicos y un software de control que es modular con el fin de obtener las caractersticas de apertura y reconfigurabilidad deseados. La arquitectura del CNU es diseada para capturar las principales caractersticas de la tecnologa de CNC y obtener un controlador de CNC especfico acorde con las caractersticas de los componentes mecnicos, elctricos y electrnicos de una mquina-herramienta especfica, ya sea manual u obsoleta, para alcanzar los requerimientos de desempeo del usuario. Un prototipo automatizado de una antigua mquina-herramienta manual ser el resultado alcanzando un buen desempeo en el mecanizado de piezas metlicas.

Motivacin En pases en vas de desarrollo la tecnologa de CNC es inherente a las grandes empresas debido a los altos costos de esta tecnologa. La micro, pequea y mediana industria metal-mecnica, en su mayora no tiene acceso a este tipo de tecnologa, por lo que utilizan MH manuales u obsoletas, lo cual nos lleva a un deterioro en la calidad de la manufactura que solo puede ser alcanzada por maquinaria automtica. Estudios realizados por la Technology Scientific Foundation de Suiza concluye que: en Amrica Latina la difusin interna de MHCN influye primero en las variables econmicas nacionales (por ejemplo, la productividad de plantas usuarias, la organizacin industrial, etc.) y, mediante tal efecto, incide en los trminos del comercio exterior del sector industrial intensivo en el uso de MHCN. En Latinoamrica los factores que influyen en la disminucin de la absorcin de MHCNC son: la deuda externa, la recesin industrial, tipo de bienes metal-mecnicos producidos, falta de polticas a la exportacin, entre otras. Pero la mayor restriccin para su uso es su precio, ya que las MHCNC triplican en precio a las MH convencionales. Estudios realizados demuestran que en estos pases la planta productiva de este sector industrial esta basada en maquinaria manual de segunda mano importada de pases en desarrollo o del ex-bloque socialista europeo.




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Justificacin Econmica La reconversin automtica de MHs manuales por medio del CNU, pretende ser un medio para la capitalizacin de micro, pequeas y medianas industrias que no posean un capital inicial suficiente para comprar MHCNC comerciales. Tal y como se muestra en la figura 1, si una empresa invierte en la automatizacin de una de sus MHs manuales con una inversin promedio de $5,000 USD, teniendo en cuenta que con la adquisicin de nueva tecnologa le permitir adquirir nuevos clientes y trabajos mejor pagados, su eficiencia subir y por ende su utilidad. Y en un plazo razonable (2 aos) podr reunir el dinero suficiente para comprar una MHCNC comercial con una eficiencia mayor. En la misma figura se muestra la curva de aprendizaje de la tecnologa CNC utilizando una constante estimada. El CNU le permitir a los talleres ir entrenando a su personal, a fin de llegar a un punto ptimo cuando se compre la MHCNC comercial. Estudios de mercado realizados han arrojado que los kits de automatizaciones de MHs de 3 ejes (el torno prototipo es de 2 ejes) oscilan entre USD$12,000 y USD$30,000 y que una MH manual nueva ya automatizada tiene un costo promedio de USD$30,000. A este nmero habr que aadirle los costos de desarrollo por parte del personal y los costos de materiales para el acondicionamiento mecnico. Se estima que el CNU puede llegar a tener un costo total entre $5,000.00 USD y $7,500 USD, dependiendo de la calidad de los componentes comprados para la automatizacin, e incluye este precio el software de control, la reconversin mecnica y los sistemas elctricos y electrnicos. Lo anterior lo hace muy atractivo comparado con el precio de realizar reconversiones con controles CNC comerciales.




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Figura 1. Justificacin econmica de la aplicacin del proyecto.

Objetivos Objetivo del Programa: - Transferir tecnologa para la reconversin de mquinas-herramienta manuales a CNC para que el ITCR se convierta en un centro de automatizacin de mquinas-herramienta a bajo costo para la PyME Metalmecnica de Costa Rica y el resto de Centroamrica basado en la experiencia y tecnologa desarrollada por el ITESM. Objetivos especficicos del reporte (Fase 1): - Desarrollar tecnologa de Control Numrico por Computadora a bajo costo, basada en PC y sistemas abiertos para la reconversin de mquinas de torneado manual a CNC. - Automatizar a CNC un torno del Laboratorio de Manufactura SIM-TEC del ITCR al cual se les reconvertir mecnicamente, se montarn sensores, manejadores, actuadores y dispositivos auxiliares automticos, se conectar una interfase con una PC que contenga una tarjeta de adquisin de datos. -Capacitar al personal del ITCR en el uso de la tecnologa CNC desarrollada.




