PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚFacultad de Ciencias e Ingeniería Especialidad de Ingeniería Industrial

Informe Final

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

Integrantes: xxxx xxxxxxxx xxxx

Horario: 0833

Profesor: SOBRADO MALPARTIDA, EDDIE ANGEL

Tema: CENTRO DE MANUFACTURA

Lima, Perú2012 –2

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1.-Introducción:

El Perú requiere que la industria aumente su grado de automatización y así ser más

competitiva con productos de alto nivel de calidad y con procesos productivos flexibles que

le permitan insertarse adecuadamente en un mercado globalizado.

Ante esta premisa hemos decidido simular los procesos de un centro de manufactura que

necesite ser automatizado, es decir plantearemos mejoras con el propósito de mejorar el

proceso de producción de ciertas piezas mecanizadas, para ello tomaremos como referencia

El CETAM.

Este centro cuenta con una sala de manufactura, con equipos instalados y organizados de tal

manera que se tiene una fábrica automatizada y robotizada en pequeña escala, empleando

intensivamente robots y máquinas de control numérico computarizado (CNC). Cuenta

también con una sala de computadoras, con software de CAD, CAM, CAE y CIM, así como

simuladores de máquinas herramientas CNC y de robótica, que permiten al estudiante tener

una experiencia virtual previa al trabajo directo con los equipos.

Dado que el CETAM es a pequeña escala, utilizamos sus estaciones como simulador de

procesos con respecto a tiempos, programación y secuencia.

Proceso de Producción:

CETAM fabrica llaveros y laberintos de juguete tipo lego. En la actualidad lo hace con fines

demostrativos ante visitas escolares y de alumnos de cursos de posgrado.

Para nuestro trabajo tomaremos como base su estructura de proceso productivo para ampliar

nuestro análisis hacia una producción continua como cualquier empresa que produce para

vender, es por ello que estudiaremos dos tipos de productos: laberinto LEGO y tapa con

refuerzo.

Materia prima:

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Tapa con refuerzo Laberinto LEGO

Para el LABERINTO LEGO se adquieren piezas de plástico con la forma de cubo alargado

y en la planta se procede a manipular una de las superficies de acuerdo a la forma deseada.

Para la TAPA CON REFUERZO se adquieren planchas de acero inoxidable que

previamente ya han sido cortadas en forma cuadrangular. También se trabaja la pieza a

soldar que es del mismo material pero más pequeña y doblada en 5 partes.

Proceso Productivo:

Toda operación pasa primero por el Administrador Central, que es una red integrada de

computadoras alineadas y programadas especialmente para dirigir la maquinaria total. En

esta estación se programa la secuencia, velocidad, especificaciones técnicas y

almacenamiento final.

Utilizan el software OPENCIM y así pueden detectar fallas en cada estación y a la vez tomar

medidas de tiempo en conjunto.

A continuación mencionaremos las estaciones de trabajo y también mostraremos el flujo del

proceso especial por cada tipo de pieza.

I. ESTACION DE MANUFACTURA

Se utiliza una maquina CNC, un torno, una fresadora, y un alimentador por gravedad.

El proceso comienza desde que se da la orden en el sistema central, controlado por el

software, donde la materia prima sale del almacén, recorre la faja transportadora

llevado en un carrito codificado hasta llegar a la estación donde es reconocido

mediante los sensores correspondientes hasta llegar a la CNC para su transformación.

II. ESTACION DE SOLDADURA

El proceso comienza cuando el robot, un brazo mecánico, recoge la pieza metálica

identificado por un lector de código de barras (luz infrarroja que detecta si hay o no

metal para reconocerlo) y la lleva hasta la mesa de trabajo, donde se encuentra el

complemento de la piza final, para realizar el ensamble y finalmente soldarla en

cuatro puntos en la maquina soldadora para luego ser retirada por el robot en la faja

transportadora.

III. ESTACION DE CONTROL DE CALIDAD

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El proceso se da cuando el material llega a través de la faja transportadora, el cual es

tomado por el robot que lo coloca en la mesa de mármol donde es sujeta por unos

pistones para que no se muevan y se realiza la medición por contacto a través de la

máquina de medición por coordenadas modelando el material por lugares claves de

sus dimensiones para comprobar su precisión e identificar si cumple o no con las

tolerancias requeridas.

