UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
IMPLEMENTACIÓN DE UNA MÁQUINA DISPARADORA DE
BALONES DE FÚTBOL PARA TESTEO DE CALIDAD
.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
WILLIAN HERNÁN VÁSQUEZ LLORI
DIRECTOR: FAUSTO FREIRE PhD.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 2200036529
APELLIDO Y NOMBRES: Vasquez Llori Willian Hernán
DIRECCIÓN: Eloy Alfaro y San Miguel
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 062881149
TELÉFONO MOVIL: 0998679345
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Implementación de una máquina
disparadora de balones de fútbol para
testeo de calidad
AUTOR O AUTORES: Willian Hernán Vásquez LLori FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
03 de Agosto del 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Fausto Freire PhD
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Mecatrónico
RESUMEN: Mínimo 250 palabras En el presente proyecto se ha diseñado e implementado una máquina disparadora de balones de fútbol para testeo de calidad, en la cual el operario podrá ingresar el número de veces que se desea lanzar los balones al área de colisión y la velocidad con que estos son lanzados. Se inició eligiendo el sistema de propulsión de los objetos esféricos en base a que este debería lanzar los balones a diferentes velocidades según se necesite. Se determinaron las opciones óptimas para que la máquina funcionara correctamente. Se realizó un modelo 3D de la máquina con el fin de conocer la disposición correcta de los
elementos y sus medidas exactas.
Se diseñó el sistema mecánico, eléctrico y de control aplicando la metodología del modelo en V para el diseño de sistemas mecatrónicos. Para la implementación de la máquina se dimensionaron los diferentes componentes del sistema, y se proformaron las diferentes opciones del mercado. Se procedió a la fabricación de los elementos estructurales de la máquina diseñada para después montar los motores, actuadores eléctricos, los sensores y finamente el sistema de control. Se procedió a realizar las pruebas para comprobar el correcto funcionamiento de la máquina, en base a los protocolos previamente establecidos, con el fin de observar el cumplimiento de los objetivos planteados para el presente proyecto, logrando pasar las pruebas con satisfacción, de esta manera se obtuvo una máquina que cumplía con los requerimientos para los cuales fue diseñada.
PALABRAS CLAVES: Mecatrónico, sistema propulsor, control, sinergia, diseño, modelo 3D
DEDICATORIA
A mi madre, a mi padre y a mi abuelita porque siempre confiaron en mí, por su cariño, por sus palabras en los momentos difíciles, por su esfuerzo, porque son el motivo por el cual nunca me di por vencido. Porque tengo la dicha de tenerlos junto a mí y verlos sonreír, se lo dedico a ellos que tanto han esperado este momento.
AGRADECIMIENTO
A mi prima Karen, a mi primo Vinicio y a mi tía Josefina por su apoyo, por su compañía, porque siempre han sido buenos conmigo.
A los Ingenieros Fausto Freire, Luis Hidalgo y Vladimir Bonilla por toda la ayuda brindada durante mi paso por la universidad y el desarrollo de este proyecto.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN……….vii
ABSTRACT………..viii
1. INTRODUCCIÓN 2. MARCO TEÓRICO 2.1. MÁQUINAS DISPARADORAS DE OBJETOS ESFÉRICOS ... 3
2.1.1. SISTEMAS DE PROPULSIÓN DE OBJETOS ESFÉRICOS ... 3
2.1.1.1. Sistema de propulsión de objetos esféricos por aire comprimido ... 4
2.1.1.2. Sistema de propulsión de objetos esféricos por almacenamiento de energía elástica (Tipo catapulta) ... 5
2.1.1.3. Sistema de propulsión de objetos esféricos por rodillos giratorios ... 6
2.2. DISEÑO MECÁNICO DEL SISTEMA DISPARADOR DE BALONES POR RODILLOS GIRATORIOS ... 8
2.2.1. PROCESO DE DIMENSIONAMIENTO DE MOTORES PARA SISTEMAS DE PROPULSION POR RODILLOS GIRATORIOS 8 2.2.2. DISEÑO DEL EJE DEL RODILLO GIRATORIO ... 9
2.2.3. DISEÑO DEL BASTIDOR DE LA MÁQUINA DISPARADORA DE BALONES ... 11
2.2.3.1. Vigas ... 12
2.2.3.2. Columnas ... 16
2.3. SELECCIÓN DE MATERIALES ... 18
2.4. PRINCIPIOS DE SOLDADURA ... 18
2.5. DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA ... 19
2.6. MOTORES ELÉCTRICOS ... 19
2.6.1. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA ... 20
ii
2.6.1.2. Tipos de arranque de motores trifásicos ... 21
2.7. ARRANQUE CON VARIADOR DE FRECUENCIA ... 22
2.7.1. VARIADOR DE FRECUENCIA ... 22
2.7.1.1. Composición de los variadores de frecuencia ... 23
2.7.1.2. Métodos para llevar a cabo la variación e inversores ... 24
2.8. SISTEMAS DE PROTECCIÓN ELÉCTRICA ... 26
2.9. SISTEMAS CAJA NEGRA ... 26
2.9.1. SISTEMAS DE MEDICIÓN ... 27
2.9.2. SISTEMA DE CONTROL ... 28
2.9.2.1. Sistema de control en lazo abierto ... 28
2.9.2.2. Sistema de control de lazo cerrado ... 29
2.10. CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES ... 30
2.10.1. CAMPOS DE APLICACIÓN ... 31
2.10.2. VENTAJAS E INCONVENIENTES ... 32
2.10.3. CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES ... 33
2.10.4. ESTRUCTURA DE UN PLC ... 34
2.10.4.1. Procesador ... 35
2.10.4.2. Memoria ... 35
2.10.4.3. Entradas y salidas ... 36
2.10.4.4. Alimentación de Voltaje ... 37
2.10.4.5. Módulo de comunicación ... 37
2.10.4.6. Equipos o unidades de programación ... 37
2.11. SENSORES ... 38
2.11.1. SENSORES OPTOELECTRONICOS ... 39
2.12. INTERRUPTOR DE POSICIÓN ... 40
2.13. SISTEMAS HMI ... 40
3. METODOLOGÍA 3.1. LA METODOLOGÍA VDI (PARALELA)... 42
iii
3.2.1. REQUERIMIENTOS ... 43
3.3. DISEÑO DEL SISTEMA ... 44
3.3.1. DISEÑO DE LOS SUBSISTEMAS ... 44
3.3.1.1. Diseño Mecánico ... 44
3.3.1.2. Diseño Electrónico ... 44
3.3.1.3. Diseño de Control ... 45
3.4. INTEGRACIÓN DEL SISTEMA ... 45
3.5. VALIDACIÓN DEL SISTEMA Y PROTOCOLO DE PRUEBAS ... 45
4. DISEÑO 4.1. CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR ... 47
4.2. Diseño del eje del rodillo giratorio ... 48
4.3. Diseño del bastidor de la máquina ... 53
4.3.1. DISEÑO DE LAS VIGAS DEL BASTIDOR ... 53
4.3.2. DISEÑO SOPORTE DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN ... 64
4.3.2.1. Columna de soporte (vertical) ... 64
4.3.2.2. Columna de soporte (inclinada) ... 68
4.4. Dimensionamiento eléctrico y electrónico ... 72
4.4.1. MOTOR TRIFÁSICO ... 72
4.4.2. VARIADOR DE FRECUENCIA ... 73
4.4.3. PLC ... 74
4.4.4. HMI ... 75
4.4.5. FUENTE DE VOLTAJE DC... 76
4.5. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL... 77
4.5.1. IMPLEMENTACIÓN DEL DIAGRAMA DE FLUJO ... 78
4.5.1.1. Programa de control ... 78
4.5.1.2. Configuración de comunicación entre la PC y el PLC ... 81
4.5.2. CONFIGURACIÓN DEL VARIADOR DE FRECUENCIA ... 95
4.5.2.1. Puesta en marcha del variador de frecuencia ... 95
iv
