máquina fresadora cnc
TRANSCRIPT
Estudiantes:
Luis Felipe Montoya Franco
Camilo Andrés Martínez Sarmiento
Camilo Andrés Sierra Cáceres
Directores:
Ing. Nelson Arzola
Ing. Edwin Cárdenas
Bogotá D.C., 8 de junio de 2009
Departamento de Ingeniería Mecánica y MecatrónicaLínea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS
MÁQUINA FRESADORA CNC
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
Como parte de la línea de estudios en control,constantemente se le plantea al estudiante deingeniería mecatrónica que realice el control decierto sistema, el cual nunca esta construido.
Este proyecto plantea proveer el sistema, através de la construcción de una máquina convarios grados de libertad, y sobre la cual sepuedan desarrollar futuros experimentos decontrol.
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN II
El proyecto como tal es una propuestapatrocinada por los integrantes del grupo detrabajo, puesto que la necesidad industrial derealizar procesos de fresado, se suple conmáquinas profesionales para cada proceso enespecial.
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN III
El proyecto se planteo con un valor estimado de$6’480.000, lo cual incluye el costo de manufactura ydiseño. Como ya se menciono, el proyecto es una iniciativaestudiantil, y como parte del trabajo se contemplo realizarla manufactura y el diseño totalmente dentro del grupo detrabajo y en los laboratorios de la universidad, lo cualreduce los costos al valor de los materiales estimado en$500.000.
El tiempo de desarrollo para el proyecto es el que sedeterminó dentro de la asignatura y coincide con el periodoacadémico.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Para poder determinar el problema, se tiene
que entrar a revisar las necesidades del
cliente. Igualmente se tiene que especificar
como se pueden suplir estas necesidades.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
Los requerimientos del cliente fueron
evaluados con ayuda de algunos enunciados
de necesidades del cliente y una encuesta
aplicada a los potenciales clientes y usuarios.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE II
Los enunciados permitieron encontrar las siguientes necesidades
del cliente sobre la Máquina Fresadora CNC:
•La MFC construye modelos desde un archivo de plano de autocad permitiendo labores de prototipado rápido
•La MFC puede perforar orificios en una placa con una rapidez mayor a la de un humano promedio y con un
patrón repetible
•La MFC tiene la capacidad de recordar la última posición en la que realizo alguna operación para permitir la
ejecución de una parte adicional de código
•La MFC permite al usuario ajustar una posición de arranque de forma manual
•La MFC permite al usuario detener la operación actual de forma inmediata en caso de una emergencia
•La MFC tendrá un precio accesible para el público universitario debido al uso de materiales que tenga una
buena relación de resistencia/precio y faciliten su manufactura
•La MFC puede ser alimentada con una conexión residencial estándar de 110V/AC
•La MFC podrá adaptar distintas cabezas para realizar diferentes procesos.
•La MFC tendrá un dispositivo que permitirá el movimiento vertical de la cabeza
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE III
REQUISITOS DE FUNCIONALIDAD
• Tiempo de vida
• Tipo de Movimientos
• Precisión
• Velocidad de Operación
• Tamaño de la pieza a prototipar
• Facilidad de Operación
• Tipo de Material a prototipar
• Posicionamiento Manual
• Facilidad de Instalación
• Facilidad de Mantenimiento
• Facilidad de Limpieza
• Buen acabado de la pieza mecanizada
REQUISITOS DE MANUFACTURA
• Facilidad de Almacenamiento
• Facilidad de Reciclaje
• Portabilidad
REQUISITOS DE COSTOS
• Bajo consumo de energía
• Bajo costo
• Alto valor de salvamento (Baja
depreciación)
REQUISITOS DE SEGURIDAD
• Seguridad del Operario
REQUISITOS DE APARIENCIA
• Estética de la Máquina
REQUISITOS DE ACTUALIZACIÓN
• Capacidad de mejora de la máquina
Estos requerimientos se organizaron en 6 categorías:
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE IV
La encuesta permitió al grupo de trabajo ponderar la importancia
de cada atributo, y compararla con la planteada por el equipo de
diseño.
ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
(BENCHMARKING)
Aunque es un bastante exagerado pretender que este
prototipo sea una competencia a las máquinas
profesionales. Aún así se planteo el análisis de la
competencia comparando los puntos críticos del
prototipo con los equipos del laboratorio de Control
numérico computarizado.
Estos equipos fueron un torno Dinamyte 3000 y una
fresadora CNC Enco F1.
ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
(BENCHMARKING) IIEl resultado dándole una calificación de 1 a 5 fue:
ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD)
Al convertir los requerimientos del
cliente en objetivos de ingeniería
se hizo más clara la meta del
diseño.
ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD)
Item Objetivo
Utilización de Piezas Estandarizadas Uniones y partes funcionales
Conectividad entre el dispositivo de control y la máquina USB 2.0
Tipo de motores 110 V
Utilización de materiales de bajo costo para su construcción Aluminio o acero con bajo carbono
Máquina más pequeña que las que hay en el mercado 1 m3
Potencia de los Motores 9-24V con la corriente regulada a 1 A
Potencia de la herramienta para la operación de fresado Hasta 500W
Velocidad de los motores Hasta 2000 RPM
Minimo error de los controladores Cero error de posición y mínimo error de velocidad
Posibilidad de ajuste de la herramienta Ajuste Variable
Sensor de peligro y boton de emergencia Botón visible y de fácil alcance
FUNCIONES:DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
Guiar en dirección adecuada
Soportar las
cargas
Sujetar la
pieza
Posicionar
adecuadamente la
herramienta
Soportar el peso de la Herramienta
Soportar los elementos propios
Garantizar que la pieza no se mueva
No maltratar la pieza
Facilitar su
operación
Transformar
fuerza en
movimiento
Dirigir
Movimiento
Detener
Movimiento
Recibir
Instrucciones
Procesar
Instrucciones
Comunicar
Instrucciones
a la máquina
Recibir Información
de la máquina
Enviar datos al computador
Establecer comunicación
bidireccional
Recoger fuerza de los motores
Transmitir fuerza
Producir movimiento
Adoptar dirección
Parar el dispositivo
Frenar cuando esté en movimiento
Garantizar
Comodidad
Ergonomía
Proteger de
lesiones
Capacitar al
operario
Re
aliz
ar
un
pro
ce
so
de
fre
sa
do
, e
n u
na
pie
za
de
ma
teria
l
bla
nd
o m
ed
ian
te e
l C
on
tro
l N
um
érico
Co
mp
uta
cio
na
l
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS
•ÁRBOL DE CLASIFICACIÓN DE CONCEPTOS
GENERAR
MOVIMIENTO
FUNCIÓN
Con Aire
Con Electromagnetismo
Con Torque
Cilindros Neumáticos
Electroimanes
Motores
Paso a Paso
Motores DC
Motorreductores
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS•ÁRBOL DE CLASIFICACIÓN DE CONCEPTOS
TRANSMISIÓN
FUNCIÓN
Tornillo sin fin
Banda
Cremallera
Cadena
CuerdasContrapesos
en el eje Z
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS•ÁRBOL DE CLASIFICACIÓN DE CONCEPTOS
ESTRUCTURA
FUNCIÓN
Tubos de Galvanizado
AluminioAcero
Barras
Hexagonales
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS•ÁRBOL DE CLASIFICACIÓN DE CONCEPTOS
Herramienta
FUNCIÓN
TaladroMotortool
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
•ÁRBOL DE CLASIFICACIÓN DE CONCEPTOS
SISTEMA DE
SUJECIÓN
FUNCIÓN
De la Pieza
De la herramienta
Resortes
Tornillos Pasantes
apretados contra
una placa
Tornillos tipo prensa
Varios moldes
sobre acople
para distintas
herramientas
Zuncho de Buen
Calibre, calidad
certificada
Anillo que en su
diámetro tenga
tornillos
Tornillos en cada lado de una caja
con sistema de aprisionamiento
que no maltrate la pieza
Prensa que sujete la pieza en
su dirección más larga
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS•ÁRBOL DE CLASIFICACIÓN DE CONCEPTOS
GUÍAS DE MOVIMIENTO
Motores móviles con
tornillos sin fin que se
cruzan y la pieza móvil
se conecta a la
plataforma que mueve
la piezaCanaletas
(Perfil de
acero con
rodamiento)
Ejes y Bujes
Rieles
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
•TABLA DE COMBINACIÓN DE CONCEPTOS
Generación de
Movimiento
•Motores Paso a
Paso
•Motores DC
•Motorreductores
•Electroimanes
•Cilindros
neumáticos
Transmisión
•Tornillo sin fin
•Banda
•Cremallera
•Cadena
•Cuerdas
•Cilindro
neumático
proporcional
•Sistema
acoplado de
motor reducción
y tornillo
•Contrapesos en
el eje z
Guías de
Movimiento
•Rieles
•Ejes y Bujes
•Canaletas
•Motores Móviles con
tornillos sin fin que se
cruzan y la pieza móvil
se conecta a la
plataforma que mueve
la pieza
Sistemas de
Sujeción de la
Herramienta
•Tornillos pasantes
apretados contra una
placa
•Zuncho de buen
calibre, calidad
certificada
Sistemas de
Sujeción de la
Pieza
•Resortes
•Tornillos tipo prensa.
