UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN
SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL PROCESO DE
CORTADO Y DOBLADO DE CHAPA METÁLICA.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
AUTOR: EDWIN SANTIAGO ROSERO CÁRDENAS
DIRECTOR: ING. ALEX VINUEZA LOZADA MSC.
DECLARACIÓN
Yo Edwin Santiago Rosero Cárdenas, declaro que el trabajo aquí descrito es
de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o
calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO,
CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
AUTOMATIZADO PARA EL PROCESO DE CORTADO Y DOBLADO DE CHAPA METÁLICA.”, que, para aspirar al título de Ingeniero en Mecatrónica
fue desarrollado por Edwin Santiago Rosero Cárdenas, bajo mi dirección y
supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e industrias; y
cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1716829427
APELLIDOS Y NOMBRES: ROSERO CÁRDENAS EDWIN
SANTIAGO
DIRECCIÓN: TUMBACO CALLE RUMIÑAHUI E-544
Y PASAJE MOSQUERA
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 02-2372-490
TELÉFONO MÓVIL: 0984567583
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO CONSTRUCCIÓN E
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL PROCESO DE CORTADO Y DOBLADO DE CHAPA
METÁLICA
AUTOR O AUTORES: EDWIN SANTIAGO ROSERO
CÁRDENAS
FECHA DE ENTREGA DEL
PROYECTO DE TITULACIÓN:
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. ALEX VINUEZA LOZADA MSC.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERÍA MECATRÓNICA
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Proyecto desarrollado para satisfacer
necesidad de la empresa Multiformas dedicada a elaboración de muebles de oficina, con parámetros y
requerimientos de la empresa. Basada en una maquina
automatizada para el proceso de corte y doblado de chapa metálica de (0.5-0.7) mm. Se describe las
generalidades y tipos de máquinas para este tipo de trabajo tanto como para doblado y cortado, también se describen los conceptos básicos acerca de la hidráulica necesarios para un sistema hidráulico, se detalla el funcionamiento y la clasificación de prensas según el uso requerido, la descripción de placas, ejes punzones y matrices de diferentes tipos a
usarse además del material requerido Para el diseño se usó programa Logo el cual será trasmitido hacia un Plc comanda las diferentes acciones mediante pulsadores, consta del sistema de seguridad en caso de que existan sobre cargas en la máquina y un paro de emergencia para
deshabilitar el sistema
inmediatamente, botón de subida, de bajada, cambio de operación tanto corte o doblado, tomando en cuenta los requerimientos del operador, que sea de fácil acceso. La metodología del proyecto se realiza con los requerimientos, restricciones, y objetivos de la máquina,
estableciendo parámetros de ingeniería para la elección del prototipo correcto, constara de cálculos, diseños, y la determinación de materiales a utilizarse, todo esto realizado para asegurar el correcto funcionamiento, donde se realizan las pruebas de funcionamiento.
PALABRAS CLAVES: Doblado, Cortado, Chapa Metálica
ABSTRACT: Developed to meet business need
system are also described is
described, operation and classification of presses according to the required use detailed, the description of plates, axes punches and dies of different types in addition to the material
required for design use program Logo used which will be transmitted to a Plc commands the different actions
through buttons, consists of the security system in case there about loads on the machine and an
emergency stop to disable the system immediately, button upward and downward, changing both cutting or bending operation, taking into account the requirements of the operator, which is easily accessible. The project methodology is performed with the requirements, restrictions and objectives of the machine, setting engineering parameters for choosing the correct prototype, consist of
calculations, designs, and determining materials used, all this done to ensure proper operation, where performance tests are performed.
KEYWORDS
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, ROSERO CÁRDENAS EDWIN SANTIAGO, CI 1716829427 autor/a del proyecto
titulado: Diseño Construcción e Implementación de un Sistema Automatizado
para el Proceso de Cortado Y Doblado de Chapa Metálica previo a la obtención del
título de INGENIERO EN MECATRÓNICA en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de
Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de
Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del
referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de
información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública
respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una
copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio
que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual
vigentes.
DEDICATORIA
Dedico mi proyecto de tesis a mi familia por estar siempre dándome el apoyo
necesario todo el tiempo para lograr mis metas.
A mis padres por su apoyo incondicional en cada momento, por sus
consejos que me motivaron para poder concluir una etapa más en la vida.
A todos los que confiaron en mí, e hicieron posible el hecho de poder
concluir el presente proyecto.
Para todos ellos hago esta dedicatoria.
AGRADECIMIENTO
Agradezco en primer lugar a Dios, por haberme dado la fuerza y valor para
culminar los estudios universitarios siendo un gran logro para mi vida
profesional.
Expresar mi agradecimiento a mis padres por todo el esfuerzo que realizan
día a día, para alcanza una profesión formando una persona de bien, gracias
por los sacrificios y la paciencia.
A mis hermanas, en quien he podido confiar siendo un gran apoyo para seguir adelante.
Gracias a todas aquellas personas que de una u otra forma me ayudaron a
crecer como persona y como profesional.