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Metodologa

El proyecto constar de las siguientes actividades (ver figura 2):

a. Diagnstico de la MH manual a automatizar. Estudio preliminar de las caractersticas tcnicas a automatizar de la mquina manual de torneado y determinacin de la estrategia de automatizacin ms adecuada.

b. Seleccin de los componentes de automatizacin. Determinar los componentes

de hardware y software para la mquina a automatizar. c. Compra de los componentes de automatizacin. Realizar sus pedimentos a

proveedores nacionales y extranjeros. d. Acondicionamiento mecnico de la mquina-herramienta. Realizar los montajes

de dispositivos mecnicos, actuadores y sensores para que la MH manual se convierta en una MH CNC-ready.

e. Desarrollo de caja de conexiones. Disear, implementar y probar caja de

conexiones de componentes elctricos y electrnicos.

f. Desarrollo de un control numrico por computadora. Que integre algoritmos de control, una interface con el usuario utilizando una tarjeta de adquisin de datos que se adecue a las necesidades de la mquina a automatizar.

g. Integracin del Control a la MH. Configurar y probar el control numrico en la

mquina-herramienta.

h. Capacitacin. Impartir entrenamiento tcnico en el uso de la mquina automatizada al personal del ITCR.




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Figura 2. Cronograma de Actividades




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Resultados La presente seccin muestra los resultados del proyecto de acuerdo a la calendarizacin de actividades anteriormente expuesta.

a. Diagnstico de la MH manual a automatizar. Se realiz un estudio preliminar de las caractersticas tcnicas a automatizar de la mquina manual de torneado, en la figura 3 se muestra la mquina herramienta a automatizar y la cual fue proporcionada por el LAB-SIM del ITCR. Las caractersticas tcnicas de la mquina se detallan ms abajo en una tabla.

Figura 3. Mquina a automatizar

Marca: Precision Machine Modelo: Multipurpose Machine Serial: 14109. ITEM: 291120




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Basados en las caractersticas de la mquina a automatizar se determin la siguiente lista inicial de componentes a adquirir:




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2 motores de paso

2 Drivers para motores de paso

1 Una Tarjeta de adquisicin de datos

1 Computadora genrica

1 Driver para motor de AC single-phase del husillo

4 Sensores de limite y 2 encoders

Materiales para acondicionamiento mecnico (tornillos de bola,

montajes)

1 Torreta para intercambio automtico de herramientas

1 Caja de conexiones y material para implementarla

La estrategia para automatizar (ver figura 4) es concerniente a que primeramente se realizar una reconversin mecnica a la mquina y posteriormente se le adicionarn actuadores y sensores, y mediante una conexin con una computadora con una tarjeta de adquisicin de datos montada y conteniendo un algoritmo de control numrico se pueda realizar que la mquina-herramienta mquina piezas cilndricas de manera automtica.




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PC

Dispositivos

Mecnicos Actuadores

(Motores AC , DC, Motores de paso, etc.)CNU

Software

Sensores

Torno convencional

Figura 4. Estrategia de automatizacin del proyecto.

b. Seleccin de los componentes de automatizacin.

De acuerdo a la figura 2, previo al inicio de la fase de la estancia de verano se realiz la seleccin de los principales componentes de automatizacin que a continuacin se listan: - Tornillo de bola del eje X modelo TS1404-400L marca THK. - Tuerca para tornillo del eje X modelo BTK 1404-3.6ZZ marca THK. - Tornillo de bola del eje Z modelo TS2005-500L marca THK. - Tuerca para tornillo del eje Z modelo BTK 2005-2.6ZZ marca THK. - 2 Soportes modelo BF15 marca THK. - 2 Soportes modelo EF12 marca THK. - 2 Motores de pasos de alto torque modelo KL34H295-43-8B marca Keling. - 2 Drivers para motores de paso con microstepping modelo G202 marca Gecko. - Tarjetas de adquisin de datos modelo 626 marca Sensoray.




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- Torreta para intercambio automtica de herramientas con 3 posiciones modelo compac5 marca EMCO. - 1 Computadora Genrica de ltima generacin. - Circuitera digital, relevadores anlogos y digitales, cables, regletas, clemas, tablillas para soldar, etc.

c. Compra de los componentes de automatizacin. Las compras se hicieron con diversos proveedores en el extranjero y se plane para que estuvieran en costa Rica antes del inicio de las actividades de la estancia de verano de los alumnos del ITESM.

d. Acondicionamiento mecnico de la mquina-herramienta. Se realizaron los montajes de dispositivos mecnicos, actuadores y sensores para que la MH manual se convierta en una MH CNC-ready. Los tornillos ACME del torno fueron sustitutidos por tornillos de bolas para mejorar la friccin entre el tornillo y la tuerca. En general el procedimiento fue el siguiente para ambos ejes: 1. Maquinado de Tornillo de bolas del eje. Esmerilndose primeramente y

maquinndose de acuerdo al estndar THK. (Ver figura 5).

Figura 5. Tornillo de bolas maquinado. 2. Maquinado de couples del Eje Z. Tanto para el motor del eje como para el

encoder. (Ver figura 6)




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Figura 6. . Couples maquinados para motor y encoder.

