UNIVERSIDAD ANDINA
NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECÁNICA ELÉCTRICADISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO FRESADOR DE
FABRICACIÓN DE PIEZAS Y COMPONENTES DE STOCK
LIMITADO UTILIZANDO EL CONTROL NUMÉRICO
COMPUTARIZADO.
TESIS PRESENTADA POR:
Bach. JUVENAL, TIPULA MAMANI
Bach. ALEX, TIPULA MAMANI
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
DEDICATORIA
Este trabajo de titulación va dedicado primeramente a Dios, por darme fuerzas cada día y concederme una familia maravillosa.
A mi Padre que en vida fué, Teodoro Tipula que desde el cielo está siempre cuidándome y guiándome, a mi Madre Sabina Mamami quienes con su amor, esfuerzo, y cariño han hecho posible que yo esté alcanzando una de mis metas.
A mis Hermanos Orlando, Alex, que siempre han estado junto a mí, brindándome su apoyo y de manera especial a mi Hermanita Martha, quien me apoyó a salir adelante en los momentos más difíciles, muchas veces poniéndose en el papel de padre y madre.
A mi esposa Marizola, por estar siempre a mi lado dándome su apoyo en todo momento, así como a Karol Annelise, Saraí Belen, Elián Gabriel para ustedes con mucho cariño.
DEDICATORIA
Esta tesis está dedicada a:
A mis padres Teodoro y Sabina quienes con su amor, paciencia y esfuerzo me
permitieron llegar a cumplir hoy un sueño muy importante, gracias por iniciar e
inculcar en mí el ejemplo de esfuerzo y valentía, de no temer las adversidades
porque Dios está conmigo siempre.
A mí hermanita Martha, mis hermanos Orlando y Juvenal por su cariño y apoyo
incondicional, durante todo este proceso, por estar conmigo en todo momento
gracias. A toda mi familia porque con sus oraciones, consejos y palabras de
aliento hicieron de mí una mejor persona y siempre me acompañan en todos
mis objetivos y metas.
Finalmente quiero dedicar esta tesis a mí esposa Clotilde, por apoyarme
cuando más las necesito, por extender su mano en momentos difíciles y por el
amor brindado cada día, de verdad mil gracias, siempre las llevo en mi corazón.
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez, la Facultad de Ingenierías y Ciencias Puras, la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica y a los Docentes por compartir sus conocimientos que han sido de mucha utilidad en mi formación profesional.
A mis padres, por el cariño, valor y coraje que han tenido para sacarnos adelante, a pesar de las adversidades, por tus consejos y ánimos; siendo éstos elementos necesarios para alcanzar mis metas.
A mis hermanos que siempre estuvieron siempre a mi lado en todo momento dándome aliento suficiente para levantarme y no dejarme vencer ante las dificultades por las que llegué a pasar.
A mis docentes quienes me apoyaron a lo largo de mi carrera profesional y en especial al Director de la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica Ing. Salvador Teodoro Valdivia Cárdenas, quien me brindó todo su apoyo para la realización de este proyecto.
AGRADECIMIENTOS
En efecto mi gratitud a Dios, quien con su bendición llena siempre mi vida y a
toda mi familia por estar siempre presentes.
Mi profundo agradecimiento a mi alma Mater Universidad Andina Néstor
Cáceres Velásquez, Director de la EPIME Ing. Salvador Teodoro
Valdivia Cárdenas, los docentes y compañeros de
abrirme las puertas y permitirme realizar todo el proceso investigativo dentro de
la Universidad.
De igual manera mis agradecimientos a la Universidad Andina Néstor Cáceres
Velásquez, Facultad de Ingenierías y ciencias puras, a mis docentes en
especial a mi a mi hermano Juvenal, quienes con la enseñanza de sus valiosos
conocimientos hicieron que pueda crecer día a día como profesional, gracias a
cada una de ustedes por su paciencia, dedicación, apoyo incondicional y
amistad.
Fin
el desarrollo de
esta investigación.
i
ÍNDICE GENERAL
CAPÍTULO I
1 ASPECTOS GENERALES ... 2
1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 2
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 2
1.2.1 Problema general ... 2
1.2.2 Problema específico ... 2
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 3
1.3.1 Objetivo general ... 3
1.3.2 Objetivo específico ... 3
1.4 JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO... 4
1.5 LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN ... 5
1.6 HIPÓTESIS ... 6
1.6.1 Hipótesis general ... 6
1.6.2 Hipótesis específico ... 6
Hipótesis específico 1 ... 6
1.6.2.1 Hipótesis específico 2 ... 6
1.6.2.2 Hipótesis específico 3 ... 6
1.6.2.3 1.7 VARIABLES ... 7
1.7.1 Definición conceptual de la variable ... 7
1.7.2 Definición operacional de la variable ... 7
1.7.3 Operacionalización de las variables ... 7
1.7.4 Matriz de las variables ... 8
CAPÍTULO II 2 MARCO TEÓRICO ... 10
2.1 ANTECEDENTES DEL ESTUDIO ... 10
2.2 BASES TEÓRICAS ... 13
2.2.1 Introducción al control numérico computarizado ... 13
2.2.2 Tipos de automatización ... 14
2.2.3 Aplicaciones ... 15
2.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS ... 16
2.3.1 El control numérico computarizado ... 16
2.3.2 La fresadora ... 17
ii
2.3.4 Clasificación de los sistemas de control numérico ... 19
2.3.5 Características básicas de la fresadora CNC ... 21
2.3.6 Flujo de trabajo de la fresadora CNC ... 22
2.3.7 Ventajas y desventajas de la fresadora CNC. ... 23
2.3.8 Diferencias entre una fresadora CNC y la convencional ... 24
CAPÍTULO III 3 METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN ... 27
3.1 TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN ... 27
3.2 DESCRIPCIÓN DEL ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN ... 27
3.3 POBLACIÓN Y MUESTRA ... 27
3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS PARA LA RECOLECCION DE DATOS ... 27
3.5 VALIDEZ Y CONFIABILIDAD DEL INSTRUMENTO DE INVESTIGACIÓN ... 28
3.6 PLAN DE RECOLECCIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS ... 28
CAPÍTULO IV 4 INGENIERIA DEL PROYECTO ... 31
4.1 ARQUITECTURA DEL PROTOTIPO FRESADOR CNC ... 31
4.2 ESTRUCTURA ... 31
4.2.1 Mecanismos ... 32
4.2.2 Motores ... 32
4.2.3 Guías lineales ... 33
4.2.4 Sensores ... 34
4.2.5 Transmisor de movimiento ... 35
4.2.6 Soportes de las guías ... 35
4.2.7 Acoplamientos... 36
4.2.8 Mesa de trabajo ... 36
4.2.9 Sistemas de control ... 37
4.2.10 Alimentación ... 38
4.2.11 Controlador ... 38
4.2.12 Comunicación ... 39
4.2.13 Límites de volumen de trabajo ... 39
4.2.14 Paro de emergencia ... 40
iii
CAPÍTULO V
5 DISEÑO Y CALCULOS JUSTIFICATIVOS ... 43
5.1 DISEÑO MECÁNICO ... 43
5.1.1 Modelo estructural de la máquina ... 43
5.1.2 Sistema estructural ... 43
5.1.3 Cálculo de columnas ... 44
5.1.4 Cálculo de cargas ... 45
5.1.5 Cálculo de vigas ... 51
Cálculo de la viga “X” ... 51
5.1.5.1 Cálculo de la viga “Y” ... 56
5.1.5.2 Cálculo de la viga “Z” ... 59
5.1.5.3 5.1.6 Cálculo del tornillo de potencia ... 59
Cálculo del par de giro requerido ... 61
5.1.6.1 CAPÍTULO VI 6 CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA ... 66
6.1 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA MECÁNICA ... 67
6.1.1 Construcción del eje “X” ... 67
6.1.2 Construcción del eje “Y” ... 68
6.1.3 Construcción del eje “Z” ... 69
6.2 MONTAJE ... 70
6.2.1 Ensamblaje del sistema de movimiento del eje “X” ... 70
6.2.2 Ensamblaje del sistema de movimiento del eje “Y” ... 71
6.2.3 Ensamblaje del sistema de movimiento del eje “Z” ... 72
6.2.4 Ensamblaje del soporte para los motores ... 72
6.2.5 Ensamblaje electrónico ... 72
6.3 SOFTWARE ... 74
6.3.1 Características del software ... 74
6.3.2 Requerimientos mínimos para su instalación ... 74
6.3.3 Procesos de instalación ... 75
6.3.4 Configuración del software ... 77
6.3.5 Configuración de las señales de entrada ... 78
6.3.6 Configuración de las señales de salida ... 79
6.3.7 Configuración de los motores ... 82
iv
CAPÍTULO VII
7 ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 87
7.1 PRUEBAS Y RESULTADOS ... 87
7.1.1 Pruebas en MDF ... 87
7.1.2 Pruebas en acrílico ... 88
CAPÍTULO VIII 8 ANÁLISIS ECONÓMICO ... 90
8.1 COSTO DE DISEÑO ... 90
8.1.1 Costo de los componentes seleccionados ... 90
8.1.2 Costo de implementación del sistema ... 91
8.1.3 Costo total de la máquina CNC ... 91
8.2 VALOR ACTUAL NETO (VAN) ... 92
8.3 TASA INTERNA DE RETORNO (TIR) ... 92
8.4 BENEFICIO COSTO (B/C) ... 93
8.5 RESULTADOS ... 93
CONCLUSIONES ... 96
RECOMENDACIONES ... 97
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 98
v
ÍNDICE DE FIGURAS
CONTENIDO PAG.