Agradezco también de manera especial al director de tesis quién con sus
conocimientos y apoyo supo guiar el desarrollo de la presente tesis.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PAGINA
RESUMEN ... viii
ABSTRACT ... ix
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 4
2.1. GENERALIDADES ... 2
2.1.1. CHAPA METÁLICA ... 2
2.2. DOBLADO ... 3
2.2.1. Plegadora Manual ... 4
2.2.2. Plegadora Mecánica ... 5
2.2.3. Plegadora Hidro-Mecánica ... 5
2.2.4. PLEGADORA HIDRÁULICA ... 6
2.2.5. INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES DE DOBLADO ... 7
2.2.5.1. DOBLADO EN FORMA DE «V» ... 8
2.3. CORTE DE CHAPA METÁLICA ... 9
2.2.2 PUNZONADO ... 9
2.2.3 LA CIZALLA ...10
2.4. FUERZA DE CORTE ...11
2.5. HIDRÁULICA ...11
2.5.1. PRESIÓN ...12
2.5.2. CAUDAL ...12
2.5.3. FLUIDO ...13
2.5.3.1. Viscosidad ...13
2.5.4. BOMBA HIDRÁULICA ...13
2.5.4.1. Bomba de Engranajes ...14
2.5.4.2. Bomba de Paletas ...14
2.5.4.3. Bomba de Pistón ...15
2.5.4.4. Depósito ...16
2.5.4.5. Filtros (en la descarga, o en la salida de presión) ...17
2.5.4.6. Conductos de comunicación ...18
2.6. CILINDROS HIDRÁULICOS ...18
2.6.1. FUERZA DEL CILINDRO ...19
2.6.1.1. Velocidad de Trabajo ...20
ii
2.6.3. CILINDRO DOBLE EFECTO ...21
2.7. ELEMENTOS DE REGULACION Y CONTROL ...23
2.7.1. VALVULAS ...23
2.7.1.1. Válvulas reguladoras de presión ...24
2.7.1.2. Válvulas Direccionales...24
2.7.1.3. Electroválvula ...25
2.7.1.4. Válvulas Reguladoras de Flujo ...25
2.7.1.5. Válvula Anti-retorno ...26
2.8. PRENSA ...26
2.8.1. Prensas Mecánicas ...27
2.8.2. Prensas Neumáticas ...27
2.8.3. Prensas Hidráulicas ...27
2.8.4. Prensas Automatizadas ...29
2.9. PANEL DE CONTROL ...29
2.9.1. CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC) ...30
2.9.1.1. Programa y Lenguajes de Programación ...31
2.9.2. CIRCUITO DE SEGURIDAD ...31
2.9.3. GUARDAMOTOR ...31
3. METODOLOGÍA ... 39
3.1. METODOLOGÍA DEL PROYECTO ...32
3.2. ESPECIFICACIONES Y REQUERIMIENTOS DE LA MÁQUINA...33
3.3. FUNCIONES DE LA MÁQUINA ...33
3.4. RESTRICCIONES DE LA MÁQUINA ...33
3.4.1. DIMENSIONES ...34
3.4.1.1. Movimiento del cilindro ...34
3.4.1.1. Ubicación de la Máquina ...34
3.4.1.2. Sistema de Seguridad ...35
3.4.1.3. Tablero Eléctrico...35
3.5. VARIABLES ...35
3.6. DESARROLLO DEL CONCEPTO DE LA MÁQUINA ...35
3.6.1. ALTERNATIVAS DE DISEÑO ...36
3.6.2. ANALISIS DE ALTERNATIVAS POR CRITEROS PONDERADOS38 3.7. PROTOCOLO DE PRUEBAS ...39
3.8. ANALISIS DEL DISEÑO MECANICO ...40
3.8.1. ANALISIS DISEÑO PARA CORTE Y DOBLADO ...40
3.8.2. CALCULOS PARA EL CORTE ...41
iii
3.8.3.1. Diseño final ...50
3.9. ANÁLISIS DEL DISEÑO DEL SISTEMA HIDRÁULICO ...50
3.9.1. SELECCIÓN DE LA BOMBA HIDRÁULICA ...50
3.9.2. DIÁMETRO DEL CILINDRO ...51
3.9.3. CÀLCULO DEL CAUDAL ...52
3.9.4. CALCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR ELÉCTRICO ...53
3.9.5. DISEÑO Y SIMULACION DEL SISTEMA HIDRAULICO ...54
3.10. DISEÑO ELÉCTRICO Y DE CONTROL ...57
3.10.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL ...58
3.10.1.1. Tablero de Control ...58
3.10.1.2. Control de la Maquina ...59
3.11. INTEGRACIÒN DE LOS SISTEMAS ...61
3.12. CONTRUCCION DE LA MAQUINA ...62
3.12.1. Construcción Mecánica ...62
3.12.2. Montaje de la parte mecánica e integración al sistema hidráulico ..63
3.12.3. Instalación del panel de Control ...66
3.12.4. Producto final ...67
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 79
4.1. PRUEBAS DE MOVIMIENTO ...68
4.2. ANALISIS TECNICO ...68
4.3. VENTAJAS DE LA MÁQUINA ...70
4.3.1. ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO ...70
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 84
Conclusiones ...72
Recomendaciones...72
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Resistencia de materiales. ... 3
Figura 2. Partes de una Plegadora. ... 5
Figura 3. Elementos para el doblado. ... 7
Figura 4. Doblado en V. ... 8
Figura 5. Partes para llevar a cabo un Punzonado. ... 9
Figura 6. Cizalla. ... 10
Figura 7. Partes de la bomba de engranajes. ... 14
Figura 8. Partes de la bomba de paletas. ... 15
Figura 9. Bomba hidráulica de pistones oscilantes. ... 15
Figura 10. Características de las bombas hidráulicas. ... 16
Figura 11. Componentes del tanque hidráulico. ... 16
Figura 12. Componentes básicos del cilindro hidráulico. ... 19
Figura 13. Áreas del Cilindro. ... 20
Figura 14. Cilindro hidráulico de simple efecto con resortes ... 21
Figura 15. Funcionamiento del cilindro de doble efecto. ... 22
Figura 16. Válvula reguladora de presión ... 24
Figura 17. Electroválvula con accionamiento bobina-muelle. ... 25
Figura 18. Válvula de aguja reguladora de flujo. ... 26
Figura 19. Esquema válvula anti-retorno ... 26
Figura 20. Prensa hidráulica de accionamiento manual. ... 28
Figura 21. Prensa hidráulica robotizada. ... 29
Figura 22. Controlador lógico programable (PLC). ... 30
Figura 23. Fases de metodología Mecatrónica de la máquina. ... 32
Figura 24. Matriz de Corte... 34
Figura 25. Alternativa 1. ... 36
Figura 26. Alternativa 2. ... 37
Figura 27. Alternativa 3 ... 37
Figura 28. Corte Específico. ... 40
Figura 29. Punzón para el corte. ... 41
v
Figura 31. Diseño de Columnas Guia ... 43
Figura 32. Diagrama de fuerzas. ... 43
Figura 33. Diseño placa móvil y sujeción. ... 44
Figura 34. Diseño Placa base. ... 45
Figura 35. Diseño Punzón Corte ... 45
Figura 36. Diseño Matriz Corte. ... 46
Figura 37. Diseño Final Corte. ... 47
Figura 38. Diagrama de fuerzas para el doblado. ... 48
Figura 39. Columna Guía. ... 49
Figura 40. Diseño Punzón Doblado. ... 49
Figura 41. Diseño Matriz. ... 49
Figura 42. Diseño Final Doblado. ... 50
Figura 43. Elementos del sistema hidráulico ... 54
Figura 44. Sistema en estado de reposo. ... 55
Figura 45. Activación de la electroválvula A ... 56
Figura 46. Activación de la electroválvula B ... 56
Figura 47 Arranque y parada del Motor. ... 58
Figura 48. Distribución del tablero de control. ... 59
Figura 49. Diagrama de control. ... 60
Figura 50. Programa de control. ... 61
Figura 51. Montaje de placas y soportes. ... 62
Figura 52 Montaje de punzón y matriz de corte. ... 62
Figura 53 Montaje de cilindros hidráulicos. ... 63
Figura 54. Montaje producto final. ... 63
Figura 55. Componentes de la centralina hidráulica. ... 64
Figura 56. Montaje de sistema hidráulico. ... 65
Figura 57. Montaje sistema hidráulico y mangueras hidráulicas. ... 65