3. Soportes para el Eje. Anterior a la conversin, el torno presentaba soporte en solo uno de sus extremos. Este ltimo tuvo que ser removido para la instalacin de los nuevos soportes y su alineacin. (Ver figura 7).

Figura 7. Soportes del tornillo de bola.

4. Fabricacin Pieza de unin del Eje con el carro. Anterior a la conversin, el torno posea una gua que una el tornillo del Eje con el carro mvil esta se tuvo que maquinar nueva para un ajuste perfecto con la nueva rosca del tornillo. (Ver figura 8).

Figura 8. Pieza de unin entre el eje y el carro mvil del eje.




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5. Soporte del motor del eje y enconder. Se debe de fabricar un soporte que contenga el peso del motor as como el torque generado por ste, este soporte es hecho de placas de alumnio y es la interfase entre el motor y la estructura de la mquina. El encoder es montado a travs de un cople en tel el tornillo y el encoder. La figura 9 muestra ambos montajes.

Figura 9. Soporte para montaje de motor y encoder en el eje de una MH.

6. Acondicionamiento para el montaje de la torreta automtica de herramientas. El

cambiador de herramienta, es el aparato que tiene como funcin realizar los maquinados, desbastes, entre otras acciones que se sobre la pieza de trabajo. Para hacer el montaje se utiliz una prensa que ya estaba anteriormente en el torno. La torreta utilizada es de la marca EMCO de tres posiciones y funciona con un motor de DC de 12 volts el cual es accionado a travs de un relevador. En la figura 10 se muestra el montaje de la torreta.




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Figura 10. Montaje de la torreta automtica.

7. Montaje del motor del husillo. El motor original de AC de fase simple que traa la MH fue sustitudo por un motor de CD de 90V y de 0.75 HP, esto fue con el objetivo de crear un circuito de control ms directo y sencillo. Ser realiz el montaje de este motor incluyndo un sistema de poleas de relacin directa y soporte de aluminio para sostenerlo a la mquina. En la figura 11 se aprecia dicho montaje.




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Figura 11. Montaje del husillo a la MH.

En la figura 12 se muestra el torno reconvertido y se pueden visualizar los diferentes equipamientos que se le han integrado. En estas condiciones este torno recibe el nombre de torno CNC ready, es decir, que est listo para que se le integre un controlador de CNC y su accionamiento sea automtico.

Figura 12. MH reconvertida mecnicamente. MH CNC Ready.

e. Desarrollo de caja de conexiones.

Se dise, implement y prob una caja de conexiones de componentes elctricos y electrnicos, la cual es una interfase entre el torno CNC Ready y la computadora de Control. En la Figura 13 se muestra un esquema de la funcionalidad de la caja de conexiones. La caja de conexiones tiene dispositivos electrnicos y elctricos que permiten que la seal de control proveniente de la computadora sea acondicionada y enviada a los actuadores de la MH y captura la seal proporcionada por los sensores.




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G00 X10

G02 Y5

M30

Caja de Conexiones

Figura 13. Caja de conexiones como interfase entre el control y la MH. La caja de conexiones tiene circuitera para manejar los siguientes sistemas: 1. Sistema de Avance. Permite que la seal de control llegue a lo motores de paso montados en la MH. Los motores seleccionados presentan las ventajas de tener alta precisin y repetibilidad en cuanto al posicionamiento y su mayor capacidad de torque se produce a baja velocidad, son de la marca Keling modelo KL34H295-43-8B. El manejador o driver utilizado para acondicionar la seal es de la marca Gecko modelo G202 con tcnica de microstepping. El driver se alimenta de una fuente de poder y recibe seal de la tarjeta de adquisicin de datos de la PC enviando la seal acondicionada a los motores. En la figura 14 se muestra el diagrama de conexiones del driver y los motores usados, y su aspecto real.




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Figura 14. Diagrama de conexiones y aspecto real de motores y driver usados en el sistema de avance.

2. Sistema principal del husillo. Este sistema permite el control de la velocidad (RPM) a que el usuario desea que gire el husillo de acuerdo a lo expresado en su programa de CNC. El motor de la mquina es un motor de DC de 90 V y de 0.75 HP de potencia. Es




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manejado por un driver marca Danfoss. En la figura 15 se muestra el motor y el driver utilizados.

Figura 15. Driver y motor utilizado en el sistema del husillo principal y su diagrama de

conexiones. Como se muestra en la figura 15, el diagrama de conexiones necesita un circuito de encendido/apagado, el cual fue implementado con lgica de relevadores a partir de la seal proveniente de la computadora. En la figura 16 se puede apreciar el diagrama de esta lgica y el relevador utilizado para alcanzar las funciones de encender, parar, jog y cambiar de direccin.




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Figura 16. Diagrama de conexiones del circuito de encendido/paro y su implementacin fsica.

