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DESARROLLO DE UN ALGORITMO DE CONTROL PARA ENDEREZADO DE FLECHAS AUTOMOTRICES TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN MANUFACTURA AVANZADA PRESENTA ING. JOSÉ MARÍA MACÍAS TORRES ASESOR: DR. LUCIANO VELA MARTÍNEZ AGUASCALIENTES, AGS., JULIO 2019

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DESARROLLO DE UN ALGORITMO DE CONTROL PARA

ENDEREZADO DE FLECHAS AUTOMOTRICES

TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN

MANUFACTURA AVANZADA

PRESENTA

ING. JOSÉ MARÍA MACÍAS TORRES

ASESOR: DR. LUCIANO VELA MARTÍNEZ

AGUASCALIENTES, AGS., JULIO 2019

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CARTA DE LIBERACIÓN DEL ASESOR

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CARTA DE LIBERACIÓN DEL REVISOR

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I

AGRADECIMIENTOS

Agradezco al CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA

(CONACYT) por haberme otorgado una beca para la realización de

mis estudios de maestría en el Posgrado de Manufactura Avanzada

de CIATEQ, A. C.; A la empresa MOTO DIESEL MEXICANA S.A. DE C.V.

por el patrocinio de la investigación y realización del proyecto, a

profesores, amigos y muy en especial a mi familia la cual me apoyo

en todo momento. El cumplimiento de este objetivo, sin duda se

debió a la colaboración de las instituciones y personas que

confiaron en mí, desde el inicio de este posgrado.

“GRACIAS”

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II

RESUMEN

En la actualidad el enderezado de piezas metálicas es un proceso de manufactura

indispensable para cubrir las necesidades y estándares de calidad que exige el sector

automotriz. Un componente fundamental de un vehículo automotor es el semieje, el

cual es el encargado de transmitir el movimiento a las ruedas de tracción.

Debido a las deformaciones provocadas por procesos que le anteceden como lo son

corte, maquinado, tratamientos térmicos por mencionar algunos, los semiejes requieren

de una operación para corregir la no linealidad.

En este trabajo se presenta un algoritmo capaz de calcular la posición y distancia

necesaria para enderezar una flecha de acero SAE-1050M, basado en un modelo

matemático, derivado de la teoría de vigas curvas, propiedades mecánicas y el

fenómeno de recuperación elástica del material.

La validación del modelo matemático se realizó mediante la implementación de un

algoritmo de control en una prensa hidráulica en desuso en las instalaciones de Moto

Diesel Mexicana S.A. de C.V., empresa con más de 30 años de experiencia en

maquinados de precisión de componentes automotrices. Los resultados obtenidos

fueron satisfactorios, en una muestra de diez piezas, con una condición de no

linealidad promedio de 60%, se logró reducir esta condición en un 75%, lo cual es

aceptable para los requisitos de calidad del proceso de manufactura.

Palabras clave: Enderezado, Flexión, Esbelto, Elastoplástico, Recuperación Elástica,

Ingeniería y Tecnología, Tecnología Industrial, Maquinaria Industrial.

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III

ABSTRACT

Currently the straightening of metal parts is an indispensable manufacturing process to

provide the requirements and quality standards required by the automotive sector. A

fundamental component of a motor vehicle is the semi-axle, which is responsible for

transmitting the movement to the traction wheels.

Due to the deformations caused by processes that precede it such as cutting,

machining, heat treatments to mention a few, the semi-axles require an operation to

correct the non-linearity.

This work presents an algorithm capable of calculating the position and distance

needed to straighten a steel semi-axle SAE-1050M, based on a mathematical model,

derived from the theory of curved beams, mechanical properties and the phenomenon

of springback of the material.

The validation of the mathematical model was carried through the implementation of a

control algorithm onto no used hydraulic press into the facilities of Moto Diesel

Mexicana S.A. de C.V., company with more than 30 years of experience in precision

machining of automotive components. The results obtained were satisfactory, in a

sample of ten pieces, with an average non-linearity condition of 60%, this condition was

reduced by 75%, which is acceptable for the quality requirements of the manufacturing

process.

Keywords: Straightening, Bending, Slender, Elastoplastic, Springback, Engineering and

Technology, Industrial Technology, Industrial Machinery.

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IV

TABLA DE CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................ I

RESUMEN .............................................................................................................................. II

ABSTRACT ........................................................................................................................... III

ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... VI

ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................................ VIII

GLOSARIO .......................................................................................................................... IX

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 1

1.1 ANTECEDENTES ......................................................................................................... 1

1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................... 3

1.3 JUSTIFICACIÓN .......................................................................................................... 3

1.4 OBJETIVOS ................................................................................................................. 4

1.4.1 Objetivo general ............................................................................................... 4

1.4.2 Objetivos específicos ........................................................................................ 4

1.5 HIPÓTESIS.................................................................................................................... 5

CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 6

2.1 EJES DE UN VEHÍCULO ............................................................................................. 6

2.2 MANUFACTURA ......................................................................................................... 7

2.2.1 Materiales en la manufactura ........................................................................ 7

2.2.2 Procesos de manufactura ............................................................................. 10

2.2.2.1 Templabilidad ............................................................................................... 12

2.2.2.2 Tratamiento térmico por inducción .......................................................... 13

2.2.2.3 Tratamiento térmico por revenido ............................................................ 16

2.2.2.4 Proceso de enderezado ............................................................................. 16

2.2.2.4.1 Vigas curvas ............................................................................................... 20

2.2.2.4.2 Deformación plástica ............................................................................... 21

2.2.2.4.3 Recuperación elástica ............................................................................. 22

CAPÍTULO 3. PROCEDIMIENTO DE INVESTIGACIÓN .................................................... 24

3.1 COMPRENSIÓN DEL PROCESO ACTUAL.............................................................. 24

3.2 HARDWARE Y SOFTWARE ...................................................................................... 25

3.3 MODELO MATEMÁTICO ......................................................................................... 39

3.4 PRUEBAS DE CONTROL .......................................................................................... 48

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V

CAPÍTULO 4. RESULTADOS ............................................................................................... 51

CONCLUSIONES ................................................................................................................ 57

APORTACIÓN DE LA TESIS ............................................................................................... 59

RECOMENDACIONES....................................................................................................... 60

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................... 61

ANEXOS

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VI

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Clasificación de los procesos de manufactura 10

Figura 2 Vista lateral de un semieje 12

Figura 3 Dureza del acero al carbono como una función del contenido de

carbono en la martensita (endurecida) y la perlita (recocida)

13

Figura 4 Principio de operación del tratamiento térmico 14

Figura 5 Diagrama de FeFe3C 15

Figura 6 Piezas cortadas con diferente grado de penetración en el

tratamiento térmico, dependiendo del poder del transformador y la

frecuencia

15

Figura 7 Microestructura AISI 1045 antes y después del tratamiento térmico 16

Figura 8 Prensa con rodillos marca Fives 17

Figura 9 Relación esfuerzo – deformación en un proceso de enderezado 19

Figura 10 Modelo de viga simplemente apoyada con carga puntual al

centro

20

Figura 11 Estructura de grano después de una deformación plástica 21

Figura 12 Esquema de recuperación elástica 22

Figura 13 Diagrama de control de enderezadora automática 25

Figura 14 Sonda axial marca Ametek Solartron 26

Figura 15 Tarjeta DAQ 26

Figura 16 Sistema de balancín y sonda 28

Figura 17 Conjunto de motor, encoder y contrapunto 29

Figura 18 Encoder Rotativo 29

Figura 19 PLC FX3SA 30

Figura 20 Diagrama general de control 30

Figura 21 Interfaz de calibración del sistema 31

Figura 22 Código para pestaña de calibración del sistema 31

Figura 23 Diagrama en máquina de estados del algoritmo 32

Figura 24 Interfaz principal de aplicación de enderezado 33

Figura 25 Placa Arduino UNO 34

Figura 26 Código para posición angular con encoder 35

Figura 27 Configurar de DAQ 35

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VII

Figura 28 Código de adquisición de señales para medición 36

Figura 29 Código para el estado de cálculo 38

Figura 30 Código para enderezado 38

Figura 31 Comportamiento elastoplástico en una sección sometida a

cargas flexionantes

40

Figura 32 Análisis de equilibrio en la sección plástica 41

Figura 33 Geometría de la flexión en una viga 43

Figura 34 Geometría de una sección circular 45

Figura 35 Prensa hidráulica manual en desuso 48

Figura 36 Prensa hidráulica manual con nuevas adaptaciones 49

Figura 37 Aplicación y adaptaciones en ciclo de operación 49

Figura 38 Esquema de enderezado 50

Figura 39 Esquema de banco de medición 51

Figura 40 Gráfico de puntos de medición antes de enderezado con

algoritmo propuesto

54

Figura 41 Gráfico de puntos de medición antes de enderezado con

algoritmo propuesto

54

Figura 42 Gráfico de puntos de medición después de enderezado con

algoritmo propuesto

55

Figura 43 Gráfico de puntos de medición después de enderezado con

algoritmo propuesto

56

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VIII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Datos básicos del hierro 8