Figura 58. Instalación del tablero de control. ... 66
Figura 59. Cableado del panel de control. ... 67
Figura 60. Producto final Armado y listo para pruebas. ... 67
Figura 61 Diagrama comparativo del corte. ... 69
vi
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón ... 23
Tabla 2. Cuadro de comparación ponderada por pares de requerimientos . 38 Tabla 3. Tabla de selección de alternativas del proyecto ... 39
Tabla 5 Bomba de engranajes externos ... 50
Tabla 6 Tiempo de Corte Automatizado ... 68
Tabla 7 Tiempo de Corte por parte del Obrero ... 68
Tabla 8 Tiempo de Doblado Automatizado ... 69
Tabla 9 Tiempo de Doblado por parte del Obrero ... 69
Tabla 10. Tabla comparativa. ... 70
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
PAGINA
Anexo 1 Tabla de Conversión ... 78
Anexo 2 Propiedades de Aceros Estructurales ... 79
Anexo 3 Datos técnicos del motor ... 80
Anexo 4 Características de la bomba………....84
Anexo 5 Características de Mangueras……….………....85
Anexo 6 Datos Técnicos del Logo………..……… 86
Anexo 7 Electroválvula……….…...88
Anexo 8 Datos técnicos del Motor ...……….…….….89
viii
RESUMEN
Este proyecto fue desarrollado para satisfacer la necesidad de la empresa
Multiformas, dedicada a elaboración de muebles de oficina, con parámetros
y requerimientos que necesitan. Se constituye en una maquina automatizada para el proceso de corte especifico y doblado en “v” de chapa metálica de
(0.5-0.7) mm. Para la realización se usó una metodología basada en un
diagrama de flujo, con una parte mecánica el cual fue desarrollado con unas
placas fijas y una móvil, ejes, punzones, matrices y cilindros hidráulicos los
cuales permitirán el movimiento en forma vertical, cabe destacar que el
cilindro funcionara con una centralita hidráulica. Para el diseño electrónico se
hará en Logo, el cual será trasmitido hacia un Plc que comanda las
diferentes acciones de elementos, esto dentro en un panel de control
constituido por pulsadores de subida, bajada, on, off, cambio de operación,
botón de emergencia. Todo esto lo realizamos tomando en cuenta los
requerimientos, que sea de fácil acceso, fácil mantenimiento y seguridad del
ix
ABSTRACT
Developed to meet business need Multiformas dedicated to development of
office furniture, with parameters and requirements of the company. Based on
an automated machine for the cutting and bending sheet metal (0.5-0.7) mm.
generalities and types of machines for this type of work as well as to fold and
cut the basic concepts of hydraulic needed for a hydraulic system are also
described is described, operation and classification of presses according to
the required use detailed, the description of plates, axes punches and dies of
different types in addition to the material required for design use program
Logo used which will be transmitted to a Plc commands the different actions
through buttons, consists of the security system in case there about loads on
the machine and an emergency stop to disable the system immediately,
button upward and downward, changing both cutting or bending operation,
taking into account the requirements of the operator, which is easily
accessible. The project methodology is performed with the requirements,
restrictions and objectives of the machine, setting engineering parameters for
choosing the correct prototype, consist of calculations, designs, and
determining materials used, all this done to ensure proper operation, where
performance tests are performed.
1 El objetivo de la automatización de este sistema es para mejorar la
producción en serie. Esto permite el incremento en las ventas, ya que las
limitaciones en mano de obra no le permiten cumplir con los requerimientos
de fabricación en el tiempo establecido para la entrega.
Como parte de la sistematización, se realizó el diagnostico de producción,
donde se identificó por qué la empresa no es muy competitiva. Esto se debe
a la forma artesanal de trabajar, es decir, los procesos no están
automatizados lo cual genera pérdida de tiempo en la producción.
El objetivo principal fue diseñar, construir e implementar una máquina
automatizada para el proceso de cortado y doblado de chapa metálica para
la fabricación de muebles de oficina.
Como objetivos específicos que se requieren para la realización del
proyecto, se determinaron los requerimientos para el diseño de un sistema
automatizado del proceso de cortado y doblado de chapa metálica. Además,
diseñar y construir el sistema mecánico, diseñar y construir el sistema
eléctrico y de control, implementar el sistema y determinar el correcto
funcionamiento.
El alcance del proyecto ayudará al corte y doblado específico de chapa
metálica de (0.5-0.7) mm, con el principio del funcionamiento de una prensa
hidráulica, en una plataforma móvil donde se coloca el cilindro hidráulico de
2
2.1. GENERALIDADES
Se investigó cada una de las referencias necesarias para desarrollar el
proyecto, donde se tomó como inicio el estudio de prensas, cilindros
hidráulicos, sistemas de control automático, correspondientes al tema del
proyecto con sus características principales y la función principal en el
mercado.
2.1.1. CHAPA METÁLICA
Se denomina chapa a una lámina delgada de metal que se utiliza para las
construcciones mecánicas tales como carrocerías de automóviles, cisternas
de camiones, muebles de oficina, entre otros.
Existen en varios espesores, generalmente de 0.5 a 1,2 milímetros,
dependiendo del uso y del tipo de fabricación. Su mecanizado se realiza en
prensas de estampación y de troquelaje mediante punzones y matrices. No
son solo de metal, sino de cualquier material que sea maleable. Para darles
mayor rigidez, a menudo se pliegan formando grecas, ondas, entre otros,
que aumentan su inercia. Los elementos con los que se fabrican suelen
llevar tratamientos superficiales contra la oxidación y corrosión, tales como
cromados, pinturas, galvanizados, entre otros.
En el conformado de chapa metálica, la forma final de una pieza se hace a
partir de una chapa metálica plana. La forma deseada se consigue a través
de la deformación plástica, sin utilizar el fresado, es muy común utilizarlo
para la construcción de muebles de oficina y a fines con esa rama. Los
elementos que se fabrican de chapas metálicas suelen llevar tratamientos
superficiales contra la oxidación y corrosión.