2.1 Proceso de fresado ... 13
2.2 Arquitectura general del CNC ... 14
2.3 Sistema punto a punto ... 15
2.4 Sistema de corte directo o lineal ... 15
2.5 Sistema de contorneo ... 16
2.6 Características básicas de una fresadora CNC ... 17
2.7 Diagrama de flujo de funcionamiento de una fresadora CNC ... 18
3.1 Sistema estructural ... 22
3.2 Motores paso a paso ... 23
3.3 Rodamiento lineal a bolas ... 24
3.4 Sensor capacitivo de proximidad ... 24
3.5 Circuito de recirculacion de las bolillas en la tuerca ... 25
3.6 Soporte de guías ... 26
3.7 Acoplamientos flexibles ... 26
3.8 Perfiles acanalados ... 27
3.9 Diagrama del sistema de control de la máquina ... 27
3.10 Fuente de alimentación ... 28
3.11 Controlador 3 ejes toshiba TB6560 ... 28
3.12 Puerto USB ... 29
3.13 Esquema de funcionamiento de los fines de carrera ... 29
3.14 Paro de emergencia ... 30
3.15 Software MACH 3 ... 31
4.1 Modelo de máquina fresadora CNC ... 33
4.2 Columna de la estructura ... 34
4.3 Diagrama de la columna ... 37
4.4 Modelo de vigas del eje X ... 41
4.5 Diagrama de fuerzas cortantes y momentos flexionantes (viga X) ... 42
4.6 Diagrama de fuerzas cortantes y momentos en software (viga X) ... 43
4.7 Modelo de las vigas en el eje Y ... 46
vi
5.1 Diseño de fresadora CNC ... 54
5.2 Estructura del eje x de la fresadora CNC ... 55
5.3 Estructura del eje y de la fresadora CNC ... 56
5.4 Estructura del eje z de la fresadora CNC ... 57
5.5 Ensamblaje del eje x de la fresadora CNC ... 58
5.6 Ensamblaje del eje y de la fresadora CNC ... 59
5.7 Ensamblaje del eje z de la fresadora CNC ... 59
5.8 Ensamblaje de los motores paso a paso ... 60
5.9 Diagrama de conexión de los elementos electrónicos ... 61
5.10 Ventana de instalación del software MATCH 3 ... 62
5.11 Ventana de aceptación de licencia ... 63
5.12 Ubicación del software ... 63
5.13 Proceso de instalación del software MATCH3 ... 64
5.14 Finalización de la instalacion del software ... 64
5.15 Interfaz MATCH 3 ... 65
5.16 Configuración de los pines para los límites ... 66
5.17 Configuración de los pines de emergencia ... 67
5.18 Configuración de los pines de interfaz ... 67
5.19 Ventana de configuración de la máquina ... 68
5.20 Configuración de los pines de motor paso a paso ... 69
5.21 Configuración de las señales de salida ... 69
5.22 Configuración de la señal de salida del husillo... 70
5.23 Configuración de los motores paso a paso ... 72
5.24 Configuración de límites y cero máquina ... 73
6.1 Cuadro modelado en CAD ... 76
6.2 Pruebas de maquinado en MDF ... 77
6.3 Pruebas de maquinado en acrílico ... 77
vii
ÍNDICE DE TABLAS
CONTENIDO PAG.
2.1 Diferencia del cnc y maquina convencional ... 20
2.2 Comparación de fresadora cnc - convencionaL ... 20
3.1 Sistema que comprende la fresadora cnc ... 20
4.1 Densidad de los materiales ... 34
4.2 Peso de los elementos mecánicos calculados ... 36
4.3 Peso de los elementos mecánicos por los fabricantes ... 36
4.4 Carga total que soportan las columnas ... 36
4.5 Peso de piezas y soporte de las vigas del eje X ... 40
4.6 Peso de piezas que soporta las vigas del eje Y ... 45
4.7 Diámetro y longitud de cada eje de la máquina ... 50
6.1 Componentes del eje X... 55
6.2 Componentes del eje Y ... 56
6.3 Componentes del eje Z ... 57
6.4 Código de colores de los cables para la conexión ... 60
6.5 Número de pasos dependiendo del control ... 71
8.1 Materiales utilizados en la construcción de la fresadora CNC ... 74
8.2 Costo de implementación del sistema ... 75
viii
RESUMEN
En nuestra región falta las innovaciones tecnológicas como el automatismo por parte de las empresas que trabajan con madera, acrílico, metales entre otros, en el uso del Control Numérico Computarizado (CNC), en vista que las maquinas CNC comerciales son normalmente cerradas y muy costosas, lo que implica una dependencia de los fabricantes.
Estos problemas nos motivaron a desarrollar la fresadora CNC, donde el usuario pueda realizar con la precisión necesaria tareas tales como: corte de en un plano siguiendo trayectorias predefinidas, perforación, desbaste, fabricación de componentes, entre otras.
Para el diseño se realizó utilizando el software Solid Work para el modelamiento virtual del prototipo, con la metodología que plantea la norma VDI 2225 para el diseño, con lo cual se seleccionaron las mejores alternativas de los componentes, materiales y accesorios mediante un análisis técnico económico apropiado.
Para la construcción e implementación de la máquina se utilizó materiales que están disponibles en nuestra región, excepto de las tarjetas electrónicas y los controladores, por lo que se hizo pedidos a la ciudad de Lima, para la comunicación entre la máquina – computadora se eligió el puerto USB, para que posteriormente pueda ser programado las señales de entrada como de salida con el programa Match3.
ix
ABSTRACT
In our region lack the technological innovations as the automated system by companies working with wood, acrylic, metals among others, in the use of Computer Numerical Control (CNC), given that commercial CNC machines are normally closed and very expensive , implying a manufacturer dependence.