•Varios moldes sobre
acople para distintas
herramientas
•Tornillos en cada lado
de una caja con sistema
de aprisionamiento que
no maltrate la pieza
•Anillo que en su
diámetro tenga tornillos
•Prensa que sujete la
pieza en su dimensión
más larga.
Material
•Aluminio
•Acero
•Tubos de
Galvanizado
•Barras
Hexagonales
Herramienta
•Motortool
•Taladro
5x4x8x4x2x2x6
Aproximadamente
3840
combinaciones
potenciales
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN
Concepto 5
Selección de conceptos de cada función:
•Motoreductores
•Acero
•Sistema acoplado de reducción y tornillo sin fin
•Ejes y bujes
•Motortool
•Tornillos pasantes con placa para sujeción de la
herramienta
•Prensa
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN
Descripción del concepto
Los tornillos sin fin se encargan de transmitir la
potencia del los motoreductores y transformarla en
posición de la pieza, mientras que con una
combinación de ejes y de bujes se mantiene a la
pieza sujetada en la trayectoria de su movimiento.
La pieza se aprisiona mediante una prensa que sujeta
a la pieza de manera segura.
El Motortool se sujeta mediante dos placas que se
ajustan en cierta medida a su geometría y que se fijan
mediante tornillos pasantes.
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO
SELECCIÓN DE MATERIALES
Se consideraron propiedades mecánicas, costos y
disponibilidad de piezas estandarizadas de estos.
Adicionalmente se ponderó la facilidad de manufactura
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO
SELECCIÓN DE MATERIALES
Se seleccionó Acero 1020, para la mayor parte de las
piezas, este material brinda un buen balance entre costo y
características mecánicas. Adicionalmente es un material
de trabajo usual por lo que la manufactura se podía realizar
con elementos que poseíamos.
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO
SELECCIÓN DE MATERIALES
Para algunas piezas se utilizaron materiales distintos como
Acero 1045, Bronce latón y plásticos. Estos cambios se
deben bien sea a la necesidad de mejorar o cumplir alguna
característica o a la disposición comercial estándar de
algún componente.
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO
SELECCIÓN DE COMPONENTES ESTANDARIZADOS
•Perfiles (Rigidez Torsional)
•Tornillería (Herramental disponible)
•Varilla roscada (Costo)
•Rodamientos (Restricción espacial)
•Otros
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO
MEJORA DE DETALLES
•Refinamiento constante del diseño especialmente, del
diseño para manufactura, haciendo de este un proceso más
flexible y cuyos cantidad de herramental requerido sea
mínima.
•Adecuación de las interfaces diseñadas respecto a los
componentes estándares adquiridos
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO
SUBSISTEMA DE MOVIMIENTO CARRO INFERIOR
•Se realizaron los cálculos iniciales según unas condiciones
que facilitaran la manufactura.
•Los cálculos posteriores tuvieron en cuenta
recomendaciones para mejorar la rigidez del sistema y
simulaciones por elementos finitos de la interacción
completa con otros niveles
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO
SUBSISTEMA DE MOVIMIENTO CARRO INFERIOR
•Se debe garantizar el mejor paralelismo posible entre las
guías al momento del ensamble. Lo que se tiene en cuenta
desde la propia manufactura de las piezas críticas en este
sentido (Ej. Bujes)
•Se consideró la lubricación requerida por la tuerca del
tornillo de potencia y por esta razón se realizó en Bronce.
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINAEl concepto expuesto anteriormente se optimizo en
varios aspectos hasta obtener el modelo final.
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
Los tornillos sin fin se encargan de transmitir la potencia del los
motoreductores y transformarla en posición de
la pieza, mediante una tuerca ubicada en los distintos carros,
mientras que con una combinación de ejes y de
bujes se mantiene a la pieza sujetada y guiada en la trayectoria
de su movimiento.
La pieza se aprisiona mediante una prensa que sujeta a la
pieza de manera segura.