La hojalata es un tipo de chapa metálica de hierro y estaño muy delgada que
se utiliza para fabricar envases de conservas, la resistencia de los materiales
3
Figura 1. Resistencia de materiales. (Marcos Ferreriro Lopez, 2011)
2.2. DOBLADO
El doblado es un proceso de conformado sin separación de material y con
deformación plástica. Se utiliza, normalmente una prensa con una matriz y
un punzón. El trabajo en metal se ha venido desarrollando desde épocas
primitivas y con instrumentos cada vez más complejos. Sin embargo, recién
4 equipos computarizados de alta precisión, la gama de prestaciones en el
tratamiento de láminas metálicas se ha ampliado considerablemente.
Todas las operaciones se realizan en frío. Una de estas operaciones es el
plegado o doblado, que implica la deformación para que adopte un ángulo
con respecto a un eje que, en la mayoría de los casos, es recto. La
deformación en línea recta se realiza con máquinas llamadas plegadoras.
El principio básico del plegado en máquinas se basa en el impacto, mediante
una fuerza de presión, de un punzón sobre una matriz o dado, en el medio
de los cuales se coloca la lámina metálica a plegar.
La versatilidad de estas máquinas varía ampliamente en función del tamaño
de la lámina pero algunas llegan a procesar materiales de hasta 20 mm de
espesor. Ciertas plegadoras industriales pueden medir hasta 18-20 metros
de largo, lo que permite acomodar un gran número de matrices para realizar
distintos plegados en forma consecutiva.
La elección de cada tipo de plegadora dependerá de la aplicación, la
exactitud requerida, la repetitividad y la capacidad de producción (Marcos
Ferreriro Lopez, 2011).
2.2.1. Plegadora Manual
Si bien esta es una máquina simple y de tamaño pequeño, algunas
versiones incorporan no sólo el mecanismo de accionamiento hidráulico,
sino también sofisticados. Es por eso que las diversas opciones de
plegadoras manuales varían desde sencillas y livianas máquinas de mesa
hasta las que poseen contrapesos y una base que debe fijarse firmemente al
piso. En general, el uso de las plegadoras manuales está limitado a láminas
muy delgadas, desde 8 a 9 mm, dependiendo del material (hierro, aluminio
o acero inoxidable). Los componentes comunes a estas plegadores están
5
Figura 2. Partes de una Plegadora. (Ferreriro Lopez, 2011)
2.2.2. Plegadora Mecánica
Las plegadoras mecánicas introducen un volante de inercia, generalmente
en la parte superior izquierda del armazón, que produce la energía para
poner en marcha el pisón. Un dispositivo mecánico conecta al volante de
inercia con el pisón, cuando está desacoplado, el volante acumula la inercia
que, al acoplarse, permite el movimiento ascendente y descendente del
pisón. Esta inercia almacenada, es la que se utiliza para crear, en el fondo
de la carrera, el tonelaje necesario para el proceso de plegado.
Aunque todavía se utilizan ampliamente las plegadoras mecánicas basadas
en el mecanismo de volante/embrague positivo, suelen presentar un gran
riesgo para el operador inexperto, ya que, si no se permite la carrera
completa de la máquina, el pisón podría descender hacia la cama antes de
que el mecanismo de embrague vuelva a acoplarse, atrapando las manos
del operador, el utillaje o la lámina metálica. En este tipo de plegadoras, la
instalación de guardas protectoras está ampliamente recomendada para
evitar lesiones.
2.2.3. Plegadora Hidro-Mecánica
De diseño muy similar a la mecánica, la plegadora hidro-mecánica presenta
6 la inercia necesaria para accionar el pisón. Esta presión hidráulica permite
que un motor accione un eje excéntrico, dando lugar al movimiento
ascendente y descendente del pisón y generando la potencia requerida para
el plegado de la chapa. En otras palabras, las plegadoras hidra-mecánicos
convierten la energía hidráulica en energía mecánica mediante un motor
hidráulico conectado a un eje excéntrico.
La ventaja de plegadoras hidra-mecánicas frente a las mecánicas es que no
necesitan completar una carrera para alcanzar el tonelaje máximo, sino que
éste puede lograrse en cualquier punto de la carrera. Por lo tanto, además
de presentar una notable mejora en capacidad y funcionamiento con
respecto a las mecánicas, este tipo de plegadoras puede alcanzar tonelajes
muy elevados mediante un efecto de palanca que, a su vez, permite el
movimiento ascendente y descendente del pisón. Esta fuerza adicional,
aunque va en detrimento de la exactitud y la repetitividad, facilita el uso de
plegadoras hidra-mecánicas en chapas de grueso calibre y en trabajos de
acuñado (Marcos Ferreriro Lopez, 2011).
2.2.4. PLEGADORA HIDRÁULICA
La plegadora hidráulica es la más moderna y poderosa de estas máquinas.
Se diferencia de la hidra-mecánica en que emplea una bomba y cilindros
para impulsar el pisón. Esto resulta en una notable exactitud, velocidad y
eficiencia que superan ampliamente la performance de los demás tipos de
plegadoras.
Mientras las demás plegadoras operan solamente con el pisón en
movimiento descendente, la hidráulica incorpora también el movimiento
ascendente.
Algunos prefieren este diseño porque minimiza los efectos de la pérdida de
repetitividad del pisón, derivados del uso y normal desgaste de la máquina.
No obstante, la gran mayoría de las plegadoras de chapas utilizadas hoy en
7 por CNC o control numérico directo, que controlan un sistema de válvulas
capaces de otorgar al pisón una gran exactitud en los ángulos de plegado.
2.2.5. INTRODUCCIÓN A LAS OPERACIONES DE DOBLADO
La operación de doblado consiste en realizar una transformación plástica de
una lámina o plancha metálica de material y convertirla en una pieza con
forma o geometría distinta.
En cualquier operación de doblado, siempre se debe tener en cuenta los
factores que puedan influir sobre la forma de la pieza a obtener. Por ejemplo:
elasticidad del material, radios interiores y ángulos de doblado.
El doblado de piezas de chapa se realiza por medio de herramientas o
matrices de doblar, que están compuestas de dos partes esenciales tal como
se muestra en la figura 3.
Figura 3. Elementos para el doblado. (Ascamm, 2012)
La herramienta se compone:
8 2. De una matriz M cuya forma en la parte activa, al final de la carrera debe
dejar pasar el material, entre ella y el punzón, un juego teóricamente igual al
de la propia chapa.
Para la obtención de un buen doblado deben tenerse en cuenta 3 factores:
1º- La pieza no debe sufrir ningún movimiento anormal durante el doblado.
2º- Los radios interiores de doblado serán como mínimo igual al espesor de
la chapa.