These problems led us to develop the CNC milling machine, where the user can perform with the necessary precision tasks such as cut in a plane along predefined paths, drilling, grinding, component manufacturing, among others.
For the design was performed using the Solid Work software for virtual modeling of the prototype, with the methodology presented by the VDI 2225 standard for the design, making the best alternatives of components, materials and accessories were selected by an economic technical analysis appropriate.
Materials that are available in our region, except for electronic cards and drivers, was used so that orders to the city of Lima, for communication between the machine was made for the construction and implementation of the machine - computer chose the USB port, so that later it can be programmed input signals and output with Match3 program.
x
INTRODUCCIÓN
La investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías es un tema que se desarrolla gran importancia en nuestro país. La presente Tesis muestra el diseño y construcción de un prototipo fresador optimizando la fabricación de componentes con stock cero en nuestra Región utilizando el control numérico computarizado; se trata de una fresadora con desplazamientos automáticos en tres diferentes ejes (X, Y, Z), permitiendo realizar movimientos complejos como círculos, líneas, curvas, diagonales entre otros, mediante el uso de motores paso a paso con su respectivo driver de control y tornillos de bolas recirculantes para la transmisión de movimiento.
La estructura de la máquina se fabricó de material de perfil angular y ángulos de aluminio; tiene un volumen de trabajo de 40 cm en el eje X, 60 cm en el eje Y y 10 cm en el eje Z; se implementó fines de carrera para referenciar la posición cero de la máquina y establecer límites de recorrido, para mayor seguridad y evitar daños al operador como a la máquina.
1
CAPÍTULO I
2
1 ASPECTOS GENERALES
1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
A nivel Mundial los procesos de manufactura se presenta la necesidad de fabricar diferentes piezas y componentes de stock limitado, así mismo en Latinoamérica utilizando para ello el control numérico computarizado, piezas y componentes que en nuestra Región de Puno existe un limitado stock en el mercado local, son las maquinas fresadoras convencionales que se utilizan para fabricar estas piezas y componentes de diferentes materiales, el problema a resolver es que este tipo de piezas y componentes son fabricados utilizando herramientas manuales y máquinas herramientas eléctricas, haciendo que el proceso sea lento y poco preciso ocasionando pérdidas de materia prima y trabajados prolongados por el operador lo cual afecta económicamente al usuario y/o cliente, adicionalmente en estos tipos de máquinas no es posible fabricar determinadas piezas complejas.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.2.1 Problema general
¿Cómo se realiza el diseño y construcción de un prototipo fresador de fabricación de piezas y componentes de stock limitado utilizando el control numérico computarizado?
1.2.2 Problema específico
Problema específico 1
3 Problema específico 2
¿Para qué se implementa un sistema de control modular y analizar la mejor alternativa para establecer la comunicación entre Hardware - Software?
Problema específico 3
¿Cómo será la construcción de un prototipo fresador con un volumen de trabajo de 40cm en el eje X, 60cm en el eje Y y 10cm en el eje Z?
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1 Objetivo general
Diseñar y construir un prototipo fresador de fabricación de piezas y componentes de stock limitado utilizando el control numérico computarizado.
1.3.2 Objetivo específico
Objetivo específico 1
Diseñar un prototipo virtual con la ayuda de un software (AutoCAD), para planear y proyectar su construcción.
Objetivo específico 2
4 Objetivo específico 3
Construir un prototipo fresador con un volumen de trabajo de 40 cm en el eje X, 60 cm en el eje Y y 10 cm en el eje Z.
1.4 JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO
La elaboración de este proyecto responde a una necesidad en particular de las empresas, pues actualmente los mercados altamente competitivos hacen que las empresas se vean obligadas a hacer cambios respecto al enfoque de su trabajo ya que lo que requieren es optimizar sus procesos de producción, minimizando costos, aumentando la productividad haciendo más rápidos, precisos y de mejor calidad estos procesos, en ese orden de ideas la aplicación del control numérico suple una necesidad real, en la que la fabricación de estos modelos que ya se ha mencionado anteriormente debido a su complejidad y su elevado costo de fabricación, no garantizan un nivel continuo y productivo del servicio y los productos que ofrecen, sumado a esto la empresa argumenta que las fechas de entrega de los productos que elaboran son cada vez menores y les exigen mayor precisión, un alto control de calidad y los diseños de los modelos son cada vez más complicados.
5
Por otra parte, el ambiente laboral de la producción se encuentra presionado por los clientes ya que no están satisfechos con los tiempos de entrega y la calidad. Por esta razón se justifica la implementación de este sistema para poder generar las fortalezas en la producción que marquen una evolución en tecnología de la empresa.
1.5 LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN
Por otra parte, el ambiente donde se realiza la investigación tiene las siguientes limitaciones:
Existen lugares en cantidad muy mínima para realizar visitas y apreciar las actividades que realizan en lo que se refiere a manufacturas y la tecnología que aplican para satisfacer las necesidades del cliente.
Las industrias que realizan actividades similares normalmente no utilizan tecnología acorde al avance tecnológico por el alto costo al ser implementadas, por lo que prefieren realizar utilizando equipos manuales como las maquinas herramientas.
Los componentes que se utilizan en esta actividad no son comerciales, por lo que para poder adquirir hay que recurrir a tiendas de la capital Lima.
6
1.6 HIPÓTESIS
1.6.1 Hipótesis general
El diseño y construcción de un prototipo fresador para fabricación de piezas y componentes de stock limitado utilizando el control numérico computarizado, permitirá trabajar adecuadamente en la fabricación de piezas utilizando diferentes materiales.
1.6.2 Hipótesis específico
Hipótesis específico 1 1.6.2.1
El diseño de un prototipo virtual mediante el software AutoCAD y los elementos estructurales del prototipo fresador, que servirá para la fabricación de piezas.
Hipótesis específico 2 1.6.2.2
La Implementación de un sistema de control modular para la comunicación entre la máquina y el usuario (Hardware y Software), que servirá para elegir la mejor alternativa.
Hipótesis específico 3 1.6.2.3
7
1.7 VARIABLES
1.7.1 Definición conceptual de la variable
La Variable es una característica, cualidad o propiedad que lo identifica, en nuestro caso el prototipo fresador de fabricación de piezas y componentes de stock limitado utilizando el control numérico computarizado, viene a ser una variable del tipo cuantitativo.
1.7.2 Definición operacional de la variable
Es la definición de las técnicas e instrumentos que permitan obtener la información sobre las variables e indicadores, en nuestro caso trabajaremos con dos variables (área de trabajo y nivel de precisión).
1.7.3 Operacionalización de las variables
La operacionalización de las variables es un proceso que se inicia con la definición de las variables en función a factores medibles a los que se llaman indicadores, para nuestro caso trabajaremos con dos variables:
a) Variable 1.- El área de trabajo del prototipo fresador que es una característica de la mesa de trabajo, lo que permite realizar trabajos de acuerdo dentro de los límites ya establecido en el diseño de esta máquina se pueden medir en una unidad de longitud para nuestro caso en centímetros.
b) Variable 2.- El nivel de precisión que viene a ser una característica
8
TEMA INDEPENDIENTEVARIABLE DEFINICION DIMENSIONES INDICADORES VALOR
Área m2
Fuerza N/kg-f
Largo mm
Ancho mm
Espesor mm
Del eje X 0.40 metros Del eje Y 0.60 metros Del eje Z 0.10 metros
VARIABLE
DEPENDIENTE DEFINICION DIMENSIONES INDICADORES VALOR
Tensión Voltios
Corriente Amperios
Torque N-m
Velocidad angular Rpm Factor de seguridad n
avance mm
tiempo segundos
En eje X mm
En eje Y mm
En eje Z mm
MATRIZ DE VARIABLES
"DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO FRESADOR DE FABRICACIÓN DE
PIEZAS Y COMPONENTES DE STOCK LIMITADO UTILIZANDO EL CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO"
Es el procedimiento previo a la construccion, donde se determina los parámetros eléctricos y
mecánicos del proyecto
Se refiere a las caracteristicas propias del material como es el tipo de material, peso, etc. Que serán
maquinados con el prototipo fresador.