La variacin de velocidad se realiz eliminando el potencimetro manual que originalmente traa el driver, conectando un circuito generador de pulsos a partir de la seal de la computadora, con esto se logra que el motor fire a la velocidad deseada por el usuario. En la figura 17 se puede apreciar el diagrama de esta lgica y el circuito fsico implementado con un ciruito integrado LM331.




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Figura 17. Diagrama de conexiones del circuito de control de velocidad y su implementacin fsica.

3. El sistema de punto cero y delimitacin del rea de trabajo. Como se vi en la seccin de acondicionamiento mecnico, se instalaron limits switches (LS) que delimitaban el rea de trabajo de la maquina (ver figura 18). En total se montaron 4 LSs: dos en los extremos del eje Z (denominados Z+ y Z-) y dos en los extremos del eje X (denominados X+ y X-).

Figura 18. Montaje de los Limits switches en la MH. Cuando el carro de la MH activa durante su movimiento algn limit switch entonces se corta la seal de alimentacin a los drivers de los motores y se le avisa a la computadora para que vuelva a activarlos va software y los motores acionar para desactivar nuevamente el limit swith mediante el movimiento del carro en sentido contrario.




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El sistema tambin sirve para establecer el cero de mquna cuando se inicia el sistema por priemra vez en una sesin. En la figura 19 se muestra el tipo de limit switch y relevador usado para el circuito de habilitamiento y punto cero, el LS es identificado como V7-1C17D8-201 a 15.1 Ampers y HP a 125 VAC; y los relevadores son Modelo JQX-13F-2Z con Voltaje en la Bobina de 6 VDC y Voltaje en el Contactor de 240 VAC o 28 VDC.

Figura 19. Montaje de los Limits switches en la MH. En la figura 20 se muestra la caja de conexiones terminadas con todos los elementos elctricos y electrnicos descritos con anterioridad. Incluye regletas para montaje de dispositivos y tarjetas, y para el direccionamiento de los cables. Tambin se muestran clemas para las conexiones de los cables.




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Figura 20. Caja de conexiones terminada.

f. Desarrollo de un control numrico por computadora . Paralelamente a las actividades de la reconversin mecnica y a la implementacin de la caja de conexiones se desarrollarn algoritmos de generacin de trayectoria y control, y una interface con el usuario utilizando una tarjeta de adquisin de datos que se adapte a las necesidades de la mquina a automatizar. Primeramente se realiz la instalacin del sistema operativo Linux y la Tarjeta de adquisicin de datos Sensoray modelo 626. La tarjeta de adquisicin de datos Sensoray es una tarjeta multifunctional I/O (ver figura 21). Algunas de sus caractersticas que incluyen son: 48 canales digitales I/O.




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20 de los canales digitales tienen deteccin de nivel y capacidad de general interrupciones.

7 canales de las salidas digitales se pueden utilizar como salidas provocadas por el overflow de los contadores.

Los conectores para los canales digitales I/O son pines estndar industriales. El timer del watchdog tiene diferentes perodos de reseteo, que pueden reiniciar el

PCI bus. 6 contadores de 24 bit (arriba/abajo) acomodado en 3 pares. 16 entradas analgicas diferenciales de resolucin de 14 bits. 4 salidas analgicas de resolucin de 13 bits con sensor para compensar cualquier

resistencia de salida externa.

Figura 21. Tarjeta de adquisin de datos marca Sensoray Modelo 626. Se utiliz el compilador Anjuta para ambientes de programacin C y C++ con el que se hizo el software de control. Con el programa constructor de interfaces grficas Glade. El programa tiene diversas ventanas de interfases: interfase de inicializacin, interfase de configuracin, interfase de movimientos manuales, interfase de corrida de programas, interfase de edicin de programas. En la figura 22 se muestran las interfases de inicializacin y de movimientos manuales como ejemplos.




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Figura 22. Interfase de inicializacin y de movimiento manual del sistema de CNC. Los algoritmos de control utilizados estn basados en un algoritmo de interpolacin de Chang los cuales estiman 9 dimenciones para un punto y determinan la ms prxima al punto nominal. En la figura 23 se muestra el concepto del algoritmo para 3D, el cual fue finalmente adapatado para el proyecto del torno en 2D y piezas cilndricas. Es importante recalcar que la salida del algoritmo es una tabla de 1s y 0s que hacen que los motores se muevan o no respectivamente lo que provoca una trayectoria de aproximacin a la trayectoria nominal.




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Figura 23. Algoritmo de Yang y su flujo en el controlador de CNC.

g. Integracin del Control a la MH. Configurar y probar el control numrico en la mquina-herramienta. Una vez desarrollada todas las partes del proyecto se procedi a realizar pruebas de desempeo conectando el sistema completo, es decir, computadora-tarjeta de adquisin de datos-caja de conexiones-motores-sensores-MH. Primero se hicieron pruebas con los encoder para determinar su medicin de cada paso de movimiento que sala del motor y tornillo de bola de cada eje. En la figura 24 se muestra esta prueba realizada.