3º- Las superficies del punzón o matriz en contacto con la chapa estarán lo
más lisas y pulidas posible (Ascamm, 2012).
2.2.5.1. DOBLADO EN FORMA DE «V»
El cálculo de la fuerza de doblado para un caso como éste, se realiza
teniendo en cuenta que, en el momento de iniciarse el doblado, la chapa se
encuentra apoyada por sus dos extremos y es presiona sobre el centro, este
proceso se observa en la figura 4.
Figura 4. Doblado en V. (Ascamm, 2012)
P =
s2.b.Kd3.l [1] Dónde:9 b = Ancho del material a doblar, en mm.
l = Distancia entre apoyos, en mm.
s = Espesor de la chapa, en mm.
Kt = Coeficiente de rotura a la tracción en Kg/mm2.
Kd= Solicitud a la flexión en Kg/mm2. Necesarios para la deformación permanente (Kd=2·Kt).
2.3. CORTE DE CHAPA METÁLICA
El plegado de chapa con un punzón y una matriz, ambos montados en una
plegadora, es un hecho bastante natural y habitual. En principio no parece
que esta operación sea complicada ni difícil. No obstante, el plegado de
chapa no es tan simple como parece.
2.2.2 PUNZONADO
Para llevar a cabo el punzonado es necesario un conjunto de herramientas
llamadas PUNZÓN, MATRIZ Y PISADOR, las mismas que se observan en la
figura 5. La forma del agujero viene determinada por el punzón y la matriz.
(Vasco, 2013).
10
2.2.3 LA CIZALLA
El término Cizalla se puede definir como: Instrumento a modo de tijeras
grandes, con el cual se cortan en frío las planchas de metal. En algunos
modelos, una de las hojas es fija. Esta guillotina sirve para cortar cartones y
cartulinas en pequeñas cantidades y a tamaño reducido, además corta o
fragmenta cualquier metal.
El cizallado, es un proceso de eliminación de material, pues existe el corte
físico. Además, está sumamente vinculado a procesos de conformado.
Como fase previa al corte, se produce un proceso de deformación plástica,
de gran importancia en el acabado de las piezas.
Las máquinas de cizallado presentan una estructura muy similar a las de
plegado o doblado de chapa. El proceso de cizallado puede trabajar tanto
chapa como barras y perfiles (macizos o huecos), como se puede observar
un ejemplo en la figura 6 (Almería, 2011).
11
2.4. FUERZA DE CORTE
En chapas finas se puede lograr que el corte del material se realice en todo
su espesor. Normalmente, el material se realiza sólo al inicio de la
operación, mientras que la parte final de la sección de material a cortar se
separa por desgarro. El límite de espesor, para que el corte se realice de
una u otra forma, va a depender de la naturaleza del material a cortar. Los
cortes pueden ser de 2 tipos:
a) El que utiliza guillotina o un tipo similar.
b) El que usa herramientas o dados específicos para cortar una forma
determinada de lámina de este proceso también llamado troquelado.
Se la calcula con la siguiente fórmula:
Fc = P.kc.e [2] Dónde:
Fc = Fuerza necesaria para el corte
P = Perímetro del corte, en mm.
e = Espesor de la chapa, en mm.
Kc = Coeficiente de resistencia a la cizalladura.
2.5. HIDRÁULICA
Rama de la mecánica de fluidos y presente en la ingeniería que comprende
la transmisión y regulación de fuerzas y movimientos por medio de los
líquidos. En el presente trabajo se estudia la hidrodinámica donde se
consideran tres aproximaciones importantes:
a.- Que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no
varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con los gases.
b.- Se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad. Se
supone que un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es mucho menor
12 c.- El flujo de los líquidos es en régimen estable o estacionario, es decir, que
la velocidad del líquido en un punto es independiente del tiempo.
Cuando se utiliza la palabra “hidráulica”, se refiere a la transformación de la
energía, ya sea de mecánica o eléctrica, en hidráulica para obtener un
beneficio en términos de energía mecánica al finalizar el proceso (Royo,
2011).
2.5.1. PRESIÓN
La presión es la magnitud de escalar, la cual relaciona la fuerza con la
superficie sobre la cual se actúa, esdecir, equivale a la fuerza que actúa
sobre la superficie. En cualquier caso en que exista presión, una fuerza
actuará en forma perpendicular sobre una superficie y se calcula mediante la
siguiente fórmula:
P =
AF[3]
Dónde:
P = Presión; [Pa].
F = Valor de la fuerza perpendicular a la superficie; [N].
A = Área o superficie sobre la que actúa la fuerza; [m2].
2.5.2. CAUDAL
Es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se
identifica con el flujo volumétrico o volumen, el cual pasa por un área dada
en la unidad de tiempo [l/min], y se calcula a través de la siguiente fórmula:
Q =
Vt [4] Dónde:
Q = caudal; [lt/min].
13 t = tiempo; [seg].
Q= V. s [5]
Dónde:
Q = caudal; [l/min]; V = velocidad; [m/s].
s = superficie; [m2].
2.5.3. FLUIDO
Es un líquido conductor de potencia que se utiliza para transformar, controlar
y transmitir los esfuerzos mecánicos a través de una variación de presión o
de flujo. Esto permite transmitir presiones, refrigerar, evacuar el calor
producido en el circuito, proteger contra corrosión (AIU, 2012).
2.5.3.1. Viscosidad
Es resistencia que posee un elemento determinado, para fluir a una
temperatura establecida en la viscosidad. Esto influye tanto en la
temperatura como en la presión de trabajo. El aumento de temperatura
disminuye la viscosidad, mientras que a bajas temperaturas la viscosidad
aumenta. Así, un determinado elemento que fluye fácilmente tiene una
viscosidad baja. Un fluido que no fluye fácilmente tiene una viscosidad alta
(AIU, 2012).
2.5.4. BOMBA HIDRÁULICA
Convierte la energía mecánica que proviene del motor en energía hidráulica.
La bomba toma aceite de un depósito de almacenamiento y lo envía como
un flujo al sistema hidráulico. Los engranajes de la bomba llevan el aceite a
la cámara de salida de la bomba, sólo produce flujo (galones por minuto,
litros por minuto, centímetros cúbicos por revolución), que luego es usado por el sistema hidráulico. La bomba NO produce “presión”. La presión se
14 2.5.4.1. Bomba de Engranajes
Una bomba de engranajes es un tipo de bomba hidráulica que consta de dos
engranajes del mismo tamaño, los cuales trabajan entre si dentro de una
carcasa. El engranaje impulsor es una extensión del eje impulsor. Cuando
gira, mueve al segundo engranaje. Cuando ambos engranajes giran, el fluido
se introduce a través del orificio de entrada. Este fluido queda atrapado entre
la carcasa y los dientes de rotación de los engranajes, así se desplaza
alrededor de la carcasa y se empuja a través del puerto de salida. La bomba
genera flujo y, bajo presión, transfiere energía desde la fuente de entrada,
hasta un actuador de potencia hidráulica. En la figura 7 se observa el
procedimiento descrito (AIU, 2012).