Tabla 2.2 Designaciones AISI-SAE de los aceros 9

Tabla 3.1 Medidas límites de desalineación de la pieza 24

Tabla 3.2 Lógica para determinar el inicio y posición de enderezado 37

Tabla 4.1 Medición antes de enderezado equipo extranjero 51

Tabla 4.2 Medición después de enderezado equipo extranjero 52

Tabla 4.3 Medición antes de enderezado con algoritmo propuesto 53

Tabla 4.4 Medición después de enderezado con algoritmo propuesto 53

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IX

GLOSARIO

A: Área de sección transversal

c: Distancia del eje neutro a la fibra externa de sección transversal

d: Flecha del punto central de una viga curva

dT: Carrera total de enderezado

del: Componente elástica de la carrera total de enderezado

dpl: Componente plástica de la carrera total de enderezado

dre: Componente de recuperación elástica de la carrera total de enderezado

dmax: Carrera máxima de enderezado

Dq: Variación angular por flexión de una viga curva

D: Diámetro de sección circular

E: Módulo de elasticidad del material

e: Distancia entre eje neutro y eje centroidal, en una viga curva

ε: Deformación relativa

εy: Deformación en el punto de cedencia

εpl: Deformación plástica

F: Fuerza normal

h, k: Coordenadas del centro de un círculo

I: Momento de inercia de la sección de área transversal

L: Longitud de barra o viga

M: Momento flexionante

My: Momento en el punto de cedencia

Mp: Momento de deformación plástica

M(x): Momento flexionante

P: Carga transversal

R: Radio de viga curva, de sección o segmento circular

R’: Radio de viga curva después de la flexión

r: Radio de un círculo

rn: Radio al eje neutro

rc: Radio del eje centroidal

s: Longitud de arco circular

r: Curvatura

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X

s: Esfuerzo normal

sy: Esfuerzo de cedencia

spl: Esfuerzo plástico

q: Ángulo

q’: Ángulo de viga curva después de la flexión

n: Relación de Poisson

x: Variable que representa la longitud de una barra o viga

y(x): Deflexión transversal

ŷ: Distancia del centro del eje al centroide de una sección

z: Variable auxiliar para cálculo del radio de una sección circular

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1

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1 ANTECEDENTES

Las flechas o ejes de tracción son usadas desde la invención del automóvil son una

parte indispensable para su funcionamiento y no es una refacción de la cual se pueda

prescindir para el correcto funcionamiento del vehículo.

Los ejes son parte de un vehículo. Los ejes mantienen la posición relativa de las ruedas

entre sí y éstas respecto al chasis del vehículo. Las ruedas son la única parte que toca el

suelo y los ejes deben soportar el peso del vehículo más la carga agregada, junto con

otros esfuerzos como aceleración y frenado.

En la actualidad hay gran variedad de marcas, modelos, versiones de auto-transportes

como maquinaria pesada para la construcción, autobuses de pasajeros, camiones de

carga-transporte, automóviles sin dejar a un lado las versiones de competencia

deportiva, todos estos tienen varios componentes en común uno de estos es la flecha

de tracción en diferentes dimensiones, diseños, materiales y tipos como: cardán,

homocinética, de velocidad constante y semiejes, cumpliendo su función principal la

cual es transportar las revoluciones provenientes del motor y caja de cambios hacia la

o las ruedas del vehículo dando así la tracción necesaria para el movimiento de toda

la unidad.

Moto Diesel Mexicana S.A. de C.V. Es una empresa con más de 30 años de experiencia

en maquinados de precisión de componentes automotrices, tales como: Monoblock

de motor V6 diesel, cabeza de motor V6 diesel, volante de inercia de motor, biela de

motor, carcasa de transmisión, cuerpo de válvula de motor, así como diferentes

modelos de: flecha corta, flecha intermedia y semieje de tracción.

El semieje y flecha intermedia son piezas forjadas en acero SAE-1050M, éstas llegan a la

empresa como materia prima la cual inicia su transformación con varios procesos los

cuales se explicará con detalle más adelante:

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2

Centrado

Maquinado en tornos y centros de maquinado CNC

Rolado

Tratamiento térmico

Enderezado

Barrenado

Rectificado

El enderezado es un proceso necesario, ya que después del tratamiento térmico, las

flechas tienden a formar una curva por el efecto de enfriamiento brusco. Este proceso

consiste en aplicar una fuerza en puntos estratégicos de la flecha para reducir la

curvatura de estas.

Actualmente, la empresa cuenta con maquinaria automatizada de marca italiana en

la cual el operador coloca la pieza e inicia el ciclo la maquina hace un barrido de la

pieza haciéndola girar en su mismo eje, por medio de unos transductores tipo sonda

manda información la cual es procesada por dos computadoras, si la pieza tiene un

grado de linealidad dentro de los limites previamente establecidos realiza el cálculo

para el cual un cilindro haciendo la función de un martillo aplica una fuerza

determinada y en las posición necesarias, una vez que termina de aplicar la fuerza

vuelve hacer un barrido de comprobación de linealidad si la pieza está

completamente alineada acaba la operación, el operador retira la pieza, en caso

contrario el equipo vuelve a calcular y se repite el proceso.

Como equipo adicional se cuenta con tres enderezadoras manuales las cuales

dependen totalmente de la habilidad y experiencia del operador el tiempo de ciclo es

seis veces más largo que con los equipos automáticos, por esta razón estos equipos

actualmente no se usan. Al analizar el costo del equipo de origen extranjero surge el

interés y necesidad por desarrollar un sistema de control para automatizar un equipo

manual, una vez implementado y probado se podrá reproducir en los equipos

restantes.

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3

El control del enderezado (puntos de alineación, como la fuerza necesaria) resulta

complicado por medio del control clásico, como controladores PID (Proporcional-

Integral-Derivativo), o el restringido dominio de la lógica booleana 0 - 1.

La posición exacta y fuerza aplicada imponen un ajuste interactivo de cada una de

ellas de esta forma surge la necesidad de desarrollar un controlador multivalente

empleando técnicas de control que permita que el sistema se comporte en su

conjunto como si un operador estuviera accionando los controles para compensar las

alinealidades de los semiejes.

1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Las tecnologías existentes en el mercado para enderezado de flechas son de origen

extranjero, por lo que los costos de servicio, capacitación, refacciones y soporte

técnico son altos.

Además, la dependencia tecnológica no permite a la empresa mejorar sus procesos

de manufactura, que pudieran redundar en disminuir las operaciones de enderezado.

Es necesario implementar un estudio para asimilar la tecnología de los equipos

automáticos existentes para reproducir y optimizar el sistema, desarrollando un

algoritmo capaz de calcular dónde y con qué intensidad aplicar fuerza para

enderezar semiejes.

1.3 JUSTIFICACIÓN

Las exigencias de un sector tan competitivo y en constante actualización como lo es el

automotriz lleva a las industrias manufactureras a un ritmo incesante de producción.

Las enderezadoras existentes están consideradas como equipo crítico ya que algunas

líneas tienen que compartir el mismo equipo y aunque este proceso es de los finales no

se puede prescindir del mismo, dada la importancia que conlleva tener una flecha

alineada; de lo contrario al ser ensambladas no se obtendrían los resultados esperados.

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Nuestro cliente incrementó el volumen en su requerimiento mensual llegando a un

punto donde las tres máquinas enderezadoras tienen que estar en producción

continua tres turnos al día, seis o siete días a la semana, por esta situación el programa

de mantenimiento preventivo no se está cumpliendo de manera correcta y los equipos

han bajado su eficiencia del 85% al 68% todos los equipos de la empresa deben de

correr arriba de un 80%.

Este ritmo de producción coloca en alto riesgo los equipos, al no poder efectuar la

rutina de mantenimiento genera paros inesperados que como resultado habrá

incumplimientos de entrega al cliente.

Al acondicionar una máquina enderezadora para cada línea los equipos estarán

disponibles para su revisión y aumentar su disponibilidad para producir.

Recientemente se han renovado contratos con niveles de producción más altos y por

varios años más, lo cual nos exige optimizar tiempos, invertir en mayor tecnología y así

cumplir en tiempo todas las entregas finales.

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo general

Desarrollar la tecnología de enderezado de flechas usando métodos científicos /

tecnológicos para crear un algoritmo de control capaz de captar, procesar y corregir

la falta de linealidad existente en flechas de tracción metálicas bajo los estándares

que exige la industria automotriz e implementarlo en maquinaria obsoleta o en desuso

para su reintegración productiva o procesos de calidad, aumentando la capacidad

de las líneas y poder obtener una eficiencia del 80% en los equipos de enderezado

dentro de la empresa.

1.4.2 Objetivos específicos

Analizar revisión de la literatura.

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5

Comprender el sistema de enderezado actual a base de pruebas y estudios en

campo.

Desarrollar el algoritmo que calculara el grado y posición de donde se debe de

aplicar fuerza para el enderezado de las piezas.

Analizar si los transductores actuales pueden ser remplazados por otro tipo de

sensores de menor costo o más comerciales.

