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Fecha 7 de julio
NÙMERO RAE PROGRAMA INGENERÌA MECATRÒNICA
AUTOR(ES) FONSECA BOBADILLA, Cristiam Alexander ; GUERRERO NEMPEQUE, Carol Juliet
TÌTULO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE
PERFORACIÓN PARA MÁQUINAS SELLADORAS DE BOLSAS PLÁSTICAS.
PERFORACIÓN, CONTROL INTEGRAL PROPORCIONAL PARA UN SERVOSISTEMA,
ENCODER, VALVULAS NEUMATICAS.
PALABRAS CLAVES
DESCRIPCION Trabajo de diseño y construcción de un dispositivo de perforación para cualquier maquina selladora de bolsas plásticas.
Este dispositivo cumple la función de perforar bolsas plásticas a la misma velocidad que las va sellando. Con un control que es aplicado en un servocontrolador encargado de manipular el arrastre de la bolsa dando así la medida y la ubicación de perforación.
FUENTES BIBLIOGRÀFICA
KATSUHIKO OGATA. Sistemas de control en tiempo discreto. Segunda edición. PRENTICE HALL, STEPHEN J. CHAPMAN. Maquinas eléctricas. Tercera edición. McGraw-Hill, Cap. 6
1
BENJAMIN C. KUO. Sistemas de control automático. Séptima edición. PRENTICE HALL, INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS. Normas Colombianas para la presentación de trabajos de investigación. Segunda actualización. Santa fe de Bogotá D.C ICONTEC, 1996.126 p. NTC 1307 FESTO DIDACTI: 2000. Neumática industrial JOSEPH E. SHIGLEY. Diseño de ingeniería mecánica. Sexta edición. McGraw-Hill, cap. 10 ROBERT L. MOTT. Resistencia de materiales aplicada. Tercera edición. PRENTICE-HALL HISPANOAMERICA S.A INTRODUCCION A SEÑALES, SISTEMAS Y CONTROL (en línea): http://es.wikibooks.org (consulta: 20 de octubre 2007) Clasificación de los plásticos."Enciclopedia del Plástico 2000"; Centro Empresarial del Plástico http://www.aniq.org.mx/cipres/clasificacion.asp Servomecanismos Capitulo 3 PDF www.iearobotics.com/personal/andres/proyectos/pucho/documentacion/capitulo3.pdf Contador de pulsos para Servomecanismos PDF http://ccc.inaoep.mx/fpgacentral/reconfig/2003/articulos/TCR11.pdf Alternativas practicas de almacenamiento de productos frescos para conservar su sabor. Área poscosecha. Dirección Calidad Agrícola. Boletín N° 18 septiembre, 2002 http://www.mercanet.cnp.go.cr/Calidad/Poscosecha/Boletines/documentospdf/2002_Boletines/2002-18saboralmac.pdf
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Centro de Desarrollo Tecnológico de la Cadena Agroalimentaria de la papa. http://www.cevipapa.org.co/publicaciones/publicaciones.php Servosistemas de arrastre para maquinas selladoras de bolsas plásticas. Yaskawa. http://controldemovimiento.com/Selladora.pdf Encoder incremental. Descripción general. ELTRA. http://www.silge.com.ar/hojtec/eltra/si010es2.pdf
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NÙMERO RAE PROGRAMA INGENERÌA MECATRÒNICA
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS
INTRODUCCIÓN
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
1.3 JUSTIFICACIÓN
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivos generales
1.4.2 Objetivos específicos
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.5.1 Alcances
1.5.2 Limitaciones
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL
2.1.1 Bolsas plásticas
2.1.2 Sistema de perforación
2.1.3 Servomotores
2.1.4 Encoder
2.1.5 PLC (controlador lógico programable)
2.1.6 Accionamiento neumático
CONTENIDOS
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3. METODOLOGÍA
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN 3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB 3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 3.4 HIPÓTESIS
3.5 VARIABLES
3.5.1 Variables independientes
3.5.2 Variables dependientes
4. DESARROLLO INGENIERIL
4.1 DISEÑO MECÁNICO
4.1.1 Teoría de la resistencia de materiales 4.1.2 Análisis estructural viga soporte matriz de perforación
4.1.2.1 Análisis por fatiga del soporte matriz de perforación
4.1.2.2 Teoría de falla del soporte matriz de perforación
4.1.2.3 Análisis de elementos finitos 4.1.3 Análisis estructural viga soporte perforadores
4.1.3.1 Análisis por fatiga del soporte perforadores 4.1.3.2 Teoría de falla del soporte perforadores 4.1.3.3 Análisis de elementos finito
4.1.4 Análisis neumático
4.1.4.1 Análisis esfuerzo de penetración para el sistema de
perforación 4.1.4.2 Elección de la válvula
4.1.5 Diseño del actuador
4.1.5.1 Calculo del cilindro
4.1.5.2 Análisis de elementos finitos
4.1.6 Velocidad del embolo
5
4.1.7 Consumo del aire
4.1.8 Acumulador
4.1.9 Calculo de la soldadura
4.1.10 Selección de tornillos
4.2 DISEÑO DE CONTROL
4.2.1 Servomotor
4.2.2 Encoder (Codificador incremental)
4.2.3 PWM
4.2.4 Diseño del controlador PID
4.2.5 Desarrollo del algoritmo
5. CONCLUSIONES
6. RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA ANEXOS
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NÙMERO RAE PROGRAMA INGENERÌA MECATRÒNICA
METODOLOGÍA
ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN El enfoque de la investigación del perforador esta parametrizado por el interés técnico que se pueda desarrollar en la industria; que genera la capacidad de analizar matemáticamente un sistema que va ser de mucha ayuda para el desarrollo del país a nivel técnico en la industria del plástico por eso el enfoque a emplear es Empírico –Analítico.
LINEA DE INVESTIGACIÓN DE USB/SUB-LINEA DE FACULTAD/CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA La línea institucional aplica en el diseño del perforador como tecnologías actuales de sociedad, llegando a la instrumentación y control de procesos como sublínea de facultad y en campo de investigación automatización de procesos, ya que el perforador innovara en tecnología de punta las maquinas selladoras de plásticos.
TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN Para sustentar este trabajo se han recurrido a diferentes fuentes de información y cursos que permitieron ampliar conocimientos enfocados en el tema a tratar.
Diplomado de automatización industrial Festo.
Pasantía empresarial servomotores YASKAWA; donde se adquirieron conocimientos para la programación de servo motores, su funcionamiento, tipo de programación y sistemas que operan.
Amplia información de un fabricante de maquinas selladoras para bolsas plásticas.
Recolección de información en internet sobre tipos de sistemas existentes en el mundo y propiedades de aceros para escoger el mejor acero en el perforador.
Pruebas de ensayo y error
La información se valida por medio de software como ansys, solid Word, Matlab, Yterm entre otros.
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HIPÓTESIS Por medio del perforador se lograra obtener el 100% de producción de bolsas plásticas que requieran perforaciones a la misma velocidad de la maquina selladora controlados desde una pantalla que opere todas las características de la maquina.
VARIABLES
Variables independientes
• Que la maquina selladora no tenga servosistema
• Que no se pueda implementar la programación debido a programas especiales para manejar los servomotores.
Variable dependientes
• Adecuación sencilla a cualquier tipo de maquinaria selladora
• Lenguaje claro para el operario
• Perforación exacta
• Mantenimiento sencillo
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NÙMERO RAE PROGRAMA INGENERÌA MECATRÒNICA
PERFORACIÓN, CONTROL INTEGRAL PROPORCIONAL PARA UN SERVOSISTEMA,
ENCODER, VALVULAS NEUMATICAS.
PALABRAS CLAVES
El dispositivo se adapto sin ningún problema a la maquina selladora, logrando la exactitud que se buscaba en la perforación de las bolsas.
Los análisis coincidieron con la programación y la construcción del dispositivo.
No se selecciono ningún un actuador, se diseña, logrando que cumpla lo deseado sin ninguna falla mecánica.
Se concluye que la ganancia proporcional adquirida en el moldeamiento de control se ajusta a los parámetros del servomotor.
Se concluye que un sistema servomotor se adapta al sistema de perforación sin incrementar costos en la producción ya que el servocontrolador tiene varias funciones que permitieron la programación de la salida de las válvulas.
CONCLUSIONES
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMA DE PERFORACIÓN PARA MÁQUINAS SELLADORAS DE BOLSAS PLÁSTICAS.
CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
CRISTIAM ALEXANDER FONSECA BOBADILLA.
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE MECATRÓNICA
BOGOTÁ D.C
2008
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMA DE PERFORACIÓN PARA MÁQUINAS SELLADORAS DE BOLSAS PLÁSTICAS.
CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
CRISTIAM FONSECA.
Trabajo de grado presentado como requisito
Para optar al título de Ingeniero Mecatrónico.
DIRECTOR
Ing. Luis Andrés Rodríguez
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE MECATRÓNICA
BOGOTÁ D.C
2008
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Agradecemos en el alma a DIOS que es el que nos da fuerza, guía y conocimiento para caminar con forme a su palabra y siendo sus hijos nos hace vencedores en todos nuestros senderos.
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Nota de aceptación:
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
__________________________
Firma del Presidente del Jurado
__________________________ Firma del Jurado
__________________________
Firma del Jurado
__________________________
Firma del Asesor Metodológico
Bogotá, D.C.18 de junio 2008.
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CONTENIDO
Pág.
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS
INTRODUCCIÓN
7. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………………………13 7.1 ANTECEDENTES………………………………………………………13
7.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA……………..13
7.3 JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………14 7.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN………………………………..15
7.4.1 Objetivos generales……………………………………………...15
7.4.2 Objetivos específicos…………………………………………….15
7.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO………………......15 7.5.1 Alcances…………………………………………………………..15
7.5.2 Limitaciones………………………………………………………15
8. MARCO DE REFERENCIA…………………………………………………16
8.1 MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL………………………………......16
8.1.1 Bolsas plásticas…………………………………………….….…16
8.1.2 Sistema de perforación………………………………….………18
8.1.3 Servomotores……………………………………………….…….18
8.1.4 Encoder……………………………………………………………20
14
8.1.5 PLC (controlador lógico programable)…………………….…..20
8.1.6 Accionamiento neumático………………………………………21
9. METODOLOGÍA…………………………………………………………..…28 9.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN……………………………….…28
9.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB………………………………..28
9.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN………………28 9.4 HIPÓTESIS……………………………………………………………….29 9.5 VARIABLES………………………………………………………………29
9.5.1 Variables independientes……………………………………….29
9.5.2 Variables dependientes………………………………………….29
10. DESARROLLO INGENIERIL……………………………………………….30 4.1 DISEÑO MECÁNICO……………………………………………………30
10.1.1 Teoría de la resistencia de materiales…………………………30 10.1.2 Análisis estructural viga soporte matriz de perforación………32
10.1.2.1 Análisis por fatiga del soporte matriz de
perforación…......................................................................34 10.1.2.2 Teoría de falla del soporte matriz de
perforación…………………………………………………………..40 10.1.2.3 Análisis de elementos finitos………………………..41
10.1.3 Análisis estructural viga soporte perforadores………………..43
10.1.3.1 Análisis por fatiga del soporte perforadores……….45 10.1.3.2 Teoría de falla del soporte perforadores…………....48 10.1.3.3 Análisis de elementos finitos………………………..49
10.1.4 Análisis neumático………………………………………………52
15
10.1.4.1 Análisis esfuerzo de penetración para el sistema de perforación…………………………………………………….52
10.1.4.2 Elección de la válvula………………………………..53
10.1.5 Diseño del actuador……………………………………………...53
10.1.5.1 Calculo del cilindro……………………………………53
10.1.5.2 Análisis de elementos finitos………………………...57
10.1.6 Velocidad del embolo……………………………………………64
10.1.7 Consumo del aire………………………………………………...64
10.1.7.1 Acumulador……………………………………………65
10.1.8 Calculo de la soldadura…………………………………………65
10.1.9 Selección de tornillos……………………………………………67
10.2 DISEÑO DE CONTROL…..………………………………………..68 10.2.1 Servomotor………………………………………………………..69
10.2.2 Encoder (Codificador incremental)…………………………….74
10.2.3 PWM……………………………………………………………….76
10.2.4 Diseño del controlador PID……………………………………...77
10.2.5 Desarrollo del algoritmo…………………………………………79
11. CONCLUSIONES……………………………………………………………82
12. RECOMENDACIONES……………………………………………………...83
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………84 ANEXOS………………………………………………………………………………86
16
LISTA DE TABLAS.
Pág.
TABLA 1. Parámetros factor superficial de Marín…….……..……………….36 TABLA 2. Diámetro equivalente para el factor de tamaño....……………….37 TABLA 3. Factor de confiabilidad………………………...……..……………....37 TABLA 4. Factor de temperatura………………………………………………...38 TABLA 5. Registro de Encoder incremental de 17 bits……..……………….75
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LISTA DE FIGURAS
Pág.