Figura 7. Partes de la bomba de engranajes. (AIU, 2012)
2.5.4.2. Bomba de Paletas
Las bombas de paletas tienen un conjunto de aletas con cinemática radial
Está construida con una carcasa, dentro de ella se encuentra un rotor
giratorio que sostiene a las paletas. Al girar el rotor, las paletas son las
encargadas de aspirar el fluido, debido a la depresión que provocan con su
15
Figura 8. Partes de la bomba de paletas. (AIU, 2012)
2.5.4.3. Bomba de Pistón
Un pistón se desplaza mediante un movimiento giratorio de un eje en
movimiento axial de vaivén. Esto permite aspirar el fluido de la zona de
admisión y enviarlo hacia la salida. Este proceso se observa en la figura 9
(AIU, 2012).
Figura 9. Bomba hidráulica de pistones oscilantes. (AIU, 2012)
Cada bomba hidráulica posee diferentes revoluciones, volumen de
expulsión, presión nominal y rendimiento. En la figura 10 se observa las
16
Figura 10.Características de las bombas hidráulicas. (Festo, 2009)
2.5.4.4. Depósito
La principal función del tanque hidráulico o depósito es almacenar aceite, sin
embargo, también debe eliminar el calor y separar el aire del aceite. Los
tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, con el fin de evitar
que entre suciedad externa. Otra función del depósito es recuperar el fluido
después de usarlo y mantener un nivel adecuado al uso de la instalación.
Los tanques hidráulicos generalmente son herméticos, esto se observa en la
figura 11.
17 A continuación se detalla algunos elementos que se encuentran dentro del deposito
Tapa de llenado - Mantiene los contaminantes fuera de la abertura usada para llenar y añadir aceite al tanque.
Mirilla - Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel de aceite debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está en un
nivel a mitad de la mirilla, indica que el nivel de aceite es correcto. Existen
ciertas mirillas con termómetros que permite monitorear la temperatura en
que se encuentra el aceite.
Tuberías de suministro y retorno - La tubería de suministro permite que el aceite fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno permite que
el aceite fluya del sistema al tanque.
Drenaje - Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite sacar el aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje también
permite retirar de los aceites contaminantes como el agua y sedimentos Manómetro- Se pone después de la bomba e indica la presión de trabajo (AIU, 2012).
2.5.4.5. Filtros (en la descarga, o en la salida de presión)
Los filtros se emplean para el control de la contaminación por partículas
sólidas (trozos de metal, plásticos), de origen externo, y las generadas
internamente por procesos de desgaste de las superficies de la maquinaria.
Esto permite preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo como
del fluido hidráulico. Se pueden tener diferentes tipos:
a.- Filtro de impulsión o de presión: situado en la línea de alta presión tras el
grupo de impulsión o bombeo, permite la protección de componentes
sensibles como válvulas o actuadores.
b.- Filtro de retorno: es un circuito hidráulico cerrado, se sitúa sobre la
18 c.- Filtros semi-sumergido o sumergidos, en el mismo depósito. Controlan las
partículas originadas por la fricción de los componentes móviles de la
máquina (AIU, 2012).
2.5.4.6. Conductos de comunicación
Son conductos que constan de un tubo hueco flexible diseñado para
transportar fluidos de un lugar a otro.
Las mangueras hidráulicas están sometidas a condiciones extremas como:
diferencias de presión durante el funcionamiento y exposición al clima,
agentes químicos, condiciones de operación en alta temperatura,
manipulación inapropiada durante el funcionamiento o mantenimiento. La
selección de los conductos es según el material, diámetro, y presión de
trabajo.
Existen varios tipos de conductos hidráulicos para baja, mediana, alta y
extrema presión que deben cumplir con los siguientes requisitos: Seguridad,
flexibilidad, desempeño, resistencia, durabilidad.
En el momento de diseño del sistema, para la correcta selección de cada
elemento se debe calcular cada uno. Así se obtiene un sistema eficiente con
capacidad de suministrar la cantidad de fluido necesario a la presión
requerida (AIU, 2012).
2.6. CILINDROS HIDRÁULICOS
Son actuadores mecánicos que su fuerza de salida o movimiento se produce
en línea recta.
Su función es convertir la potencia hidráulica en potencia lineal mecánica.
Entre sus aplicaciones de trabajo se incluyen: empujar, arrastrar, inclinar y
ejercer presión. El tipo y el diseño del cilindro dependen de las aplicaciones
19 Los cilindros hidráulicos obtienen la energía de un fluido hidráulico
presurizado, que es el aceite. Consta básicamente en dos piezas: un cilindro
barril y un pistón o émbolo móvil conectado a un vástago. El cilindro barril
está cerrado por los dos extremos, en uno está el fondo y en el otro, la
cabeza por donde se introduce el pistón, que tiene una perforación por
donde sale el vástago. El pistón divide el interior del cilindro en dos cámaras:
la cámara inferior y la cámara del vástago. La presión hidráulica actúa en el
pistón para producir el movimiento lineal (Díez, 2014), dicho procedimiento se ilustra en la figura 12.
Figura 12. Componentes básicos del cilindro hidráulico. (DFL, 2000)
2.6.1. FUERZA DEL CILINDRO
La fuerza a realizar en el cilindro, depende del área efectiva, como se
muestra en la figura 13. Esto se determina con la siguiente ecuación (Díez,
20 F = P * A (efectiva) [6] Dónde:
F = Fuerza del cilindro; [N].
P = Presión hidráulica de trabajo; [Pa].
A (efectiva) = Área efectiva del cilindro; [m2].
Figura 13. Áreas del Cilindro. (Díez, 2014)
Formula del área efectiva del cilindro.
Ae =
π∗ ∅int4 2 [7] Formula del área pequeña de la cámara del cilindro.Ae =
π∗ ∅int4 2−
π∗ ∅eje4 2[8]
2.6.1.1. Velocidad de Trabajo
La velocidad del émbolo indicará el caudal necesario de la bomba y el
diámetro de las conducciones (Sole, 2007).
𝐕 =
𝐋𝐭[9]
Dónde:
V = velocidad media del vástago; [m/s].