5.1.1. INSPECCIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO ... 102 5.1.2. PRUEBAS DEL SISTEMA DE CONTROL ... 102 5.1.2.1. Prueba del control de velocidad ... 102 5.1.2.2. Prueba del sistema de detección y conteo de balones
lanzados ... 104 5.1.2.3. Prueba de apagado ... 104 5.1.2.4. Tiempo que demora la máquina en realizar un número
determinado de lanzamientos ... 104 5.1.2.5. Comparación con parámetros establecidos por la FIFA ... 105
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
v
ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1. Características del motor trifásico ... 72
Tabla 2. Características del variador de frecuencia ... 73
Tabla 3. Características del PLC ... 74
Tabla 4. Características de la pantalla HMI ... 75
Tabla 5. Características de la fuente ... 76
Tabla 6. Configuración de parámetros del variador ... 98
Tabla 7. Macros de conexión para el modo de operación Cn005... 100
Tabla 8. Costos de elementos para la fabricación de la maquina ... 101
Tabla 9. Prueba de control de velocidad ... 103
Tabla 10. Prueba de lanzamiento de balones ... 104
Tabla 11. Duración de ciclos de operación de la máquina ... 105
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ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Máquina disparadora de balones. ... 3
Figura 2. Máquina disparadora de pelotas por aire comprimido ... 4
Figura 3. Máquina lanzadora de pelotas tipo catapulta ... 5
Figura 4. Sistema de propulsión de pelotas por rodillo giratorio ... 6
Figura 5. Máquina disparadora de balones de futbol con dos rodillos ... 7
Figura 6. Máquina disparadora de pelotas por bandas ... 7
Figura 7. Sistema hibrido de lanzamiento de pelotas de tenis ... 8
Figura 8. Ruta de diseño para elementos de máquina. ... 12
Figura 9. Viga empotrada en sus extremos con una carga ... 14
Figura 10. Viga empotrada en sus extremos sometida a un momento .... 15
Figura 11. Diversas formas de soldadura de filete ... 18
Figura 12. Representación de una pieza modelada en 3D ... 19
Figura 13. Código para pedido de motores ... 20
Figura 14. Motor de inducción trifásico ... 21
Figura 15. Variadores SIEMENS Sinamics V20 ... 22
Figura 16. Estructura interna del variador de frecuencia ... 25
Figura 17. Ejemplo de un sistema ... 26
vii
Figura 19. Ejemplo de un sistema de control ... 27
Figura 20. Un sistema de medición y los elementos que lo forman ... 28
Figura 21. Sistema de control lazo abierto ... 29
Figura 22. Sistema de control en lazo cerrado ... 30
Figura 23. PLC Logo Siemens ... 31
Figura 24. Estructura Básica de un PLC ... 34
Figura 25. Sensor optoelectrónico FESTO ... 39
Figura 26. Sensores tipo fin de carrera ABB ... 40
Figura 27. Pantalla táctil Siemens HMI ... 41
Figura 28. Metodología paralela para el desarrollo mecatrónico... 42
Figura 29. Carga aplicada al eje de transmisión en el eje X ... 49
Figura 30. Momento generado en el eje de transmisión en el eje X ... 50
Figura 31. Cortante generado en el eje de transmisión en el eje X... 50
Figura 32. Carga aplicada al eje de transmisión en el eje Y ... 50
Figura 33. Momento generado en el eje de transmisión en el eje Y ... 51
Figura 34. Cortante generado en el eje de transmisión en el eje Y... 51
Figura 35. Factor de seguridad del eje obtenido mediante FEA ... 53
Figura 36. Diagramas en la viga lateral izquierda ... 56
Figura 37. Diagramas en la viga lateral derecha ... 61
viii
Figura 39. Columna de soporte vertical ... 65
Figura 40. Factor de seguridad de la columna obtenido mediante FEA ... 68
Figura 41. Columna de soporte inclinada ... 69
Figura 42. Factor de seguridad de la columna obtenido mediante FEA ... 71
Figura 43. Motor eléctrico trifásico ... 72
Figura 44. Variador usado en la máquina ... 73
Figura 45. PLC LOGO utilizado como controlador ... 74
Figura 46. HMI usado para dar órdenes al sistema ... 75
Figura 47. Fuente de poder usada para alimentar el PLC y HMI ... 76
Figura 48. Diagrama de distribución de los equipos eléctricos ... 77
Figura 49. Programa de control implementado en el PLC ... 79
Figura 50. Bloque de entrada de red (Control On/Off de motores) ... 79
Figura 51. Bloque de entrada digital (Paro de emergencia) ... 80
Figura 52. Conjunto de bloques para el conteo de balones ... 80
Figura 53. Bloques de red conectados a las salidas del PLC ... 80
Figura 54. Configuración del protocolo IPV4 de red del computador ... 81
Figura 55. LOGO! Soft Comfort V8 Conexiones de Ethernet ... 82
Figura 56. Configuración de conexión de Ethernet para el PLC ... 82
Figura 57. Configuración del servidor y del cliente ... 83
Figura 58. LOGO! Soft Comfort V8 (Configuración de red) ... 83
ix
Figura 60. Comunicación correcta entre el computador y el PLC ... 84
Figura 61. LOGO! Soft Comfort V8 (Transferencia PC a Logo ) ... 85
Figura 62. Conexión del PLC ... 85
Figura 63. Pantalla de nuevo proyecto TIA Portal V13 ... 86
Figura 64. Pantalla de vista de proyecto ... 86
Figura 65. Selección del HMI KTP400 ... 87
Figura 66. Pantalla de trabajo con HMI KTP400 ingresado ... 87
Figura 67. Configuración general del HMI ... 88
Figura 68. Configuración de conexión del dispositivo ... 88
Figura 69. Pantalla de asignación de conexión al PLC ... 89
Figura 70. Pantalla de configuración de variables ... 89
Figura 71. Interfaz gráfica diseñada para el HMI KTP400 ... 90
Figura 72. Botón en el panel de programación visual de TIA portal ... 91
Figura 73. Bloque campo de entrada ingresado en la programación ... 91
Figura 74. Bloque imagen animada para determinar estado de salida .... 92
Figura 75. Barra de conexión online con el HMI ... 93
Figura 76. Pantalla de carga de programa ... 93
Figura 77. Vista final del programa implementado en el HMI ... 94
Figura 78. Conexión del PLC con el HMI ... 94
Figura 79. Tabla de funciones del BOP del variador Simatic V20 ... 95
x
Figura 81. Diagrama de bloques para la configuración del variador ... 97
Figura 82. Parámetros de configuración ... 98
Figura 83. Esquema de funcionamiento de la función Cn005 ... 99
Figura 84. Tablero de control de la maquina ... 100
xi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Diagrama de flujo ... 110
i
RESUMEN
En el presente proyecto se ha diseñado e implementado una máquina disparadora de balones de fútbol para testeo de calidad. Este dispositivo permite al operario ingresar mediante una pantalla HMI el número de veces que se desea lanzar los balones al área de colisión y la velocidad con que estos son lanzados. El desarrollo del trabajo comenzó por definir el sistema de propulsión de los objetos esféricos, que debería lanzar los balones a diferentes velocidades según se necesite. Se determinaron las opciones óptimas para que la máquina funcionara correctamente. Se realizó un modelo 3D de la máquina con el fin de conocer la disposición correcta de los elementos y sus medidas exactas.