El área de trabajo del prototipo fresador que es una característica de la mesa de trabajo, lo que permite realizar trabajos de acuerdo dentro de los límites
ya establecido en el diseño. Es necesario tener en cuenta la medida de los materiales que serán maquinados según al área de
trabajo del prototipo fresador. Propiedades mecánicas
del material a trabajar
Resistencia al maquinado
Medidas del material a trabajar
Volumen del material
Área de trabajo Dimensiones del área de trabajo
Diseño de control Es la comunicación que se establecerá entre la máquina y el hombre mediante un software. Software Cálculo electromecanico
Nivel de precisión
Al finalizar el proyecto, se tiene como resultado un producto con un nivel de exactitud entre el diseño y
la pieza maquinado.
Comprobación del trabajo realizado Potencia eléctrica
Potencia mecánica
1.7.4 Matriz de las variables
Tabla 1.1 Matriz de variables
9
CAPÍTULO II
10
2 MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES DEL ESTUDIO
Año/ Autor/ Nombre del Proyecto/ Procedencia/ Logros
a) 1997/Mikell P. Croover.
Fundamentos de Manufactura Moderna Materiales, Procesos y Sistemas, Editorial Prentice Hall, Primera Edición.
LOGROS: El ingeniero estadounidense John Parsons y Frank Stulen son los pioneros en las investigaciones sobre el control numérico, trabajando para Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.), “con el propósito de desarrollar una máquina herramienta prototipo que utilizará el nuevo principio de datos numéricos. El laboratorio del M.I.T. confirmó que el concepto era factible y procedió a adaptar una fresadora vertical de tres ejes, usando controles combinados analógicos – digitales. El sistema mediante el cual se realizaban los movimientos de la máquina herramienta recibió el nombre de control numérico (NC). La máquina prototipo se mostró en 1952.”
b) 2006/ Robert Salas, José Fernando Pérez y Jimer Ramírez
Laboratorio de Instrumentación Científica, Facultad de Ciencias, Universidad de los Andes, Venezuela.
Técnicas de diseño, desarrollo y montaje de circuitos impresos.
LOGROS: Para las técnicas de diseño se encuentra al método de tarjetas sensibilizadas ofrece un mejor resultado. Se observa que la técnica de serigrafía es recomendable utilizar para realizar diagramas con ubicaciones distintos componentes en la placa de circuito impreso.
11
c) 2007/ Sebastián Alejandro Valerio Guerrero
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.
Diseño e Implementación de una plataforma de desarrollo, aplicada a un prototipo de maquina fresadora CNC.
LOGROS: Como resultado final se obtiene una plataforma de desarrollo lista para ser utilizada en alguna aplicación en el área de control.
Con respecto al proyecto en general, el cual se refiere al diseño e implementación de la plataforma, se puede decir que se termina con éxito, como conclusión final se puede decir que este proyecto cuenta con un dispositivo controlador de altas prestaciones, diseñado y enteramente construido.
Este mismo es capaz de ser utilizados en otras aplicaciones y, como su nombre lo dice, esta plataforma de desarrollo es una base para futuros proyectos en el área de la electrónica.
d) 2009/ Iván Camilo García Mutis, Juan Gabriel Lagos López, Luis Fernando Urrego Pérez y Peter Yesid Delgado Parra.
Programa de Mecatrónica, Facultad de Ingeniería, Universidad de San Buenaventura.
Diseño e Implementación de un control CNC para crear modelos y esculturas en tercera dimensión a partir de un diseño CAD.
LOGROS: Se observa que aunque se quería implementar desde un principio la comunicación USB no era la apropiada para este proyecto, ya que el puerto no queda permanentemente abierto como el puerto serial, factor que impide la transmisión esporádica de datos.
12
e) 2011/ Luis Humberto Sánchez Sánchez
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México.
Construcción de una maquina fresadora de control numérico.
LOGROS: Permitiendo involucrar a este proyecto a los propietarios de los talleres que le resultara benéfico para la modernización de procesos para todos sus negocios, y al que presenta este trabajo, le dio la oportunidad de aprender de manera autodidacta lo que fue requiriendo su desarrollo.
También poder visualizar la gran cantidad de necesidades de orden técnico en este y seguramente también en otras áreas, las cuales se pueden construirse, entre los estudiantes, en oportunidades para desarrollar proyectos similares, además de contener un sentido de apoyo y labor social.
f) 2012/ Steve Alexander Palma Chauca y Rodolfo Christian Jesús Bravo.
Escuela Profesional de Ingeniería Industrial, Facultad de Ingeniería, Universidad Ricardo Palma.
Diseño para la fabricación de maquina automatizada para optimizar la operación de contar en la manufactura de muebles de melamina.
LOGROS: Se logra automatizar el corte de melanina usando el control numérico computarizado orientado a las empresas madereras. Los indicadores de rentabilidad y análisis ergonómico reflejan una disminución en tiempos y costos permitiendo obtener mejores ganancias.
g) 2014/ Oscar Alejandro Cruz García, Evelyn Rebeca Guerra López, Ricardo Alfredo Herrera Castro y Néstor Oswaldo Meza Orellana.
Escuela de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería y Arquitectura, Universidad de El Salvador.
13
LOGROS: Los procesos de maquinado de distintos tipos de materiales y correspondientes herramientas de corte fueron estudiados y aplicados para el adecuado diseño de la máquina y toma de criterios para el desarrollo de la misma.
La máquina es capaz de entender y ejecutar satisfactoriamente las indicaciones generadas por los códigos de control numérico mediante el computador.
Aunque las aplicaciones son diferentes al presente trabajo, aporta investigación al principio de funcionamiento de las máquinas de control numérico computarizado.
2.2 BASES TEÓRICAS
2.2.1 Introducción al control numérico computarizado
El primer desarrollo en el área del control numérico se le atribuye al ingeniero estadounidense John Parsons. El concepto de control numérico implicaba el uso de datos en un sistema de referencia para definir las superficies del contorno de las hélices de un helicóptero. La aplicación control numérico abarca gran variedad de procesos. Se dividen las aplicaciones en dos categorías: las aplicaciones con máquina herramienta, tales como taladrado, fresado, laminado o torneado; y las aplicaciones sin máquina herramienta, tales como el ensamblaje, el trazado e inspección. (Tecnologia , 2018).
14
2.2.2 Tipos de automatización
Existen cinco formas de automatizar la industria moderna, de modo que se deberá analizar cada situación a fin de decidir correctamente el esquema más adecuado. (Richard C. Dorf, Robert H Bishof, Sebastian y Raquel Dormido C., 2005).
Los tipos de automatización son:
o Control Automático de Procesos
o El Procesamiento Electrónico de Datos. o La Automatización Fija.
o El Control Numérico Computarizado. o La Automatización Flexible.
Control automático de procesos.- Se refiere usualmente al manejo de procesos caracterizados de diversos tipos de cambios generalmente (químicos y físicos).