Table of Stepps:

1 0 1

1 0 0

0 1 0

Read table of

Stepps line by

line

Commands to

PCI Card




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Figura 24. Pruebas de desempeo de encoders.

Las pruebas finales de esta fase consistieron el movimiento y maquinado de una pieza, se muestra en la figura 25 la salida del programa de control en un archivo de 1s y 0s, y su grfica de movimiento en la pieza que el usuario programo en un principio, este programa de Gs y Ms expresado en unidades bsicas de movimiento (UBM) fue el siguiente: N5 G90 G21 N10 M06 T2 N20 M03 S400 N30 G00 X0 Z0 N40 G01 X700 Z500 F300 N50 G01 X970 Z1500 N60 G03 X1150 Z1700 R200 N70 G03 X1430 Z2000 R500 N80 G00 Z-10 N90 M05 M30




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0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 500 1000 1500 2000 2500

S

Figura 25. Salida de interpolador y trayectoria generada para pieza de prueba final.

h. Capacitacin. Como lo muestra el diagrama de Gantt de la figura 2, la capacitacin del personal del ITCR se realiz durante la realizacin del proyecto. Se colabor sinrgicamente con Inti Barboza (representante del CENAT) y Carlos Espinoza (ITCR) para ir realizando la transferencia de las experiencias de esta primera fase del proyecto y que se ven reflejadas en el presente reporte.




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Conclusiones y Lneas Futuras El presente documento reporta la primera fase del proyecto del Programa de transferencia de tecnologa para la reconversin de mquinas-herramienta manuales a cnc del ITESM hacia el ITCR. El objetivo fue cumplido al dejar automatizada una mquina-herramienta que era manual y demostrado que el proyecto Control Numrico Universal es viable para su implementacin en pases en vas de desarrollo como Costa Rica. Las fases posteriores del programa son las siguientes: Fase 2. Optimizacin del torno automatizado. Fase 3. Automatizacin de una fresadora manual. Fase 4. Puesta a punto de un taller de automatizacin de MHs para atencin a la industria PYME de Costa Rica y Centroamrica. Fase 5. Automatizacin de MHs manuales de diferentes tipos como: esmeriladoras, taladros, escariadoras, etc. Como resultados de esta experiencia se proponen los siguientes puntos a realizar: - Tesis de Maestria de un alumno de la maestra en Sistemas Modernos de Manufactura

que investigue las caracteriistricas de la PYME Metalmecanica en costa Rica - Estudio acerca de los procedimientos para permear el Proyecto en la industria PYME. - Impartir plticas a empresas para promocionar el uso del Proyecto. - Crear mayores sinergias entre las escuelas del ITCR para colaborar en proyectos

conjuntos




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Reconocimientos Se agradece la colaboracin en el patrocionio de las siguientes entidades, que sin su colaboracin no hubiera sido posible la realizacin del proyecto: Centro Nacional de Alta Tecnologa de Costa Rica (CENAT) Maestra en Sistemas Modernos de Manufactura del ITCR (MSMM) Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM)




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Referencias Ramrez, C. Miguel. Desarrollo de un control numrico universal de bajo costo basado software y sistemas abiertos, Tesis de Maestra del Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey , Diciembre 1998. Pritschow, G., Altintas, Y., Jovane, F., Koren, Y.,Mitsuishi, M., Takata, S., Van Brussel, H., Weck, M., Yamazaki, K., Open Controller Architecture - Past, Present and Future, CIRP Annals - Manufacturing Technolog, Vol. 50, Issue 2, 2001, pp. 463-470. Ramrez M. de J., Molina A., Jimnez G., Noriler M. Design Methodology for CNC Applications Based on Open Systems. Memories 7th IFAC Symposium of Cost Oriented Automation COA 2004, Gatineau/Otawa, Canada. June 6-9, 2004. pp. 153-158. Ramrez M. de J., Jimnez G, Molina A., Tecnologa de CNC a bajo costo para la automatizacin de la pequea y mediana empresa de pases en vas de desarrollo, 8 Congreso Iberoamericano de Ingenieria Mecnica, Cusco, Peru, 23- 25 de Octubre de 2007, ISBN 978-9972-2885-3-1.




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ANEXOS

1. Visitas a empresas a. FEMA:

Contacto: Carlos Quesada Correo: [email protected] Telfono: 25 52 73 73 Resumen: no le interesa la conversin, opina que la calidad de los resultados

no es tan buena, adems que los tornos manuales estn diseados para una velocidad especfica y no trabajan bien a las velocidades tan altas que lo hacen las CNC y el nivel de produccin de ellos les exige que las mquinas trabajen dos turnos y piensa que la convencional esta diseada para un ritmo de trabajo menor.