ii
ABSTRACT
In the present project it is designed and implemented a shooter footballs machine for quality testing, in which the operator can enter the number of times that he want to throw balls to the area of collision and the speed with which these are launched . The project began choosing the propulsion system of the spherical objects on the basis that this should throw balls at different speeds as needed. Optimal choices were determined for the machine to work properly. A 3D model of the machine are performed in order to know the correct arrangement of the elements and their exact measurements.
1
El futbol, es el deporte más conocido a nivel mundial. El elemento indispensable para poder practicarlo es el balón, el cual debe poseer ciertas características que brinden comodidad y seguridad a quienes adquieren este producto y practican este deporte.
La manera en que se logra esto es a través de ciertas pruebas de calidad que en su mayoría se realizan con máquinas diseñadas específicamente para este fin.
En el Ecuador se fabrican balones de manera artesanal e industrial, sin embargo los controles de calidad realizados en estos productos son mínimos en comparación a los ejecutados por fabricas extranjeras, además de que la mayoría de los balones no cumplen las condiciones de la FIFA para su uso en competiciones, por lo que la producción nacional se ve reducida a un mercado local no profesional.
Una de las razones por la que no se llevan a cabo las pruebas de calidad necesarias dentro de las industrias nacionales, es por la falta de equipos especializados para este fin, debido a que su costo es considerable y las ofertas en el mercado muy limitadas. Por este motivo se planteó el diseño e implementación de la máquina disparadora de balones, para ofrecer a las industrias nacionales una opción que cubra la necesidad de garantizar la calidad de los balones producidos, dar un valor agregado al producto y cumplir con los estándares requeridos por la FIFA.
Como objetivo general se planteó lo siguiente:
Implementar una maquina disparadora de balones de fútbol para el control de calidad de estos.
Para lograr el objetivo general se deben cumplir los siguientes objetivos específicos:
Diseño de la estructura mecánica de la maquina disparadora de balones.
Diseño del sistema de recepción y propulsión de balones.
2
Realizar pruebas con la máquina para verificar su correcto funcionamiento.
Con los objetivos desarrollados se planteó el alcance del proyecto:
3
En una gran variedad de deportes intervienen los objetos esféricos, existen ejemplos como el futbol, baloncesto, tenis, baseball, etc. Por ende para que se desarrolle el juego sin problemas la pelota debe cumplir ciertos estándares de calidad que son comprobados con diferentes máquinas y una de ellas son las pruebas de impacto, que por lo general se las realiza con máquinas que lanzan la pelota (Figura 1. Máquina disparadora de balones.) a un objetivo un gran número de veces (FIFA, 2016).
Figura 1. Máquina disparadora de balones.
(FIFA, 2016)
2.1.1. SISTEMAS DE PROPULSIÓN DE OBJETOS ESFÉRICOS
Existen diferentes sistemas para la propulsión de estos objetos y son: a) Por presión de aire.
b) Por compresión y descompresión de resortes. c) Por mecanismo catapulta.
d) Por rodillos giratorios.
4
al sistema y los costos de fabricación y operación de la máquina.
2.1.1.1. Sistema de propulsión de objetos esféricos por aire comprimido
Este sistema (Figura 2) consta de un elemento cilíndrico el cual en un extremo esta sellado y por el otro se encuentra abierto, dentro del cilindro se coloca el elemento a ser lanzado. El cilindro se divide en dos partes, en una se coloca el elemento a ser lanzado y en la otra se almacena aire hasta una presión deseada por medio de un compresor de aire, estas dos partes están conectadas por una válvula de apertura rápida que permite salir el aire almacenado empujando la pelota a gran velocidad. El problema con este tipo de máquinas es que se necesita de un compresor de aire para su funcionamiento el cual después de cada lanzamiento toma mucho tiempo en recargarse, además de que el mismo orificio de entrada de la pelota es usado para el lanzamiento de la misma, esto hace que el tiempo entre un lanzamiento y otro sea muy largo, esto es poco recomendable en aplicaciones donde se realizan un gran número de lanzamientos (Estados Unidos Patente nº US 6,202,636 B1, 2001).
Figura 2. Máquina disparadora de pelotas de tenis por aire comprimido
5
2.1.1.2. Sistema de propulsión de objetos esféricos por
almacenamiento de energía elástica (Tipo catapulta)
Este sistema (Figura 3) usa un motor eléctrico acoplado a un motorreductor que por medio de una cadena hace girar una catalina acoplada a un eje, este eje en uno de sus extremos tiene un mecanismo que al girar logra estirar un resorte helicoidal que almacena energía elástica, y en el otro extremo tiene un elemento en forma de brazo en el cual cae la pelota, este empieza a girar lentamente hasta llegar a un punto en el cual la energía almacenada en el resorte es aplicada al brazo por un pequeño mecanismo tipo palanca haciéndolo girar violentamente así lanzando la pelota con mucha fuerza. Un problema en este tipo de máquina es el desgaste que sufre el resorte helicoidal lo que aumenta el costo en mantenimiento de la máquina, además la maquina es mucho más ruidosa que las que usan otros métodos de propulsión y el tiempo de espera entre un lanzamiento y otro es un poco largo (Sakai & Nakayama, 2012).