FIGURA1. Sacabocados………………………………………………………......18
FIGURA2.Sistema servomotor…………………………………………………...19
FIGURA3. Esfuerzo cíclico repetido……………………………………...……..35
FIGURA4. Diagrama S-N para aceros…………………………………………...35
FIGURA5. Concentración de esfuerzos para placas a tensión con orificios…...39
FIGURA6. Diagrama de fatiga para criterios de falla…………………………40
FIGURA7. Análisis de la matriz de perforación factor de seguridad……….……41
FIGURA8. Análisis de la matriz de perforación esfuerzos equivalentes…..…....42
FIGURA9. Análisis de la matriz de perforación graficas de fatiga...............42
FIGURA10. Esfuerzo cíclico fluctuante……………………………..…………..46
FIGURA11. Análisis del soporte perforadores esfuerzo máximo……..…...49
FIGURA12. Análisis del soporte perforadores total deformación..…..……50
FIGURA13. Análisis del soporte perforadores esfuerzo equivalente….……50
FIGURA14. Análisis del soporte perforadores factor de seguridad……………51
FIGURA15. Análisis del soporte perforadores grafica de fatiga……….…………..51
FIGURA16. Análisis del soporte perforadores esfuerzo alternativo…...….52
FIGURA17. Simulación del sistema neumático.………………………………53
FIGURA18.Diagrama de presión-fuerza…………………….………….……….54
FIGURA19. Análisis vástago esfuerzo máximo principal……………………58
FIGURA20. Análisis vástago esfuerzo mínimo principal………….………...58 FIGURA21. Análisis vástago total deformación……………………….……...59
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FIGURA22. Análisis vástago esfuerzo equivalente…………………………..59
FIGURA23. Análisis vástago esfuerzo equivalente de elasticidad………...60
FIGURA24. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo máximo principal….61
FIGURA25. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo mínimo principal…..61
FIGURA26. Análisis de la matriz de perforación total deformación………62
FIGURA27. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo alternante…….62
FIGURA28. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo equivalente…..63
FIGURA29. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo de elasticidad..63
FIGURA30. Diagrama de caudal…………………………………………….…...64
FIGURA31. Diagrama de bloques del servosistema de control……………69 FIGURA32. Diagrama de bloques del sistema………………………………...69 FIGURA33. Circuito equivalente por fase con las pérdidas……………..….70 FIGURA34.Equivalente por fase de un motor de inducción……………..…70 FIGURA35.Circuito equivalente resultante simplificado…………………….70 FIGURA36. Grafica par – velocidad de los motores de inducción………...71 FIGURA37. Sistema mecánico rotacional del motor…………………….…...73 FIGURA38.Tren de pulsos……………………………………………….………..74 FIGURA39.Señal de un encoder (codificador incremental)………….……...74 FIGURA40. Señal PWM…………………………………………………………….76 FIGURA41. Diagrama de bloques del sistema de control…………………...77 FIGURA42. Diagrama de bloques del sistema de control…………………...77 FIGURA43.Respuesta del sistema de control del servomotor……………..77 FIGURA44. Diagrama de bloques del sistema con el controlador PID.…..79 FIGURA45. Respuesta del sistema de control con el controlador PID.......79 FIGURA46. Pantalla de programación YTERM………………………………..81
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LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO A. Propiedades físicas de los aceros……………………………..…….86
ANEXO B. Especificación de la válvula…………………………………………...87
ANEXO C. Especificaciones de las soldaduras..........………………......………89
ANEXO D. Selección de tornillos……..….........................................................91
ANEXO E. Especificaciones técnicas del servomotor......................................92
ANEXO F. Datasheet LM2907N……………………………………….....………..93
ANEXO G. Programa servocontrolador (Legend CMC3010)……….....……….95
ANEXO H. Interface-hombre maquina..............................................................98
ANEXO I. Reporte Ansys…….……………………………………………………100
ANEXO J. Planos............................................................................................106
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INTRODUCCIÓN
El proceso de fabricación de plásticos se ha modernizado significativamente en los últimos años, debido a los requerimientos evolutivos de la industria y las exigencias del mercado, por esto los fabricantes de maquinaria para plásticos se han visto avocados a mejorar sus diseños, con el fin de optimizar los procesos para la elaboración de este. Actualmente en la industria del plástico existen muchos procesos que se encuentran automatizados y otros que se realizan artesanalmente.
Es el caso de una gran variedad de bolsas plásticas que poseen orificios que permiten que el producto respire para su transporte y comercialización, por ejemplo, las bolsas para el empaque de papas, bolsas para capuchón, bolsas de tienda (tipo camiseta), bolsas para el embalaje de banano, bolsas para los cultivos entre otras. Para este tipo de perforación en las bolsas se utilizan sistemas manuales que implementan un sacabocados que no garantizan la calidad del producto y hace el proceso de perforación un sistema demorado convirtiéndolo en pérdidas significativas para la empresa.
Para ser más eficiente la producción de estas bolsas se requiere diseñar un sistema automatizado que permita agilizar el tiempo de producción de dicho producto, contemplando los parámetros de la maquina selladora; que sea un sistema que se pueda adaptar a cualquier maquina que selle bolsas plásticas.
.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
1.1 ANTECEDENTES
La historia de los plásticos es relativamente joven, en 1920 esta industria tubo un amplio crecimiento debido a las guerras mundiales aceleraron la investigación de nuevos materiales. Durante los últimos 20 años la industria del plástico en Colombia ha tenido un desarrollo gracias a la llegada de nuevas tecnologías al país y al amplio crecimiento de población que genera una necesidad de aumento de producción de las bolsas plásticas ya que es un consumo masivo en la canasta familiar de los colombianos.
Actualmente en la industria de la fabricación del plástico existen muchos procesos que se encuentran totalmente automatizados y otros que no, realizándose manualmente, por ejemplo en algunos procesos de siembra de semillas se utilizan bolsas plásticas que tengan orificios para el desagüe evitando que las raíces se pudran; Para la fabricación de este tipo de bolsas se perfora directamente el rollo por medio de un punzón el cual perfora todas las bolsas aleatoriamente y sin ninguna especificación haciendo de este un proceso lento e imperfecto ya que se debe hacer varias veces el mismo proceso en un mismo rollo. Esta información se obtuvo visitando empresas fabricantes de plásticos donde encontramos que más del 70% de esta población desea modernizar este tipo de procesos.
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
En la actualidad la perforación de las bolsas utilizadas para los agricultores se realiza de una forma manual, la industria busca el mejoramiento de los procesos de empaque y embalaje para estos; lo cual requiere implementar procesos eficientes y exactos. Normalmente estas bolsas plásticas tienen unos orificios que permiten que el producto respire y mantenga su humedad, temperatura y los niveles de oxigeno y Co2 que se encuentran en ellas, estos orificios se encuentran en un sinfín de bolsas, por ejemplo las bolsas que tienen papas crudas, bolsa de capuchón, bolsas de tienda (tipo camiseta), bolsas para el embalaje de banano y otras.
En la industria actualmente el proceso de perforación se realiza por medio de un sacabocado, este es un instrumento parecido a un cincel cilíndrico con punta plana la cual es la superficie de corte, este sistema manual consiste una
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vez el rollo este pre cortado una persona coloca el sacabocados en la posición en donde debe ir el orificio y con la ayuda de un martillo se da un golpe fuerte en la parte superior del sacabocados y de esta forma se perforan los orificios de estas bolsas. Esta usual practica en la industria da como resultado orificios con irregularidad y todas las bolsas quedan con orificios en distintos lugares, a esto se le suma el tiempo que gasta un operario en hacer los orificios causando pérdidas económicas y riesgos profesionales.
¿COMO DISEÑAR Y CONSTRUIR PARA LA INDUSTRIA UN PROCESO CONTROLADO Y AUTOMATIZADO PARA LA PERFORACION DE LAS BOLSAS PLASTICAS QUE A SU VEZ SE ADAPTE AL PROCESO DE SELLADO?
1.3 JUSTIFICACIÓN
Por lo antes mostrado es necesario para la industria un sistema de perforación que mejore el rendimiento de la producción teniendo como principal concepto el poder aplicar el sistema de perforación a cualquier maquina selladora (que le del avance un servo motor), siendo para la industria la mejor opción ya que a un costo bajo pueden incrementar más del 100% de la producción de este tipo de bolsas.
Si bien los procesos manuales en alguna época fueron la mejor opción hoy en día es necesario modernizar los procesos industriales ya que el rendimiento de una planta es a pasos a agigantados por la gran población que consumen dichos productos en formas masivas. El perforador permitirá desarrollar un mecanismo donde se integre la mecatrónica ya que combina técnica avanzada con un poco de mecánica y control cumpliendo con los objetivos planteados.
Para la realización del proyecto se contara con una empresa fabricante de maquinas selladoras, también con el recurso de diplomados en automatización y una fuente muy importante es la empresa YASKAWA quienes distribuyen servomotores en el país y tienen los conocimientos en la programación de estos equipos, ya que una gran limitación de este proyecto es la programación de los servomotores puesto que esto tienen un controlador especial para cada servomotor y no universal.
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1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivos generales
Diseñar y construir un sistema automático de perforación para maquinas selladoras de bolsas plásticas.
1.4.2 Objetivos específicos
• Diseñar y analizar la base estructural del perforador • Diseñar el sistema de perforación • Diseña el sistema de control del servomotor • Ensamblar y construir el sistema del perforador.
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.5.1 Alcances
Este proyecto pretende modificar un sistema de troquel logrando que el operario desde una pantalla que va en la maquina pueda introducir las medidas de donde requiere la perforación; el sistema no cambiara diámetros de el corte ya que no es necesario que el tamaño de los huecos varíen, el sistema trabajara a la misma velocidad que lleva la maquina selladora dándole el 100% de rendimiento.
1.5.2 Limitaciones
El primer limitante es que la maquina selladora debe tener un sistema servo como arrastre de medida de la bolsas ya que la exactitud que el servo proporciona es indispensable para el buen funcionamiento del dispositivo de perforación.
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2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL
Primero se estudiara el producto al cual se le va hacer el proceso de perforación.
2.1.1 Bolsas plásticas
Este tipo de empaque (compuesto por películas de polietileno) es el material predominante para envolver frutas, vegetales o tubérculos. Aparte de los costos bajos de los materiales, el proceso de empaque se puede automatizar reduciendo a un mas los costos de producción. Estos materiales son claros, permitiendo la inspección fácil del contenido y pueden ser impresos con graficas de alta calidad.
Las películas plásticas se encuentran en una amplia gama de espesores y pueden diseñarse para controlar los gases ambientales adentro del empaque, ya que los productos alimenticios justo después de la cosecha o incluso antes de su muerte presentan actividad biológica y la atmosfera dentro del empaque (si es cerrado), cambia constantemente junto con las mezclas de los gases y humedad producidas durante los procesos metabólicos.
El tipo de empaque usado también tiene influencias en el ambiente alrededor del producto, ya que algunos plásticos presentan unas propiedades muy pobres al funcionar como barreras, ante los gases y la humedad, por lo cual debemos tener presente que el material de la película debe respirar para mantener una mezcla correcta de oxigeno, dióxido de carbono y vapor de agua en el interior de la bolsa.
Muchos frutos producen etileno como parte de su actividad metabólica. Cada producto alimenticio tiene su propia composición de gas óptima y el nivel de humedad adecuado que maximiza su vida en el almacenamiento. El empaque dinámico, que interactúa con las atmosferas internas y externa, ofrece ciertas características que lo hacen superior cuando se compara con el empaque tradicional en bolsas impermeables, en donde se complica el manejo de gases y especialmente la manipulación del vapor de agua por eso es necesario la manufacturación de orificios para que el producto respire y mantenga sus propiedades.
Es muy importante saber que gramaje del polietileno se va a perforar para establecer la fuerza del actuador.
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Polietileno: el polietileno pertenece al grupo de los polímeros de las poliolefinas, que proviene de al que nos (hidrocarburos con dobles enlaces). Son polímeros de alto peso molecular y pocos reactivos debidos a que están formados por hidrocarburos saturados.
Los polímeros se clasifican principalmente en base a su densidad (de acuerdo al código ASTM) como:
• Polietileno de baja densidad (PEBD o LDPE) • Polietileno lineal de baja densidad (PELBD o LLDPE) • Polietileno de alta densidad (PEAD o HDPE) • Polietileno de alta densidad Alto peso molecular (HMW-
HDPE) • Polietileno de Ultra alto peso molecular (UHMWPE)
Si la densidad del polietileno aumenta, aumentan también propiedades como la rigidez, dureza resistencia a la tensión, resistencia a la abrasión, resistencia química, punto de reblandecimiento e impacto a bajas temperaturas. Sin embargo, este aumento significa una disminución en otras propiedades como el brillo, resistencia al rasgado y la elongación.
PEBD: Es un material traslucido, inodoro con un punto de fusión promedio de 110ºC. Tiene conductividad térmica baja. Sus principales aplicaciones son dentro del sector del envase y empaque (bolsas, botellas, películas, tapas para botella, etc.) y como aislante (baja y alta tensión).
PELBD: Presenta una buena resistencia a la tracción, al rasgado y a la perforación o punción, buena resistencia al impacto a temperatura muy bajas (hasta -95ºC) y en películas posee excelente elongación. Sus principales aplicaciones son con película incogible, película estimable, bolsas grandes para uso pesado, acolchado agrícola.
PEAD: presenta mejores propiedades mecánicas (rigidez, dureza y resistencia a la tensión), debido a su mayor densidad. Presenta fácil procesamiento y buena resistencia al impacto y a la abrasión. No resiste a fuertes agentes oxidantes como acido nítrico, acido sulfúrico fumante, peróxidos de hidrogeno o halógenos. Sus principales aplicaciones son en el sector de envase y empaque (bolsas para basura, botellas para leche, etc.)
HMW-HDPE: presenta propiedades como buena resistencia al rasgado, amplio rango de temperatura de trabajo (de -40 a 120ºC), impermeabilidad al agua y no guarda olores. Sus principales aplicaciones son en película, bolsas, empaque para alimentos, tubería a presión, etc.