Encontrar los sistemas, hardware, software y códigos adecuados para esta

integración industrial.

Realizar el estudio de factibilidad y partes de desgaste de los materiales o

dispositivos a usar.

Calcular la distancia necesaria para flexionar la pieza metálica sin sobrepasar el

punto de fisura interna y o externa.

Integrar el algoritmo de enderezado con sistema de control (PLC) de la

máquina.

Reducir costos por servicios y refacciones en un 50% en comparación con los

equipos de origen extranjero.

1.5 HIPÓTESIS

H1) Es posible crear un algoritmo eficiente para el enderezado de flechas automotrices

a partir de la medición de su configuración deformada basado en el método científico

y teoría de vigas curvas.

H2) Con el desarrollo e implementación de este control en un equipo en desuso se

obtendrá un ahorro del 65% de la inversión con respecto a la adquisición de un equipo

nuevo, similar a los ya adquiridos de origen extranjero.

H3) Se puede determinar la cantidad de golpes y a que distancia se produce una

fractura interna o externa en la pieza de trabajo.

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CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO

En este capítulo se muestra una revisión crítica de la literatura sobre la evolución

constante en la industria manufacturera para desarrollar componentes de menor

tamaño, alta resistencia así como el control en sus diseños, composición física y

química [1]. Se abordan las diferentes técnicas y teorías que involucran a los procesos

de formación metalmecánica como vigas curvas, recuperación elástica, y

deformación plástica presentes en el enderezado de barras de acero circulares.

2.1 EJES DE UN VEHÍCULO

Se denominan ejes de un vehículo a los componentes en dirección transversal respecto

a las cuales giran las ruedas. Estos ejes coinciden con los ejes de las ruedas. Este mismo

autor menciona que los ejes son componentes del mecanismo de un vehículo, los

cuales mantienen la posición relativa de las ruedas entre sí y éstas respecto al chasis

del vehículo.

En la mayoría de los vehículos las ruedas son la única parte que toca el suelo y los ejes

deben soportar el peso del vehículo y su carga adicional en este transporte, junto con

otros esfuerzos como las fuerzas de aceleración y frenado.

Se menciona además el objetivo del componente estructural, los ejes deben cumplir

con una o más de las siguientes funciones dependiendo del diseño del vehículo:

Transmisión: Dónde uno o más árboles deben formar parte del sistema de transmisión.

Un sistema mecánico ejerce un momento o par motor sobre el árbol que con la

reacción transfiere la fuerza hacia los ejes de tracción del vehículo.

Frenado: Para disminuir la velocidad de un vehículo se aplica una fuerza descentrada

de forma que con la reacción del apoyo del eje se forma un momento de fuerza en

sentido contrario a la rotación de la rueda.

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Tanto los frenos de disco como los frenos de tambor, ejercen esta fuerza descentrada.

Además puede aplicarse el freno motor a través de la transmisión, que tiene un efecto

más significativo en vehículos pesados y con poca deceleración.

Guía: El eje debe además guiar la rueda para que no se desplace axialmente, así

como no gire involuntariamente respecto a un eje perpendicular al eje de giro.

Por lo anterior el eje motriz de cualquier vehículo es un componente importante para el

óptimo funcionamiento y necesario para lograr el principal objetivo de los vehículos, el

cual es el desplazamiento de un lugar a otro con alguna carga en particular.

2.2 MANUFACTURA

La palabra manufactura tiene varios siglos de antigüedad está se deriva de 2 palabras

Mano y hacer, la combinación de ambas significa hecho a mano y describe en forma

adecuada métodos manuales empleados esos tiempos. En la actualidad la

manufactura moderna se lleva a cabo por medio de maquinaria automatizada CNC y

controlada por computadoras [2] como lo son los sistemas embebidos.

Como definición de manufactura: es la transformación de los materiales en artículos de

mayor valor por medio de uno o más procesos [2], los cuales se analizarán de forma

particular más adelante.

2.2.1 Materiales en la manufactura

La mayor parte de los materiales para la ingeniería se clasifican en una de tres

categorías básicas: 1 Metales 2 Cerámicos y 3 Polímeros [2]. Sus propiedades y

características físicas son muy diferentes así como sus procesos de manufactura, con el

desarrollo de nuevas tecnologías surge un nuevo grupo el cual es un compuesto entre

ellos.

En este documento nos enfocaremos en una sola clasificación que es la de los

metales. Los metales por lo general se emplean en base a aleaciones ya que están

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compuestos por dos o más elementos con al menos uno en forma metálica [3], estos a

su vez están clasificados en dos grupos: ferrosos y no ferrosos.

Dentro del grupo de los metales ferrosos se encuentra el Hierro que al hacerle una

aleación con un contenido de carbono se le conoce como acero como se muestra en

la tabla 2.1.

Tabla 2.1: Datos básicos del hierro [4]-[5]-[6]

La composición física y química es igualmente importante cuando se requiere una

pieza metálica automotriz desarrollada para cubrir una necesidad específica. En la

actualidad se tiene identificado los efectos que se obtienen al usar ciertos elementos

en las aleaciones comunes de los aceros en la industria automotriz; Por ejemplo mayor

dureza, flexibilidad, resistencia a la corrosión, etc. tal como lo muestra el autor John

Bayer [1]:

- Níquel: Cuando se combina con otros elementos de aleación, produce aceros

con excelente resistencia y baja temperatura, la tenacidad en el

acondicionamiento de temple y revenido.

- Cromo: Proporciona resistencia al desgaste, templabilidad y la tenacidad a baja

temperatura. En niveles altos, proporciona protección contra la corrosión,

resistencia a la oxidación, y ayuda a mantener los niveles de resistencia a

temperaturas elevadas.

- Molibdeno: Tiene un fuerte efecto sobre la templabilidad (similar al manganeso).

El molibdeno también aumenta la fuerza en elevadas temperaturas.

- Aluminio: Funciona como desoxidante y ayuda a controlar el tamaño de grano.

Puede tener un impacto negativo en la maquinabilidad.

- Columbio (Niobio): Ayuda a producir acero de grano fino, y mejora la resistencia

de los aceros micros aleados.

- Vanadio: También ayuda a producir acero de grano fino. Además, se puede

utilizar para incrementar la fuerza, resistencia al impacto, y templabilidad.

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- Titanio: Principalmente desoxidante, también actúa como un refinador de

grano. Puede tener un efecto perjudicial sobre la maquinabilidad.

- Boro: Aumenta la templabilidad en acero con menos de 0.807 % de carbono, en

sustitución de otros elementos de aleación.

De acuerdo con la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE), los aceros simples al

carbono se especifican por medio de un sistema numérico de cuatro dígitos: 10XX

tabla 2.2, donde los primeros dos dígitos indican que el material es un acero al carbono

simple y los dos últimos señalan el grado de porcentaje de carbono en centésimas de

puntos porcentuales [2].

Aceros con bajo contenido de carbono: 0.00% - 0.20%

Aceros con medio contenido de carbono: 0.20% - 0.50%

Aceros con alto contenido de carbono: 0.50% - 1.00%

Tabla 2.2: Designaciones AISI-SAE de los aceros [2]

Como se menciona anteriormente se estudia una barra circular de acero, la cual al

conocer sus propiedades químicas y físicas podemos anticipar su comportamiento y

reacción a los diferentes procesos de manufactura a la cual será sometida, para

formar un semieje de tracción automotriz.

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10

2.2.2 Procesos de manufactura

Hoy en día existe una gran variedad de procesos de manufactura Fig. 1, al paso del

tiempo se han creado nuevas tecnologías y herramientas para realizar estos procesos

de forma más rápida y con mejores acabados.

Para la creación del semieje, se inicia con uno de los procesos dentro de la

manufactura el cual es el formado, consiste en una alteración geométrica de la

materia prima. Existen varios métodos, uno de los más usados es el forjado por

estampado este puede efectuarse en frio o caliente [2] y se produce por la aplicación

de presión entre un molde prediseñado transformando el material en partes

específicas.

Figura 1: Clasificación de los procesos de manufactura [2]

El semieje y flecha intermedia son piezas forjadas en varias composiciones o aleaciones

de acero, para efectos de este documento se hará referencia a una aleación de

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11

acero SAE1050. Esta forja es la materia prima la cual inicia su transformación con

procesos de remoción de material como:

1. Centrado

2. Maquinado en tornos y centros de maquinado CNC

3. Rolado

4. Tratamiento térmico

5. Enderezado

6. Barrenado

7. Rectificado

El centrado es un proceso primordial ya que los barrenos que se realizan en los

extremos de la barra circular serán la referencia para las siguientes operaciones como

el maquinado donde se sujeta la pieza a base de contrapuntos donde se da el

acabado al lado de la brida Fig. 2.