Figura 3. Máquina lanzadora de pelotas tipo catapulta
6 2.1.1.3. Sistema de propulsión de objetos esféricos por rodillos giratorios
Existen cuatro tipos principales de esta clase de sistemas de propulsión y son:
a) Con un rodillo giratorio b) Con dos rodillos giratorios c) Por bandas acopladas a rodillos d) Sistemas híbridos
a) Sistema de propulsión con un rodillo giratorio
En este sistema (Figura 4), existe un motor eléctrico acoplado a un rodillo el cual gira a cierta velocidad angular. Un objeto esférico ingresa en un cilindro hueco donde el rodillo giratorio ocupa un pequeño lugar entre la entrada y salida del cilindro que le permita hacer contacto con el balón para así darle un impulso y empujarlo con cierta velocidad por la salida del cilindro. Este tipo de máquina nos brinda ciertas ventajas como un rango amplio de velocidades de lanzamiento, tiempos muy cortos entre un lanzamiento y otro en comparación con los anteriores sistemas, mayor facilidad para la medición de velocidad del objeto lanzado y su costo no es muy elevado debido a que son pocas las partes que lo componen (Heater Sports, 2008).
Figura 4. Sistema de propulsión de pelotas por rodillo giratorio
7 b) Sistema de propulsión con dos rodillos giratorios
Este sistema (Figura 5) con un funcionamiento muy parecido al sistema de un solo rodillo, pero que al tener dos rodillos giratorios nos permite cambiar el sentido de giro del balón según nuestra necesidad haciendo que el balón no solo pueda ser lanzado en línea recta sino que también sea lanzado con trayectorias curvas, esto se logra variando la velocidad de uno o ambos rodillos giratorios. Además permite lanzar balones de mayor masa a mayores velocidades que si se utiliza el sistema de un solo rodillo (GLOBUS, 2011).
Figura 5. Máquina disparadora de balones de futbol con dos rodillos
(GLOBUS, 2011)
c) Sistema de propulsión por bandas acopladas a rodillos
Esta configuración (Figura 6) tiene un funcionamiento muy parecido al anterior, pero en este sistema se aprovecha que el balón tiene un mayor tiempo contacto con el medio propulsor, logrando que el balón además de ser lanzado con gran velocidad, este gire rápidamente describiendo trayectorias curvas difíciles de alcanzar con otros sistemas (Brodbeck & Ullrich, 2008).
Figura 6. Máquina disparadora de pelotas por bandas
8
d) Sistema de propulsión de objetos esféricos por sistemas híbridos
Existen sistemas de propulsión híbridos (Figura 7), en los cuales se busca combinar las ventajas de distintos sistemas. Se los utiliza en aplicaciones específicas como por ejemplo en máquinas de entrenamiento de baseball, donde se busca simular el lanzamiento de la pelota por un brazo humano. Al combinar distintos sistemas suelen ser las más costosas.
Figura 7. Sistema hibrido de lanzamiento de pelotas de tenis
(Estados Unidos Patent No. US 7,806,788 B1, 2010)
Para el diseño y dimensionamiento de los componentes del sistema mecánico que conforman la máquina disparadora de balones por rodillos giratorios es necesario dividir el sistema en varias operaciones que facilitan los cálculos.
2.2.1. PROCESO DE DIMENSIONAMIENTO DE MOTORES PARA SISTEMAS DE PROPULSION POR RODILLOS GIRATORIOS
Es necesario determinar los parámetros de trabajo del sistema, definiendo algunos valores importantes para el diseño y son los siguientes:
9 𝑎 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑦 𝑒𝑙 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜 𝑒𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑙𝑎𝑛𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑉 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑙 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜 𝑒𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑏𝑒 𝑚𝑜𝑣𝑒𝑟𝑠𝑒 𝑒𝑛 𝑚/𝑠 𝑟𝑐 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑔𝑖𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝜇 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜 𝑒𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑦 𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑖𝑙𝑙𝑜
Se procede a determinar la fuerza normal producida por el contacto entre el objeto esférico a ser lanzado y los rodillos giratorios, mediante la siguiente ecuación (Budynas, 2012).
𝐹𝑛 = 𝑃 ∗ 𝑎
2∗ 𝜋 ∗ 2
3 [1]
Conociendo la fuerza normal y el coeficiente de rozamiento se determina la fuerza de rozamiento que se produce entre los rodillos y el balón mediante:
𝐹𝑟 = 𝐹𝑛 ∗ 𝜇 [2]
Con la fuerza de rozamiento y conociendo el radio del rodillo giratorio se puede determinar el torque que necesita el sistema para impulsar el objeto esférico, mediante la ecuación:
𝑇𝑜 = 𝐹𝑟 ∗ 𝑟𝑐 [3]
Para calcular la potencia del motor mediante el torque es necesario determinar la velocidad angular de cada rodillo. Conociendo la velocidad a la que el objeto esférico debe ser lanzado se procede a resolver la siguiente ecuación:
𝜔 = 𝑉
𝑟𝑐 [4]
Una vez determinado el torque y la velocidad angular del sistema se puede obtener la potencia necesaria del motor que brindará el impulso al balón, mediante la siguiente ecuación:
𝑃𝑚 = 𝑇𝑜 ∗ 𝜔 [5]
2.2.2. DISEÑO DEL EJE DEL RODILLO GIRATORIO
10
transmisión, se usan prácticamente en todas las piezas giratorias de las máquinas para transmitir movimiento de giro y torque de una ubicación a otra. Para el diseño de este elemento de maquina es necesario seguir el siguiente procedimiento:
Determinar la velocidad de giro del eje.
Determinar la potencia o el par torsional que debe transmitir el eje a los diferentes elementos que lo conforman.
Determinar las fuerzas, reacciones y posición de los elementos sobre el eje.
Disponer la forma general de los detalles geométricos del eje, es decir si existen cambios en los diámetros del mismo en donde se puedan concentrar los esfuerzos.
Determinar la magnitud del par torsional que se desarrolla en cada punto de interés dentro del eje.
Determinar las fuerzas que actúan sobre el eje, en dirección radial y axial.
Determinar las fuerzas cortantes y momentos flexionantes, para observar la distribución de momentos sobre el eje.
Seleccionar el material de fabricación del eje y verificar su condición de elaboración. Conocer la resistencia ultima, la resistencia a la fluencia y el porcentaje de elongación del material seleccionado.
Determinar un esfuerzo de diseño adecuado, contemplando la forma de aplicar la carga.
Analizar los puntos críticos del eje, y determinar el diámetro mínimo aceptable del eje en los diferentes puntos de carga.
Especificar los diámetros finales para cada sección del eje, determinar los valores de tolerancia y los acondicionamientos para las uniones con los diferentes elementos del eje.
(Mott, 2006)
11
que está actuando sobre el mismo, analizando los puntos críticos donde se encuentran distribuidos los elementos, existen dos fórmulas generales, el primer caso cuando el punto del eje está sometido a una torsión y a una flexión se aplica la siguiente formula:
𝐷 = [32𝑁
𝜋 √[ 𝐾𝑡𝑀 𝑆′𝑛] 2 +3 4[ 𝑇 𝑆𝑦] 2 ] 1/3 [6] Donde: 𝐷 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑚
𝑁 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒, 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 2
𝐾𝑡 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑔𝑒𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒
𝑆′𝑛 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑃𝑎 𝑀 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑁𝑚
𝑇 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑁𝑚
𝑆𝑦 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑃𝑎
El segundo caso es cuando solo existe una fuerza cortante en el punto analizado del eje:
𝐷 = √2.94𝐾𝑡𝑉𝑁
𝑆′𝑛 [7]
Donde:
𝑉 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑁
(Mott, 2006)
2.2.3. DISEÑO DEL BASTIDOR DE LA MÁQUINA DISPARADORA DE BALONES
12
explicados a continuación.