IV. ESTACION DE ENSAMBLAJE

El proceso se da cuando la materia prima trabajada en la estación anterior llega por la

faja transportadora, el robot las sujeta y comienza a ensamblarla colocándole billas

dentro del laberinto, seguidamente de la tapa de plástico y finalmente se asegura con

los tornillos.

Los tiempos de fabricación por cada producto son:

TIEMPOS DE FABRICACION POR ESTACION DE TRABAJO (min)E.

ManufacturaE. Soldadura

E. Control Calidad

E. EnsamblajeTOTA

LLABERINT

O3 0 3 3 9

TAPA CON REFUERZO

0 2.5 2 0 4.5

4

Leyenda

1.- Administrador central3.- Estación de manufactura (Torno CNC)4.- Estación de manufactura (Fresadora CNC)6.- Estación de Soldadura8.- Estación de control de calidad.

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Logística:

En el CETAM los recursos utilizados, ya sea materia prima o equipos, no generan mayores

complicaciones ya que los productos a elaborar son puramente académicos y en pocas

cantidades, por ello no demandan que se hagan compras en grandes proporciones de materia

prima o que se haga un seguimiento estricto de los equipos a utilizar. Sin embargo, hay un

mayor control en el área de mantenimiento destinando los recursos necesarios para que se

hagan las revisiones técnicas de todos los equipos usados porque representan la parte

fundamental de todo el proceso.

En nuestro caso para una producción continua, la materia prima es adquirida de proveedores

nacionales que proporcionan los cubos plásticos, metales e insumos necesarios para la

producción como: artículos de limpieza para los equipos, productos de mantenimiento, etc.

Estos requerimientos se hacen por lotes.

Ventas:

Como ya se mencionó CETAM realiza operaciones con fines demostrativos y los productos

resultantes son obsequiados a las personas que presencian los procedimientos o al personal

del lugar.

Se da la excepción de ciertos contratos que tiene el CETAM con empresas externas que

solicitan el servicio de Control de Calidad y otros.

De acuerdo a la producción estimada mensual se tiene que el número de ventas actual sería

de:

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DIARIA SEMANAL MENSUALLABERINTO 100 500 2000

TAPA CON REFUERZO 20 100 400

PRODUCCIÓN PARA LAS VENTAS (unidades)

Costo de producción Precio de venta Utilidad unitaria (S/.)Laberinto 3.5 7 3.5

Tapa con refuerzo 4.5 7 2.5

COSTO UNITARIO (S/.)

1.-Diagrama esquemático del proceso productivo

El CETAM cuenta con una sala de manufactura, con equipos instalados y organizados de tal

manera que se tiene una fábrica completamente automatizada y robotizada en pequeña

escala (ver anexo 1) empleando intensivamente robots y máquinas de control numérico

computarizado (CNC). Cuenta también con una sala de computadoras, con software de

CAD, CAM, CAE y CIM, así como simuladores de máquinas herramientas CNC y de

robótica, que permiten al estudiante tener una experiencia virtual previa al trabajo directo

con los equipos.

1. Celda de manufactura

Se utiliza un maquina CNC, un torno, una fresadora, y un alimentador por gravedad.

El proceso comienza desde que se da la orden en el sistema central, controlado por el

software, donde la materia prima sale del almacén avanza es reconocido en el carrito

correspondiente hasta llegar a la maquina respectiva para su transformación.

Aproximadamente el tiempo de fabricación es de 5 minutos.

2. Soldadura

El proceso comienza cuando el robot, un brazo mecánico, recoge la pieza metálica

identificado por un lector de código de barras (luz infrarroja que detecta si hay o no

metal para reconocerlo) y la lleva hasta la mesa de trabajo, donde se encuentra el

complemento de la piza final, para realizar el ensamble y finalmente soldarla en

cuatro puntos en la maquina soldadora para luego ser retirada por el robot en la faja

transportadora.