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2.1.2 Sistemas de perforación
El sistema aplicado actualmente en la industria es por medio de un cilindro sacabocado que es operado por actuadores neumáticos o por un sistema manual.
Sacabocado
Es un instrumento con boca hueca que sirve para taladrar; este instrumento es utilizado en la industria de los plásticos en la fabricación de varios tipos de bolsas plásticas para realizar la perforación de los orificios.
FIGURA 1. Sacabocados
Fuente: jcindustria catalogo
2.1.3 Servomotores
Los servos son un tipo especial de motor de AC (corriente alterna) que se caracterizan por su capacidad de posicionamiento de forma inmediata y en cualquier posición dentro de su intervalo de operación. Para ello, el servomotor espera un tren de pulsos que corresponde al movimiento que va a realizar. Generalmente se componen de un amplificado, un motor, un sistema reductor formado por ruedas dentadas y un circuito de realimentación, todo en una misma caja de pequeñas dimensiones. El resultado es un servo de posición con un margen de operación de 180 º aproximadamente.
Se dice que el servo es un dispositivo con un eje de rendimiento controlado ya que puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que exista una señal codificada cambia, la posición angular de los piñones del engranaje. En la práctica se usan servos para posicionar elementos de control como dosificadoras, maquinas selladoras, maquinas flowpack, mesas XY y en robótica son muy útiles ya que el servo es
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un sistema que realiza posicionamientos muy precisos y repetibles, ya que tiene retroalimentación permanente de posición (Encoder). Es un sistema de control de lazo cerrado muy utilizado para generar posicionamientos específicos y controlados.
FIGURA 2. Sistema servo
Fuente: Yaskawa catalogo
Comparación servomotores y motores a paso:
• Caída de torque a altas velocidades del motor paso a paso: el motor paso a paso tiene un problema de sincronización a velocidades elevadas. El torque de salida disminuye debido a la frecuencia de conmutación del las fases del motor, pues a alta frecuencia no se alcanza a energizar totalmente las bobinas del motor y por ende se pierde torque efectivo.las velocidades más altas son alcanzables con un servomotor.
• Curva de torque constante del servomotor. Los servomotores presentan una curva de torque contra velocidad donde el torque de salida se conserva constante al aumentar la velocidad.
• Ruido acústico. El motor paso a paso tiene un ruido acústico característico mientras el servo no es silencioso.
• Lazo de control. El motor paso a paso es de lazo de control abierto. Algunos motores paso a paso tiene Encoder acoplados a sus ejes de salida, pero este no cierra el lazo de control si no que se usa para saber la posición del eje de salida. Es decir la señal de comando del motor no se va a afectar por la información del Encoder lo cual si pasa en el servo motor que corrige errores de posición dando precisión a la maquina que esté operando.
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• Resolución/precisión. Los sistemas de motor paso a paso alcanzan una resolución en el eje de salida de 51200 micro pasos por revolución. Es decir 360º/51200=0,007033125º; en los sistemas servo hasta 360º/131072=0,00274º. la precisión entonces del servo es casi cuatro veces mayor.
2.1.4 Encoder:
El Encoder es un dispositivo electromecánico, que convierte la posición angular de su eje en una señal digital eléctrica. Conectado a la electrónica adecuada y a través de los apropiados vínculos mecánicos, el Encoder permite medir desplazamientos angulares, movimientos lineales y circulares, y velocidades rotacionales y aceleraciones. Varias técnicas pueden ser utilizadas para la detección de un movimiento angular: capacitiva, inductiva, potencio métrica y fotoeléctrica.
La utilización y aplicación del Encoder es usualmente en los sistemas de
control de movimiento. El Encoder entrega una serie de pulsos en cuadraturas
a través de dos canales y dependiendo de la secuencia que estos tengan se
obtiene el incremento o decremento de la posición en que se encuentra el
servo. Hay un tercer canal, llamado índice, el cual indica el término de una
vuelta completa del Encoder.
2.1.5 PLC (Controlador lógico programable)
Un PLC es un controlador lógico programable, el controlador programable es una computadora de uso específico (industrial) el cual está constituido prácticamente por cuatro (4) bloques: CPU, Memoria, Comunicación con el proceso y comunicación con el usuario.
La CPU es la unidad de procesamiento central del PLC, también conocido como el cerebro donde se procesa toda la información del usuario.
Memoria es donde se almacena la información, se puede dividir en memoria del sistema y memoria para el usuario, donde la memoria del sistema es una memoria que no se puede modificar y viene prediseñada por el fabricante y la memoria del usuario es la que se carga con la programación del sistema que se quiere controlar es una memoria flexible que se deja modificar fácilmente.
Comunicación con el proceso: envista de que los sistemas que controla un PLC ya existen como lo son los sensores, acometida de la maquina etc.
29
Esta comunicación se lleva a cabo por medio de las entradas y las salidas del PLC, que pueden ser a través de tarjetas de comunicación por corriente de modulación de pulsos. Estas señales son información previamente codificada y está contenida en cualquier manifestación de energía como voltaje o corriente. Las señales se pueden clasificar según su tipo:
• Señales análogas son aquellas que no pueden ser medibles en el tiempo, que varían su amplitud y periodo.
• Señales discretas son aquellas que se miden en unidades y no en fracciones de ellas, para toda señal discreta existe un valor único definido dentro de un rango.
• Señal binaria es una división de las señales discretas que se definen con la combinación de (1,0) donde dependiendo del pulso que se aplique este va ser denotado por un 1 si hay corriente o un 0 si no hay ninguna señal.
Comunicación con el usuario: aunque hay sistemas de PLC que se tienen auto aprendizaje siempre va ser necesario el mando de una persona ya que el controlador solo realizara la operación que este le introduzca; esta comunicación debe ser sencilla para el operador y clara y esto dependerá de la marca, el tipo de PLC .
2.1.6 accionamiento neumático
Actuadores neumáticos
La tecnología neumática desde hace mucho tiempo ha servido para la automatización de procesos mecánicos. Para controlar maquinas y equipos es necesario efectuar una concatenación lógica y compleja de estados y conexiones. Ello se logra mediante la actuación conjunta de sensores, procesadores, elementos de accionamiento y actuadores incluidos en el sistema neumático.
La neumática es aplicada en las siguientes técnicas de fabricación:
• Perforación. • Tornear. • Fresar. • Cortar. • Acabar. • Deformar. • Controlar.
30
Características, ventajas y de la neumática:
• Cantidad: En cualquier lugar se puede obtener grandes cantidades de aire.
• Transporte: Es fácil transportar grandes cantidades de aire por tuberías. • Almacenamiento: Tiene la facilidad de acumular aire comprimido en
acumuladores. • Temperatura: El aire comprimido es indiferente a oscilaciones de
temperatura. • Seguridad: No tiene riesgo en comparación con fuego o gases. • Limpieza: El aire comprimido no lubricado no contamina el ambiente. • Composición: los componentes de trabajo son sencillos lo que los hace
de bajo costo. • Velocidad: el aire comprimido es un medio de trabajo rápido permite
tener velocidades altas en tiempos cortos.
Desventajas de la neumática:
• Acondicionamiento: el aire comprimido debe estar muy bien condicionado ya que puede ensuciarse con particular impuras o agua condensada.
• Compresión: el aire comprimido no permite tener velocidades homogéneas y constantes de los émbolos.
• fuerza: el aire comprimido solo es económico hasta ciertas presiones (6 a 7 bares).
• Aire de escape: el escape de aire puede generar mucho ruido. Sin embargo este problema puede ser resuelto utilizando materiales que atenúen el ruido y silenciadores. Estructura de sistemas neumáticos:
Los sistemas neumáticos están compuestos por una concatenación de diversos grupos de elementos.
Dispositivos actuadores. Fuente de energía.
Elemento de control final. Señales de control.
Elementos de procesamiento.
Procesador de señales.
Elementos de entrada. Señales de entrada.
Fuente de energía.
Alimentación.
31
Los elementos de un sistema son representados mediante símbolos que, por su diseño, explica la función que asume un elemento en un esquema de distribución.
Estos grupos conforman una vía para la trasmisión de las señales de mando desde el lado de la emisión de señales hasta la ejecución del trabajo.
Generación y alimentación de aire comprimido: Para garantizar la fiabilidad del mando neumático es necesario que este tenga ciertas características que son:
• Presión correcta. • Aire seco. • Aire limpio.
Esto garantiza un buen funcionamiento del sistema pero cuando estas condiciones no están puede ser más costoso y provocar daños en la maquinaria. La generación de aire a presión comienza por la compresión de aire. El tipo de compresor y su ubicación inciden en la mayor o menor medida de la cantidad de partículas, aceite y aguas incluidos en el sistema neumático. Para el acondicionamiento adecuado del aire son necesarios los siguientes elementos:
• Filtro de aspiración. • Compresor. • Refrigerador posterior. • Acumulación de aire a presión. • Secador. • Filtro de aire a presión con separador de agua. • Regulador de presión. • Lubricador (bajo demanda). • Puntos de evacuación del condensador.
El aire que no es bien acondicionado genera un desgastamiento acelerado de los elementos neumáticos. Esta circunstancia se manifiesta de las siguientes maneras:
• Aumento del desgaste de las juntas y piezas móviles de las válvulas y cilindros.
• Válvulas impregnadas de aceite. • Suciedad en los silenciadores. • Corrosión de tubos, válvulas, cilindros y otros componentes. • Lavado de lubricación de los componentes móviles.
32
En caso de mala estanqueidad puede afectar el producto que se esté manipulando.
Los elementos neumáticos están diseñados para trabajar con presiones de 800 a 1000KPa pero para que este sistema sea económico debe someterse a una presión de 600KPa; las pérdidas de presión en las tuberías se consideran entre 10 a 50KPa entonces el compresor deberá ser de 650 a 700KPa con el fin de mantener una presión de servicio de 600KPa.
Compresor
La elección del compresor dependerá de la presión de trabajo y la cantidad de aire necesaria para el funcionamiento óptimo del sistema. Los compresores se clasifican según su composición y la forma de energía que emitan.
Estos son:
• Volumétricos. • Dinámicos.
Acumulador
Para estabilizar el aire comprimido se utiliza un acumulador este permite que el compresor no siempre este en funcionamiento si no que dependiendo del nivel de presión del acumulador prenda o apague el compresor. La superficie relativamente grande del acumulador genera que se enfrié el aire como resultado se condensa agua por eso este debe ser purgado continuamente por medio de un grifo que en su mayoría (manual o automático).
Para la selección del acumulador se deben tener en cuenta:
• Caudal del compresor. • Cantidad de aire requerida en el sistema. • Red de tuberías. • Regulador del compresor. • Oscilación permisible de la presión en el sistema.
Actuadores
Un actuador transforma la energía del aire comprimido en trabajo. La señal de salida es controlada por el mando y el actuador reacciona a dicha señal por acción de los elementos de maniobra.
Los actuadores neumáticos pueden clasificarse en dos grupos según el tipo de maniobra.
33
• Movimiento rectilíneo: o Cilindros de simple efecto. o Cilindros de doble efecto. o Actuadores de carro.
• Movimiento giratorio: o Motor neumático. o Actuador giratorio. o Actuador oscilante.
Cilindro de simple efecto
Los cilindros de simple efecto reciben el aire solo por un lado. Por lo tanto solo realizan la fuerza en un sentido.
El retroceso del vástago se hace por medio de un muelle o una fuerza externa la fuerza del fuelle hace retroceder el vástago a gran velocidad impidiendo que el cilindro pueda soportar una carga. Por su diseño pueden realizar funciones como:
• Entregar. • bifurcar. • Juntar. • Accionar. • Fijar. • Expulsar.
Los cilindros de simple efecto están equipados con una junta simple en el embolo, en el lado sometido a presión. Los bordes de la junta se deslizan a lo largo de la camisa del cilindro cuando este ejecuta los movimientos.
Cilindros de doble efecto
Los cilindros de doble efecto tienen dos conexiones que son utilizadas para alimentar y evacuar el aire a presión, ofrece la ventaja de poder realizar trabajos en ambos sentidos, son cilindros sumamente versátiles. La fuerza ejercida sobre el vástago es algo mayor en el movimiento de avance que en la del retroceso por que la superficie en el lado del embolo es más grande que en la del lado del vástago.
Otras adaptaciones de cilindro de doble efecto son:
• Cilindro tándem. • Cilindro con vástago continuo. • Cilindro multiposicional. • Cilindro de impacto.
34
Válvulas
Tipos
Las válvulas son dispositivos que influyen en el paso, bloque y dirección del flujo del aire. El símbolo de las válvulas informa sobre la cantidad de conexiones, la posición de conmutación y sobre el tipo de accionamiento los símbolos; esto solo muestran la función de la válvula y no la composición de estas.
Diseño de válvulas:
• Válvulas de asiento (bola o plato). • Válvulas de corredera.
En el caso de las válvulas de asiento su diseño tienen pocas piezas que puedan dañarse y eso les da una vida útil larga; no son sensible a la suciedad y son muy resistentes. No obstante, requieren de una fuerza de accionamiento relativamente grande, ya que tienen que superar la fuerza de recuperación del muelle de recuperación y de la presión del aire.
En el caso de las Válvulas de correderas, las conexiones son unidas o cerradas mediante de correderas cilíndricas, planas o circulares.
Válvulas de 2/2 vías
Válvulas de 2/2 vías tienen dos conexiones y dos posiciones. En la posición cerrada estas Válvulas no evacuan el aire; estas Válvulas pueden ser accionadas manual o neumáticamente.