El procesamiento electrónico de datos.- Frecuentemente es relacionado con los sistemas de información, centros de cómputo, etc. Sin embargo en la actualidad también se considera dentro de esto la obtención, análisis y registro de datos a través de interfaces y computadoras.
La automatización fija.- Es asociada al empleo de sistemas lógicos tales como los sistemas relevadores y compuertas lógicas, sin embargo estos sistemas se han ido flexibilizando al introducir algunos elementos de programación como en el caso de los Controladores Lógicos Programables (PLC).
15
éxito a las máquinas herramientas de control numérico (MHCN) se puede mencionar:
Fresadora CNC Tornos CNC
Máquinas de electroerosión Máquinas de corte, etc.
La automatización flexible.- Se les denomina como “Celdas de Manufactura Flexible” (Robots Industriales) son los más adecuados para un rango de producción medio, estos sistemas flexibles poseen características de automatización fija y automatización programada, suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo, interconectadas entre si por sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales, controladas en su conjunto por una computadora.
2.2.3 Aplicaciones
El Control Numérico Computarizado (CNC) puede aplicarse en una gran variedad de máquinas como:
Tornos Fresadoras Taladradoras Rectificadoras Dobladoras Plegadoras Prensas Cizallas
Máquinas de soldar Máquinas de oxicorte
Máquinas de corte Máquinas de dibujo Máquinas manipuladores
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2.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS
2.3.1 El control numérico computarizado
El CNC, Control Numérico por Computadora, (Computer Numerical Control) tienen la capacidad de dirigir el posicionamiento o movimiento de un mecanismo móvil en diferentes planos en forma automática por de ordenes generados por un programa (software).
En la actualidad existe un ambiente de grandes expectativas e incertidumbre, mucho de esto se da por los rápidos cambios de la tecnología actual, pues estos no permiten asimilarla en forma adecuada de modo que es muy difícil sacar su mejor provecho. También surgen cambios rápidos en el orden económico y político los cuales en sociedades como la nuestra (países en desarrollo) inhiben el surgimiento de soluciones autóctonas o propias para nuestros problemas más fundamentales. (Ruiz, 2006).
Uno de los elementos importantes dentro de este resurgir de la automatización son las Máquinas de Herramientas de Control Numérico Computarizado, las cuales brindan algunas ventajas adicionales que son de importancia considerar detenidamente, lo cual es el propósito del presente. (Ruiz, 2006).
Tabla 2.1 Diferencias entre máquina convencional y máquina CNC.
CONVENCIONAL CNC
Se opera por una sola persona. Una persona puede operar varias máquinas.
El operario debe tener en cuenta el dimensionamiento.
El software CAD/CAM localiza el el dimensionamiento en forma
automática. El operario tiene el control de
profundidad, avance, velocidad, etc.
El programa tiene el control de los parámetros de corte.
Existen piezas imposibles de mecanizar
Si se puede realizar virtualmente se puede realizar cualquier pieza
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2.3.2 La fresadora
Una fresadora es una máquina herramienta para realizar trabajos mecanizados por arranque de viruta mediante el movimiento de una herramienta rotativa de varios filos de corte denominada fresa. Mediante el fresado se puede mecanizar los más diversos materiales, como madera, acero, fundición de hierro, metales no férricos y materiales sintéticos, superficies planas o curvas, de entalladura, de ranuras, de dentado, etc. Además, las piezas fresadas pueden ser desbastadas o afinadas. En las fresadoras tradicionales, la pieza se desplaza acercando las zonas a mecanizar a la herramienta, permitiendo obtener formas diversas, desde superficies planas a otras más complejas. (Bavaresco, 2016).
En la figura 2.1 se muestra las características de lo que implica el proceso de fresado. En la actualidad existe una gran variedad de máquinas con diferentes mecanismos de control.
Figura 2.1 Proceso del Fresado
Fuente: http://es.slideshare.net/nurrego/fresado
2.3.3 Fresadora con control numérico
18
están basados en código G para la generación de trayectorias, siendo estas un código alfanumérico. (Bartsch, 2008).
Al trabajar con el código G, brinda a los usuarios de trabajar los diseños en 2D y 3D en diferentes programas computacionales CAD (Diseño Asistido por Computadora), para luego ser convertido en código G con la ayuda de software CAM (Manufactura Asistida por Computador). (Bartsch, 2008).
El control numérico computarizado para cualquier máquina herramienta es el mismo, al final se debe adaptar a diferentes parámetros específicos de cada aplicación como velocidades máximas, mínimas de trabajo del motor, área de trabajo, características propias de la máquina herramienta, ya que la mayoría de los diseños no son solo para cortes, puede tener combinaciones de cortes, grabados, el software CAM está enfocado especialmente al movimiento preciso de los ejes (X,Y y Z). La Figura 2.2 muestra la arquitectura general para fabricar una pieza en una máquina CNC. (Bartsch, 2008).
Figura 2.2 Arquitectura general de un CNC.
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Algunas de las principales áreas en las que el mecanizado mediante CNC puede presentar beneficios son:
● Reducción del tiempo de instalación
● Manipulación en la reducción del tiempo de maquinado ● Precisión y la repetitividad
● Contorno de formas complejas
● Simplificado en cambio de herramienta ● Tiempo de corte consistente
● Aumento general de la productividad ● Seguridad
2.3.4 Clasificación de los sistemas de control numérico
Los sistemas de control numérico desde el punto de vista de la capacidad de movimiento o desplazamiento, los mismos que se clasifican en:
Sistemas punto a punto.- Este tipo de sistema solo tiene control
de ejecución final (sistema de posicionamiento), el objetivo es situar la herramienta a un determinado punto con la mayor exactitud posible, donde la trayectoria y la velocidad son irrelevantes (Máquinas de montaje automático, perforadoras, etc.) siendo este tipo de máquinas las más sencillas. (industrial, 2004).
Figura 2.3 Sistema punto a punto.
20
Sistemas de corte directo o lineal.- Este tipo de sistema tienen
la capacidad de controlar los movimientos a los ejes de coordenadas en forma pero no en forma simultánea, por lo tanto no son posibles los movimientos angulares, en estos sistemas se controla la trayectoria, la velocidad del movimiento y posición en cada eje (sistemas de sierras circulares, sistemas de corte, etc.). (industrial, 2004).
Figura 2.4 Sistema de corte directo o lineal.
Fuente: Elaboración propia.
Sistemas de contorneo.- Este tipo de sistemas es posible
controlar la velocidad, y la posición en los 3 ejes (X,Y y Z) en forma simultánea, funciona la mismo tiempo que se desplaza a lo largo de la trayectoria ya definida, son importantes el control y la sincronización de velocidad y movimiento de los ejes, teniendo el grado de control más complejo de movimiento (soldaduras automáticas, corte de plasma, fresadoras, etc.). (industrial, 2004).
Figura 2.5 Sistema de contorneo.
21
2.3.5 Características básicas de la fresadora CNC
Los elementos básicos que lo conforma la maquina fresadora de control numérico computarizado son: (Espinosa, 2013).
Programa de instrucciones.- El programa es un conjunto de comandos o instrucciones detallados paso a paso que dirigen el proceso, utilizando un lenguaje de programación.
Control numérico.- Es la unidad que debe interpretar las instrucciones contenidas en el programa de instrucciones, convertirlas en señales que acciones los dispositivos móviles de la fresadora.
Equipo de procesamiento.- Es el componente final que realiza la tarea útil y forma parte de la mesa de trabajo, los motores y mecanismos de posicionamiento.
Unidad de enlace con la máquina.- Es la parte donde se comunican la máquina herramienta a través de los componentes de mando y control sobre los motores que accionan los dispositivos móviles, para que su movimiento se ajuste a lo programado.