L = carrera del vástago; [m].
21 2.6.2. CILINDRO SIMPLE EFECTO
Este tipo de cilindro puede ser de empuje o tracción. El retorno del vástago
se realiza mediante la fuerza de la gravedad, el peso de una carga o por
medio de un muelle. Este cilindro tiene un orificio, para que la cámara no se
llene de aire como se observa en la figura 14 (Solé, 2007).
Figura 14. Cilindro hidráulico de simple efecto con resortes (Sole, 2007)
En el cilindro de simple efecto ingresa el aceite por un lado del émbolo, por
lo que solo puede transmitir esfuerzo en una dirección. Los usos más
frecuentes son:
Elevación y Descenso de cargas
Bloqueo de cargas
Desplazamiento de cargas
2.6.3. CILINDRO DOBLE EFECTO
El cilindro hidráulico de doble efecto tiene la capacidad de extenderse, así
como de retraerse. Este tipo de cilindro consta de dos orificios que hacen de
entrada y salida de fluido, de manera indistinta. Incluso se puede regular la
22 Tiene dos cámaras, una a cada lado del émbolo. En el émbolo es donde va
sujeto el vástago o pistón. El émbolo permite que se desplace el vástago de
un lado a otro según llega el fluido por una cámara u otra.
En la carrera de extensión, el fluido entra proveniente de la bomba por el
orificio B, actuando sobre el pistón. El fluido del otro lado del pistón es
expulsado al estanque, a través del orificio A, como se observa en la figura
15. En la carrera de retracción el fluido ingresa por A, actuando en la otra
cara del pistón y se expulsa el fluido por el lado B, este proceso se observa
en la figura 15.
Figura 15. Funcionamiento del cilindro de doble efecto. (Lucas, 2013)
El cilindro de doble efecto puede estar montado en cualquier posición o
dirección, el retorno del mismo no se debe a ninguna acción ajena al mismo
(Lucas, 2013).
En el cilindro de doble efecto actúan dos fuerzas que son:
Fuerza de Extensión
La fuerza de extensión se calcula con la siguiente fórmula:
F ext. = P ∗
π∗ D4 2∗ 0,9
[10] Fuerza de Retracción
La fuerza de retracción se calcula con la siguiente fórmula:
F ret. = P ∗
π∗ (D24− d2)∗ 0,9
[11]
23 Donde:
P = Presión; [MPa].
D = Diámetro interior del cilindro; [mm].
d = Diámetro del vástago del pistón; [mm].
0,9 = Coeficiente de rozamiento de rodamientos, juntas y partes móviles del
cilindro.
El factor de carga es la relación entre la carga real y la fuerza teórica de
salida del cilindro. La tabla 1 indica la relación entre el factor de carga y la
velocidad del pistón.
Tabla 1. Relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón
Velocidad del pistón (mm/s) Factor máximo de carga
8 a 100 70%
101 a 200 30%
201 a 300 10%
2.7. ELEMENTOS DE REGULACION Y CONTROL
Encargados principalmente de regular el paso del aceite desde las bombas a
los elementos actuadores. Estos elementos, se denominan válvulas,
electroválvulas, sensores, que pueden ser activados de diferentes formas: manualmente, por circuitos electrónicos, PLC’s, neumáticos, hidráulicos o
mecánicos (altecdust, 2013).
2.7.1. VALVULAS
Es un dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la
circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre,
24 La válvula es uno de los instrumentos de control más esenciales en las
máquinas que presentan fluidos (altecdust, 2013).
2.7.1.1. Válvulas reguladoras de presión
Las válvulas de control de presión o de seguridad realizan funciones tales
como: limitar la presión máxima de un sistema, regular la presión reducida
en ciertas partes del circuito u aquellas actividades que implican cambios en
la presión de trabajo. Su funcionamiento se basa en un equilibrio entre
presión y la fuerza, indicado en la figura 16 (altecdust, 2013).
.
Figura 16. Válvula reguladora de presión (altecdust, 2013)
La válvula reguladora de la presión tiene dos circuitos:
Un circuito regulador eléctrico más lento, para ajustar un valor de presión.
Un circuito regulador mecánico-hidráulico más rápido, que compensa las oscilaciones de presión de alta frecuencia.
2.7.1.2. Válvulas Direccionales
El fluido que circula por el sistema hidráulico debe ser dirigido
convenientemente a los diversos cilindros, actuadores, o motores, de
acuerdo a las exigencias y secuencias del trabajo que se deba realizar.
Las válvulas direccionales más convencionales son las de dos, tres y cuatro
vías. Estas pueden accionarse manualmente, mecánicamente o
25 2.7.1.3. Electroválvula
Diseñada para controlar el flujo de un fluido a través de un conducto como
puede ser una tubería. La válvula está controlada por una corriente eléctrica
a través de una bobina solenoide, observada en la figura 17.
Figura 17. Electroválvula con accionamiento bobina-muelle. (altecdust, 2013)
Al cerrar el contacto se alimenta la bobina, así el campo magnético generado
atrae al núcleo y deja pasar aire hacia la salida. Al abrir el muelle, esto
devuelve la válvula a su posición inicial, aquello se muestra en la figura 17
(altecdust, 2013).
2.7.1.4. Válvulas Reguladoras de Flujo
Permiten controlar la velocidad de avance o retroceso de un cilindro. Cada reguladora de caudal controla la velocidad en un sentido, figura 18. Esta
válvula genera resistencia adicional al circuito, aumentando la presión, que
da como resultado un desvío parcial del fluido sobre la válvula de alivio y la
disminución del desplazamiento de una bomba compensada por presión.
26
Figura 18. Válvula de aguja reguladora de flujo. (Interactive Industrial Training, 2000)
2.7.1.5. Válvula Anti-retorno
La válvula anti-retorno vista en la figura 19, puede funcionar como control
direccional o como control de presión. Una válvula anti-retorno no es más
que una válvula direccional de una sola vía. Permite el paso libre del aceite
en una dirección y lo bloquea en la otra (AIU, 2012).
Figura 19. Esquema válvula anti-retorno (AIU, 2012)
2.8. PRENSA
Esta máquina se utiliza para comprimir, además puede actuar sobre distintos
materiales ya sea en frío o en caliente y para cualquier trabajo que requiera
una fuerte presión, o una gran fuerza. Está compuesta básicamente de dos
plataformas rígidas que se aproximan por accionamiento mecánico,
27 2.8.1. Prensas Mecánicas
Es la máquina que, a través de un volante de inercia, acumula energía y la
transmite por vía mecánica o neumática a una matriz. Estas prensas
permiten realizar el proceso conocido como troquelación (la realización de
agujeros en metales, plásticos, cartones u otros materiales) (Palacios, 2008).