Válvulas de 3/2 vías
Estas válvulas permiten activar o desactivar señales. Tienen tres conexiones y tres posiciones, la tercera posición 3 (P) es la que permite la salida del aire del conducto trasmisor de la señal. Un muelle presiona una bola contra un asiento de la válvula y el paso de la conexión que recibe presión 1(P) hacia el conducto de trabajo 2(A) queda bloqueado. La conexión 2(A) es evacuada a lo largo del vástago que abre el paso hacia la conexión 3 (R).
El vástago se encarga de separar la bola de su asiento. Al efectuar esta operación, es necesario superar la fuerza que ejerce el muelle de reposición y además, la fuerza de presión.
Si la válvula está en estado activo, están unidas las conexiones 1 (P) y 2(A) y la válvula abre el paso. Estas válvulas son accionadas manual o mecánicamente. La fuerza necesaria para su accionamiento depende de la presión de
35
alimentación y de la fricción de la válvula misma. Estas circunstancias significan una limitación de los posibles tamaños de este tipo de válvulas.
36
3. METODOLOGÍA
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
El enfoque de la investigación del perforador esta parametrizado por el interés técnico que se pueda desarrollar en la industria; que genera la capacidad de analizar matemáticamente un sistema que va ser de mucha ayuda para el desarrollo del país a nivel técnico en la industria del plástico por eso el enfoque a emplear es Empírico – Analítico.
3.2 LINEA DE INVESTIGACIÓN DE USB/SUB-LINEA DE FACULTAD/CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA
La línea institucional aplica en el diseño del perforador como tecnologías actuales de sociedad, llegando a la instrumentación y control de procesos como sublínea de facultad y en campo de investigación automatización de procesos, ya que el perforador innovara en tecnología de punta las maquinas selladoras de plásticos.
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN
Para sustentar este trabajo se han recurrido a diferentes fuentes de información y cursos que permitieron ampliar conocimientos enfocados en el tema a tratar.
Diplomado de automatización industrial Festo. Pasantía empresarial servomotores YASKAWA; donde se
adquirieron conocimientos para la programación de servo motores, su funcionamiento, tipo de programación y sistemas que operan.
Amplia información de un fabricante de maquinas selladoras para bolsas plásticas.
Recolección de información en internet sobre tipos de sistemas existentes en el mundo y propiedades de aceros para escoger el mejor acero en el perforador.
Pruebas de ensayo y error La información se valida por medio de software como ansys, solid
Word, Matlab, Yterm entre otros.
37
3.4 HIPÓTESIS
Por medio del perforador se lograra obtener el 100% de producción de bolsas plásticas que requieran perforaciones a la misma velocidad de la maquina selladora controlados desde una pantalla que opere todas las características de la maquina.
3.5 VARIABLES
3.5.1 Variables independientes
• Que la maquina selladora no tenga servosistema • Que no se pueda implementar la programación debido a
programas especiales para manejar los servomotores.
3.5.2 Variable dependientes
• Adecuación sencilla a cualquier tipo de maquinaria selladora • Lenguaje claro para el operario • Perforación exacta • Mantenimiento sencillo
38
4. DESARROLLO INGENIERIL
4.1 DISEÑO MECANICO
Se diseña un dispositivo mecánico que consta de dos placas en acero estructural que son las que se encargan de soportar la fuerza que ejerce el actuador en un dispositivo de corte que es maquinado en torno en acero 4140 ya que por especificaciones mecánicas del material se adapta a las necesidades del mecanismo.
El actuador es un diseño que se acopla a la estructura por medio de una superficie roscada en la viga de soporte del actuador, este por ser un dispositivo mecánico se analiza la presión que va a soportar y se trabajar en un material 4140 y así se calcula el compresor a utilizar y el acumulador que este requiere, también se selecciona el tipo de válvula a utilizar.
Se trabajara en acero 4140 ya que tiene buenas propiedades resistencia y como es una base que no soportara demasiada carga da garantía de quedar sobre diseñada con este material, sus características están en la tabla. Ver ANEXO A.
4.1.1 Teoría de la resistencia de materiales Los metales, por lo general son utilizados en construcciones maquinaria ya que por sus propiedades son aptos para resistir grande cargas. La selección de materiales requiere considerar muchos factores por lo general deben evaluarse la rigidez, resistencia, ductivilidad, peso, facilidad para trabajarse, soldabilidad aspecto, costos y disponibilidad.
Para el estudio de la resistencia de materiales los más importantes son rigidez y ductivilidad.
Resistencia
Los datos de referencia que listan las propiedades mecánicas de los metales casi siempre incluirán la resistencia última de tensión y la resistencia a la cadencia del metal. La comprobación entre los esfuerzos reales en una pieza, con la resistencia ultima de tensión o la resistencia a la cedencia del material del que está hecha la pieza, es el método usual para evaluar lo apropiado que puede ser un material para soportar con seguridad las cargas aplicadas.
39
Propiedades de la resistencia de los metales
• El limite proporcional es el valor del esfuerzo en la curva de esfuerzo-deformación, al que la curva se desvía por primera vez, desde un alinea recta
• El límite elástico es el valor del esfuerzo en una curva de esfuerzo-deformación, en el que el material se deforma plásticamente; es decir, ya no volverá a su forma y tamaño original luego de eliminar la carga.
• El punto de cadencia es el valor del esfuerzo en la curva de esfuerzo-deformación, en el que existe un incremento significativo de la deformación con poco o ningún incremento en el esfuerzo
• La resistencia ultima es el máximo valor del esfuerzo en la curva de esfuerzo deformación.
Rigidez
Es necesario determinar cuánto se deforma una pieza, bajo una carga para asegurarse que la deformación excesiva no destruya su utilidad. Esto puede ocurrir a esfuerzos muy inferiores a la resistencia a la cadencia del material, en especial en miembros muy largos o dispositivos de alta precisión. La rigidez del material es una función de su modulo de elasticidad al que a veces se conoce como modulo de Young.
El modulo de elasticidad, E, es una medida de la rigidez de un material determinado por la pendiente de la porción recta de la curva de esfuerzo- deformación. Es la razón de cambio de esfuerzo a cambio en la deformación correspondiente.
εσ
==ndeformacio
esfuerzoE 1
Por consiguiente, un material con una pendiente más pronunciada en su curva de esfuerzo-deformación será más rígido y se deformara menos bajo una carga que un material que tiene una pendiente menos pronunciada.
Cuando el nivel de esfuerzo en un material sometido a carga es menor que el limite proporcional y existe una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación, se dice que se cumple la ley de Hooke, en donde la deformación se mide en un cierto punto.
1 ROBERT L. MOTT. Resistencia de materiales aplicada, tercera edición, PRENTICE‐HALL HISPANOAMERICA S.A pág. 51
40
Ductilidad
Cuando los materiales se rompen, su fractura puede clasificarse como dúctil o frágil. Un material dúctil se estira y cede antes de fracturarse, por lo que se origina una notoria disminución en el área de la sección trasversal, en la sección fracturada. Por otra parte un material, frágil se fracturara de repente con poco o ningún cabio en el área de la sección fracturada. Los materiales dúctiles se prefieren para piezas que soportan cargas repetidas o que se someten a carga de impacto debido a que, por lo general son más resistentes a la fractura por fatiga, y porque absorben mejor la energía del impacto.
La ductivilidad en los metales se mide generalmente durante la prueba de tensión observando cuanto se ha alargado permanentemente el material luego de fracturarse.
Para describir la ductivilidad en materiales se utilizan las siguientes definiciones:2
• El porcentaje de alargamiento es la razón entre el alargamiento plástico de una probeta sometida a tensión, luego de su fractura definitiva dentro de las marcas de calibración, y la longitud original entre las marcas de calibración. Es una medida de la ductivilidad.
• Material dúctil es aquel que puede estirarse, formarse o encogerse a un grado significativo antes de fracturarse. Un metal que presenta un porcentaje de alargamiento mayor del 5.0% se considera dúctil.
• Material quebradizo es aquel que se fractura de súbito al someterse a carga, con poca o ninguna deformación plástica. Un metal que presenta un porcentaje de alargamiento menor del 5.0% se considera frágil.
4.1.2 Análisis estructural viga soporte matriz de perforación
Analizaremos la estructura como una viga indeterminada porque está sujeta por medio de unos tornillos en sus extremos, por lo tanto se calculan los momentos flexionantes en los extremos empotrados, las reacciones verticales, y se mostraran los diagramas de fuerza cortante y de momento flector de la porta matriz de perforación.
120 120120 120
45 45
Medidas en mm1 2
1250
45557.5
2 ROBERT L. MOTT. Resistencia de materiales aplicada, tercera edición, PRENTICE‐HALL HISPANOAMERICA S.A pág. 53
41
Incógnitas en la viga.
Diagramas de momentos para las vigas equivalentes simplemente apoyadas.
Para ambos extremos la desviación vertical respecto a la tangente por cualquiera de ellos es cero.
01 =δEI
Obtención por fórmula de los momentos3.
=+++== 222221)25.1(
)5575.0()6925.0(120)25.1(
)6025.0()6475.0(120)25.1(
)6475.0()6025.0(120)25.1(
)6925.0()5575.0(120m
mmNm
mmNm
mmNm
mmNL
baPM
NmMM 514.7421 ==
22222
Reacciones. Conocidos los momentos de empotramiento se pueden calcular por equilibrio estático.
09.663.727.771.83514.74514.7425.1 12 =−−−−+−=∑ NmNmNmNmNmNmVmM
09.663.727.771.83514.74514.7425.1 22 =−−−−+−=∑ NmNmNmNmNmNmVmM
3 Robert L. Mott, Resistencia de Materiales Aplicada, 3era Ed, Prentice Hall, Apendice A‐24 Diagramas de vigas y formulas para determinar la flexión de vigas estáticamente indeterminadas, pág. 619.
120 120120 120
M1 M2
V1 V2
120 120 120 120
45 45
M2
72.3
66.9
557.5 45 557.5
77.7
83.1
300 M1
M1 M2
1250 1250
42
NVV 24021 ==
120 120
74.51
240
240
120
240
75.514
64.686
Diagrama de Cortante
Diagrama de momentos
59.286
120
120 120
59.286
74.514
240
74.514
4.1.2.1 Análisis por fatiga del soporte matriz de perforación
Esfuerzo máximo
Donde el momento de inercia de la sección transversal critica de la porta matriz de perforación es la sección rectangular menos la sección del agujero.
Por lo tanto como es el movimiento de los actuadores impactan el porta matriz su esfuerzo cíclico es repetido, porque mientras que no haya accionamiento de los actuadores no se generara ningún otro esfuerzo, haciendo de este no fluctuante, por esta razón el esfuerzo mínimo es cero.
43
FIGURA3. Esfuerzo cíclico repetido
Por lo tanto:
Resistencia a la fatiga
Existen dos regiones de resistencia de los materiales que son de bajo ciclaje y alto ciclaje que se extiende entre 1N a casi 103 ciclos y de 103 en adelante respectivamente, como nuestro proceso va mas allá de los 103 ciclos es un sistema de alto ciclaje por lo tanto su límite a la fatiga en flexión es:
FIGURA4. Diagrama S-N para aceros
Por lo tanto el límite de resistencia a la fatiga modificado es:
44
Donde
Factor de modificación de acabado superficial.
Factor de modificación del tamaño.
Factor de modificación de confiabilidad.
Factor de modificación de la temperatura.
Factor de modificación de factores diversos.
Límite de resistencia a la fatiga.
Factor de superficie
Donde son los parámetros de la condición superficial del acabado de la porta matriz de perforación son los valores de maquinado o laminado en frio.
TABLA1. Parámetros factor superficial de Marín.
Por lo tanto es:
Factor de tamaño
45
Donde el diámetro equivalente para el factor de tamaño es:
TABLA2. Diámetro equivalente para el factor de tamaño.
Por lo tanto es:
Factor de confiabilidad
TABLA3. Factor de confiabilidad.
Probabilidad de supervivencia,
%
Factor de confiabilidad,
50 90 95 99
99.9 99.99
1.00 0.90 0.87 0.82 0.75 0.70
Por lo tanto por lo que la confiabilidad de la estructura por su estructura geométrica el margen es mínimo por eso se escoge un 50%.
Factor de temperatura
46
Por lo tanto el efecto de la temperatura de operación en la resistencia a la tención de acero está dado por:
TABLA4. Factor de temperatura
Por consiguiente la temperatura de operación del dispositivo es a temperatura ambiente 20°C.
Por lo tanto el límite de resistencia a la fatiga de la porta matriz de perforación es:
Concentración de esfuerzo y sensibilidad a la muesca
Donde
Factor de concentración de esfuerzos a fatiga.
Factor de concentración de esfuerzos para carga estática.
Sensibilidad a la muesca.
Para este factor se mira la figura5.
47
FIGURA5.4 Concentración de esfuerzos para placas a tensión con orificios
Donde
4
48
Por lo tanto
Tenemos que:
Donde
Por lo tanto es:
4.1.2.2 Teoría de falla del soporte matriz de perforación
FIGURA6. Diagrama de fatiga para criterios de falla.
49
Teoría de falla Línea de Goodman
Donde
Por lo tanto (Factor de seguridad) es:
Por lo tanto siendo el factor de seguridad mayor que la unidad se demuestra que el elemento esta sobre diseñado.
4.1.2.3 Análisis de elementos finitos del soporte matriz de perforación
FIGURA7. Análisis de la matriz de perforación factor de seguridad
50
FIGURA8. Análisis de la matriz de perforación esfuerzos equivalentes
FIGURA9. Análisis de la matriz de perforación graficas de fatiga.