Maquinaria: tienen de ambas maquinas convencionales y CNC

b. Ry R precision: 1. Contacto: Max Reyes 2. Correo: [email protected] 3. Telfono: 22 44 10 70 4. Resumen: 5. Maquinaria de inters:

a. Torno Marca Harrison, volteo 13pulg y bancada de 1m (13H5HP) este torno tiene inters en convertir el cambiador de herramientas y el eje z

b. Fresadora: Marca Bridgeport (textron) a) Software: mastercam v.10 (para 4 ejes), mill

c. AKA precision: 1. Contacto: Walter Garca Len 2. Correo: [email protected] 3. Telfono: 22 39 32 53 / 22 93 79 75 (telfax) 4. Resumen: ellos producen repuestos, maquinas completas y automatizan lineas

de produccion, el mercado es zonas francas nacionales y extranjeros 5. Maquinaria: pendiente de recibir la informacin dado que en el momento de la

visita no la facilitaron.




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2. Encuesta a empresas El Instituto Tecnolgico de Costa Rica en conjunto con el CENAT y el ITESM (Tecnolgico de Monterrey) esta plateando un proyecto de conversin a bajo costo de tornos convencionales a tecnologa CNC. El proyecto tiene como objetivo desarrollar una tecnologa de conversin de tornos convencionales a tornos CNC y transferir este proyecto a empresas interesadas; ofreciendo la conversin a un costo menor de la tecnologa comercial disponible. A. Informacin de la empresa

Nombre:

Ubicacin:

Productos:

Mercado:

Nombre de contacto:

E-mail:

Telfonos:

B. Informacin de equipos de produccin:

Nmero de tornos convencionales.

Marca de los tornos y ao de fabricacin.

Nmero de centros de tornos CNC.

Marca y ao de fabricacin.

Tiene otros equipos de maquinado convencional.


Cuntos centros de maquinado CNC.


Cul software de CAD/ CAM utiliza con sus equipos CNC?

C. Inters en el proyecto




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2. Le interesara automatizar un torno CNC con un costo de 20 a 30% menor al de una conversin comercial?

3. Tendra inters de participar en un proyecto de conversin de tornos convencionales a CNC, mediante financiamiento parcial con fondos pblicos de investigacin; el cual le permitira conocer el proceso de conversin.




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3. Manual de gua elaborado para el diagnstico del torno

Gua de tareas general Etapa 1

1. Establecer ubicacin adecuada del torno. (Se sugiere el taller de mquinas herramientas de la Escuela de Electromecnica)

2. Planeamiento de traslado del torno al lugar seleccionado. (Equipo y personal que se requiere)

3. Traslado del torno 4. Realizar mediciones segn Manual Verificacin de Tornos de Acabado Hasta

400 mm (Anexo 1) 5. Estimacin de recursos que se requieren para el desarme y armado del torno.

Etapa 2

1. Verificacin de los recursos planeados en etapa anterior 2. Desarmar y cambiar las partes requeridas al torno

2.1 Desarme de sistema motriz del husillo 2.2 Instalacin de sensores, motor y faja de transmisin al usillo principal 2.3 Desarme del tornillo de movimiento longitudinal del la torreta 2.4 Instalacin del tornillo de bolas y motor paso a paso, as como, los sensores

para el movimiento longitudinal de la torreta. 2.5 Desarme del tornillo de movimiento radial del la torreta

2.4 Instalacin del tornillo de bolas y motor paso a paso, as como, los sensores para el movimiento transversal de la torreta. 3. Instalacin de tarjeta de control del CNC y software correspondientes en la PC 4. Instalacin de caja para la llegada de terminales de los motores paso a paso y del

los Sensores y conexin a la interfase. Adems conexin entre la interfase y la PC.

5. Realizar pruebas.




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4. Gua para el diagnstico del torno Tablas guas de medicin del torno

Tabla para la verificacin de los tornos de acabado de hasta 400mm (aproximadamente 15 3/4") de altura de puntos

Prueba a realizar Fig N

Error admisible

(mm)

Error admisible

(pulg)

Rectitud de la bancada en sentido longitudinal: por el lado del delantal (slo convexidad)

1a de 0 a

0,02 cada 1000 mm

de 0 a 0,0008

cada 40"

Idem del lado opuesto (slo concavidad)

1b 0,02 cada 1000mm

0,0008 cada 40 "

Planeidad de la bancada en sentido transversal

1c 0,02 cada*

1000mm

0,0008 cada 40"

Resctitud de las guias )para mquinas de mas de 3m de distancia entre puntos; medicin con hilo tensado y microscopio o bien con una regla larga)

2 0,02 cada 1000mm

0,0008 cada 40 "

Guas del contrapunto paralelas a la direccin del movimiento del carro

3 0,02 cada 1000mm

0,0008 cada 40 "

*+ - en toda la longitud; no se permiten torsiones


Prueba a realizar Fig N

Error admisible

(mm)

Error admisible

(pulg)

Husillo del cabezal: Oscilacin transversal del punto

4 0,01 0,0004

Oscilacin transversal de la parte cilndrica del husillo

5 0,01 0,0004




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Oscilacin axial del husillo, medida en dos puntos a 180