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
El Motortool se sujeta mediante dos placas que se ajustan en
cierta medida a su geometría y que se fijan mediante tornillos
pasantes
y ranuras que permiten su ajuste.
El accionamiento de los motores inferiores permite ubicar la
pieza a fresar en plano, y el accionamiento del
Motor superior permite que la herramienta de desbaste se
desplace verticalmente.
APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
•SE LOGRA UNA MÁQUINA QUE ESACCESIBLE A BAJO COSTO.
•PERMITE EL ACCESO A LACOMUNIDAD UNIVERSITARIA AREALIZAR PIEZAS REPETITIVAMENTE AUN COSTO MODERADO
ANÁLISIS ECONÓMICO
COSTOS ASOCIADOS CON EL PROCESO DE DISEÑO
•Nuestra inversión en tiempo y esfuerzo de diseño
•Transportes y tiempo invertido en cotizar los materiales y
componentes estándar con los proveedores
•Elaboración e impresión de planos de manufactura
ANÁLISIS ECONÓMICO
COSTOS DE MATERIALES
•Total: $ 250000
•Barra lisa (Ejes guía): $ 78000
•Varilla roscada: $ 25000
•Tubo cuadrado (Perfiles): $ 58000
•Lámina: $ 39000
•Otros: $50000 aprox.
ANÁLISIS ECONÓMICO
COSTOS DE FABRICACIÓN
•Externa: $ 50000
Invertimos alrededor de 50 horas/hombre de taller en 3
semanas de fabricación en las que realizamos un gran
cantidad de procesos, para producir las piezas que
diseñamos.
•Herramientas: $ 20000
•Soldadura: $ 5000 (Material)
ANÁLISIS ECONÓMICO
COSTOS DE ENSAMBLE
Invertimos alrededor de 10 horas/hombre realizando el
ensamble de forma detallada, para realizar al mismo
tiempo la elaboración del manual con este fin.
DESPERDICIOS (EXPERIENCIAS Y RECOMENDACIONES)
La principal forma de desperdicio fue el desbaste de
material en torno y los retales de los cortes realizados
Podría evitarse ajustando las medidas al adquirir la
materia prima con el inconveniente de aumentar precisión
de maquinado y si sea comercial la medida requerida
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
•En el planteamiento de un proyecto de curso, se debe acotar, de forma coherente con el tiempo de desarrollo y las cualidades profesionales del
equipo de trabajo, los objetivos del proyecto.
•El tiempo de manufactura que implica la construcción de un proyecto mecánico debe ser
sobredimensionado respecto a otras consideraciones iniciales, especialmente cuando
el trabajo se realiza por el mismo grupo de diseño estudiantil.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
•DISEÑO Y DESARROLLO DE PRODUCTOS, ENFOQUE
MULTIDISCIPLINARIO, Ulrich Karl, Eppinger Steven, Mc Graw Hill
Interamericana, 2004.
•Plantilla HOQ – www.qfdonline.com
•U.S. Patent No. 6145178
•THE MECANICAL DESING PROCESS, Ullman David, Mc Graw Hill
Interamericana, 1992.
•DISEÑO DE MAQUINAS, Norton Robert, Prentice Hall, México, 1999.
•MECHANICAL ENGINEERING DESIGN, Eighth Edition, Shigley Joseph ,
Mc Graw Hill, United States, 2006.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y
HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA
EMPLEADAS•DISEÑO Y DESARROLLO DE PRODUCTOS, ENFOQUE
MULTIDISCIPLINARIO, Ulrich Karl, Eppinger Steven, Mc Graw Hill
Interamericana, 2004.
•Plantilla HOQ – www.qfdonline.com
•U.S. Patent No. 6145178
•THE MECANICAL DESING PROCESS, Ullman David, Mc Graw Hill
Interamericana, 1992.
•DISEÑO DE MAQUINAS, Norton Robert, Prentice Hall, México, 1999.
•MECHANICAL ENGINEERING DESIGN, Eighth Edition, Shigley Joseph ,
Mc Graw Hill, United States, 2006.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y
HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA
EMPLEADAS•SOLID EDGE, Version 20.00.00.96, UGS, 2006
•MATLAB, Version 7.8.0.347 (R2009a), The Mathworks
Inc.
•STATGRAPHICS Centurion XV, Version 15.2.14,
StatPoint Inc., 2007.
•ANSYS Workbench, Version 11, Ansys Inc. 2007
MUCHAS GRACIAS
Luis Felipe Montoya [email protected]
Camilo Martínez [email protected]
Camilo Sierra [email protected]