FUENTE: ANSYS
51
En este análisis se ve que la viga sufre una mínima deformación en los soportes de acoplamiento, ya que la fuerza aplicada al sistema no hace que se deforme significativamente, concordando con los datos obtenidos.
4.1.3 Análisis estructural viga soporte perforadores
Análisis mecánico de la viga donde se soporta la fuerza de los perforadores. Se asegura que estas piezas que soportan los esfuerzos tengan un diseño a tensión que permite un análisis del funcionamiento en forma segura. La tensión es la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie de sección trasversal de un cuerpo sometido a la acción de fuerzas externas. Las tensiones normales obran perpendicularmente a la superficie A del cuerpo, y las trasversales (T) según la dirección de la sección correspondiente5. Se analizara la estructura estáticamente como una viga indeterminada, porque esta, está sujeta por medio de unos tornillos en sus extremos, por lo tanto se calculan los momentos flexionantes en los extremos empotrados, las reacciones verticales, y se mostraran los diagramas de fuerza cortante y de momento flextor de la porta matriz de perforación. 2020
45 45 Incógnitas en la viga.
5 N. LARBURU. Maquinas Prontuario, Decimo tercera edición. PARANINFO INTERNATIONAL THOMSON PUBLISING PARANINFO,
1440
20 20
652.5 45
Medidas en mm 21
20 2020 20
M1 M2
V1 V2
52
Diagramas de momentos para las vigas equivalentes simplemente apoyadas. 20 20 20 20 Para ambos extremos la desviación vertical respecto a la tangente por cualquiera de ellos es cero.
01 =δEI Obtención por fórmula de los momentos6.
=+++== 2
2
2
2
2
2
2
2
2
21
)44.1(
)6525.0()7875.0(20
)44.1(
)6975.0()7425.0(20
)44.1(
)7425.0()6975.0(20
)44.1(
)7875.0()6525.0(20
m
mmN
m
mmN
m
mmN
m
mmN
L
baPM
NmMM 3297.1421 ==
Reacciones. Conocidos los momentos de empotramiento se pueden calcular por equilibrio estático.
075.1595.1385.1475.1533.1433.1444.1 12 =−−−−+−=∑ NmNmNmNmNmNmVmM
075.1595.1385.1475.1533.1433.1444.1 22 =−−−−+−=∑ NmNmNmNmNmNmVmM
NVV 4021 == 6 Robert L. Mott, Resistencia de Materiales Aplicada, 3era Ed, Prentice Hall, Apendice A‐24 Diagramas de vigas y formulas para determinar la flexión de vigas estáticamente indeterminadas, pág. 619.
45 45
13.95
13.05
652. 652.5 5 45
15.75
14.85
57.6
M1 M2
M2M1
1440 1440
53
2020
4.1.3.1 Análisis por fatiga del soporte perforadores Esfuerzo máximo
Donde el momento de inercia de la sección transversal critica de la porta matriz de perforación es la sección rectangular menos la sección del agujero.
Por lo tanto como el movimiento de los actuadores actúan y vuelven al reposo con la misma fuerza y velocidad con la que se accionan el esfuerzo cíclico en el porta actuadores es fluctuante, porque mientras que no haya accionamiento de los actuadores no se generara ningún otro esfuerzo, por esta razón el esfuerzo medio es cero.
20 20
14.329 14.32
40 40
20
11.77
40
20
40
14.329 14.329
Diagrama de Cortante
Diagrama de momentos
20.77
11.77
54
Figura.10 Esfuerzo cíclico fluctuante.
Por lo tanto:
Resistencia a la fatiga Existen dos regiones de resistencia de los materiales que son de bajo ciclaje y alto ciclaje que se extiende entre 1N a casi 103 ciclos y de 103 en adelante respectivamente, como nuestro proceso va mas allá de los 103 ciclos es un sistema de alto ciclaje por lo tanto su límite a la fatiga en flexión es:
Por lo tanto el límite de resistencia a la fatiga modificado es:
Donde
Factor de modificación de acabado superficial. Factor de modificación del tamaño. Factor de modificación de confiabilidad. Factor de modificación de la temperatura. Factor de modificación de factores diversos. Límite de resistencia a la fatiga.
Factor de superficie
Donde son los parámetros de la condición superficial del acabado de la porta matriz de perforación son los valores de maquinado o laminado en frio. (Ver TABLA1) Por lo tanto es:
55
Factor de tamaño
Donde el diámetro equivalente para el factor de tamaño es: (Ver TABLA2)
Por lo tanto es:
Factor de confiabilidad . (Ver TABLA3) Por lo tanto por lo que la confiabilidad de la estructura por su estructura geométrica el margen es mínimo por eso se escoge un 50%.
Factor de temperatura Por lo tanto el efecto de la temperatura de operación en la resistencia a la tención de acero está dado por: (Ver TABLA4) Por consiguiente la temperatura de operación del dispositivo es a temperatura ambiente 20°C.
Por lo tanto el límite de resistencia a la fatiga del soporte perforadores es:
Concentración de esfuerzo y sensibilidad a la muesca
Donde
Factor de concentración de esfuerzos a fatiga. Factor de concentración de esfuerzos para carga estática. Sensibilidad a la muesca.
56
Para este factor se mira la figura5. Donde
Por lo tanto
Tenemos que:
Donde
Por lo tanto es:
4.1.3.2 Teoría de falla soporte perforadores Teoría de falla Línea de Goodman
57
Donde
Por lo tanto (Factor de seguridad) es:
Por lo tanto el factor de seguridad hallado por la línea de Goodman está dentro de los parámetros para cargas de impacto para resistencia de falla.
4.1.3.3 Análisis de elementos finitos del soporte perforadores
FIGURA11. Análisis del soporte de perforadores esfuerzo máximo principal
58
FIGURA12. Análisis del soporte de perforadores deformación total.
FIGURA13. Análisis del soporte de perforadores esfuerzo von- mises
59
FIGURA14. Análisis del soporte de perforadores factor de seguridad.
FIGURA15. Análisis del soporte de perforadores esfuerzo graficas de fatiga.
El análisis de elementos finitos del soporte de los perforadores, muestra que el dispositivo sufre una deformación en el momento del accionamiento de los
60
perforadores, pero no es de gran magnitud, siendo mínima, lo cual concuerda áticamente.
rzo de penetración para perforar el plástico de baja densidad, para comprobar si la fuerza ejercida por el perforador es necesaria para la penetrar el plástico.
con los factores hallados matem
4.1.4 Análisis neumático
4.1.4.1 Análisis esfuerzo de penetración para el sistema de perforación
Se busca encontrar el esfue
Donde t
Por lo tanto el esfuerzo de penetración del perforador es:
4.1.4.2 Elección de la válvula
Se utilizara una v dos posiciones que esta suministra. Especificación de la válvula. Ver anexo B.
FIGURA 17. Simulación del sistema neumático
álvula de 3/2 vías ya que se necesita las
Fuente: programa fluidSIM.
61
4.1.5 Diseño del actuador
4.1.5.1 Calculo del cilindro
mdelembolocSuperficieAcmativaKgpresionrelP
agoicadelvastFuerzateorFt
=
=
=
APteoricoF ×=
2/
table realizar el
cuentra la fuerza de rozamiento de un 3 a un 20 % de la
FIGURA 18.Diagrama de presión-fuerza
.
La presión de diseño está dada por estándares que van desde 400 a 800 Kpa / 4 a 8 Bar. Ya que si se pasa de estas presiones no sería rendiseño neumático por los costos tan elevados que esto tendría.
Se debe tener enfuerza calculada.
Fuente: festo didactic
Por lo tanto las fuerzas de los actuadores serán de:
62
F=120 N
Los punzones son piezas que se utilizan para perforar ciertos materiales en este caso se desea perforar bolsas plásticas de un espesor de 2 milésimas por lo que se diseña un sistema con una punta acerada que pegue con una pieza que sea la que recibe el golpe final y la fuerza. El accionamiento y el golpe de estos dos elementos será el que genere el corte.
Cuando el diámetro del agujero perforado sea igual que el grosor del material la fuerza sobres el punzón es 4 veces la resistencia de corte; Los diámetros que se requieren en las piezas a producir casi siempre son mayores que el grosor del material y se recomienda un valor de 1.1 para la relación entre diámetro y espesor.
td
d=diámetro del agujero perforado, pul, mm t=espesor del material, pulgadas, mm La longitud máxima permisible de los punzones se calcula de la siguiente formulas
21
8⎟⎠⎞
⎜⎝⎛×
=td
SEdL π
Donde: d/t = 1.1 E=modulo de elasticidad S=resistencia de corte Si se desconoce la resistencia al corte, se puede hallar mediante el uso de la resistencia a la tensión con la siguiente fórmula: F=0.7TS Donde TS es la resistencia ultima a la tensión, lb/pulg2 (MPa). Para el polipropileno se encuentran las siguientes características mecánicas.
MPaTSFGPaE
mmd
69*7,0*7,05,50254.0
====
mmLm
Nm
NmmL
td
SEdL
49
1.1103,48
105,5
80254,0
821
26
29
21
=
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
×
××=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛×
=
π
π
63
Calculo del muelle:
Se diseña un resorte helicoidal de compresión de acero inoxidable y aleaciones no ferrosas7 se necesita soportar una carga de120 N debido a la longitud de la armadura el resorte se comprime 10 mm y la longitud libre es de 35 mm.
Diámetro del resorte=15mm Diámetro interno= 14mm
Longitud libre=35mm
Numero de espiras= 8 1/2
233
int
int
/11828,1
68,14/120160268,016
0268,087,22
615.01615.01
argint)(tan
87,2228,1
64.1422
64,142
28,172,1315
mNmm
mmmNd
RPks
cks
troquelelporejercidaaclaadebesequealturalademitadlaaespiraladeeriorelentotaltecoresfuerzoel
mmmm
dRc
mmdDR
alambredeldiametroelyheliceladediametroelentrerazonlacomoresortedelindicec
mmmmDDd
erno
erno
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛×
××=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
×××
=
=+=+=
=×
==
=+=
==−=−=
ππτ
τ
Constante de diseño para resorte por compresión:
τπδ
×××××
=PQGB
8
Donde:
S=deflexión del resorte 60mm
G= modulo de elasticidad 2211 Mpa tabla 10-58
Q= numero de espiras inactivas ambos extremos
7 Joseph E. Shigley, Diseño en ingeniería mecánica, McGraw‐Hill, pág. 619 8 Joseph E. Shigley, Diseño en ingeniería mecánica, McGraw‐Hill, pág. 608
64
lg255.05.649986
4.323030006.1882
18.14.3
615.01615.01
4.3
139986.4923030082
79300608
2/12/1
pummcPksd
cks
ctablapor
PQGB
==⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
××××
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
××××
=
=+=+=
=
=××××
×=
×××××
=
πτπ
πτπδ
La longitud se toma según la necesidad de la maquina los diámetros estarán calibrados entre (1/4”-1/2”).
El esfuerzo de cedencia en el resorte estará dada por:
mmmmmmmmLsLobrelongitudli
mmdQNLkF
y
NDdGK
GpaGvueltasN
NDK
SdF
CCK
C
esorteindicedelr
MpasSS
MpasdAS
as
ss
a
a
B
SYS
B
utsy
mut
4016,1816,126:
16,1228,1)35,6()(
39,110*14110*197
6425,141491125,6*68,6*8
28,1*10*7,818
*7,81
5,625,8
10*19768,6*04,1*8
28,1*)10(2575,2133***8
**
2799,13)218,5(42)218,5(4
3424
218,528,168,6
2433,1149)(45,0
2575,213328,12211
6
6
3
49
3
4
6362
145,0
==+=+=
=+=+=
===
===
==−=
===
=−+
=−+
=
==
==
===
δ
ππ
Los datos obtenidos muestran que es imposible el pandeo así que el resorte es apto.
65
Longitud de la carrera no debe exceder de 2000 mm por el gran tamaño y la elevada carrera resulta elevado el consumo de aire. Para el diseño se tomara una carrera de 250 mm que es suficiente para la perforación de la bolsa y se acopla al modelo de la maquina.
4.1.5.2 Análisis de elementos finitos
Análisis del vástago elemento que realizara el golpe es una estructura con un punta al final con una esfera que pega con la matriz de corte. Analizaremos su comportamiento mecánico por deformación, Von mises. Esta tiene dos secciones que permiten el agarre del resorte muelle.
Análisis de elementos finitos del vástago del perforador
FIGURA19. Análisis vástago esfuerzo máximo principal
66
FIGURA20. Análisis vástago esfuerzo mínimo principal
FIGURA21. Análisis vástago total deformación
67
FIGURA22. Análisis vástago esfuerzo equivalente (Von-Mises)
FIGURA23. Análisis vástago esfuerzo equivalente de elasticidad (Von-Mises)
68
De las figuras anteriores se puede observa que al aplicarle la carga de presión al perforador su deformación es mínima, pero el punto más crítico es el balín ya que es el que sufre el impacto, por eso es necesaria aplicar otra aleación de acero más resistente para reducir al mínimo esa deformación.
Análisis de elementos finitos matriz de perforación
FIGURA24. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo máximo principal
FIGURA25. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo mínimo principal
69
FIGURA26. Análisis de la matriz de perforación total deformación
FIGURA27. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo alternante equivalente
70
FIGURA28. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo equivalente (Von-Mises)
FIGURA29. Análisis de la matriz de perforación esfuerzo de elasticidad equivalente (Von-Mises)
71
Observamos con los análisis de elementos finitos que la pieza tiene un desgaste en el borde por impacto del sistema de perforación, lo cual demuestra que el esfuerzo por desgaste es alto, no critico, pero es necesario utilizar una aleación de acero de mayor resistencia pare reducir el desgaste por impacto.