Enseguida pasa a unos equipos de rolado en frio donde se hacen pasar dos peines

sincronizados para formar el lado rolado Fig. 2, la siguiente operación es el tratamiento

térmico las piezas son colocadas en hornos de inducción de alta frecuencia donde el

semieje se lleva al rojo vivo y es enfriado bruscamente por un chorro de refrigerante

para dar la dureza adecuada. Siguiendo con el tratamiento térmico la siguiente

operación consiste en pasar las barras por un horno de revenido donde el objetivo es

normalizar los arreglos atómicos modificados en el proceso de inducción.

El tratamiento térmico es un proceso de gran relevancia ya que dé él depende la

distorsión atómica y física de las barras por esfuerzos residuales obtenidos durante el

enfriamiento instantáneo a la que son sometidas generando características

indeseables en el semieje.

Para eliminar la falta de linealidad en las barras es necesario enfriar y pasar a la

operación del enderezado, En donde una maquina automática hace girar la pieza y

calcula la posición para martillar y eliminar las deformaciones sin producir fisuras

internas o externas, proceso analizado más adelante. El barrenado en la brida se hace

de forma simultánea dependiendo del número de los birlos que lleva cada pieza. Por

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12

último pasa por una rectificadora de piedra de alta velocidad para obtener un

acabado final.

Figura 2: Vista lateral de un semieje

Todos los procesos mencionados influyen potencialmente en el proceso que le

precede por tal motivo todas las operaciones tienen tolerancias definidas para ser

aceptadas en la siguiente operación.

2.2.2.1 Templabilidad

Los procesos anteriores involucran la trasformación de la geometría en la pieza, el

templado de un metal tiene como resultado la mejora en sus propiedades mecánicas

o físicas.

El tratamiento térmico involucra varios procesos de calentamiento y enfriamiento para

efectuar cambios microestructurales en un material [2].

La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un

determinado temple depende de la composición química y está relacionada con un

parámetro denominado templabilidad [3].

Como se puede ver en la Fig. 3 el efecto que tiene la martensita sobre la dureza del

material cuando se incrementa el porcentaje de carbono.

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13

Figura 3: Dureza del acero al carbono como una función del contenido de carbono en

la mart ensita (endurecida) y la perlita (recocida) [2]

2.2.2.2 Tratamiento térmico por inducción

El tratamiento térmico por inducción es uno de los métodos de manufactura más

estables y rápidos el cual dependiendo la frecuencia a la que se haga trabajar la o las

bobinas será el resultado de la penetración del tratamiento térmico [3].

Los inductores están conformados por una etapa de control y otra de potencia en la

primera etapa se configura con las diferentes recetas para el tratamiento

dependiendo de composición y geometría de las piezas a tratar.

En este método se aplica energía inducida electromagnéticamente por medio de

bobinas a las piezas de trabajo Fig. 4. Cuando se usa para endurecimiento de aceros,

el siguiente paso es un enfriamiento por inmersión [2]. La etapa de potencia incluye

inversores de frecuencia los cuales pasan por las bobinas generalmente de cobre en

forma de espiral, las cuales se hacen pasar por toda la flecha desde lado brida hasta

el lado rolado con la alta frecuencia las flechas de un diámetro de 40 milímetros

inmediatamente se ponen al rojo vivo, en este punto se hace girar la flecha en su

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mismo eje y se desplaza la bobina cubriendo toda la zona a tratar estas últimas a una

velocidad constante. Al iniciar el ciclo de desplazamiento por medio de una regadera

se baña la flecha con un polímero para enfriar el semieje de manera inmediata.

Este choque térmico modifica las moléculas que conforman el acero SAE1050M,

generando una dureza en toda el área tratada [7].

Figura 4: Principio de operación del tratamiento térmico [7]

El Endurecimiento de la superficie según un estudio realizado [7] es un tratamiento de

calor focalizado, que se aplica para obtener una estructura martensítica en la

superficie de las piezas, a las profundidades entre décimas de milímetros hasta 510 mm.

Según el mismo autor este endurecimiento de superficie se realiza por calentamiento a

alta velocidad de la capa de superficie de los productos a una temperatura en el

rango austenítico como se puede ver en la Fig. 5.

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Figura 5: Diagrama de FeFe3C [7]

Para iniciar la producción en serie el departamento de calidad debe de liberar el

horno, basado en estudios metalográficos y pruebas destructivas Fig.6, toma unas

muestras y analiza su dureza y medida de grano. Como se muestra en la Fig.7, tomadas

[7] con un microscopio.

Figura 6: Piezas cortadas con diferente grado de penetración en el tratamiento

térmico, dependiendo del poder del transformador y la frecuencia [7]

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Figura 7: Microestructura AISI 1045 antes y después del tratamiento térmico

2.2.2.3 Tratamiento térmico por revenido

El proceso de recocido es un tratamiento térmico utilizado para eliminar los efectos del

trabajo en frio [3] o por diferenciales de enfriamiento. Las piezas metálicas generan

tensiones internas como respuesta a procesos de deformación plástica, enfriamiento

no uniforme, transformaciones de fase, si no se eliminan estas tenciones residuales se

pueden producir distorsiones y alabeos [2] los cuales presentan un riesgo latente de

ruptura.

Después del tratamiento térmico por inducción las flechas quedan con una alta dureza

y fragilidad por lo cual se necesita estabilizar su estructura por medio de una cocción

lenta y sin cambios bruscos de temperatura, las flecas son introducidas por lotes en un

horno de revenido a base de resistencias eléctricas las cuales generan una

temperatura aproximadamente de 280 grados, el proceso dura 60 minutos

aproximadamente en este tiempo las moléculas se estabilizan y se homogeniza la

misma dureza en toda la pieza después de este tiempo las piezas son enfriadas

haciendo circular aire a temperatura ambiente, una vez templadas pasan a la

siguiente operación que es el enderezado.

2.2.2.4 Proceso de enderezado

El enderezado es un proceso muy antiguo, en la revolución industrial hace algunos

siglos se tuvo la necesidad de enderezar el metal. Existen un par de técnicas para

corregir las deformaciones, dependiendo de las dimensiones y características de las

piezas a procesar, una de las más usadas y económicas es el martillado la cual consiste

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en golpear con determinada fuerza una zona específica con deformación. Conforme

avanzo el desarrollo de partes se implementó una prensa hidráulica con varios pares

de rodillos metálicos girando en contra de la pieza a enderezar Fig. 8.

Figura 8: Prensa con rodillos marca Fives [8]

Otro mecanismo más reciente es el uso de servomotores utilizados para mover el

martillo que golpea a la pieza en la posición necesaria de forma automática.

En Moto Diesel Mexicana S.A. de C.V. el proceso de enderezado consiste en aplicar

una fuerza en puntos estratégicos de la flecha para reducir la curvatura existente en

ellas [9].

Actualmente, la empresa cuenta con maquinaria automática de marca extranjera en

la cual el operador coloca la pieza e inicia el ciclo, la maquina hace un barrido de la

pieza haciéndola girar en su mismo eje por medio de un servomotor el cual por medio

de su encoder incremental rotatorio se conoce la posición exacta de giro. La prensa

automática tipo “C” está equipada con varios transductores tipo sonda de

transformador con diferencial variable lineal (LVDT) por sus siglas en inglés, los cuales

tienen como principio de operación: que cambio en la posición del elemento rotor

modifica el acoplamiento electromagnético entre los devanados primario y secundario

[10].

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Estas sondas (LVDT) están en contacto indirecto con el semieje y transforman la señal

mecánica en un diferencial de tensión (VDC) la cual después de ciertos

acondicionamientos electrónicos es procesada por dos computadoras las cuales por

medio de un algoritmo determina la deformación de la flecha.

Desarrollos tecnológicos recientes están empleando diferentes métodos ópticos para

medir sin contacto [11] la deformación de las piezas, uno de ellos es el uso de láser

para determinar la estructura geométrica, medición en línea, acabado final, etc. Estas

nuevas tecnologías proveen varias ventajas aunque también requieren de ambientes

más limpios para operar de manera óptima.

Si la pieza tiene un grado de deformación aceptable en los límites previamente

establecidos procede a realizar el cálculo para determinar la posición y ángulo donde

otro servomotor haciendo la función de un martillo aplica una fuerza determinada

flexionando la flecha varias veces, una vez que termina de aplicar la fuerza vuelve

hacer un barrido de comprobación de linealidad si la pieza está completamente

alineada acaba la operación, el operador retira la pieza, en caso contrario el equipo

vuelve a calcular y se repite el proceso.

Se tienen identificados los tres factores que causan distorsión o deformación en las

flechas [12]:

1. Tratamiento térmico.

2. Resultado de los procesos de fabricación.

3. Manejo de materiales.

El control del enderezado (puntos de alineación, como la fuerza necesaria) resulta

complicado por medio del control clásico, como controladores PID (Proporcional-

Integral-Derivativo), o el restringido dominio de la lógica booleana 0 y 1.

En el proceso de enderezado intervienen varias teorías como: vigas curvas,

deformación plástica y recuperación elástica, ya que son necesarias para determinar

la fuerza, longitud y ángulo para corregir la desalineación de la misma.

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La posición exacta y fuerza aplicada imponen un ajuste interactivo de cada una de

ellas, de esta forma surge la necesidad de desarrollar un controlador multivalente

basado en la teoría de vigas curvas.