CPU (unidad central de proceso).- Es el encargado de control de los elementos que componen la máquina en función del programa que ejecuta, accede a las instrucciones del programa, las decodifica y ejecuta acciones específicas además de calcular las operaciones lógicas – aritméticas que se precise.
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Figura 2.6 Características básicas de la fresadora CNC.
Fuente: Elaboración propia.
2.3.6 Flujo de trabajo de la fresadora CNC
Hay un flujo de trabajo común para el diseño y la fabricación de una pieza mediante CNC como se muestra en la Figura 2.7. (Espinosa, 2013).
1. Se diseña una pieza en un programa CAD (Computer Aided Design).
2. La pieza se carga en un programa de CAM (Computer Aided Machining).
3. Se escogen los tipos de mecanizados que se van a realizar y que acabado se requiere para la fabricación de la pieza.
4. Se simula la mecanización de la pieza para ver su estado final. 5. El programa CAM traduce en instrucciones llamadas de código G. 6. El código G se comprueba si es correcto y se fija si es necesario. 7. Las instrucciones en código G son las se encargan de enviar
señales a los circuitos que controlan los motores en la máquina CNC.
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Si todo está configurado de manera adecuada, el material mantenido firmemente, la posición de inicio de la máquina, y demás parámetros necesarios, la pieza se crea de manera exitosa.
Figura 2.7 Diagrama de flujo de funcionamiento de una fresadora CNC
Fuente: Maquinados y fixturas Industriales Mafi
2.3.7 Ventajas y desventajas de la fresadora CNC.
VENTAJAS
1. Incremento en la productividad.
2. Mayor seguridad con las máquinas-herramienta. 3. Reducción del desperdicio.
4. Menores posibilidades de error humano.
5. Máxima exactitud e intercambiabilidad de las piezas. 6. Mejor control de calidad.
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8. Mínimo inventario de piezas de repuesto. 9. Menores horas de trabajo para la inspección. 10. Mayor utilización de las máquinas.
11. Flexibilidad que acelera los cambios en el diseño. 12. Perfeccionamiento en el control de la manufactura.
DESVENTAJAS
1. Costo elevado de inversión inicial. 2. Incremento en mantenimiento eléctrico. 3. Mayor costo por hora de operación. 4. Entrenamiento del personal.
5. Mayor costo de herramientas y accesorios
2.3.8 Diferencias entre una fresadora CNC y la convencional
Se dice que una máquina fresadora es convencional cuando utiliza los métodos tradicionales de maquinado requiriéndose forzosamente la presencia de un operador con cierta especialización para mantener la máquina trabajando. (Rivera, 2015).
La máquina fresadora con CNC en cambio no requieren la presencia constante del operador, ya que la máquina una vez programada ejecutará el maquinado sin la ayuda del operador sólo se requiere su presencia para retirar la pieza maquinada y colocar la pieza por maquinar, requiriéndose únicamente de un personal calificado para la programación y control de máquina. (Rivera, 2015).
25
Tabla 2.2 Comparación de fresadora CNC - Convencional
CARACTERÍSTICA A COMPARAR MÁQUINA FRESADORA CONVENCIONAL MÁQUINA FRESADORA CON CNC
El control de las
dimensiones durante las operaciones a realizar
Por medio de instrumentos de medición y por las graduaciones de manivelas.
Por el control utilizando los off sets de compensación. El control de la
velocidad.
Por medio de trenes de engranes intercambiables movidos por palancas de cambio.
Automática programada y comandada por control, utiliza un servomotor.
El desplazamiento en
contorno. Trenes de engranes, manivelas y tornillos sin fin. Husillos y correderas a base de bolas y servomotores.
La forma para fresar un
contorno. Por el operador manipulando manijas. Programada y comandada por el control. La precisión de los
maquinados. Depende de la habilidad del operador. Depende de la resolución del sistema y es máxima y constante.
Tiempo de operación Depende del operador. Constante en cada operación.
26
CAPÍTULO III
27
3 METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN
El enfoque de la investigación trata dar un aporte para cambiar una tecnología usada en la industria manufacturera, desde un punto de vista investigativo analítico - experimental como es el diseñar y desarrollar un prototipo para el proyecto, teniendo como objetivo solucionar los problemas que existen en la industria de manufacturas.
3.1 TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN
Es del tipo de investigación experimental, aplicada con el desarrollo del presente proyecto, el mismo que está dirigido especialmente al sector manufacturero con el diseño, construcción del prototipo con la selección de materiales, mecanismos, componentes, hardware, software.
3.2 DESCRIPCIÓN DEL ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN
La investigación abarca toda la industria que realizan actividades de manufacturas como actividad propia de la empresa o taller con la finalidad de mejorar la precisión en la producción, tiempo y tecnología.
3.3 POBLACIÓN Y MUESTRA
En proyecto de investigación, por el tipo de investigación no requiere de población ni muestra.
3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS PARA LA RECOLECCION DE DATOS
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materiales, diseño de estructuras, diseño de mecanismos, lenguaje de control numérico, diseño CAD, programación para sistemas de control.
Las técnicas que se utilizan son: controles CN, diseño de mecanismos CAD, programación de sistemas de control numérico, lenguajes de controles numéricos.
3.5 VALIDEZ Y CONFIABILIDAD DEL INSTRUMENTO DE INVESTIGACIÓN
Los instrumentos utilizados para la medición de los resultados con altamente confiables como la computadora, que nos permite medir algunos parámetros de medición utilizando el software aplicado, el mismo que nos permite hacer una simulación de los resultados, finalmente lo podemos comprobar utilizando un instrumento físico como el vernier o pie de rey que nos permite medir superficies exteriores, inferiores y profundidades.
3.6 PLAN DE RECOLECCIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS
Para el buen funcionamiento del prototipo fresador de control numérico computarizado es necesario utilizar los siguientes instrumentos:
Calibrador o pie de rey, nos permite medir con precisión las magnitudes de longitud, altura y profundidad de las piezas a maquinar.
29
1ra Etapa MES:
1.1 Correccion de Fundamentos de ingenieria y
el perfil de tesis.
X
X X
1.2 Desarrollo de laTeoria de Mecanismos
refrente al fresado y automatizacion
X X X
1.3 Diseño de accesorios de la maquina
fresadora
X X X
1.4 Reeplanteo de costos de automatizacion
X
2da Etapa
2.1 Analisis de costos de automatizacion del
Proyecto
X
2.2 Estudio y diseño de la pieza CAD
X X X X
2.3 Pruebas de la fabricacion por computadora
X X X X X
3ra Etapa
3.1 Modo prueba de falla con diferentes
materiales
X
4ta Etapa
4.1 Presentacion del borrador de tesis para su
revision
X
PLAN DE ACTIVIDADES PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO FRESADOR
BASADO EN EL CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO
Mar-19 Abr-19 May-19 Jun-19
30
CAPÍTULO IV
31
4 INGENIERIA DEL PROYECTO
4.1 ARQUITECTURA DEL PROTOTIPO FRESADOR CNC
Para cumplir con los objetivos del presente proyecto, debemos de tener en cuenta la arquitectura y los sistemas que lo componen como son:
Tabla 3.1 Sistemas que comprenden la fresadora CNC.
Fuente: Elaboración propia
4.2 ESTRUCTURA
El sistema estructural de la máquina fresadora CNC debe estar en una superficie plano para facilitar su operación, con la rigidez adecuada para absorber las vibraciones generada por los motores que son propias de la máquina, proporcionar un soporte estable para los elementos fijos y móviles, con el puente fijo y la mesa es la que se desplazará a lo largo de los ejes como se muestra en la Figura 3.1.