4.1.6 Velocidad del embolo
Velocidad del embolo depende de la presión del aire, la longitud de la tubería, de la selección entre los elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento de mando.
La velocidad media del embolo en actuadores normales estándar, está comprendida entre 0,1 y 0,5 m/s. con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanza velocidades de hasta 10 m/s
4.1.7 Consumo del aire
Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de embolo determinados, el consumo de aire se calcula como sigue:
)**(*2 qnsQ =
FIGURA 30. Diagrama de caudal
Fuente: Festo Didatic.
72
horamQ
cmlcmutociclosporQcmlq
A
A
A
/3000
/5,0*15*min200*2)/(5,0
31
1
1
=
==
El consumo total de la planta es la suma de los consumos de todas las maquinas así que:
min/12003000*4 litvecesQtotal ==
Con el paso de tiempo las maquinas sufren desgaste y esto conlleva al aumento del consumo de potencia neumática por lo cual suponemos un incremento del 45% del consumo para el diseño y una pérdida de presión de 1 Bar.
Por lo tanto el caudal total es:
min/4,17
min/174005400120003mQ
litQ
total
total
=
=+=
4.1.7.1 Acumulador
La capacidad del acumulador se calcula teniendo en cuenta:
Caudal: 17,4 m3/min
Frecuencia de conmutación por hora: z=20
Diferencia de presión: 1 bar
Capacidad del acumulador: 15 m3
4.1.8 Calculo de la soldadura
Dimensionar la sección del cordón de la soldadura de perfil en U de la estura, la estructura está sometida a carga estática. Las piezas son de acero de construcción de bajo carbono y el electrodo de soldadura es de tipo normal EE 60XX. La sección del cordón es triangular de catetos iguales y no se considera para el cálculo la eventual penetración que pueda producirse. No se analiza el dimensionamiento de las piezas.
Determinación de la resistencia límite admisible de la soldadura
Para electrodos de tipo EE 60XX el Código AISC (Anexo C Tabla 1) establece que la tensión de rotura es:
Su = 427 MPa = 427000000 N/m2
73
El mismo Código (Anexo C Tabla 2) define para el estado de carga correspondiente al caso (esfuerzo cortante) la siguiente tensión tangencial límite de proyecto
Sse = 0,3 Su Sse = 128100000 N/m2
Determinación del estado tensional:
En el perfil en U el punto más comprometido es el medio de la estructura. En él se suman la solicitación “normalizada” de corte, la tensión de corte producidas por el par torsor y la tensión de corte producida por el par flexor generado por la excentricidad de la carga. El corte y la torsión generan iguales tensiones en todos los puntos del cordón en U, de acuerdo a la hipótesis establecida para soldadura.
a) Características geométricas del perfil supuesto de garganta unitaria (AnexoC Tabla 3).
Área de la sección
Au = 2A+B = 2x20X10-3+70X10-3 = 0.11m
Momento de Inercia Polar unitario
Modulo Resistente a Flexión unitario
b) Cargas que actúan sobre el perfil
Corte, Q = 2400 N
Momento Torsor, Mt = Q (N) * 0,9 (m) = 2400 * 0,9 = 2160 Nm
Momento Flexor, Mf = Q (N) * 0,4 (m) = 2400 * 0,4 = 960 Nm
74
c) Tensiones actuantes
Por:
Corte
´Q = Q / (Au * t) = 2400 (N) / (0,11 (m) * t (m)) = 21818.2 (N/m) * 1/t (1/m)
Torsión
´´Mt = [Mt * (b/2)] / (Jpu * t) = [2160 (Nm) * 0,035 (m)] / (8.146 E-5 (m3)* t (m))
´´Mt = 928063 (N/m) * 1/t (1/m)
Flexión
´´´Mf = Mf / (Zu * t) = 960 (Nm) / (1.067 E-3 (m2)* t (m)) = 899719 (Nm) * 1 / t
Estado tensional compuesto total
et = (1/t) * [ (τ´Q)2 + (τ´´Mt )2 + (τ´´´Mf )2]1/2
et = (1/t) (1/m) * [ (21818.2)2 + (928063)2 + (899719)2]1/2 (Nm)
et = 1/t (1/m) * 1292776.34 (N/m)
Dimensionamiento de la sección
Debe cumplirse la siguiente relación
Sse = et → 128100000 (N/m2) = 1 / t (1/m) * 1292776.34 (N/m)
t (m) = [1292776.34 (N/m) / 128100000 (N/m2)] = 10.01 E-3 m = 10.01mm
Siendo el cateto h = t / 0,707 = 10.01 (mm) / 0,707 = 14.274 mm
Por lo tanto se adopta sección triangular equilátera con cateto normalizado h = ½ “.
4.1.9 Selección de tornillos de fijación
Ver Anexo D.
Tornillos 3/8”-16-2UNS
Tornillos 3/8”-20-2.5UNS
Tornillos ¼”-20-UNC
75
4.2 DISEÑO DEL CONTROL
El diseño del control para este sistema se basa en los sistemas de control en tiempo discreto, estos sistemas son aquellos en que las señales en uno o más puntos del sistema son, ya sea en la forma de pulsos o un código digital. Normalmente, los sistemas en tiempo discreto se subdividen en sistemas de control de datos muestreados y de control digital. Cuando se hace referencia a los sistemas de control de datos muestreados se refiere a una clase más general de los sistemas en tiempo discreto en que las señales están en forma de pulsos de datos. Un sistema de control digital se refiere al uso de una computadora o controlador digital en el sistema, de tal forma que las señales están en código digital, tal como un código binario. En general, un sistema de datos muestreados recibe datos o información solo en forma intermitente en instantes específicos. Por ejemplo, la señal de error en un sistema de control se puede proporcionar en la forma de pulsos, en cuyo caso el sistema de control no recibe información acerca del error durante los periodos entre dos pulsos consecutivos. Estrictamente, un sistema de datos muestreados también se puede clasificar como un sistema de ca, ya que la señal del sistema esta modulada por pulsos. Por lo tanto el sistema se va a controlar por medio de la posición, ya que la finalidad de este es la perforación de bolsas plásticas; se desea que el sistema perfore en un instante de tiempo una bolsa en punto determinado de esta, por lo que el servomotor debe saber en qué momento para y a su vez por medio del controlador mandar un pulso para el accionamiento de los perforadores. Por esta razón el sistema solo debe controlar el avance del servomotor, porque este al frenar le gana la inercia haciendo que se demore un instante de tiempo su punto de parada, esto lo compensa con una etapa de retroceso haciendo el proceso inexacto. Esto llevo a implementar un sistema de control de posición de un servomotor, por medio de un servocontrolador implementando un control digital. Para esto se modela el sistema del servo motor con sus correspondientes funciones de transferencia, para apoyarse en el control digital y así hallar las constantes para el controlador PID. En la figura se puede ver como se establece todo el sistema en diagramas de bloques para su respectivo análisis.
76
FIGURA31. Diagrama de bloques del servosistema de control In Out
CONTROLADOR ELEMENTO DE CONTROL FINAL
PLANTA
ELEMENTO DE RETROALIMENTACIÓN
Para el control se debe tener en cuenta el punto de comparación, para el cual como la entrada y la realimentación deben ser la misma variable, para este caso la realimentación del sistema está dada por un encoder incremental con una resolución de 17 bits y la entrada del sistema por un PWM de 8 bits interno en el servomotor.
4.2.1 Servomotor
El servomotor es un elemento perfecto para aplicaciones de alto rendimiento y precisión. Sus imanes están fabricados con materiales con alto porcentaje magnético, así producir una fuerzas muy grandes, lo que da como resultado grandes torques; al tener esta configuración logró contar con un motor de baja inercia capaz de alterar su posición rápidamente, con lo que podemos lograr movimientos precisos, así como aceleraciones y desaceleraciones muy altas. Así mismo al tener el bobinado en la carcasa se obtiene otra ventaja, que es la transferencia de calor mucho más rápida, logrando una eficiencia superior. Estas y otras ventajas lo hace un elemento vital en los sistemas de control de movimiento de alto rendimiento. Los servomotores en su composición interna cuentan con un motor de inducción con un Encoder acoplado en el rotor, y este a su vez conectado al PWM de este mismo. Por esta razón se debe diseñar el sistema de control con las funciones de transferencia de cada dispositivo, la figura muestra la disposición de cada dispositivo según su importancia para el sistema de control. FIGURA32. Diagrama de bloques del sistema In PWM Out θ
PID ELECTROVÁLVULA MOTOR DE INDUCCIÓN
ENCODER
77
Motor de inducción circuito equivalente del motor de inducción FIGURA33. Circuito equivalente por fase con las pérdidas en el rotor y en el cobre separadas de un motor de inducción9.
Para poder modelar el circuito equivalente es necesario buscar una forma simplificada de este, entonces se halla el circuito equivalente de thevenin. FIGURA34. Equivalente por fase de un motor de inducción10
Por lo tanto la magnitud del voltaje de thevenin es:
Siendo el valor aproximado del voltaje de Thevenin: FIGURA35. Circuito equivalente resultante simplificado en un motor de inducción11
9 Stephen J. Chapman. Máquinas Eléctricas, McGraw‐Hill, 3era ed., pág. 407, Fig. 7‐14. 10 Stephen J. Chapman. Máquinas Eléctricas, McGraw‐Hill, 3era ed., pág. 415, Fig. 7‐17. 11 Stephen J. Chapman. Máquinas Eléctricas, McGraw‐Hill, 3era ed., pág. 416, Fig. 7‐18
78
La resistencia equivalente de Thevenin es:
El par inducido al rotor
Donde las características par-velocidad del motor de inducción son: FIGURA36. Grafica par – velocidad de los motores de inducción12
Deslizamiento de par mecánico esta dado por:
12 Stephen J. Chapman. Máquinas Eléctricas, McGraw‐Hill, 3era ed., pág. 420, Fig. 7‐21.
79
Y el par máximo motor de inducción es:
Por lo tanto para el modela miento del motor de inducción se tiene:
( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡++⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=2
2
22
sin
22 **3
XXSRR
RV
THTHc
THind
ω
τ
( )( )( )
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡++⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +
++=
22
22
sin
22
21
220 *
*3
XXSRR
XXRXV
THTHc
TH
M
ind
ω
τ
( ) ([ ])21
21
22
22
sin
222
0
**
**3
MTHTHc
Mind
XXRXXSRRS
RXV
++⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡++⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=
ω
τ
Linealización de la función
( ) ([ ])21
21
22
22
sin
222
0
**
**3
MTHTHc
Mind
XXRXXSRRS
RXV
++⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡++⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=
ω
τ
Donde
( ) ([ ])21
21
22
22
sin
22
**
*3
MTHTHc
M
XXRXXSRRS
RXA
++⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡++⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=
ω
Por lo tanto 2*VoAind =τ
Tenemos
80
FIGURA37. Sistema mecánico rotacional del motor
Análisis mecánico rotacional del motor
Lind dtdB
dtdJ τθθτ ++= 2
2
)()()(2
sLSSind BSJS τθθτ ++= Igualando las dos ecuaciones se tiene:
La función de transferencia genera del motor es:
Donde los valores nominales del motor son (Ver anexo E):
05.0%5= ntodeslizamieSd = =
81
La función de transferencia del motor de inducción del servomotor es:
4.2.2 Encoder (Codificador incremental)
Estos dispositivos se encuentran con frecuencia en sistemas de control modernos para convertir desplazamientos lineales o angulares en un código digital o señal de pulsos, estos proveen un pulso por cada incremento de resolución pero no hacen distinción alguna de estos incrementos. Estos tienen cuatro partes básicas: una fuente de luz, un disco giratorio, una máscara estacionaria y un detector, teniendo sectores opacos y transparentes distribuidos en forma alterna, siendo un par de estos sectores un periodo incremental. Las señales de salida de un Encoder pueden ser un tren de impulsos, en forma de señal cuadrada, donde el número de impulsos que se generaran en una vuelta coincidirá con el número de impulsos del disco en el interior del Encoder, nos referimos a encoders de un solo canal. (Señal A) Una segunda señal se suministra (señal B), es un tren de impulsos idéntico al que suministra la señal A pero desfasado 90º respecto de esta , nos referimos a Encoder de dos canales. (Señal A+B) FIGURA38.Tren de pulsos
También cabe la posibilidad de una señal de referencia o cero que proporciona un pulso a cada vuelta, esta señal puede sincronizarse respecto de la señal A (A+0), respecto la señal B (A+B+0) o respecto a ambas. FIGURA39.Señal de un Encoder (codificador incremental)
La tolerancia de las señales suministradas, en 360º electrónicos (1 periodo) es del +/- 10%.
82
Como el Encoder del servo tiene una resolución de 17 bits y esta acoplado al rotor y este a su vez a un rodillo de 75 mm ø.
TABLA 5. Registro de Encoder incremental de 17 bits.
Distancia lineal (cm) Distancia angular (°) Numero pulsos 0 0 0 10 152.79 55629 20 305.58 111258 30 458.37 166887 40 611.16 222517 50 763.95 278146 60 916.73 333775
Donde:
Por lo tanto la función de transferencia está dada por la ganancia de la pendiente de la curva del Encoder. Para poder comparar la salida del Encoder con respecto a la del PWM es necesario pasar esta por un conversor de frecuencia a tensión. Converso de frecuencia a tensión: Este circuito está basado en el circuito integrado LM2907N. A partir de uno de los canales del Encoder se obtiene la velocidad absoluta a la que gira el motor. Con un circuito adicional al que se introducen los canales A y B del Encoder se detecta el sentido de giro del motor éste es empleado para invertir o no la señal de realimentación. Ver Anexo F. Datasheet LM2907N Donde se toma la constante de ganancia K para la función de transferencia.