Para producir piezas lineales es necesario provocar una deformación permanente en el

elemento estructural. Se requiere tomar en cuenta las propiedades elásticas y plásticas

del material, así como su recuperación elástica [13] dicha deformación será calculada

por medio de un modelo matemático previamente diseñado en [13] presentado más

adelante.

En la Fig. 9 se muestra que si un elemento estructural se carga de forma tal que

sobrepasa su zona elástica, aunque durante el proceso de carga alcance un nivel de

deformación, al momento de retirar la carga habrá una recuperación elástica [13].

Figura 9: Relación esfuerzo – deformación en un proceso de enderezado

Dónde:

: Esfuerzo normal

pl: Esfuerzo plástico

y: Esfuerzo de cedencia

pl: Deformación plástica

y: Deformación en el punto de cedencia

: Deformación relativa

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El modelado analítico del proceso de enderezado se ha desarrollado para elementos

estructurales esbeltos, como barras y guías lineales [15 – 16] y cigüeñales [16], así como

para sistemas complejos como rotores de turbinas de vapor [17], entre otros, derivado

de la teoría de vigas de Timoshenko como en [18] un modelo matemático para

predecir la recuperación elástica en el rolado de hojas metálicas, basado en la

deformación plástica de la misma teoría.

2.2.2.4.1 Vigas curvas

La teoría de vigas de Timoshenko es muy conveniente para el estudio de la flexión de

miembros esbeltos, para tomar en cuenta la deformación por cortante y los efectos de

inercia rotacional [19].

Más adelante en este documento se presenta el modelo matemático [13] el cual

servirá de base para el desarrollo del algoritmo de control. El comportamiento de una

viga en flexión se representa por una ecuación diferencial de cuarto orden, en la

deducción de la ecuación diferencial de segundo orden se toman en cuenta

relaciones deformación – desplazamiento para deformaciones pequeñas, la variación

de la deformación cortante a través de la sección transversal por efecto de la rotación

de la sección, así como el principio del trabajo virtual y la energía de deformación

interna [20- 21].

Para el caso de estudio, representado en la Fig. 10, la flexión de una viga de longitud L,

simplemente apoyada en ambos extremos, y sometida a una carga puntual P al

centro, se puede predecir mediante este modelo.

Figura 10: Modelo de viga simplemente apoyada con carga puntual al centro

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2.2.2.4.2 Deformación plástica

Se puede definir como una característica del comportamiento de tensión permanente

el cual inicia cuando la deformación elástica termina, cuando la carga resulta ser

suficiente para desplazar los átomos a una nueva posición originando una nueva

variación en la estructura y por lo tanto en las propiedades del metal.

En la figura 11 se muestra la alteración de la estructura del grano de un metal poli

cristalino SAE1050M como resultado de una deformación plástica:

Figura 11: Estructura de grano después de una deformación plástica

El resultado final que se pretende obtener en el proceso de enderezado es una flecha

con el grado de linealidad y dureza requerida, con la restricción que al momento de

estar flexionando la flecha no se debe sobrepasar su límite de flexibilidad ya que de ser

así se podrá fisurar de manera externa o interna el material, este a su vez es

normalmente inspeccionado por varias técnicas de ultrasonido pero las pequeñas

grietas externas no son muy sensibles para detectarlas por esta técnica por lo que

existen otros métodos como corrientes de Foucault también llamadas corrientes de

Eddy[21].

De acuerdo con Rüdiger Rentsch y Ekkard Brinksmeier es posible usar un software de

simulación basado al método de elementos finitos (FEM) DEFORM 3D el cual

proporciona una herramienta para el análisis de la flexión de material. Para este

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propósito ordinario los elementos geométricos pueden ser colocados en un plano de

referencia elegido, que se deforma de acuerdo con la deformación de la malla. Este

análisis puede llevarse a cabo a lo largo del desarrollo de un proceso de formación,

pero también en reversa. Los mismos autores confirman que los parámetros de forja

típicos que influyen en las características de flujo de materiales son: fricción de la

herramienta, diseño de la herramienta, pieza de trabajo y la distribución de

temperatura [22].

2.2.2.4.3 Recuperación elástica

Cuando una presión de doblado se retira, la energía elástica permanece en la parte

doblada haciendo que esta recobre parcialmente su forma original [2].

De acuerdo con el mismo Autor esta recuperación elástica se define como el

incremento del ángulo comprendido por la parte doblada en relación con el ángulo

comprendido por la herramienta formadora después de que esta se retira.

En la Fig. 12 se puede observar la recuperación elástica en el doblado la cual se

muestra como una disminución en el ángulo de doblado y un incremento del radio de

Rb doblado: (1) durante la operación, el trabajo es forzado a tomar el radio Rb y el

ángulo incluido A´b, ambos están determinados por la herramienta de doblado

(punzón de doblado en V); (2) Una vez que se retira el punzón, el material regresa al

radio R y al ángulo incluido A´. El símbolo F= fuerza de doblado aplicada [2].

Figura 12: Esquema de recuperación elástica

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La recuperación elástica provoca desviaciones en la forma final deseada; Por lo tanto,

después de la recuperación elástica, la pieza puede no estar dentro de los límites de

tolerancia deseados, y ya no puede ser adecuado para el propósito que fue diseñado

[23].

La recuperación elástica se abordará a partir del análisis geométrico de la flexión de

una viga, antes y después de la carga [13].

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CAPÍTULO 3. PROCEDIMIENTO DE INVESTIGACIÓN

Para el desarrollo del algoritmo de control de enderezado es necesario realizar las

siguientes actividades:

Comprensión del proceso actual.

Identificación de hardware y software.

Definición de modelo matemático.

Pruebas de control.

3.1 COMPRENSIÓN DEL PROCESO ACTUAL

Para desarrollar la tecnología de enderezado de flechas es necesario conocer y

entender el proceso de corrección de rectitud que actualmente realizan las

enderezadoras de origen extranjero dentro de las instalaciones de Moto Diesel

Mexicana S.A. de C.V. para ello es necesario revisar la generalidad de funcionamiento

documentada en el manual de uso proporcionado por el fabricante.

Es necesario realizar un estudio en campo con los ciclos necesarios para entender el

funcionamiento de las máquinas automáticas con las que cuenta la empresa; Con el

cual se determinaran las técnicas y teorías involucradas en el proceso como lo son:

vigas curvas, recuperación elástica, y deformación plástica.

Es importante conocer la forma y dimensiones de la flecha las cuales son: Longitud: 900

mm y Diámetro: 40 mm, Fig. 2; Así como las características y requerimientos específicos

de desalineación por parte del cliente los cuales se muestran en la tabla 3.1.

Tabla 3.1: Medidas límites de desalineación de la pieza

Medición Lado

Brida Centro

Lado

Rolado Unidades

Antes de

Enderezado 1.5 5 1.5

Milímetros Después de

Enderezado 0.125 1.5 0.125

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Los datos obtenidos del estudio se muestran en el apartado de resultados en las tablas

4.1 a la 4.4.

3.2 HARDWARE Y SOFTWARE

Para la identificación de los instrumentos necesarios se procede a verificar el sistema de

captura actual el cual se conforma por cinco sensores de alineación los cuales captan

la falta de linealidad de las flechas de manera indirecta por medio de sensores tipo

sonda los cuales son vendidos de manera directa por el fabricante del equipo.

En la Fig.13 se muestra el diagrama generalizado del equipo extranjero donde se

puede observar la interacción de dos computadoras industriales las cuales procesan la

señal de salida de las sondas y la envía a la otra la cual opera como interface de

usuario.

Figura 13: Diagrama de control de enderezadora automática

Se realizó la investigación para identificar un sensor que tuviera las características

necesarias para sustituir los ofrecidos por el fabricante original, con lo cual se encontró

el modelo: WG/10/SJ marca: Solartron Fig. 14, con un costo 50% menor.

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Figura 14: Sonda axial marca Ametek Solartron [8]

Dicho transductor internamente contiene un transformador diferencial de variación

lineal (LVDT) por sus siglas en inglés, el cual convierte una señal mecánica y envía

señales analógicas como salida para su procesamiento en el algoritmo de control.

Se determinó un sistema de medición conformado por 3 sondas ubicadas en los puntos

clave del semieje marcados en las especificaciones mencionadas anteriormente. Una

vez que se conoce el tipo y magnitud de señal eléctrica que nos proporcionan los

sensores como se muestra en el anexo A, podemos elegir la tarjeta de adquisición de

datos más apropiada para procesar dichas señales.

Después de analizar varias opciones se eligió la tarjeta de adquisición de datos marca

National Instruments® Modelo NI-USB-6009, mostrada en la Fig. 15, así como su

diagrama de conexiones mostrado en el anexo B.

Figura 15: Tarjeta DAQ

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Características generales:

8 entradas analógicas (14 bits, 48 kS/s).

2 salidas analógicas (12 bits a 150 S/s), 12 E/S digitales.

Energizado por bus y conectividad de señal integrada.