SISTEMA CARACTERÍSTICAS
1: Estructura Tipo de material Fácil de manipular Rígida
2: Mecanismos Motores
Guías lineales Sensores
Transmisores de movimiento Soportes para las guías Acoplamientos flexibles Mesa de trabajo
32
Figura 3.1 Sistema estructural
Fuente: Solid Works
4.2.1 Mecanismos
Consiste en describir los mecanismos a usar para la transmisión de movimientos, seleccionar motores, guías, sensores, transmisión de movimientos, soportes, acoplamientos flexibles y mesa de trabajo.
4.2.2 Motores
Los motores paso a paso son los componentes más críticos en una maquina fresadora y los más utilizados dentro de la fabricación de CNCs, por su alta precisión. Este tipo de motores poseen una cualidad especial: se lo puede posicionar fácilmente con el movimiento de un paso o hasta una secuencia interminable de micropasos, dependiendo de la cantidad de pulsos que el usuario aplique al motor. Existen dos tipos de motores paso a paso los unipolares y los bipolares.
33
Los motores bipolares generalmente tienen 4 cables de salida como se muestra en la Figura 3.2 estos necesitan ciertas manipulaciones para ser controlados, debido a que requieren del cambio del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Y e s necesario de un control de puente H para cada bobina del motor, esto le permite al motor girar en ambos sentidos, este cuenta con la precisión requerida para cumplir con los objetivos de este proyecto.
Figura 3.2 Motor a paso a paso
Fuente: Motores de corriente continúa
4.2.3 Guías lineales
Estos elementos permiten el desplazamiento lineal del carro donde se encuentra la herramienta (fresa), en los ejes cartesianos. Además, sirven de soporte para la mesa, donde se coloca la materia prima a ser maquinada.
34
Figura 3.3 Rodamiento lineal a bolas
Fuente: http://rodamientos.html
4.2.4 Sensores
Para implementar límites en la fresadora CNC se necesitan sensores, se considerará los sensores de proximidad, Figura 3.4, pueden ser utilizados como interruptor de la máquina CNC para establecer límites o encontrar la posición inicial de la máquina, con mucha mayor repetitividad y fiabilidad que el interruptor regular de fin de carrera; este se activa al momento de que un objeto metálico o no metálico se acerca y señala un cambio de estado, mediante la variación de la capacitancia al circuito de salida y cerrando el interruptor.
35
4.2.5 Transmisor de movimiento
La transmisión de los tronillos de bolas recirculantes es un conjunto que convierte el movimiento rotatorio en movimiento lineal. Comprende de un tornillo, una tuerca y un conjunto de bolas como se muestra en la Figura 3.5. El movimiento se realiza mediante las bolas, que ruedan en pistas que concuerdan entre el tornillo y la turca con las bolas. La transmisión por medio del tornillo de bolas recirculantes tiene un coeficiente de fricción sumamente bajo y tiene típicamente una eficiencia del 90%.
Figura 3.5 Circuito de recirculación de las bolillas en la tuerca.
Fuente: Aspiro Rodamientos
4.2.6 Soportes de las guías
36
Figura 3.6 Soporte de guías
Fuente: Guías y soportes CNC
4.2.7 Acoplamientos
El mecanismo de acoplamiento es de enlace flexible, según la Figura 3.7, con elementos que forman una cadena cerrada, estos tienen diferentes grados de libertad (flexibilidad) que les permita conectar y transmitir la potencia de un eje a otro.
Figura 3.7 Acoplamientos flexibles
Fuente: Todo CNC
4.2.8 Mesa de trabajo
37
Figura 3.8 Perfiles acanalados
Fuente: Perfiles para mesa de trabajo
4.2.9 Sistemas de control
La Figura 3.9 muestra el sistema de control para la máquina. El control es el encargado de recibir las instrucciones del computador y enviar las señales a los diferentes drivers de cada eje, para estos, accionar los motores paso a paso y posicionar la herramienta donde se requiera. También se encarga de recibir las señales de los límites de seguridad de cada eje y de la posición 0 máquina.
Figura 3.9 Diagrama del sistema de control de la máquina
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4.2.10 Alimentación
Es el dispositivo que convierte una fuente de CA (corriente alterna) en CC (corriente continua) obteniendo una fuente de alimentación estabilizada 50V/10A. la que alimenta a los componentes electrónicos y motores de la maquina fresadora.
Figura 3.10 Fuentes de alimentación
Fuente: Electrónica Star
4.2.11 Controlador
De acuerdo a la identificación de necesidades para el sistema a utilizar para el control de los motores paso a paso, se decidió utilizar el controlador 3 ejes CNC, Toshiba TB6560 (Figura 3.11); debido a sus características ya que es una tarjeta que tiene como objetivo esta aplicación. Por otra parte esta tarjeta da solución al concepto de subsistema de comunicación, además representa una disminución de costos, involucrando varios subsistemas como los controladores para los motores paso a paso.
Figura 3.11 controlador3 ejes CNC, Toshiba TB6560
39
4.2.12 Comunicación
Para el sistema de comunicación usa el interface a través del puerto USB y subsistema de traducción, este controlador es compatible con varios softwares comerciales, algunos con licencia y otros de software libre. Basta con introducir el código G generado de la pieza a maquinar y los programas se encargan de mandar los bits de control hacia los motores a pasos.
Figura 3.12 Puerto USB
Fuente: Conectores/puertos USB
4.2.13 Límites de volumen de trabajo
Para limitar el recorrido de la máquina es necesario colocar sensores en cada eje de la misma. Se implementó 6 fines de carrera, 2 por cada eje, además de 3 fines de carrera adicionales para obtener el “0 máquina” de la fresadora (posición inicial) al momento de realizar trabajos.
Figura 3.13 Esquema de funcionamiento de los fines de carrera
40
4.2.14 Paro de emergencia
Finalmente por motivos de seguridad se instaló un botón de paro de emergencia, consiste en un botón de color rojo de fácil acceso al operario de la máquina, con dimensiones de 4 cm de diámetro; el cual al ser pulsado este se mantiene presionado “se enclava” y desconecta toda energía de la máquina, previniendo daños al usuario o a la máquina.
Figura 3.14 Botón de paro de emergencia
Fuente: Schneider Electric
4.2.15 Software CNC
El software CNC permite la conexión con la fresadora. Este permite la calibración, configuración y el control de la máquina. Es el que se encarga de leer las líneas de código, procesarlas y enviar los datos para que la máquina ejecute los movimientos necesarios para fabricar la pieza.
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Windows. Es necesario de un software CAD/CAM para crear programas de código G que después se cargaran en el Mach3 donde este interpreta el programa y envía las señales por medio del puerto Usb para controlar los motores pasos a paso.
Figura 3.15 Software Mach 3
42
CAPÍTULO V
43
5 DISEÑO Y CALCULOS JUSTIFICATIVOS
Para cumplir con los objetivos del presente proyectos debemos de tener en cuenta los subsistemas que componen una fresadora CNC como son:
5.1 DISEÑO MECÁNICO
En el diseño mecánico se determinarán los cálculos necesarios con el propósito de obtener una estructura con las siguientes consideraciones:
La mesa debe tener la capacidad de soportar todos los elementos mecánicos en movimiento, incluido los materiales a trabajar.
Debe diseñarse un modelo estable y rígida capaz de soportar velocidades y vibraciones de los motores.
Que tenga facilidad y comodidad al momento de dar el mantenimiento correspondiente.
Con las consideraciones previas se considera los esfuerzos determinados en los cálculos para realizar una selección de materiales y componentes mecánicos de forma que se garantice un diseño óptimo para la máquina.