83
4.2.3 PWM (Modulación de ancho de pulso) Una señal PWM es una señal rectangular con periodo de actividad variable, en tantos pasos como se lo requiera y de acuerdo a la cantidad de bits del número binario que la controla. Por lo general su resolución es de 8 bits. Hoy en día, muchos de los controladores comerciales incorporan esta función de hardware que se puede utilizar para conseguir una salida analógica a partir de una señal digital (la cual solo tiene dos niveles de voltaje) a través de la variación del valor eficaz de la señal. Modulando el ancho de pulso del tren de pulsos de la señal, con PWM se puede conseguir una señal cuyo valor eficaz varíe de la forma deseada. A un pulso más ancho, el valor eficaz de la señal es mayor que el de un pulso más corto. La figura muestra un ejemplo de cómo el PWM hace esto. FIGURA40. Señal PWM
Al tener la entrada del PWM se debe pasar la señal por un convertidor de PWM a tensión. Convertidor de PWM a tensión: El circuito más simple para convertir una PWM en una tensión analógica continua es un filtro RC. Pero como la señal que sale de la pata PWM del controlador es un pulso de 24V, este conversor solo puede generar tensiones de 0 a 24V. Por esta razón la entrada del tren de pulsos del PWM es convertida a una tensión proporcional al periodo en la frecuencia de cada uno de los pulsos del de este mismo. Al obtener las dos señales del mismo margen se puede desarrollar el control del sistema.
84
4.2.4 Diseño del controlador PID FIGURA41. Diagrama de bloques del sistema de control para hallar el controlador PID en lazo cerrado
279,15115,0
5,065,0765,31
5724,02
=+
=
+=
m
V
P
G
G
G
FIGURA42. Diagrama de bloques del sistema de control con los valores de las constantes en función de transferencia.
FIGURA43. Respuesta del sistema de control del servomotor
85
En la figura se puede ver que el sistema es estable pero es necesario desarrollar un controlador PID por que el tiempo de estabilización de la señal es muy alto y tiene muchos incrementos en su trayecto de estabilización. Para el diseño del controlador se supone que Gc=Kc Por lo tanto tenemos que:
KcuKcjwS
KcKc
Kc
Kc
S
==
=+++
=++++
=+++
=++
+
037285,465,01765,31765,3037285,465,01765,365,01765,3
037285,4)65,01765,3)(11,0(
0*)65,0765,31
(*)115,0
)(279,15(1
23
222
2
2
GGGG CPVm =+8578,05,0
01
26,037285,482,31
082,313728,4
19,0176,3
6,0
06,0176,3082,3137285,4)6,0176,3(037285,46,082,31176,3
037285,4)(6,0)(82,31)(176,3
2
2
2
3
23
23
23
==
=−
±==
=+−
=−++−
=++−−
=+++
wKcu
wKcu
w
wwwKcuwwj
KcuwjwwjKcujwjwjw
Constantes del PID
125,4833
8
06,05,16233
2
156,0)28,0(6,06,0
===
====
===
PuK
PuK
KcuKc
D
i
86
FIGURA44. Diagrama de bloques del sistema con el controlador PID
FIGURA45. Respuesta del sistema de control con el controlador PID
La figura muestra que el controlador PID estabiliza la señal generando una respuesta más apropiada para el sistema, por lo tanto las ganancias para el controlador proporcional, derivativo e integrativo estabilizan el proceso.
4.2.5 Desarrollo del algoritmo El programa es una implementación de los conocimientos adquiridos en las pasantías que realizamos en CONTROL DE MOVIMIENTO LTDA, este trabajo consiste en la implementación del controlador para que el servopack enviara la señal al perforador y active las válvulas. Este programa se realiza con el simulador YTERM que es el sistema operativo de programación para los servomotores de marca YASKAWA. Ver Anexo G
87
InicioDiagrama de flujo
Programa ver Anexo D.
Ingrese modo funcionamiento
siModo Manual
si
Pulsador =1
Avance positivo Electroválvula=1
Pulsador2 =0
si
Avance negativo Electroválvula=1
no
no
no
Modo automático
si
Contador=0 Ingrese número de
bolsas=x
Avance
si
Sensor
Electroválvula
si
Sensor
Contador+1
no
contador =x
no
no
si
88
FIGURA46. Pantalla de programación YTERM.
FUENTE: PROGRAMA YTERM.
89
CONCLUSIONES
• El dispositivo se adapto sin ningún problema a la maquina selladora,
logrando la exactitud que se buscaba en la perforación de las bolsas.
• Los análisis coincidieron con la programación y la construcción del dispositivo.
• No se selecciono ningún un actuador, se diseña, logrando que cumpla lo deseado sin ninguna falla mecánica.
• Se concluye que la ganancia proporcional adquirida en el moldeamiento de control se ajusta a los parámetros del servomotor.
Se concluye que un sistema servomotor se adapta al sistema de perforación sin incrementar costos en la producción ya que el servocontrolador tiene varias funciones que permitieron la programación de la salida de las válvulas.
90
RECOMENDACIONES
El diseño del sistema se realizo para que los perforadores sean intercambiables y así poder colocar más de estos.
El programa de la pantalla está diseñado para que el usuario u operario pueda ingresar los datos de perforación de las bolsas por medio de porcentajes, pero sería ideal desarrollarlo no en porcentajes sino directamente la posición donde el usuario u operario quieran.
Es de saber que el mantenimiento de los dispositivos neumáticos debe ser constante si no está en un lugar limpio, se puede abrir la posibilidad de generar un sistema tipo impresora con los perforadores.
91
BIBLIOGRAFÍA
KATSUHIKO OGATA. Sistemas de control en tiempo discreto. Segunda edición. PRENTICE HALL, STEPHEN J. CHAPMAN. Maquinas eléctricas. Tercera edición. McGraw-Hill, Cap. 6 BENJAMIN C. KUO. Sistemas de control automático. Séptima edición. PRENTICE HALL, INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS. Normas Colombianas para la presentación de trabajos de investigación. Segunda actualización. Santa fe de Bogotá D.C ICONTEC, 1996.126 p. NTC 1307 FESTO DIDACTI: 2000. Neumática industrial JOSEPH E. SHIGLEY. Diseño de ingeniería mecánica. Sexta edición. McGraw-Hill, cap. 10 ROBERT L. MOTT. Resistencia de materiales aplicada. Tercera edición. PRENTICE-HALL HISPANOAMERICA S.A INTRODUCCION A SEÑALES, SISTEMAS Y CONTROL (en línea): http://es.wikibooks.org (consulta: 20 de octubre 2007) Clasificación de los plásticos."Enciclopedia del Plástico 2000"; Centro Empresarial del Plástico http://www.aniq.org.mx/cipres/clasificacion.asp Servomecanismos Capitulo 3 PDF www.iearobotics.com/personal/andres/proyectos/pucho/documentacion/capitulo3.pdf
92
Contador de pulsos para Servomecanismos PDF http://ccc.inaoep.mx/fpgacentral/reconfig/2003/articulos/TCR11.pdf Alternativas practicas de almacenamiento de productos frescos para conservar su sabor. Área poscosecha. Dirección Calidad Agrícola. Boletín N° 18 septiembre, 2002 http://www.mercanet.cnp.go.cr/Calidad/Poscosecha/Boletines/documentospdf/2002_Boletines/2002-18saboralmac.pdf Centro de Desarrollo Tecnológico de la Cadena Agroalimentaria de la papa. http://www.cevipapa.org.co/publicaciones/publicaciones.php Servosistemas de arrastre para maquinas selladoras de bolsas plásticas. Yaskawa. http://controldemovimiento.com/Selladora.pdf Encoder incremental. Descripción general. ELTRA. http://www.silge.com.ar/hojtec/eltra/si010es2.pdf
93
ANEXO A. Propiedades físicas de los aceros
Fuente: http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi2000/santa-fe-sur/ensayodemateriales/tabla.htm
94
ANEXO B. Selección electroválvula Neumática
Especificaciones Técnicas
95
96
ANEXO C. Especificaciones de la soldadura
Tabla 1
Sección Modulo de resistencia Momento de inercia
97
Tabla 2 Propiedades mínimas del material de aporte.
Tabla 3 Tensiones máximas
98
ANEXO D. Selección de Tornillos
Paso Descripción Ejemplo Figura
1º paso
Seleccionar la cabeza, según tipo de aplicación.
HWH, para fijar plancha de acero para recubrimiento en viga de acero. Framer, para fijar un elemento de acero delgado a otro similar, como en caso de estructuras para tabique seco.
Cabeza de Lenteja, posibilidad alternativa para armar estructuras de acero delgado.
PBH, para fijar tabla yeso a su estructura.
Fibrocem, para fijar plancha de fibrocemento a su estructura.
2º paso
Verificar diámetro, según espesor a perforar, de acuerdo a la tabla. A la vez, verificar Tipo de Punta apropiada para perforar.
Con calibre #12 y punta #3, podrá perforarse un elemento de acero de entre 2,8 y 5,3 mm de espesor.
Con calibre #12 y punta #4, podrá perforar un elemento de acero de entre 4,5 y 9,5 mm de espesor.
3º paso
Determinar longitud total del Tornillo, según espesor a fijar.
Torn. Drywall #6 x 1 5/8 Pta Fina será necesario para fijar dos planchas de yeso de cartón de 15 mm cada una, a estructura de acero de 0,5 mm de espesor.
Torn. Zinc #12 - 14 x 4 1/2 HWH P3SG será necesario para fijar recubrimiento de acero + poliuretano a su estructura, con un espesor total sumado de hasta 100 mm.
http://www.ingefix.cl/catalogo/tornillos/seleccion_tornillos.htm
99
ANEXO E. Especificaciones técnicas del servomotor
100
ANEXO F. Datasheet LM2907N
101
102
ANEXO G. Programa servocontrolador (Legend CMC3010)
//PROGRAMA ESTANDAR DE SELLADORA CON MEJORA DEL FLANCO DE SUBIDA //PARA EL ARRANQUE DEL ARRASTRE #AUTO WT1500 //Espera EO1 //Echo ON KIX=0 //PID KPX=6 KDX=40 SH //Energizo el servo VARA=0 //Variables VARB=0 VARC=0 VARD=0 VARE=0 V001=300 //Medida en mm de la bolsa V002=10 //Numero de bolsas/paquete V003=1000 //Tiempo de pausa V004=3 //Velocidad escalizada V005=20 //Distancia de paro por fotocelda V006=0 //Jog positivo V007=0 //Jog negativo V008=0 //Modo automático V010=0 //Contador de paquetes V011=0 //Habilita contador V012=0 //variable RESET CONTADORES V013=0 //Corregir retroceso V014=1000 V015=1000 V016=0 /////PORCENTAJE PARA ACTIVAR SALIDA #3 V017=0 ////PORCENTAJE PARA ACTIVAR SALIDA #4 V018=16 ///TIEMPO CILIDRO NEUMATICO ACTIVO V061=0 //Presencia de fotocelda V009=V002 //Contador de bolsas, inicializo con V2 VARX=588 //Relaciono milimetro con pulsos (1mm = 588 pulsos) VAR2=-10*VARX //Retrocedo 10mm DELTA=V005*VARX //Distancia de paro de la fotocelda en pulsos XQ#RSTCONT,1 //Mando ejecutar el programa paralelo de Reset de contador de bolsas #SALTO1 //indago mov JS#JOGFW,V006=1 //Jog positivo JS#JOGRV,V007=1 //Jog negativo JP#SELLE,V008=1 //Modo automático JP#SALTO1 #SELLE //Decido que programa ejecutar dependiendo de si hay o no fotocelda JP#SELLARX,V061=0 //Sin fotocelda JP#SELLAR2,V061=1 //Con fotocelda #SELLAR2 //Con fotocelda JP#SALTO1,V008=0 //Si esta en manual salta a SALTO1 JP#SENSOR,@IN[2]=1 //Si no sensor de arranque pasa a SENSOR JP#SELLAR2 //queda esperando si esta en automático y la fotocelda no sensa //MEJORA DEL FLANCO DE SUBIDA PARA EL ARRANQUE #SENSOR IF(@IN[2]=1) JP#SALTO1,V008=0 //Modo automático JP#SENSOR //espero hasta que se active el sensor de arranque ENDIF //Arranque VAR1=V001*VARX //Paso a pulsos la medida de la bolsa VAR1 VAR3=@RND[VAR1] //VAR1=VAR3 VAR6=@RND[VAR3/2] //VAR6=VAR1/2 VAR7=@RND[VAR6/2] //VAR7=VAR1/4 DP0 //Marco posición actual como posición cero AL //Armo Latch
103
PRVAR6 //Voy a la mitad de la bolsa IT0.8 //Suavizo el perfil de velocidad SPV004*364088 //Velocidad ACV004*907722 //Aceleración DCV004*907722 //Desaceleración BG //Empieza el movimiento #LOOP JP#JMP1,_TP>VAR7 //Voy a JMP1 si la posición es mayor que la cuarta parte del recorrido //final, no ve fotocelda JP#LOOP,_AL=1 //Espera hasta que el latch ocurra IP(VAR6+_RLX-DELTA) //Incrementar posición haciendo corrección por fotocelda, dependiendo si //esta más largo o corto AM //Espero que termine movimiento JP#JMP2 #JMP1 IP(VAR6) //Si la pos es mayor que la cuarta parte Incrementa posición y completa //la bolsa AM //Espero #JMP2 SB2 ///ACTIVA SALIDA #3 AL DETENER ARRASTRE WT V018 CB2 JP#NOCOUNT,V011=1 V009=V009-1 #NOCOUNT JP#SELLAR2,V009>0 //Voy a SELLAR2 proceso de nuevo si el total de bolsas es mayor que cero #SAL2 JP#SALTO1,V008=0 //Si esta en modo automático JP#SAL2,@IN[2]=1 //Espero sensor de arranque PRVAR2 //Muevo el retroceso BG //Empieza SB1 //Salida de pausa WTV003 //Espero la pausa CB1 //Apago salida de pausa V009=V002 //Reinicio contador de bolsas V010=V010+1 //Incremento contador de paquetes JP#SELLAR2 #SELLA1 V013=0 #SELLARX //Sin fotocelda JP#SALTO1,V008=0 //Si no está automático voy SALTO1 JP#SENSO,@IN[2]=1 //Voy a SENSO si esta botón de arranque JP#SELLARX #SENSO //MEJORA DEL FLANCO DE SUBIDA PARA EL ARRANQUE IF(@IN[2]=1) JP#SALTO1,V008=0 JP#SENSO ENDIF VAR1=V001*VARX //Paso distancia a pulsos ALX VAR3=@RND[VAR1] VAR4=VAR3+V013 //Compenso el retroceso para la primera bolsa PRVAR4 //Movimiento relativo IT0.8 SPV004*364088 //Velocidad ACV004*907722 //Aceleración DCV004*907722 //Desaceleración BG //Hago el movimiento AM //Espero JP#NOCOUN,V011=1 //Selecciono si es o no con contador V009=V009-1 //Si es contador disminuyo bolsa #NOCOUN JP#SELLA1,V009>0 //Si no ha terminado el número total de bolsas voy a SELLA1 e inicio //nuevamente VARA=1 #SKIP1 JP#SALTO1,V008=0 //Voy a salto si no está en auto
104
VARB=1 JP#SKIP1,@IN[2]=1 VARC=1 VAR8=@RND[VAR2] PRVAR8 BG SB1 WTV003 CB1 V009=V002 V010=V010+1 V013=-VAR2 JP#SELLARX #JOGFW //Jog positivo AC600000 DC600000 JG7500 BG #JGFW JP#JGFW,V006=1 ST EN #JOGRV //Jog negativo AC600000 DC600000 JG-7500 BG #JGRV JP#JGRV,V007=1 ST EN EN #RSTCONT JP#SALTO9,V012=0 //RESETEO DESDE EL TECLADO V009=V002 //INICIALIZO LOS CONTADORES CON TOTAL DE PAQUETES V012=0 #SALTO9 JP#RSTCONT EN #SALIDA3 LONG=VARX*(V001+V013) IF(SAL3=1) DIST1=(V016/100)*LONG IF((_TP>DIST1)&(V016<>0)) SB2 WT V018 CB2 SAL3=0 ENDIF ENDIF IF(SAL4=1) DIST2=(V017/100)*LONG IF((_TP>DIST2)&(V017<>0)) SB2 WT V018 CB2 SAL4=0 ENDIF ENDIF JP#SALIDA3
105
ANEXO H. Interface-hombre maquina Este tipo de pantallas tienen una programación que enlaza con el programa original lo cual las hace muy sencillas de programar estas son los comandos que se necesitan para accionar cualquier operación en la maquina.