3. Control de calidad

El proceso se da cuando el material llega a través de la faja transportadora, el cual es

tomado por el robot que lo coloca en la mesa de mármol, es sujeta por pistones y se

realiza la medición por contacto en la máquina de medición de coordenadas

modelando el material para comprobar su precisión e identificar si cumple o no con

las tolerancias requeridas.

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4. Ensamble

El proceso se da cuando las materias primas llegan por la faja transportadora, el robot

las sujeta y comienza a ensamblarla colocándole billas dentro del laberinto.

Aproximadamente demora 7 u 8 minutos.

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Figura1.1 Esquema del proceso de elaboración de la tapa con refuerzo.

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Figura1.2 Esquema del proceso de elaboración del laberinto LEGO

2.- Operaciones susceptibles a ser automatizadas

Una vez descrito el proceso productivo podemos formular en base a la información

obtenida la siguiente tabla de ponderación para identificar las estaciones que podríamos

automatizar:

Para ponderar tendremos la base de calificación

- Intensivo uso de… (3)

- Regular uso de … (2)

- Bajo uso de… (1)

Donde la pregunta es de la estación al factor por ejemplo: ¿qué tanto es el uso del factor en

la estación?

Para la columna de ventas la pregunta es ¿qué tanto fue el uso de la estación para el

servicio prestado?

Factores

Horas - hombre

Espacio Tiempo Ventas Total

Est

acio

nes

Celda de manufactura

2 2 2 2 8

Soldadura 1 2 1 1 5

Control de calidad

3 2 2 3 10

Ensamble 2 2 2 1 7

De lo anterior podemos apreciar que el mayor puntaje fue obtenido por la estación del

control de calidad lo cual indica el intensivo uso en los factores. Además dado el uso de

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mano de obra directa y la incidencia de esta en el servicio prestado, convendría

automatizarla.

Por ello implementaremos en nuestro proceso productivo una nueva estación de trabajo el

cual se encargará de la labor de verificar la dureza de la piza soldada con el fin de brindarle

un valor agregado a nuestro producto final ya que representaría una valor agregado esta

información para nuestros clientes para que puedan trabajar con la seguridad de haber

obtenido un material que cumple con los estándares de fabricación requeridos.

Además se realiza esta implementación debido a las solicitudes de los clientes por obtener

esta información para diversos productos con los que trabajan diariamente y desean tener la

certeza de su dureza y evitar contratiempos y riesgos a la hora de trabajar con ellos.

En el almacén observamos que el robot cartesiano selecciona la pieza dependiendo de

dónde se ubique esta. Es decir, no importa que pieza esté ubicada en tal lugar, si se le da la

orden al robot de coger la pieza de un determinado lugar lo hará (no importa si es la

correcta o no) y comenzará el proceso que se programe. El inconveniente surgirá cuando el

robot coja la pieza errónea a mecanizar (puede que la persona encargada de colocar las

piezas erró al colocarlas en el almacén) e incurriremos en un costo por error. Para evitarlo

podríamos colocar sensores de radio frecuencia (lo veremos en el plan)

3.- Plan de automatización

Todo el proceso está constituido por estaciones de trabajo, los cuales realizan una tarea

distinta y específica tales como manufactura, soldadura, control de calidad, ensamble y

almacenamiento.

Para nuestro caso, hemos tomado la estación de control de calidad como punto de partida,

junto con el de almacenamiento para realizar cambios que generen un avance al proceso en

conjunto debido a que ésta secuencia no está totalmente integrado al mismo. Después de

haberse dado la orden de la computadora central, el proceso partiría de la estación de

almacenamiento donde el brazo mecánico tomaría el material seleccionado y lo colocaría

en el sistema de transporte, el cual estaría dirigido y controlado por un dispositivo

electrónico, que luego seleccionaremos, luego pasaría directamente a la estación de control

de calidad en donde se realizaría el procedimiento respectivo utilizando la máquina de

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medición por coordenadas (CMM) de control numérico computarizado, luego es enviado

nuevamente a la estación de almacenamiento.