Compatible con LabVIEW, LabWindows™/CVI y Measurement Studio.

Se determina que el algoritmo de enderezado debe ser programado en alguna

interface en este caso se eligió LabView® de National Instruments.

“LabView® es una herramienta de programación gráfica, originalmente este programa

estaba orientado para aplicaciones de control de equipos electrónicos usados en el

desarrollo de sistemas de instrumentación, lo que se conoce como instrumentación

virtual.” [24].

Como parte fundamental del control se requiere una PC con adaptación industrial

para instalar la tarjeta de adquisición de datos así como el desarrollo del algoritmo en

LabView™ 2010 de National Instruments ®.

Características generales de la PC:

Procesador Pentium® 4 a 3.2 GHz.

Memoria RAM de 2 GB.

Monitor LCD con Resolución 1024 x 768.

Mouse y teclado usb compatible con Microsoft.

Sistema operativo Windows 7 versión Profesional.

El proceso de medición de la desalineación de la flecha consiste en hacer girar en su

propio eje la flecha y por medio de un soporte como se muestra en el anexo C,

adaptar una barra de carburo la cual fungirá como palpador encargado de transmitir

la deformación a la sonda, por lo cual se diseñó y fabricó un soporte como se muestra

en el anexo D, con sistema de balancín mostrado en el anexo E a el cual se pueda

integrar la sonda de medición como se muestra en la Fig. 16.

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Figura 16: Sistema de balancín y sonda

Para realizar el giro se integró a la enderezadora manual un motor de DC Modelo:

4Z133B Marca: Dayton al cual se le adaptó un par de engranes diseñados como se

muestra en los anexos F y G para transmitir movimiento a el contrapunto que a su vez

por medio de un arrastrador proporciona las revoluciones a la flecha como se muestra

en la Fig. 17. Para conocer la posición angular de la flecha la cual es una característica

fundamental del proceso de enderezado se requiere de un encoder rotativo de tipo

absoluto y se optó por el modelo: H25 Marca: BEI Sensors Fig. 18.

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Figura 17: Conjunto de motor, encoder y contrapunto

Figura 18: Encoder Rotativo

Para el control del ciclo en motor y aplicación en LabView® se integró un PLC Modelo:

FX3SA Marca: Mitsubishi Fig. 19.

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Figura 19: PLC FX3SA

Una vez identificado todo el hardware como se muestra en la Fig. 20 así como el

software instalado en la PC se procedió al desarrollo de la aplicación en LabView™

2010 de National Instruments ®.

Figura 20: Diagrama general de control

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El algoritmo se forma de dos secciones principales: enderezado y calibración. Como

primer paso en la interfaz de calibración Fig. 21 y 22 se tiene que colocar una pieza

master, previamente enderezada y rectificada para realizar el ajuste entre las tres

sondas del sistema; esto se hace por medio de un tornillo de ajuste ubicado en el

balancín que está en contacto directo con la pieza por medio de la barra de carburo

como se muestra en la Fig. 16. Una vez calibrado las tres sondas se procede a

establecer y guardar los límites de cada una de las sondas conforme a la tabla 3.1.

Figura 21: Interfaz de calibración del sistema

Figura 22: Código para pestaña de calibración del sistema

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En la interfaz de enderezado se optó por dividir el algoritmo en cuatro etapas a las

cuales se les llama estados ya que la operación de la interfaz está basada en máquina

de estados como se muestra en la Fig. 23.

Figura 23: Diagrama en máquina de estados del algoritmo

Una vez que se tiene el diagrama de secuencia se desarrolla la interface que contiene

gráficamente las tres sondas, posición angular de la flecha, el estado en que se

encuentra el algoritmo, así como la sonda auxiliar que indica en el estado de

enderezado la distancia que está aplicando la prensa para flexionar la flecha y

corregir su desalineación como se muestra en la Fig. 24.

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Figura 24: Interfaz principal de aplicación de enderezado

Para el enlace entre el encoder y la aplicación de LabView® es necesario programar

el siguiente código en la aplicación de código abierto Arduino versión 1.6.12 e

instalarlo en la placa Arduino UNO Fig. 25. Una vez cargado el código en la tarjeta

Arduino se procede a programar la comunicación serial en LabView® como se

muestra en la Fig. 26.

//DIGITALIZACIÓN DE PULSOS DE UN ENCODER ABSOLUTO:

//MARCA: BEI

//MODELO H25D-SS-360-ABZ

//DE 360 PULSOS

//JMMT 04 NOV 2016

int long PinA = 4; //Asignacion de pin de entrada A en el arduino

int long PinB = 7; //Asignacion de pin de entrada B en el arduino

int long Pos = 0;

int last = 0;

int n = 0;

float grados=0;

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void setup() {

pinMode (PinA,INPUT);

pinMode (PinB,INPUT);

Serial.begin (115200); }

void loop() {

n = digitalRead(PinA);

if ((last == 0) && (n == 1)) {

if (digitalRead(PinB) == 0) {

Pos--;

if (Pos<=0) {

(Pos=360); }

grados = Pos; }

else {

Pos++;

if (Pos>360) {

(Pos=1); }

grados = Pos; }

Serial.println (grados); }

last = n; }

Figura 25: Placa Arduino UNO

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Figura 26: Código para posición angular con encoder

Para la comunicación entre la tarjeta de adquisición de datos y la PC es necesario

configurar por medio del asistente de DAQ como se muestra en la Fig. 27.

Figura 27: Configurar de DAQ

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Una vez configurado el tipo, rango y posición de entrada se señal se procede a

programar el manejo de señales después del DAQ como se muestra en la Fig. 28.

Figura 28: Código de adquisición de señales para medición

Para conocer cual sonda detecta mayor deformación es necesario programar el

código de la tabla 3.2 dentro de un nodo de formula en el estado de cálculo como se

muestra en la Fig. 29 dentro de la interfaz en LabView®.

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Tabla 3.2: Lógica para determinar el inicio y posición de enderezado

if( (p1<l1) && (p2<l2) && (p3<l3) )

r1=4;

Se compara medición de las sondas contra

los límites establecidos si todo está dentro de

los limites la pieza es aceptada.

if ((p1>l1) && (p2>l2) && (p3>l3) )

r1=2;

Si al comparar las tres mediciones están

fuera de límite se inicia el enderezado en el

punto número dos.

if ((p1>l1) && (p2<l2) && (p3<l3) ) Se determina si el punto de medición

número uno es el mayor. r1=1;

if ((p1<l1) && (p2>l2) && (p3<l3) ) Se determina si el punto de medición

número dos es el mayor. r1=2;

if ((p1<l1) && (p2<l2) && (p3>l3) ) Se determina si el punto de medición

número tres es el mayor. r1=3;

if ((p1>l1) && (p2>l2) && (p3<l3) ) Se determina si el punto de medición

número uno y dos son los mayores se inicia el

enderezado en el punto número dos.

if (p1>p2)

r1=1;

else

r1=2;

if ((p1>l1) && (p2<l2) && (p3>l3) ) Se determina si el punto de medición

número uno y tres son los mayores se inicia el

enderezado en el punto número tres.

if (p1>p3)

r1=1;

else

r1=3;

if ((p1<l1) && (p2>l2) && (p3>l3) ) Se determina si el punto de medición

número dos y tres son los mayores se inicia el

enderezado en el punto número dos de lo

contrario se inicia el en el punto número tres.

if (p2>p3)

r1=2;

else

r1=3;

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38

Figura 29: Código para el estado de cálculo

Como estado final del proceso visto en el diagrama de máquina de estados Fig. 23 es

el enderezado en el cual se mide la distancia maxima que alcanza la flecha, una vez

alcanzada la aplicación manda regresar el cilindro hidraulico como se muestra en ala

Fig.30.

Figura 30: Código para enderezado

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39

3.3 MODELO MATEMÁTICO

Es necesario adaptar en la aplicación de control el modelo matemático definido a

partir de teoría de vigas de Timoshenko desarrollado en el artículo como parte

fundamental de este proyecto citado en [13].

Para el caso de estudio, representado en la Fig. 10, la flexión de una viga de longitud L,

simplemente apoyada en ambos extremos, y sometida a una carga puntual P al

centro, se puede predecir mediante la siguiente ecuación diferencial de segundo

orden:

(1)

Donde

Integrando dos veces la Ec. (1) y haciendo las consideraciones de frontera

y(0) = y(L) = 0, se tiene que:

(2)

La deflexión máxima, al centro de la viga, está dada por:

(3)

La aplicación progresiva de una carga o un momento flexionante sobre la viga,

provoca que las fibras externas se sometan a esfuerzos de tensión y compresión.

Mientras el esfuerzo sea menor al esfuerzo de cedencia del material, sy, se dice que se

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40

trabaja en la zona elástica y la deformación e< ey, por lo que la viga puede recuperar

su forma original una vez que se retiran las cargas. En caso de que el esfuerzo alcance

el esfuerzo de cedencia del material sy, asociado a un momento My, la deformación e

> ey pero el esfuerzo permanece constante e igual a sy, bajo la consideración de que

el material es un elastoplástico perfecto. Este proceso se ilustra en la Fig. 31, en donde

se muestra el comportamiento elástico Fig. 31(a), el punto de cedencia, Fig. 31(b), la

plastificación parcial Fig. 31(c) y la plastificación total Fig. 31(d).