2.2.3.1. Vigas
Una viga es todo elemento el cual este sometido a cargas transversales a su eje. Dichas cargas producen dos tipos de esfuerzos en la viga, uno de estos esfuerzos es el esfuerzo normal que se manifiesta como compresión o tensión. Para su diseño es necesario determinar algunas características del elemento y las cargas aplicadas mediante el uso de la ruta de diseño (Figura 8) (Mott, 2006).
Figura 8. Ruta de diseño para elementos de máquina.
(Mott, 2006).
Para el uso del caso G, para esfuerzos normales fluctuantes o Método de Goodman es necesario resolver las siguientes ecuaciones:
𝐾𝑡∗ 𝜎𝑎
𝑆′𝑛 +
𝜎𝑚 𝑆𝑢 =
1
13 Donde: 𝐾𝑡 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜𝑠 𝜎𝑎 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑒𝑛 𝑃𝑎 𝑠′𝑛 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑃𝑎 𝜎𝑚 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑃𝑎 𝑠𝑢 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑃𝑎 𝑁 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
O si se tienen esfuerzos cortantes fluctuantes la ecuación a usarse es la siguiente: 𝐾𝑡∗ 𝜏𝑎 𝑆′𝑛 + 𝜏𝑚 𝑆𝑢 = 1 𝑁 [9] Donde: 𝜏𝑎 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑒𝑛 𝑃𝑎 𝜏𝑚 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑃𝑎
El esfuerzo alternativo está dado por:
𝜎𝑎 =𝜎𝑚𝑎𝑥 − 𝜎𝑚𝑖𝑛
2 [10]
𝜎𝑚 =
𝜎𝑚𝑎𝑥 + 𝜎𝑚𝑖𝑛
2 [11]
El esfuerzo nominal aplicado se calcula mediante:
𝜎 =𝑀
𝑆 [12]
Donde
𝜎 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑃𝑎
𝑀 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑁 ∗ 𝑚
𝑆 = 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑚3
14
usa la siguiente ecuación:
𝑆′𝑛 = 𝑆𝑛 ∗ 𝐶𝑚 ∗ 𝐶𝑠𝑡 ∗ 𝐶𝑟 ∗ 𝐶𝑠
[13] Donde:
𝑆𝑛 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑃𝑎
𝐶𝑚 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
𝐶𝑠𝑡 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜
𝐶𝑟 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑
𝐶𝑠 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛
La resistencia a la fatiga se calcula mediante:
𝑆𝑛 = 0.5 ∗ 𝑆𝑢 [14]
𝑆𝑢 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑃𝑎
(Mott, 2006)
Para determinar las reacciones que actúan sobre la viga se usarán las siguientes formulas:
Por tablas, viga empotrada en ambos extremos con una carga puntual (Figura 9).
Figura 9. Viga empotrada en sus extremos con una carga
(Sakai & Nakayama, 2012)
𝑅𝑎 =𝑊
𝑙3 ∗ (𝑙 − 𝑎)2∗ (𝑙 + 2𝑎) [15]
𝑅𝑏 =𝑊𝑎
2
𝑙3 ∗ (3𝑙 − 2𝑎) [16]
𝑀𝑎 =−𝑊𝑎
15
𝑀𝑏 =−𝑊𝑎
2
𝑙2 ∗ (𝑙 − 𝑎) [18]
𝑀𝑚𝑎𝑥 =2𝑊𝑎
2
𝑙3 ∗ (𝑙 − 𝑎)2 [19]
𝑅𝑎 = 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑜 𝑖𝑧𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑅𝑏 = 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑟𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑀𝑎 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑜 𝑖𝑧𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑀𝑏 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑟𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑊 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑙 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑎 = 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑒𝑙 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑜 𝑖𝑧𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑎 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠
Por tablas, viga empotrada en ambos extremos sometida a un momento (Figura 10).
Figura 10. Viga empotrada en sus extremos sometida a un momento
(Sakai & Nakayama, 2012)
𝑅𝑎 =6𝑀𝑜𝑎
𝑙3 ∗ (𝑙 − 𝑎) [20]
𝑅𝑏 = −𝑅𝑎 [21]
𝑀𝑎 =𝑀𝑜
𝑙2 ∗ (𝑙2− 4𝑎𝑙 + 3𝑎2) [22]
𝑀𝑏 =−𝑀𝑜
𝑙2 ∗ (3𝑎
2− 2𝑎𝑙) [23]
𝑀𝑚𝑎𝑥1=
−𝑀𝑜
𝑙3 ∗ (4𝑎𝑙2− 9𝑎2𝑙 + 6𝑎3− 𝑙3) [24]
𝑀𝑚𝑎𝑥2 =
−𝑀𝑜
16 𝑀𝑚𝑎𝑥1 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 1 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝑀𝑚𝑎𝑥2 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 2 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝑀𝑜 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑒𝑛 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝑎 = 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑒𝑙 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑜 𝑖𝑧𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑔𝑎 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑎 𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒
𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠
La viga está sometida a una carga y a un momento, para su análisis se utilizará el principio de superposición, en el cual en primer lugar debemos analizar la viga como si solo se encuentra sometida a una carga puntual, después analizar la viga como si solo se encuentra sometida a un momento. Al final sumar los valores obtenidos en ambos casos con su correspondiente reacción para así obtener las reacciones totales presentes en la viga.
2.2.3.2. Columnas
Una columna es un elemento que soporta cargas axiales de compresión, generalmente fallan por pandeo dependiendo de la longitud que tenga el elemento. El pandeo ocurre cuando la columna no tiene la resistencia necesaria para permanecer erguida debido a la acción de la carga.