5.1.1 Modelo estructural de la máquina
5.1.2 Sistema estructural
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Este sistema es compuesto por tres ejes, es decir, un eje “X” un eje “Y” y un eje “Z”, el cual se mueven simultáneamente para lograr la trayectoria requerida o especificada en el controlador.
Se diseña la estructura de la fresadora CNC inicia de un modelo preliminar con ayuda del software Solid Works, con licencia de prueba, para posteriormente, por medio de cálculos, demostrar que el diseño es rígido y estable para cumplir con los objetivos del proyecto.
Figura 4.1 Modelo de Máquina Fresadora CNC
Fuente: Diseño en AutoCAD
5.1.3 Cálculo de columnas
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Figura 4.2 Columnas de la estructura
Fuente: Diseño en AutoCAD
5.1.4 Cálculo de cargas
La carga que soporta cada una de las columnas corresponde al peso total de los elementos del modelo diseñado del eje X y del eje Z. Para encontrar el peso de cada elemento es necesario primero obtener el volumen de cada pieza, la Tabla 4.1 muestra el volumen en metros cúbicos de cada elemento.
Tabla 4.1 Densidad de materiales
MATERIAL DENSIDAD (g/cm3)
Plata 10.5 Plomo 11.3 Oro 19.3 Platino 21.4 Hierro - Acero 7.8
Cobre 8.6 Mercurio 13.6
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Para calcular el peso de las piezas de la estructura en acero, se toma como ejemplo la primera pieza y de la parte de (4.1). En la tabla 4.2 se muestra las densidades de algunos materiales.
(4.1)
Donde:
ρ : Densidad [kg / m3]
m : Masa [kg]
v : Volumen [m3]
Se despeja la masa
m = ρ ∗ v
La densidad del acero es de 7.8 g/cm3, que vendría a ser igual a 7800kg/m3, por lo tanto considerando el volumen de cada pieza de la estructura:
m =0.038 Kg
Para encontrar el peso se multiplica por la gravedad, 9.8 m/s2,
remplazando en (4.2):
(4.2)
47
Tabla 4.2 Peso de los elementos mecánicos calculados
Elemento Largo Ancho Espesor Volumen Masa Peso Cant.
Peso Total
(mm) (mm) (mm) (m3) (kg) (N) (N)
Soporte rodamientos 43 36 3,175 4,91E-06 0,0383 0,376 4 1,50
Soporte Ejes z 118 70 3,175 2,62E-05 0,2046 2,005 2 4,01
Sujetadores Motores 42 36 3,175 4,80E-06 0,0374 0,367 4 1,47
Espaldar Eje z 268 118 3,175 1,00E-04 0,7832 7,675 1 7,68
Sujetador Husillo 120 70 3,175 2,67E-05 0,2080 2,039 1 2,04
Base Motores 70 60 3,175 1,33E-05 0,1040 1,019 2 2,04
Espaldar 496 120 3,175 1,89E-04 1,4740 14,445 1 14,45
Total 33,18
Fuente: Elaboración propia
Tabla 4.3 Peso de los elementos mecánicos por los fabricantes
Elemento Peso Peso Cantidad Peso Total (kgf) (N) (N)
Eje X 0,44 4,312 2 8,62 Eje Z 0,22 2,156 2 4,31 Tornillo X 1,5 14,7 1 14,70 Tornillo Z 1 9,8 1 9,80 Motores Nema 0,34 3,332 2 6,66 Motor DC 1,5 14,7 1 14,70 Ángulos de Aluminio 0,54 5,292 4 21,17 Rodamientos
Lineales 0,19 1,862 6 11,17 Rodamientos 0,1 0,98 2 1,96 Sujetadores de ejes 0,1 0,98 8 7,84 Acoples Flexibles 0,02 0,196 2 0,39
Total 101,33
Fuente: Elaboración propia
Se toma en cuenta otros pesos adicionales como herramientas en la máquina y otros; la Tabla 4.4 muestra la sumatoria de todas las cargas que van a soportar las columnas de la máquina.
Tabla 4.4 Carga total que soportan las columnas
Tipo de carga Peso (kgf) Peso (N)
Elementos mecánicos 10,329 101,33 Estructuras soportes 3,38 33,18 Pesos adicionales 7,9 77,50
TOTAL 212,00
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Según Mott, para el cálculo de las columnas se considera el número de columnas, por lo tanto se divide la carga de 212 N para 2, que es el número de columnas que soportarán todos los elementos de los ejes X y Z, con lo que se toma una carga de 106 N para el cálculo.
Se considera una base de 0.20m y altura de 0.0762m, donde la columna se encuentra empotrada en sus dos extremos, tal como se muestra en la Figura 4.3, con una L de 0.36 m.
Figura 4.3 Diagrama de la columna
Fuente: Diseño en AutoCAD
Inicialmente, se calcula la longitud efectiva de la columna, con el factor de fijación de los extremos K:
Le = KL (4.3)
Donde, K = 1 por estar empotrada en sus dos extremos, remplazando K y L en (4.3)
Le = 1 ∗ 0 . 3 6
Le = 0 . 3 6 m = 3 6 0 m m
49
(4.4)
r = 0 . 0 5 7 m = 5 7 m m
Con la longitud efectiva y el valor mínimo de radio de giro, se calcula la relación de esbeltez en (4.5):
(4.5)
La constante de la columna se calcula a partir de (4.6):
(4.6)
Dónde:
E: Módulo de elasticidad [MPa]
Sy: Límite de fluencia [MPa]
Cc: Constante de la columna
Cc = 128
Se compara la relación de esbeltez con la constante de la columna para obtener el tipo de columna; si S R e s mayor a Cc la
columna es larga o si S R es menor a C c la columna es corta.
50
Se observa que C c es mayor a la relación de esbeltez entonces se conoce que es una columna corta, por lo tanto para hallar la carga critica se utiliza la ecuación de J.B. Johnson (4.7). (R.L.Mott, Diseño de elementos de máquina, 2006).
(4.7)
Dónde:
Pcr: Carga crítica [N]
A: Área de la sección trasversal de la columna [M2]
Sy: Límite a la fluencia
Le: Longitud efectiva de la columna [m] r: Valor mínimo de radio de giro [m] E: Módulo de elasticidad [MPa]
Como:
A = 0 . 0 7 6 2 m ∗ 0 . 2 0 m A = 0 . 0 1 5 2 4 m 2
Remplazando los valores en 4.7:
Se calcula la carga admisible con un factor de diseño 3 que sugiere Mott, para aplicaciones típicas de diseño de máquinas:
51
Se puede observar que la carga permisible es mayor que la carga que se va a ejercer en las columnas de la máquina. Con lo cual las columnas del modelo diseñado satisfacen la necesidad de la máquina y garantizan un buen dimensionamiento.
5.1.5 Cálculo de vigas
En esta sección se calcularán los diámetros requeridos para los ejes de la máquina. Tomando en cuenta que para cumplir con el volumen de trabajo propuesto los ejes deben tener una longitud de 0.496 m en los ejes X, Y y para el eje Z una longitud de 0.25m. (R.L.Mott, Diseño de elementos de máquina, 2006)
Cálculo de la viga “X” 5.1.5.1
La Figura 4.5 muestra el modelo de las vigas para el eje X las guías son las que mantienen el movimiento de la estructura, de modo que evitan el flexionamiento debido al movimiento del tornillo de potencia sobre la estructura, para lo cual se consideran las siguientes piezas:
Tabla 4.5 Peso de las Piezas que soportan las vigas del eje X.
Peso Peso Total elemento (N) Cantidad (N)