6 0,01 0,0004

Oscilacin transversal del agujero cnico del husillo. (1) Junto a la cara frontal (2) A una distancia de 300mm. (12")

7

0,01 0,03

0,0004 0,0012

Paralelismo del eje del husillo respecto a la bancada en el plano vertical (elevacin slo en direccin al extremo libre del mandril)

8a

de 0 a 0,02 cada

300mm

de 0 a 0,0008

cada 12"

Paralelismo del eje del husillo respecto a la bancada en el plano horizontal (en el extremo libre del mandril desvindose en el sentido de la presin de la herramienta, solamente)

8b

de 0 a 0,02 cada

300mm

0,0008 cada 12"

Carro transversal Movimiento del carro transversal paralelamente al husillo en el plano vertical (avance a mano) Con avance automtico: en el plano vertical en el plano horizontal

9

de 0,03

cada 150mm

0,03 cada

300mm 0,02 cada

300mm

0,0012 cada 6"

0,0012 cada 12" 0,0008

cada 12"

Contrapunto: Paralelismo del eje del contrapunto con la bancada, en el plano vertical (slo elevacin del extremo frontal)

10a

de 0 a 0,02 cada

100mm

de 0 a 0,0008 cada 4"

Idem, en el plano horizontal (inclinacin del extremo frontal en el sentido de la presin de la herramienta solamente

10b

de 0 a 0,01 cada

100mm

de 0 a 0,0004 cada 4"




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Prueba a realizar Fig N Error

admisible (mm)

Error admisible

(pulg)

Paralelismo del eje del asiento cnico del contrapunto respecto a la bancada, en el plano vertical (slo elevacin del extremo libre del mandril)

11a

de 0 a 0,03 cada

300mm

de 0 a 0,0012

cada 12"

Idem, en el plano horizontal (extremo libre del mandril esviado en el sentido de la presin de la herramienta solamente)

11b

de 0 a 0,02 cada

300mm

de 0 a 0,0008

cada 12"

Paralelismo del eje de trabajo (mandril montado entre puntos) con la bancada en el plano vertical (elevacin del mandril hacia el contrapunto, solamente)

12 de 0 a 0,02

de 0 a 0,0008

Husillo de roscar: Precisin garantizada del paso del husillo

0,03 cada

300mm

0,0012 cada 12"

Oscilacin axial del husillo de roscar

13 0,01 0,004

Alineacin de los soportes del husillo de roscar (eje d elos soportes paralelo a las guas de la bancada) en el plano vertical (mediciones en las posiciones I, II y III)

14a 0,1 0,004

Idem, en el plano horizontal 14b 0,1 0,004




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Alineacin de los soportes del husillo de roscar con la tuerca en el plano vertical ( la medicin tiene lugar con la tuerca fijada y con el carro en el centro de la bancada y se inicia a partir del punto I)

14a 0,15 0,006

Idem, en el plano horizontal 14b 0,15 0,006

Precisin de trabajo de la mquina: Torneado circular con una precisin no inferior a 0,01 0,0004

Precisin en el cilindrado: (a) con sujecin e la pieza entre puntos (b) con sujecin de la pieza en el cabezal nicamente Pro cada 1000mm. (40") se aumenta en 0,01mm., hasta un mximo de 0,05mm.

0,02 cada

300mm 0,02 cada

200mm

0,0008 cada 12" 0,0008 cada 8"

Presicn en el refrentado: (slo se admite la concavidad) 15

de 0 a 0,02 cada

300mm de

dimetro

de 0 a 0,0008

cada 12" de

dimetro

Precisin en el roscado: sobre 50mm. (2") de longitud

0,02 cada

50mm

0,0008 cada 2"

Pruebas a los motores Especificaciones de motores paso a paso

N de pasos por revolucin

ngulo de paso (grados)

Tensin nominal (V)

Rango de tensin (V - V)

Ancho de pulso (ms)




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Resistencia de Bobina () Consumo de corriente promedio (A/paso/s) Torque a tensin nominal (Nm) Torque en paro (Nm) Rango de temperatura Ambiente (C)

Carga de inercia mxima (x10-9 kgm2)

Direccin de rotacin

Juego Axial (m) Juego Radial mximo (m)

Peso del motor (g) Especificaciones Servomotor

Datos del sensor electrnico:

Rango de tensin (Min V; Max V)

Corriente Suministrada (mA)

Corriente de salida (mA)

Tiempo RISE (Type s; max s) Tiempo FULL (Type s; max s) Tiempo de respuesta (Type s; max s) Temperatura de operacin (C - C)

Temperatura de almacenamiento (C - C)

Cables elctricos del sensor:

Rojo (red)

Amarillo (yel)

Verde (grn)

Azul (blu)

Blanco (blk) Datos del encoder

Tensin de entrada (Vcc)

Type: V, Min: V; Max: V

Requerimientos de corriente de entrada:

Type: mA, Min: mA; Max: mA

Tensin de salida: (Min: V; Max: V)

Corriente de salida por canal (Min: mA; Max: mA)

Frecuencia: (kHz)




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Separacin mnima: ngulo elctrico

Velocidad mxima: rpm

Temperatura de operacin (C - C)

Temperatura de almacenamiento (C - C) Cables elctricos del motor

Color

Amarillo (yel)

Verde (grn)

Azul (blu)

Verde/amarillo (grn/yel)




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6. Lista de componentes comprados Cantidad Componente Marca Modelo Caracteristicas

1 Driver Geckodrive G202 Microstep

drive

7A, 80VDC 10-Microstep drive

Short-circuit protection

Mid-band resonance damping

Silent 20kHz PWM switching

No low-speed vibration

Internal 470uF capacitor

Optoisolated step and direction

1 Capacitor National Type 85D

2300-100VDC 711-8010

1 Transformador Steren TR24-5A Entrada: 127V- 60Hz Salida: 24V-5A

1 Rectificador ELKO MB 352 35A 200V_

2 DAQ Sensoray 626 (Analog and

Digital I/O)

Six versatile 24-bit counters for encoders/timers with interrupt generation

Fail-safe Digital I/O

E-stop Relay

Battery backup of counters

Four 14-bit D/A outputs, 20 kHz update rate

Sixteen 16-bit differential A/D inputs, 15 kHz rate

Watchdog timer may be used to reset PCI bus

48 bi-directional digital signals for solid state relay boards, 40 with edge detection and interrupts

2 Termination board Sensoray 7505TDIN (50

contact) Compatible with 35 mm DIN mounting rails

1 cable flat Sensoray 7503C1

1 Standard roller

(tuerca) THK BTK2005-2.6ZZ

20mm(d)

5mm (paso)

6 KN (Ca)

16,5KN (Coa)

1 Soporte THK BF15 15mm (d)




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20mm (L)

1 Motor step by step Keling

Technology KL34H295-43-8A

3,05A

1,4 ohmn

13,2mH

960 Oz-inch

1400 gcm2

2,3kg

1 Tornillo 1 THK BTK2005A AX-6K27 500mm

1 Tornillo 1 THK BTK1404 - 3,6 140mm, paso 4, diam < 11,5

1 Cambiador de herramientas

Emco COMPACT 5

CNC

SERIE: 8602064

DISTANCIA ENTRE CENTROS 12.2

RECORRIDO DEL DISPOSITIVO CRUZADO 1.9

ALTURA DEL CENTRO 2.56

DISPOSITIVO CRUZADO DE OSCILACIN 2.4

CALIBRE DEL SPINDLE 6.3

SPINDLE A USAR MT2

CENTRO DIMETRO CONTRAPUNTO 9.

PROGRAMA EN METROS Y PULGADAS.

ALARMA INDICATIVA EN ERRORES DE PROGRAMACIN Y OPERACIN.

RETROALIMENTACIN 28 / MIN

DIMENSIONES 33 X 35 X 33 ALTURA

1 Soporte THK EF12 10mm (d)

20mm (L)

1 Encoder DRC 41143001

153/121-256-11SAN

5V DC

10 Resistencias 62000 Ohms +/- 5

1 Capacitor Nichicon 1000 microF

25V

1 Puente de diodos




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1 Regulador de

voltaje L7805 1A

2 Clemas TB-1512

24 salidas

600V

15A

1 Capacitor Konek 100V

4700 microF

3 Relevadores LT JQX-13F-2Z

28VDC

10A

240VAC

Coil: 6VDC

1 Transformador 12V

1 Interruptor automtico enchufable

Square D QO 160 60A

120/240-50/60Hz

2 Pinzas de corte Pro'skit 1PK-036S de precision

3m cable de calibre 20 ALTISAE segn la SAE soporta 125V

2.5m cable de calibre12

26m cable de calibre 18

1 Botn de

emergencia Schneider

Telemecanique XB4 BS542

10 clemas phoenix contact VDE 0611

750V 2.5mm2

500V 2.5mm2

600V 25A 28-12AWG

800V 2.5mm2

1 Barra de tierra

1 Fuente de voltaje N.a DVP-512 13.8V

3-5A

1 Capacitor Nippon

Chemi-con 0615L 78

100V

6800 microF

1 Relevador Tyco Electronics KUHP-11A51-120

120 VAC 50/60Hz

3/4HP, 120VAC

20A, 1 1/2HP, 240VAC

4 switch micro V7-1C17D8-201

15.1A 1/2HP 125, 250, 277 VAC

1/2A 125VDC

1/4A 250VDC

5A 120VAC

2 Ventilador Tidor 12V




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Conectores de

tornillos

Disipador

Tip 31A

Relevadores de estado solido

5V

CD

2 Soldadura de

Estao

1,0mm

Bronce foforado

1 Switch general 10KA

120/240 V

report e tec nico final tor no

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