Un inconveniente encontrado en la estación de almacenamiento es que los materiales a usar

deben guardarse cuidadosamente en los “carritos” correspondientes de manera manual ya

que si está colocado en un lugar que no le corresponde al momento de darse la orden, el

robot cartesiano de tres ejes tomaría un carrito con el material equivocado el cual pasaría

por un proceso que no le corresponde. Por ello, además codificaremos cada material a usar

de manera tal que mediante un dispositivo electrónico (posible RFID o un lector QR) se

pueda identificar si es o no el material correcto para el proceso seleccionado desde la

computadora central.

Control de Calidad de Dureza

Como se mencionó anteriormente la prueba de dureza se implementará de la siguiente

manera:

Un sensor de posicionamiento (ENCODER) que será el encargado de mandar las señales

hacia el controlador (COMPUTADORA LOCAL) que interpretará la información para

darles la orden a los actuadores (BRAZO ROBÓTICO y DURÓMETRO AUTOMÁTICO

MOTORIZADO ROCKWELL-BRINELL) que realizarán la manipulación y la prueba de

dureza respectivamente.

4.- Instrumentación

Encoder

Costo: 576 dólares

Encoder incremental de diámetros 30 mm

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Características:- Alimentación de 8 a 30 Vdc y 5 Vdc.- Varios tipo de salida, colector abierto, Line drive, consulte. - Resoluciones de 10 hasta 5400 ppr.- Frecuencia de salida de hasta 100 Khz.

Computadora local

Costo: 580 soles

Características

- Procesador AMD ATHLON dual core 4550b  2.3 GHz.- Memoria 2Gb ddr2   - expandible hasta 8Gb.- Disco duro 80 Gb sata - expandible hasta  1 Tera.- Lector  multigravador  DVD.- Video  ATI hd 3100 256 Mb - expandible a 1Gb ddr3 pci express- Monitor lcd 15¨ samsung.

Brazo robótico

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Costo: 700 dólares

El brazo robótico está hecho con componentes de aluminio anodizado negro, tubos de

aluminio, componentes hechos con molde de inyección y piezas de lexan cortadas con

láser de alta precisión.

Características

El brazo usa los siguientes servomotores:

- 1 x HS-755HB en el hombro.

- 1 x HS-645MG en el codo.

- 1 x HS-422 en la muñeca.

- 1 x HS-422 en la base.

- 1 x HS-422 en el gripper.

- 1 x HS-85BB (opcional para rotación en la mano)Módulo controlador CM-5.

Especificaciones

- No de Ejes = 4 + Gripper; rotación en la muñeca opcional.

- Distancia entre base y codo = 3,75".

- Distancia entre codo y muñeca = 4,75"

- control = lazo cerrado local por medio de servomotores

- Altura= 6"

- Altura (estirado) = 14"

- Distancia media de avance= 9,5"

- Apertura del gripper = 1.25"

- Capacidad de carga (brazo extendido) = approx. 4 oz

- Peso = 24oz

- Rango de movimiento por eje = 180 grados

- Precisión de movimientos por eje = SSC32 0.09 grados

- voltaje de servos = 6 vdc

Guías de ensamblaje: Assembly Guide Base, Assembly Guide AL5A Brazo, Assembly Guide rotación muñeca bajo peso, Assembly Guide rotación muñeca alto peso, Assembly Guide for Arm Gripper FSR

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Sistema de control recomendado: Tarjeta de control de servomotores SSC-32 código 11-01-06 (Ver catalogo sistemas de desarrollo y boards) Users Manual SSC-32 y RIOS, Users Manual configuración

Opciones de Configuración

1. Brazo robótico AL5A: Incluye servos y estructura, no incluye sistema de control esta

opción es ideal para desarrolladores los cuales prefieren desarrollar la tarjeta de control

para el robot, la tarjeta de control que se desarrolle tiene que tener la capacidad de

manejar de 5 a 6 servomotores.

2. Brazo Robótico con tarjeta de control: Incluye el brazo robótico con estructura y con

tarjeta de control SCC-32 sin software esta opción es ideal para desarrolladores de

software donde requieren que el sistema electrónico este listo pero quieren hacer un

programa en Labview, Matlab u otro software para controlar el brazo robótico, hay que

tener en cuenta las especificaciones de la tarjeta de control (Manual de usuario tarjeta de

control, Especificaciones de secuenciador ).