PANTALLA Nº1
Tecla de selección: F1
Operación manual:
Tecla
Jog atrás el servomotor alimenta a una velocidad lenta para desenhebrar el material.
Tecla
Adelante. El servomotor se mueve a una velocidad constante hacia adelante para enhebrar el material.
Tecla ENTER.
Detiene el movimiento
PANTALLA Nº2
Tecla de selección: F2
Operación automática:
Medida (mm): variable por el operario.
Bolsa: contador de bolsas
Paquete: contador de paquetes.
106
PANTALLA Nº3
Tecla de selección: F3
Pantalla parámetros:
Bolsa/paquete: variable por el operario
Tiempo de pausa: detención del servo entre paquetes/ variable por el operario
Velocidad 1-9: velocidad de avance del servomotor. Variable por el operario
PANTALLA Nº4
Tecla de selección: F4
Pantalla. Selección de trabajo
Con o sin foto celda.
PANTALLA Nº5
Tecla de selección: HELP
Accionar perforador introducir el porcentaje donde se desea la perforación.
107
ANEXO I. Reporte Ansys
Vástago
The bounding box for the model measures 4.83×10-2 by 1.6×10-2 by 1.6×10-2 m along the global x, y and z axes, respectively.
The model has a total mass of 5.21×10-2 kg. The model has a total volume of 6.63×10-6 m³.
Table Bodies
Name Material Bounding Box(m)
Mass (kg)
Volume (m³) Nodes Elements
"actuador3.par" "Structural Steel"
4.83×10-2, 1.6×10-2, 1.6×10-2
5.21×10-
2 6.63×10-6 4500 2763
Structural Loading
Table Structural Loads
Name Type Magnitude Vector
Reaction Force
Reaction Force Vector
Reaction Moment
Reaction Moment Vector
"Pressure"
Pressure
600,000.0 Pa N/A N/A N/A N/A N/A
Structural Supports
Table Structural Supports
Name Type Reaction Force
Reaction Force Vector
Reaction Moment
Reaction Moment Vector
"Fixed Support"
Fixed Surface 20.42 N
[20.42 N x, -5.42×10-9 N y, 9.54×10-9 N z]
1.17×10-
3 N·m
[-3.38×10-11 N·m x, 4.08×10-4 N·m y, 1.09×10-3 N·m z]
Solution
108
Structural Results
Name Minimum Maximum Alert Criteria
"Maximum Principal Stress"
-638,023.48 Pa 280,946.35 Pa None
"Minimum Principal Stress"
-1.38×106 Pa 20,537.69 Pa None
"Total Deformation" 0.0 m 4.0×10-8 m None
"Equivalent Stress" 4,739.02 Pa 688,874.59 Pa None
"Equivalent Elastic Strain" 2.37×10-8 m/m 3.44×10-6 m/m None
"Total Deformation 2" 0.0 m 4.0×10-8 m None
Tensile Stress Safety
Name Type Minimum Alert Criteria
"Stress Tool" Safety Factor 15.0 None
"Stress Tool" Safety Margin 14.0 None
Mohr-Coulomb Stress Safety
Name Type Minimum Alert Criteria
"Stress Tool 2" Safety Factor 15.0 None
"Stress Tool 2" Safety Margin 14.0 None
Fatigue Results
Table. Definition
109
Name Fatigue Strength Factor
Type Scale Factor
Analysis Type
Stress Component
Infinite Life
"Fatigue Tool"
1.0 Fully Reversed
1.0 SN-Mean Stress Curves
Equivalent (Von-Mises)
1.0×109
Name Type Design Life Minimum Maximum Alert
Criteria
"Life" Life 1,000,000.0 1,000,000.0 None
"Damage" Damage 1.0×109 1,000.0 1,000.0 None
"Safety Factor" Safety Factor 1.0×109 15.0 15.0 None
"Biaxiality Indication"
Biaxiality Indication -1.0 1.0 None
"Equivalent Alternating Stress"
Equivalent Reversed Stress
4,739.02 Pa 688,874.59 Pa None
Matriz perforación
The bounding box for the model measures 1.7×10-2 by 2.4×10-2 by 2.4×10-2 m along the global x, y and z axes, respectively.
The model has a total mass of 2.06×10-2 kg. The model has a total volume of 2.63×10-6 m³.
Table Bodies
Name Material Bounding Box(m)
Mass (kg)
Volume (m³) Nodes Elements
"matriz.par" "Structural Steel"
1.7×10-2, 2.4×10-2, 2.4×10-2
2.06×10-
2 2.63×10-6 4398 2374
110
Structural Loading
Table Structural Loads
Name Type Magnitude Vector
Reaction Force
Reaction Force Vector
Reaction Moment
Reaction Moment Vector
"Pressure" Pressure 600,000.0 Pa N/A N/A N/A N/A N/A
Structural Supports
Table Structural Supports
Name Type Reaction Force
Reaction Force Vector
Reaction Moment
Reaction Moment Vector
"Fixed Support"
Fixed Surface 72.25 N
[-72.25 N x, -5.72×10-8 N y, 1.04×10-7 N z]
1.89×10-
2 N·m
[3.42×10-10 N·m x, -1.85×10-2 N·m y, -3.82×10-3 N·m z]
Solution
Structural Results
Values
Name Scope Minimum Maximum Minimum Occurs On
Maximum Occurs On
Alert Criteria
"Maximum Principal Stress"
"Model"
-282,606.24 Pa
374,056.48 Pa
matriz.par matriz.par None
"Minimum Principal
"Model"
-1.03×106 Pa 49,875.22 Pa matriz.par matriz.par None
111
Stress"
"Total Deformation"
"Model"
0.0 m 3.27×10-8 m matriz.par matriz.par None
"Equivalent Stress"
"Model"
1,143.19 Pa 725,275.43 Pa
matriz.par
matriz.par None
"Equivalent Elastic Strain"
"Model"
5.72×10-9 m/m 3.63×10-6 m/m matriz.par matriz.par None
"Total Deformation 2"
"Model"
0.0 m 3.27×10-8 m matriz.par matriz.par None
Tensile Stress Safety
Results
Name Scope Type Minimum Alert Criteria
"Stress Tool" "Model" Safety Factor 15.0 None
"Stress Tool" "Model" Safety Margin 14.0 None
Mohr-Coulomb Stress Safety
Name Scope Type Minimum Alert Criteria
"Stress Tool 2" "Model" Safety Factor 15.0 None
"Stress Tool 2" "Model" Safety Margin 14.0 None
Fatigue Results
112
Definition
Name Fatigue Strength Factor
Type Scale Factor
Analysis Type
Stress Component
Infinite Life
"Fatigue Tool"
1.0 Fully Reversed 1.0
SN-Mean Stress Curves
Equivalent (Von-Mises) 1.0×109
Results
Name Scope Type Design Life Minimum Maximum Alert
Criteria
"Life" "Model" Life 1,000,000.0 1,000,000.0 None
"Damage" "Model" Damage 1.0×109 1,000.0 1,000.0 None
"Safety Factor" "Model"
Safety Factor 1.0×109 15.0 15.0 None
"Biaxiality Indication" "Model"
Biaxiality Indication -1.0 0.99 None
"Equivalent Alternating Stress"
"Model" Equivalent Reversed Stress
1,143.19 Pa 725,275.43 Pa None
113
114
ANEXO J. Planos
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
MATRIZ
Escala: 2 : 1
Material: Acero 4140
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 1 / 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A4
A
ASECCION A-A
0.5
0.52
12
12O u0.1
5
24
16O u0.1
2
14O u0.1
6.5O u0.01
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
PLACA PORTA MATRIZ
Escala: 1 : 5
Material: Acero Estructural
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 6/ 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A3
4545
4545
4545
4545
4545
4545 2545
4545
4545
4545
4545
4545
45
1250
13.5
67
O 9.52 u 0,024 Agujeros
19.05
45
62.5O 15.88 u0.226 Agujeros
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
PLACA ATUADORES
Escala: 1 : 5
Material: Acero Estructural
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 5/ 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A3
30
120
1440
13.5
13.5
40 67
525
26 Agujeros Roscados7/8-14 UNC
4 Agujeros Roscados3/8-14 UNC
O 9.52O u0.24 Agujeros
454545454545454545454545454545454545 45454545454545 157,5
2 Agujeros Roscados1/4-20 UNC
19.05
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
SOPORTE GUIA
Escala: 1 : 1
Material: Acero Estructural
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 10/ 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A4
19.0530
100
120
13.5
33.5
4067
O 9.52
2 Agujeros Roscados3/8-16 UNC
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
TANQUE
Escala: 1 : 5
Material: LAMINA CAL. 40
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 7/ 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A3
29.49
505.95
9.52525O
19.05
1050
20.4
25.4
O 6.35 u0.22 Agujeros
206 206206 206
O 15.88
2 Agujeros Roscados1/8-28 NPT 1.3º Rosca Conica
80
410
5Agujeros Roscados1/8-28 NPT 1.3º Rosca Conica
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
BUJE
Escala: 2 : 1
Material: Acero Estructural
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 9/ 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A4
25O 9.52 u0.2
O 25.4 u0.2
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
BUJE RIEL
Escala: 2 : 1
Material: Acero Estructural
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 8/ 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A4
O 9.52 u0.2O 25.4 u0.2
40
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
GUIA
Escala: 1 : 2
Material: Acero Estructural
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 2 / 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A4
A A
SECCION A-A
135.48 150
150
320
1632
R 4.76 u0.2 R 9.52 u0.2
O 7.94 u0.012 Agujeros
6 12.7
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
PERFIL EN U
Escala: 1 : 5
Material: Acero Estructural
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 3 / 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A3
525O
1300
10O
20
3.18
70
O 6.35O u0.22 Agujeros
Dibujo: CRISTIAN ALEXANDER FONSECA BOBADILLA - CAROL JULIET GUERRERO NEMPEQUE
PERFIL EN U
Escala: 1 : 5
Material: Acero Estructural
Fecha: 14-06-2008
UNIVERSIDAD DE SANBUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
Pieza No. 4 / 15Medidas en mm
DISPOSITIVO DE PERFORACION PARA MAQUINA SELLADORA
ISO A3
111820
3.18
70