Para comenzar con el proceso de diseño de una columna es necesario determinar si es corta o larga, normalmente por facilidad de cálculos siempre se inicia el análisis asumiendo que es una columna larga, dependiendo de los resultados se aplican las formulas correspondientes. Se inicia por determinar el valor de carga crítica que soportara la columna:
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 = 𝑃𝑎 ∗ 𝑁 [26]
Donde:
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑒𝑛 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑃𝑎
𝑃𝑎 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑒𝑛 𝑃𝑎
𝑁 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑞𝑢𝑖𝑛𝑎
17
columna, se calcula mediante:
𝑅𝑒 =𝐾 ∗ 𝐿
𝑟𝑚𝑖𝑛 [27]
Donde:
𝑅𝑒 = 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑏𝑒𝑙𝑡𝑒𝑧
𝐾 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎
𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒𝑠 𝑚
𝑟𝑚𝑖𝑛 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑖𝑟𝑜 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑒𝑛 𝑚
También se debe calcular la constante de columna:
𝐶𝑐 = √2 ∗ 𝜋
2 ∗ 𝐸
𝑆𝑦 [28]
Donde:
𝑆𝑦 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑃𝑎
Las condiciones para determinar el tipo de columna son:
𝑆𝑖 𝑅𝑒 > 𝐶𝑐 → 𝐿𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑒𝑠 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑦 𝑠𝑒 𝑢𝑠𝑎𝑟á 𝑙𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝑢𝑙𝑒𝑟
𝑆𝑖 𝑅𝑒 < 𝐶𝑐 → 𝐿𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎 𝑦 𝑠𝑒 𝑢𝑠𝑎𝑟á 𝑙𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝐽𝑜ℎ𝑛𝑠𝑜𝑛
Formula de Euler:
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 =𝜋
2∗ 𝐸 ∗ 𝐼
(𝐾 ∗ 𝐿)2 [29]
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎 𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑃𝑎
Formula de Johnson
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 = 𝐴 ∗ 𝑆𝑦 ∗ [1 −𝑆𝑦 ∗ ((𝐾 ∗ 𝐿)/𝑟)
2
4 ∗ 𝜋2∗ 𝐸 ] [30]
Para el cálculo del radio de giro mínimo se aplica la siguiente ecuación:
18
𝑟𝑚𝑖𝑛 = √𝐼
𝐴
[31]
(Mott, 2006)
La selección de un material para construir un elemento estructural o una parte de una máquina es una decisión muy importante que ayuda a que el proyecto se cumpla satisfactoriamente. Se puede realizar la elección en base a aplicaciones previas que han dado resultados positivos, todo depende de los factores que intervengan y que puedan incidir en el comportamiento del producto. Por nombrar algunos de estos factores se podrían tomar en cuenta la resistencia, el ambiente, el peso, etc. Lo más importante es poder realizar el proyecto con los materiales que se encuentren disponibles y que su costo no exceda el presupuesto (Kalpakjian & Schmid, 2008).
La soldadura es un proceso de unión de materiales en el cual se funden las superficies de contacto de dos o más piezas mediante la aplicación controlada de calor y un material de aporte (Figura 11). En los metales es la forma de unir partes más rápida y que usa menos materiales que otras opciones.
Figura 11. Diversas formas de soldadura de filete
19
Si se va a soldar un ensamble de manera permanente se debe tomar en cuenta ciertas directrices:
Ajustar las piezas que van a ser soldadas, ya que pueden sufrir distorsiones y cambiar las dimensiones del ensamble.
Conocer las características del material a soldar.
Elegir un tipo de electrodo adecuado para el material a soldar.
Escoger amperajes de soldadura adecuados según el tipo y espesor de material.
(Groover, 2007)
El diseño asistido por computadora (CAD, por sus siglas en inglés) como su nombre lo indica es el uso de computadoras que tengan instalado un software especializado para crear planos y modelos 3D de productos (Figura 12). Brinda la ventaja de poder conceptualizar con facilidad el modelo 3D del elemento o sistema deseado y poder realizar cambios en estos en el momento deseado rápidamente, sin tener que comenzar un proyecto desde cero (Kalpakjian & Schmid, 2008).
Figura 12. Representación de una pieza modelada en 3D
(Kalpakjian & Schmid, 2008)
20
mecánica, esto se debe a las corrientes que atraviesan las bobinas generando campos magnéticos que generalmente hacen girar un eje.
Para elegir el motor eléctrico adecuado se debe tener en cuenta algunas características como las que se muestran en la Figura 13:
Tipo de voltaje disponible para alimentar el motor: DC o AC.
Frecuencia de funcionamiento del motor.
Potencia del motor adecuada para su aplicación.
Velocidad nominal del motor.
Tamaño del armazón.
Tipo de protección IP.
Condiciones ambientales.
(Chapman, 2000)
Figura 13. Código para pedido de motores
(SIEMENS, 2007)
2.6.1. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
21 2.6.1.1. Motor de inducción trifásico
Son motores muy eficientes (Figura 14), para poder funcionar necesitan ser alimentados por medio de una fuente trifásica que generalmente se encuentra en el ámbito industrial y no en el doméstico. Una ventaja de estos motores es que puede variarse la velocidad de giro de su eje en función de la frecuencia a la que es alimentado, pudiendo obtener velocidades desde pocas decenas de RPM hasta 100% de la velocidad nominal del motor (Chapman, 2000).
Figura 14. Motor de inducción trifásico
(SIEMENS, 2007)
2.6.1.2. Tipos de arranque de motores trifásicos
El método de arranque a utilizar en estos motores depende de la potencia del motor, del tipo de carga con que va a trabajar y de la aplicación que se le va a dar. La mayoría de estos arranques tienen como fin disminuir la corriente de arranque del motor que puede llegar a ser muy alta pudiendo dañar y dejar inutilizable el motor. Los tipos de arranque son:
Arranque directo.
Arranque con resistencia primaria.
Arranque con autotransformador.
Arranque estrella triangulo.
22
El arranque con variador de frecuencia brinda ventajas en comparación con los demás tipos de arranque, porque además de que permite disminuir la corriente de arranque del motor también se obtiene total control de la velocidad a la que gira el rotor en todo momento. De esta manera aumenta la vida útil del motor ya que no estará sometido a sobrecalentamientos ni a esfuerzos mecánicos bruscos.
Para poder elegir el tipo correcto de variador de frecuencia se toman en cuenta estos datos:
Voltaje disponible en el lugar de aplicación.
Potencia del motor que se va a controlar.
Número de entradas digitales y analógicas. (Chapman, 2000)
2.7.1. VARIADOR DE FRECUENCIA
Los variadores de frecuencia (Figura 15) (siglas VFD Variable Frecuency Drive) permiten controlar la velocidad tanto de motores de inducción (asíncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los motores síncronos mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación al motor.
Figura 15. Variadores SIEMENS Sinamics V20
(SIEMENS, 2007)
23
𝑁𝑚 =120 ∗ 𝑓 ∗ (1 − 𝑠)
𝑃 [32]
Donde:
𝑁𝑚 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑅𝑃𝑀
𝑓 = 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝐻𝑧
𝑠 = 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑖𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑃 = 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠
Como puede verse en las expresiones, la frecuencia y la velocidad son directamente proporcionales, de tal manera que al aumentar la frecuencia de alimentación al motor, se incrementará la velocidad de la flecha, y al reducir el valor de la frecuencia disminuirá la velocidad del eje. Por ello es que este tipo de variadores manipula la frecuencia de alimentación al motor a fin de obtener el control de la velocidad de la máquina
Estos variadores mantienen la razón Voltaje/ Frecuencia (V/Hz) constante entre los valores mínimo y máximos de la frecuencia de operación, con la finalidad de evitar la saturación magnética del núcleo del motor y además porque el hecho de operar el motor a un voltaje constante por encima de una frecuencia dada (reduciendo la relación V/Hz) disminuye el par del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante de salida en el motor.