3. Brazo Robótico con tarjeta de control con software: Incluye el brazo robótico con

estructura, tarjeta de control SCC-32 y Software RIOS (Robotic arm Interactive

Operating System) esta opción es ideal para desarrolladores que quieren montar una

aplicación específica con el brazo robótico, este permite hacer y grabar secuencias de

movimientos, hacer movimientos en tiempo real, etc. Manual, Video de software, Videos

con entradas.

Adicionalmente a cualquiera de las opciones 1-2-3 se puede adicionar un grado para la

rotación del gripper para tener un 6 grado de control como se muestra en la siguiente

figura, este se basa en servomotor HS-85BB, e incluye todo lo necesario para montarlo.

Durómetro automático motorizado Rockwell-Brinell

Costo: 8500 euros

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Figura 5.1 Diagrama PI&D del durómetro Rockwell-Brinell

5.- Documentación

6.- Diagrama SCADA

Sensores

- De posicionamiento (encoder)

Actuadores

- Durómetro

- Brazo robótico

RTU

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ZIC01

ZS01

- 1 PLC Controlador de 24puntos

MTU

- Administrador central

Tenemos un solo controlador PLC, para que controle el brazo robótico y el durómetro. Este PLC, estará conectado a una computadora que se encontrará en el administrador central. Además necesitamos de un protocolo Ethernet.

SOFTWARE:LookoutEl software que se utilizará para la implementación de Sistema Scada será el Programa Interfaz de Aplicación de Lookout. La elección de este software se justifica debido a que la comunicación entre hombre y máquina es sencilla, es decir, de fácil uso, asimismo es un software muy utilizado en la automatización industrial pues permite fácilmente crear poderosas aplicaciones de monitoreo y control   de procesos.

Herramientas de manejo de datos, generación de reportes, visualización, control supervisado.Configuración en línea, loggeo distribuido, alarmas y eventos distribuidos, seguridad, redundancia, tendencias y gráficas, SPC

Precio del Lookout: 45 $

HARDWARE:MTU: La unidad de terminal maestra viene a ser la estación central del sistema y es el componente donde el personal de operaciones se valdrá para ver las diferentes áreas de la empresa. 

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7.- Costos del proyecto

- TASA INTERNA DE RETORNO:

Egresos 12/2012Costo $

Sensor Encoder576 Dolares 576.00

Computadora local580 Dolares 580.00

Brazo Robótico700 Dolares 700.00

Durometro Automatico 8500 Euros14711.5

4

TOTAL16567.5

4

DATOS:Tiempo de vida del proyecto: 18 mesesEgreso ($ 16598)Ingreso mensual $ 2500

PERIODO

FLUJO DE FONDOS TIR=

14%

0 -165681 25002 25003 25004 25005 25006 2500

18

7 25008 25009 2500

10 250011 250012 250013 250014 250015 250016 250017 250018 2500

- VAN:

PERIODO FLUJO DE FONDOS TIR= 14%

0 -16568 VAN= S/. 3,935.531 25002 25003 25004 25005 25006 25007 25008 25009 2500

10 250011 250012 250013 250014 250015 250016 250017 250018 2500

8.- Bibliografía

CETAM

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2012 <http :// cetam . pucp . edu . pe / est 5. htm > <http :// cetam . pucp . edu . pe / est 1. htm >

Páginas relacionadas<http://www.youtube.com/watch?v=8ojFYLUfOCY > <http://blackparr.com/ > <http://www.lobecor.com/piezas-soldadas.html > <http://www.qualites.net/html/Equipos_usados.html > <http://articulo.mercadolibre.com.ar/MLA-437263626-encoder-incremental-encoders-incrementales-rotary-encoder-_JM><http://articulo.mercadolibre.com.pe/MPE-401848500-cpu-completo-amd-dual-core-lcd-15-teclado-y-mouse-_JM > <http://www.dynamoelectronics.com/dynamo-tienda-virtual.html?page=shop.product_details&flypage=dynamo.tpl&product_id=171&category_id=61>

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