Figura 31: Comportamiento elastoplástico en una sección sometida a cargas

flexionantes

Para calcular el momento plástico Mp, considere que el esfuerzo de cedencia, y,

presente en la sección transversal, tanto de tensión como de compresión, es generado

por una fuerza F que actúa sobre la sección semicircular de la barra, tal como se

muestra en la Fig. 32.

(4)

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41

Donde es el área de la sección transversal circular.

Si consideramos que:

Para una sección circular de diámetro D, donde c = D/2, e I =D4/64:

El momento de cedencia My, está dado por:

(5)

Figura 32: Análisis de equilibrio en la sección plástica

Considerando que las fuerzas F provocan un momento igual a Mp, cuando actúan en

el centroide de la sección semicircular, como se muestra en la Fig. 32:

(6)

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42

Donde es la distancia del centroide de la sección semicircular.

Considerando las ecs. (4), (5) y (6):

(7)

Entonces,

(8)

La relación dada por la ec. (8) significa que el material puede soportar un momento

flexionante 70% mayor al momento de cedencia, en la zona plástica, debido al

endurecimiento por deformación, antes de la falla.

La recuperación elástica se abordará a partir del análisis geométrico de la flexión de

una viga, antes y después de la carga. La curvatura de una viga sometida a flexión,

está dada por:

(9)

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43

Figura 33: Geometría de la flexión en una viga

Analizando la Fig. 33, la flexión de la viga hará que la superficie A’B’ disminuya mientras

que la superficie F’G’ aumente; esto hace pensar que existe una superficie D’E’ que

permanece sin cambio, conocida como superficie neutra. La longitud de esta

superficie está dada por:

R = R’ (10)

Si ’ = + , el cambio de curvatura de la superficie neutra causado por el momento

flector M está dado por:

(11)

Adicionalmente,

(12)

La ec. (12) muestra que el radio de la viga aumenta cuando ésta se libera de la carga,

debido a la recuperación elástica del material.

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44

El eje neutro no coincide con el centroide de la sección, debido a la distorsión de la

misma durante la flexión, como se ilustra en la Fig. 33(b). La diferencia, e = rc – rn, está

aproximada por:

(13)

También se puede utilizar la siguiente expresión:

(14)

Ahora, si se considera que la recuperación elástica genera un desplazamiento radial ,

en el centro de la viga curva, dado por la siguiente expresión:

R’ – R = (15)

Entonces:

(16)

Recordando la ec. (12):

(17)

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45

Bajo el supuesto de que el radio de curvatura de la viga es constante, éste se puede

determinar geométricamente a partir de la Fig. 34, de la cual se puede deducir la

siguiente ecuación:

(18)

Figura 34: Geometría de una sección circular

Tomando en consideración la identidad trigonométrica y la

longitud del arco circular s = 2R, se obtiene la siguiente ecuación no lineal, de la que

se puede obtener el radio de curvatura R en términos de la longitud de la viga, s, y la

deflexión máxima al centro, . Esta ecuación se puede resolver por iteraciones:

(19)

También se puede aplicar el método de los tres puntos, descrito en [25]. Para esto se

considera que el arco descrito por la viga curva pasa por tres puntos P1(x1, y1), P2(x2, y2)

y P3(x3, y3). Puesto que los tres puntos son parte de una circunferencia, estos deben

satisfacer la siguiente ecuación canónica del círculo, de centro (h, k) y radio r:

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46

(20)

Sustituyendo las coordenadas de cada uno de los tres puntos en la ecuación 20, se

obtiene un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas, h, k y z2:

(21)

Dónde:

El sistema de ecuaciones simultáneas (21) se puede resolver por cualquier método

conocido, para encontrar las coordenadas del centro (h, k) y el radio r.

La flexión necesaria para enderezar una viga curva deberá ser suficiente para vencer

la resistencia elástica, la resistencia plástica y el desplazamiento en , descritas

anteriormente. De esta manera:

(22)

Combinando las ecs. (3), (8) con la distancia entre eje neutro y eje centroidal, se

obtiene la siguiente expresión para calcular la deformación causada por una carga

puntual P al centro de la barra:

(23)

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47

Retomando la Ec. (5), se establece la siguiente relación:

(24)

Considerando las Ec. (23) y (24), la carrera máxima, en función del esfuerzo de cedencia

del material, para evitar la falla sería la siguiente:

(25)

Sustituyendo los siguientes valores los cuales serán constantes mientras se use un

semieje de iguales dimensiones como se muestra en la Ec. (26).

L: 900 mm

E: 200GPa

D: 40 mm

y: 0.58Gpa

(26)

En este punto la incógnita restante para determinar la carrera máxima de enderezado

(max) es la distancia entre el eje neutro y el eje centroidal (e) para la cual se desarrolla

la siguiente lógica la cual es parte del cálculo dentro de la interfaz en LabView®:

/cálculo de distancia//

C1=0;

if (R1==1)

REF= (P2+P3) /2;

C1=P1 -REF;

if (R1==2)

REF= (P1+P3) /2;

C1=P2 -REF;

if (R1==3)

REF= (P1+P2) /2;

C1=P3 -REF;

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48

3.4 PRUEBAS DE CONTROL

En la empresa Moto Diesel Mexicana S.A. de C.V. se cuenta con una prensa hidráulica

manual modelo: PPS-100 marca CESARE GALDABINI en desuso Fig. 35 la cual se adaptó

para hacer mediciones con las cuales se realiza el estudio así como base para las

pruebas experimentales del algoritmo.

Figura 35: Prensa hidráulica manual en desuso

Una vez preparadas las adaptaciones mecánicas electrónicas y de control en la

enderezadora manual se procede a hacer pruebas con diez flechas con las cuales se

requiere hacer el mismo estudio que se realiza en la enderezadora que está operando

actualmente, con la diferencia de que la medición en este caso se realiza con los

sensores marca: Ametek y el control por medio de la aplicación desarrollada en

LabView® como se muestra en la Fig. 36y 37.

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49

Figura 36: Prensa hidráulica manual con nuevas adaptaciones

Figura 37: Aplicación y adaptaciones en ciclo de operación

Para comprobar el funcionamiento correcto del algoritmo desarrollado es necesario

realizar varios ciclos donde el cilindro hidráulico de la prensa aplique determinada

fuerza a la pieza y así corregir la falta de linealidad como se muestra en la Fig. 38.

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50

Figura 38: Esquema de enderezado

Es necesario colocar y sujetar la flecha por medio de los contrapuntos he oprimir el

botón de inicio, la flecha gira dos revoluciones, el sistema calcula en cual posición

presenta mayor deformación y en el ángulo que se debe colocar, de forma manual se

necesita desplazar la mesa de la enderezadora en la posición indicada una vez

estando en posición se gira la pieza para ubicarla en los grados indicados por el

control, posteriormente se activa el movimiento del cilindro hidráulico para provocar la

deformación sobre la flecha.

Una vez terminado con todas las posiciones marcadas con deformaciones fuera de

límite es necesario hacer una medición para determinar si la pieza cumple con los

requerimientos mínimos de linealidad, de ser así el ciclo termina, de lo contrario la

aplicación vuelve a informar los datos fuera de tolerancia y el operador deberá repetir

el ciclo.

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51

CAPÍTULO 4. RESULTADOS

El estudio se realizó a 10 piezas las cuales se miden antes y después de la operación en

la máquina enderezadora automática de origen extranjero de igual manera como

método de comparación se estudió el mismo número de muestras con el equipo y

algoritmo propuestos; Las lecturas de ambos estudios se toman en los dos extremos y en

el centro de la barra sobre un banco de medición como se ilustra en la Fig. 39 se

requiere un indicador de carátula milimétrico modelo: 2124S-10 marca: Mitutoyo.

Figura 39: Esquema de banco de medición

Tabla 4.1: Medición antes de enderezado equipo extranjero

Unidad de medida (mm)

No. L- Brida Centro L-Rolado

1 1.228 2.197 0.576

2 0.363 0.517 0.128

3 0.188 1.228 0.333

4 0.692 1.902 0.835

5 0.283 0.862 0.474

6 0.466 0.547 0.221

7 0.949 1.55 0.322

8 0.605 3.14 0.383

9 1.808 5.182 0.942

10 0.526 1.497 0.284

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Tabla 4.2: Medición después de enderezado equipo extranjero

Unidad de medida (mm)

No. L- Brida Centro L-Rolado MAX FLEXIÓN

1 0.42 0.378 0.64 18

2 0.181 0.438 0.2 12

3 0.81 0.1042 0.17 13

4 0.125 0.953 0.114 17

5 0.114 0.276 0.184 9

6 0.188 0.127 0.63 11

7 0.87 0.782 0.144 17

8 0.229 1.132 0.152 18

9 0.209 0.441 0.302 19

10 0.138 0.92 0.261 14

No toca la flecha en esta posición.