2.7.1.1. Composición de los variadores de frecuencia
El variador regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una elevación de la corriente que dañaría el motor. Los variadores de frecuencia están compuestos por (Figura 16):
24 b) Etapa intermedia: Existe un filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos.
c) Inversor o "Inverter": Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia variable mediante la generación de pulsos. Actualmente se emplean IGBT´s (Isolated Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión. Los equipos más modernos utilizan IGBT´s inteligentes que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobre corriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos, puesta a masa del motor, sobre temperaturas, etc.
d) Etapa de control: Esta etapa controla los IGBT´s para generar los pulsos variables de tensión y frecuencia. Y además controla los parámetros externos en general, etc.
Los variadores utilizan modulación PWM (Modulación de Ancho de Pulsos) y usan en la etapa rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se usan condensadores y bobinas para disminuir las armónicas y mejorar el factor de potencia a través de cálculos matemáticos.
(Villacís Salazar & Cárate Gutiérrez, 2011)
2.7.1.2. Métodos para llevar a cabo la variación e inversores
De acuerdo al método para variar la velocidad sincrónica de un motor trifásico de corriente alterna, debemos alimentar el motor con una tensión y frecuencia variable, dependiendo de la velocidad que se quiera. Es muy importante tener en cuenta que al modificar la frecuencia que se aplica al estator, es necesario variar la tensión aplicada de la misma forma y en la misma magnitud. Esto se debe hacer para mantener el mismo grado de saturación y densidad de flujo en el entrehierro del motor.
25
existía en el mercado otro tipo de semiconductores que pudieran suministrar las corrientes que estos variadores demandan. Además, este tipo de semiconductores, debiendo ser de potencia, tenían un alto costo. Esta característica hacía casi imposible su empleo en este tipo de equipos para motores de corriente continua.
Figura 16. Estructura interna del variador de frecuencia
(Villacís Salazar & Cárate Gutiérrez, 2011)
Con la llegada de nuevas tecnologías para la fabricación de semiconductores, los tiristores fueron desplazados y en su lugar se fueron utilizando transistores de potencia, MOSFETS de potencia, y últimamente IGBTs.
Uno de los principales problemas que se afrontaban con los tiristores era toda la circuitería paralela que se debía diseñar para su apagado. Además se tenía que emplear un gran número de tiristores dentro del diseño, ya que el control de velocidad para motores de AC prácticamente era dos controles en uno; un control de voltaje para la parte de voltaje de DC y otro para la parte de frecuencia.
26
Son elementos que cumplen la función de proteger y evitar daños en los diferentes dispositivos que forman parte del sistema eléctrico y electrónico. Generalmente los fallos se dan debido a cambios abruptos de voltaje y cortocircuitos. El utilizar estos elementos mejora la disponibilidad de la máquina y costos de reparación, ya que si existe un fallo, bastaría solo con sustituir el elemento de protección dañado por uno nuevo. Los elementos de protección eléctrica se dimensionan en función de la fuente de voltaje que alimenta el circuito y por la corriente a la que funcionan los dispositivos (Bratu & Campero, 2006).
La mecatrónica trabaja con lo que se conoce como sistemas. Un sistema puede concebirse como una caja con una entrada y una salida y de la cual no nos interesa su contenido, sino la relación que existe entre la salida y la entrada. Por ejemplo (Figura 17), un motor se podría considerar como un sistema cuya entrada es la alimentación de energía eléctrica y la salida es la rotación de un eje.
Figura 17. Ejemplo de un sistema
(Bolton, 2006)
27
Figura 18. Ejemplo de un sistema de medición
(Bolton, 2006)
Un sistema de control puede considerarse como una caja negra que sirve para controlar la salida de un valor o secuencia de valores determinados. Por ejemplo, la entrada de un sistema de control de calefacción central domestica (Figura 19) correspondería al valor de la temperatura que se desea tener en el interior de una casa; su salida seria mantener la casa a esa temperatura; es decir, se fija en el termostato o controlador el valor de la temperatura deseada y hay un ajuste en la caldera de modo que el agua bombeada a través de los radiadores produzca la temperatura deseada en la casa (Bolton, 2006).
Figura 19. Ejemplo de un sistema de control
(Bolton, 2006)
2.9.1. SISTEMAS DE MEDICIÓN
En general, puede decirse que los sistemas de medición están formados por tres elementos (Figura 20):
28
2. Un acondicionador de señal que toma la señal del sensor y la manipula para convertirla a una forma adecuada para su presentación visual o, como en el caso de un sistema de control, para que se ejerza una acción de control. Por ejemplo, la salida que se produce un termopar es una fem tan pequeña, que debe alimentarse a través de un amplificador para obtener una señal mayor. El amplificador es el acondicionador de la señal.
3. Un sistema de presentación visual (pantalla o exhibidor) donde se despliega la salida producida por el acondicionador de la señal. Por ejemplo, una aguja que se mueve a través de una escala o lectura digital.
(Bolton, 2006)
Figura 20. Un sistema de medición y los elementos que lo forman
(Bolton, 2006)
2.9.2. SISTEMA DE CONTROL
Un sistema de control es una interconexión de componentes que forman una configuración que proporcionará una respuesta deseada. La base para el análisis de un sistema es el fundamento proporcionado por la teoría de los sistemas lineales, que supone una relación entre la causa y efecto para sus componentes. Por tanto, un proceso que vaya a ser controlado puede representarse mediante un bloque. La relación entrada-salida representa la relación entre causa y efecto del proceso, que a su vez representa un procesamiento de la señal de entrada para proporcionar una señal de salida, frecuentemente con una amplificación de potencia (Dorf & Bishop, 2005).
2.9.2.1. Sistema de control en lazo abierto
29
control se denominan sistema de control en lazo abierto (Figura 21). En otras palabras, en un sistema de control en lazo abierto no se mide la salida ni se realimenta para compararla con una entrada. Un ejemplo práctico es una lavadora. El remojo, el lavado y el centrifugado en la lavadora operan con una base de tiempo. La máquina no mide la señal de salida, que es la limpieza de la ropa.
En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la entrada de referencia. Así, a cada entrada de referencia le corresponde una condición de operación fija; como resultado de ello, la precisión del sistema depende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no realizará la tarea deseada. En la práctica, el control en lazo abierto solo se usa si se conoce la relación entre la entrada y la salida y si no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente que estos sistemas no son de control realimentado. Obsérvese que cualquier sistema de control que opere con una base de tiempo está en lazo abierto. Por ejemplo el control de tráfico mediante señales operadas con una base de tiempo es otro ejemplo de control en lazo abierto.
(Ogata, 2010)
Figura 21. Sistema de control lazo abierto
(Dorf & Bishop, 2005)
2.9.2.2. Sistema de control de lazo cerrado
30
de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación (que puede ser la propia señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas y/o integrales), con el fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor deseado. El termino control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentado para reducir el error del sistema.