Es necesario procesar las piezas dos ciclos.

Se puede observar en base a los resultados que existe una oportunidad de mejora en

los puntos extremos de la flecha ya que algunas ocasiones es necesario repetir el ciclo

para que el equipo pueda corregir la desalineación como es el caso de la flecha

número cuatro y seis de este estudio.

Uno de los hallazgos más importantes en este estudio fue cuando finaliza el ciclo, la

flecha es enderezada correctamente y se vuelve a ingresar la misma flecha con una

posición desfasada 180 grados de su posición inicial y se somete a otro ciclo,

teóricamente la repetitividad del equipo volvería a identificar la flecha como

aceptada por el contrario el equipo procesa nuevamente dicha flecha.

Se realiza el siguiente estudio con el mismo número de piezas que el del equipo de

origen extranjero pero ahora utilizando el equipo y algoritmo propuesto en este trabajo

los resultados obtenidos se muestran en las tablas 4.3 y 4.4.

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53

El algoritmo implementado proporciona al usuario tres datos:

1. Posición con mayor deformación.

2. Ángulo con la mayor deformación.

3. Distancia requerida para enderezado.

Tabla 4.3: Medición antes de enderezado con algoritmo propuesto

Unidad de medida (mm)

No. L- Brida Centro L-Rolado

1 1.002 4.75 0.888

2 0.893 5.956 1.233

3 1.214 4.233 1.2

4 2.132 5.477 2.73

5 1.9 3.988 0.941

6 1.478 3.748 2.51

7 0.824 4.265 1.24

8 0.486 4.525 1.02

9 1.14 3.258 1.2

10 1.7 5.256 1.47

Tabla 4.4: Medición después de enderezado con algoritmo propuesto

Unidad de medida (mm)

No. L- Brida Centro L-Rolado

1 0.135 1.48 0.12

2 0.127 1.522 0.1

3 0.12 1.498 0.125

4 0.114 1.5 0.124

5 0.127 1.45 0.12

6 0.121 1.49 0.111

7 0.1 1.484 0.099

8 0.125 1.5 0.124

9 0.132 1.482 0.12

10 0.128 1.462 0.12

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54

Analizando los resultados de manera gráfica podemos observar en la Fig. 40 lado brida

y lado rolado y Fig. 41 lado centro, varias flechas están fuera del límite run-out permitido

para ingresar al proceso de enderezado, como se establece en el apartado de

“comprensión del proceso actual” en la Tabla 3.1, los límites máximos son 1.5 y 5.0

milímetros respectivamente; Para este estudio se define someter todas las piezas al

proceso de enderezado.

Figura 40: Gráfico de puntos de medición antes de enderezado con algoritmo

propuesto

Figura 41: Gráfico de puntos de medición antes de enderezado con algoritmo

propuesto

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

L- Brida L-Rolado Max

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Centro Max

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Una vez que se termina de procesar las diez piezas se realiza la comprobación con el

mismo método de medición, graficando los valores se puede observar en Fig. 42 que la

mayoría de los puntos están dentro del límite, tres puntos marginales al máximo de

aceptación el cual es de 0.125 milímetros y 02 puntos equivalentes a un 10%

sobrepasando los 0.130 milímetros de falta de linealidad.

Figura 42: Gráfico de puntos de medición después de enderezado con algoritmo

propuesto

Analizando con el mismo esquema los resultados obtenidos después del enderezado

en el centro de la flecha se observa un buen comportamiento ya que solamente una

de las piezas equivalente al 10% está fuera del rango permitido Fig. 43 y los datos de

éstas no son elevados con respecto al límite máximo de 1.5 milímetros como se muestra

en el anexo H en las tolerancias dimensionales.

Este resultado es aprobatorio en los estándares de Moto Diesel Mexicana S.A. de C.V. el

cual puede asegurar que las piezas cumplen con los requisitos de calidad.

0.09

0.095

0.1

0.105

0.11

0.115

0.12

0.125

0.13

0.135

0.14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

L- Brida L-Rolado Max

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56

Figura 43: Gráfico de puntos de medición después de enderezado con algoritmo

propuesto

1.44

1.45

1.46

1.47

1.48

1.49

1.5

1.51

1.52

1.53

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Centro Max

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57

CONCLUSIONES

El desarrollo del algoritmo de control para corregir la falta de linealidad existente

después del proceso de temple en las flechas es un ejemplo claro de la utilidad de la

modelación de sistemas físicos para encontrar soluciones adecuadas, técnica y

económicamente factibles, a problemas de la industria. El equipo que estuvo en

desuso por no contar con misma tecnología ya es de utilidad para Moto Diesel

Mexicana S.A. de C.V. como un banco de re trabajo o como un dispositivo de

inspección de runout en flechas.

El estudio en campo fue determinante para comprender el funcionamiento del equipo

de origen extranjero así como sus dispositivos y componentes electrónicos con lo que el

departamento de mantenimiento está mejor capacitado para la detección y

corrección de fallas o paros de estos equipos, minimizando los tiempos de paro que

afectan la salida de material o paro de línea.

El modelo matemático es capaz de calcular la distancia necesaria para sobrepasar la

propiedad flexionante del material con el que está constituida la flecha y provocar un

cambio sin llegar a fisurar y tocar la barrera de la ruptura.

El desarrollo de la aplicación en la plataforma LabView® define la posición angular con

mayor deformación gracias a la robustez del software y hardware que se integró para

diseñar las características particulares para dicho propósito.

Se considera una elección de remplazo los transductores marca: Ametek por su

comportamiento lineal, buena resolución, menor costo y la ventaja adquirir estos

sensores directamente con el fabricante y no generar costos extra por triangulación

con terceros.

Para validar la tercera hipótesis de este trabajo se realizaron pruebas a cinco piezas

para determinar el número de golpes de enderezado y distancia máxima antes de

fisurar el material, y así encontrar un método alterno al utilizado por los equipos de

origen extranjero el cual es un detector de fisuras marca Qass mostrado en el anexo I;

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58

Por lo cual se usó un bando de inspección por ultrasonido marca Krautkramer mostrado

en el anexo J, las pruebas no revelaron presencia de fisuras internas es necesario usar

algún otro método no destructivo para validar todas las flechas procesadas así como

una investigación más extensa para poder corroborar esta hipótesis.

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59

APORTACIÓN DE LA TESIS

Las aportaciones de esta investigación representan beneficios importantes en tres

aspectos: económico, tecnológico y de conocimiento. En el aspecto económico se

logró aprovechar un equipo en desuso, la instrumentación empleada es de menor

costo a los equipos que se tienen actualmente instalados. En el ámbito tecnológico, se

cuenta con mayor capacidad instalada para enderezado de flechas, con tecnología

propia. En el aspecto del conocimiento, la empresa posee conocimiento propio para

entender el fenómeno de enderezado, el equipo de trabajo está mejor preparado

para entender, procesar y resolver este tipo de problemas, o similares, en la planta.

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60

RECOMENDACIONES

Como etapa futura se pretende automatizar todo el equipo de enderezado lo cual

requiere movimiento integral de husillo principal, accionamiento de contrapuntos,

movimiento de mesa principal y accionamiento de prensa.

El husillo deberá contar con un servo control para procesar la posición angular exacta

a diferencia del actual el cual es de forma manual. Los contrapuntos pueden ser

accionados por un par de actuadores neumáticos los cuales serán controlados por el

control principal. La mesa actual se desliza sobre unos rodamientos para obtener un

movimiento automático: es necesario incorporar un tornillo de bolas así como el

acoplamiento de un motor de CA con capacidad para mover toda la mesa y el peso

del semieje, con esta mejora el sistema deberá ser capaz de posicionar la pieza en uno

de los tres puntos de enderezado. El algoritmo actual condiciona el pedal para activar

o desactivar la prensa hidráulica; Se pretende que dependiendo de varias condiciones

el sistema tenga el control directo de la válvula que habilita el cilindro convirtiendo

todo el sistema en un equipo automático de enderezado con lo cual el operador solo

tendrá que colocar el semieje en el equipo y oprimir el botón de arranque de ciclo.

Para la implementación de estos sistemas de movimiento así como los sensores

inductivos de confirmación, es necesario realizar un estudio ya que el sistema cuenta

con dispositivos dimensionados para el alcance del proyecto.

Por otro lado es necesario adicionar sistemas como barras de presencia para

garantizar la seguridad y evitar cualquier riesgo al operador.

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61

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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253.

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ANEXOS

ANEXO A Especificaciones técnicas de la sonda WG/10/SJ

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ANEXO B

Diagrama de conexión de DAQ

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ANEXO C Diseño de soporte para palpador

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ANEXO D Diseño de soporte de sonda

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ANEXO E

Diseño de balancín

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ANEXO F

Diseño de engrane para motor

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ANEXO G Diseño de engrane para contrapunto

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ANEXO H Tolerancias dimensionales del semieje

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ANEXO I Detector de fisuras marca QASS

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ANEXO J Detector de fisuras marca Krautkramer USN 60