Los sistemas de control realimentados no se limitan a la ingeniería, sino que también se encuentran en diversos campos ajenos a ella. Por ejemplo, el cuerpo humano es un sistema de control realimentado muy avanzado. Tanto la temperatura corporal, como la presión sanguínea se conservan constantes mediante una realimentación fisiológica. De hecho, la realimentación realiza una función vital: hace que el cuerpo humano sea relativamente insensible a las perturbaciones externas, permitiendo que funcione de forma adecuada en un entorno cambiante.
(Ogata, 2010)
Figura 22. Sistema de control en lazo cerrado
(Dorf & Bishop, 2005)
31
Figura 23. PLC Logo Siemens
(SIEMENS, 2014)
También se puede definir como un equipo electrónico, el cual realiza la ejecución de un programa de forma cíclica. La ejecución del programa puede ser interrumpida momentáneamente para realizar otras tareas consideradas más prioritarias, pero el aspecto más importante es la garantía de ejecución completa del programa principal.
Estos controladores son utilizados en ambientes industriales donde la decisión y la acción deben ser tomadas en forma muy rápida, para responder en tiempo real. Los PLC son utilizados donde se requieran tanto controles lógicos como secuenciales o ambos a la vez.
2.10.1. CAMPOS DE APLICACIÓN
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo, para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales.
32
la modificación o alteración de los mismos, hace que su eficacia se aprecie principalmente en procesos en que se producen necesidades tales como:
Espacio reducido.
Procesos de producción periódicamente cambiantes.
Procesos secuenciales.
Maquinaria de procesos variables.
Instalaciones de procesos complejos y amplios.
Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.
Ejemplos de aplicaciones generales:
Maniobra de máquinas.
Maquinaria industrial de plástico.
Máquinas transfer.
Maquinaria de embalajes.
Maniobra de instalaciones: instalación de aire acondicionado, calefacción.
Instalaciones de seguridad.
Señalización y control.
2.10.2. VENTAJAS E INCONVENIENTES
Sabemos que no todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones obligan a referirse a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.
Ventajas:
33
capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.
La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega.
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.
Mínimo espacio del tablero donde se instala el autómata programable.
Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías.
Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.
Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado.
Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.
Inconvenientes:
Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido.
El costo inicial de la implementación suele ser elevado.
2.10.3. CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES LÓGICOS
PROGRAMABLES
34 b) PLC modular: Como su nombre lo indica es un dispositivo que se divide en módulos, esto facilita controlar el número de entradas, salidas, tipos de comunicación, tamaños del CPU fuentes de alimentación entre otras características.
Dependiendo de cada PLC la cantidad de módulos puede variar, los más comunes son los módulos de CPU, módulos de entradas digitales, módulos de entradas analógicas, módulos de salidas, módulos de comunicación y módulos de alimentación. El conjunto de estos elementos conforman el PLC. Este tipo de PLC es usado comúnmente en procesos de gran complejidad que necesitan mayor número de entradas y salidas.
2.10.4. ESTRUCTURA DE UN PLC
La estructura básica de un PLC está compuesta por (Figura 24):
Figura 24. Estructura Básica de un PLC
(MICRO, 2010)
La CPU.
Las interfaces de entradas.
35 2.10.4.1. Procesador
Es el “cerebro” del PLC, por aquí pasa toda la información que maneja el dispositivo y es el responsable de la ejecución del programa desarrollado por el usuario.
Tareas Principales:
Ejecutar el programa realizado por el usuario.
Administración de la comunicación entre el dispositivo de programación y la memoria.
Para poder realizar todas estas tareas, el procesador necesita un programa escrito por el fabricante, llamado sistema operativo. Este programa no es accesible para el usuario y se encuentra grabado en una memoria que no pierde la información ante la ausencia de alimentación, es decir, en una memoria no volátil.
2.10.4.2. Memoria
Los PLC tienen que ser capaces de almacenar y retirar información, para ello cuentan con memorias. Las memorias son miles de cientos de localizaciones donde la información puede ser almacenada. Estas localizaciones están muy bien organizadas. En las memorias el PLC debe ser capaz de almacenar:
Datos del Proceso:
Señales de entradas y salidas.
Variables internas, de bit y de palabra.
Datos alfanuméricos y constantes.
Datos de Control:
36
Configuración del autómata.
Tanto el sistema operativo como el programa de aplicación, las tablas o registros de entradas/ salidas y los registros de variables o bits internos están asociados a distintos tipos de memoria.
La capacidad de almacenamiento de una memoria suele cuantificarse en bits, bytes (grupo de 8 bits), o words (grupo de 16 bits).
El sistema operativo viene grabado por el fabricante. Como debe permanecer inalterado y el usuario no debe tener acceso a él, se guarda en una memoria como las ROM (Read Only Memory), que son memorias cuyo contenido no se puede alterar inclusive con ausencia de alimentación.
2.10.4.3. Entradas y salidas
a) Dispositivos de entrada
Los dispositivos de entrada y salida son aquellos equipos que intercambian (o envían) señales con el PLC. Cada dispositivo de entrada es utilizado para conocer una condición particular de su entorno, como temperatura, presión, posición, entre otras.
Entre estos dispositivos podemos encontrar:
Sensores inductivos magnéticos, ópticos, pulsadores, termocuplas, termoresistencias, encoders, etc.
b) Dispositivos de salida
Los dispositivos de salida son aquellos que responden a las señales que reciben del PLC, cambiando o modificando su entorno.
Entre los dispositivos típicos de salida podemos hallar:
Contactores de motor
Electroválvulas
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Generalmente los dispositivos de entrada, los de salida y el microprocesador trabajan en diferentes niveles de tensión y corriente. En este caso las señales que entran y salen del PLC deben ser acondicionadas a las tensiones y corrientes que maneja el microprocesador, para que éste las pueda reconocer. Ésta es la tarea de las interfaces de entrada y salida.
2.10.4.4. Alimentación de Voltaje
La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema. La alimentación a la CPU frecuentemente es de 24 VCC, o de 110/220 VCA. En cualquier caso es la propia CPU la que alimenta las interfaces conectadas a través del bus interno.
La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse, en alterna a 48/110/220 VCA o en continua a 12/24/48 VCC.
2.10.4.5. Módulo de comunicación
Los módulos de comunicación de los PLC hacen referencia a los diferentes protocolos de comunicación con los que trabajan cada modelo de controlador. Van desde lo más simple por ejemplo mediante, serial RS-232, Ethernet, MODBUS, etc. Hasta los sistemas de última tecnología inalámbricos como Wifi o algunos sistemas SCADA. Los módulos de comunicación permiten al usuario la conexión con los equipos o unidades de programación para programar el PLC desde los mismos, además de realizar tareas de control como sistemas de maestro esclavo o comunicación con diferentes equipos de control del sistema mediantes SCADA. Otorgando una gran versatilidad a los equipos al momento de implementarlos dentro de los procesos industriales.
2.10.4.6. Equipos o unidades de programación