2.8.2. Prensas Neumáticas
Las prensas neumáticas son controladas por la manipulación de aire a
presión. El tubo se llena con el aire y se aplica la presión que hace que la
prensa se desplace hacia abajo. Una vez que el recorrido de la prensa está
terminado, el aire se evacua a través de válvulas, resortes mecánicos y
hacen que la bomba se mueva de nuevo hacia arriba (Yugsi, 2011).
2.8.3. Prensas Hidráulicas
Es una máquina que consta de vasos comunicantes los cuales son
impulsados por pistones de distintas áreas, así una pequeña fuerza, puede
levantar pesos muy grandes. Los pistones son componentes que necesitan
de un líquido hidráulico para su funcionamiento; lo cual permite que funcione
la prensa por medio de los motores, donde se transforma la energía
mecánica en energía hidráulica. Esto es de mucha utilidad en industrias y
mecánicas, por su fácil utilización para realizar trabajos que no puede hacer
la mano del hombre.
Las prensas hidráulicas tienen capacidad de producción y trabajo más
rápido, por eso en la actualidad existe preferencia para dicha prensa. Esto
se debe al avance tecnológico que existe hoy en día, por ejemplo motores
28 El principio de funcionamiento de la prensa hidráulica, suponer una tubería en forma de “U” cuyos extremos tienen un diámetro distinto; es decir, uno es
más ancho que otro. Si se llenara esta tubería con un fluido y colocáramos
sobre uno de los extremos un peso, el nivel del fluido en éste bajaría y en la
misma medida subiría el del otro extremo, podemos observar esto en la
figura 20.
La fuerza es igual a la presión multiplicada por la superficie, en este sentido,
la prensa hidráulica amplifica la fuerza porque el fluido está encerrado entre
dos pistones de área diferente. Estos vasos comunicantes o émbolos son
impulsados por pistones y mediante pequeñas presiones, se consiguen
presiones mayores.
Además, posee un cilindro el cual tiene en su interior un émbolo que sale y
comprime la pieza contra la mesa. Esto se da gracias al fluido del aceite
hidráulico que es accionado desde una bomba hidráulica de uso manual
(Yugsi, 2011)
29 2.8.4. Prensas Automatizadas
Se acciona mediante controles automáticos. Al accionar la bomba, esto
permite la circulación del fluido hidráulico en el cilindro para comprimir la
pieza sobre la mesa. Esta prensa posee un nivel de precisión muy alto
consta de: un dispositivo amortiguador de perforación y corte, una mesa de
trabajo móvil, un dispositivo de seguridad, un dispositivo de refrigeración de
aceite, una pantalla táctil y un control PLC (Yugsi, 2011).
Figura 21. Prensa hidráulica robotizada. (Yugsi, 2011)
2.9. PANEL DE CONTROL
Los paneles de control desempeñan una función importante en el entorno de
manufactura actual. Son esenciales para los sistemas de automatización y
control por lo que necesitan manejar varios desafíos en áreas como:
tecnología de sistemas de control, y la evolución de los procesos.
o Mitigación de ruidos: crean barreras físicas con productos de
blindaje como el conducto de cableado blindado.
o Optimización del espacio: reduce el espacio en los paneles de
control.
30 2.9.1. CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC)
Es una computadora para la automatización y control de maquinaria, el cual
es operado digitalmente. Utiliza una memoria interna para el
almacenamiento de instrucciones, con el fin de realizar funciones específicas
que son controladas mediante los puertos de entrada y salida.
Con el uso de controles PLC (Control Lógico Programable) y controles
electrónicos, se mejora la velocidad y la flexibilidad de las maquinas o
procesos, ya que se logra tener alta velocidad de trabajo y autonomía. Un
ejemplo de PLC se observa en la figura 22.
Figura 22. Controlador lógico programable (PLC). (SIEMENS, 2013)
Los PLC's, son dispositivos electrónicos creados específicamente para el
control de procesos secuenciales, es decir procesos compuestos de varias
etapas consecutivas, con el fin de lograr que una máquina o cualquier otro
dispositivo funcione de forma automática. Puesto que están pensados para
aplicaciones de control industrial, su diseño les confiere una especial
robustez.
Dependiendo del tamaño de la planta y de la complejidad de la
automatización, el número de autómatas puede variar desde uno hasta un
número importante de autómatas enlazados. Es posible que las
instalaciones sean capaces de realizar distintas funciones simultáneamente.
Esto significa que se puede controlar varios procesos tanto secuencialmente
31 2.9.1.1. Programa y Lenguajes de Programación
En la actualidad el fabricante diseña su propio software de programación, lo
que significa que existe una gran variedad. Los lenguajes de programación
más difundidos a nivel mundial son: el lenguaje de contactos o Ladder,
lenguaje Booleano, diagrama de funciones.
2.9.2. CIRCUITO DE SEGURIDAD
Paros de Emergencia. La parada de emergencia para cada máquina es directamente controlada por el PLC. Para proveer máxima seguridad, estos
circuitos no deben ingresar al controlador.
Relé de Control Maestro. Este circuito provee un fácil camino para remover la energía del sistema de I/O durante una situación emergente. Este circuito
puede ser des energizado presionando cualquier pulsador de emergencia
conectado al circuito (Yugsi, 2011).
2.9.3. GUARDAMOTOR
Es el protector del motor contra cortocircuitos, dentro de límites establecidos
para su corte a través de disparadores magnéticos. Existen los
guarda-motores con disparadores térmicos que es ajustable. El ajuste de corriente
en el guarda motor debe estar de acuerdo con la corriente de servicio, a fin
de obtenerse todas las protecciones del mismo. Los guarda motores, cuando
la corriente de cortocircuito no es muy elevada, funcionan a mayor velocidad
32 La metodología es una de las etapas específicas del estudio analítico y
crítico del proyecto. En esta etapa se parte de una posición teórica y
conlleva la selección de técnicas concretas acerca del procedimiento para
realizar las tareas vinculadas con la investigación.
La metodología es normativa (valora), pero también es descriptiva (expone)
o comparativa (analiza).
Se aplicó una metodología mecatrónica utilizada para el diseño óptimo de
productos inteligentes. Se siguió un procedimiento y reglas de trabajo
determinadas para tener el mejor diseño posible a un buen costo (ITESCAM,
2014).
3.1. METODOLOGÍA DEL PROYECTO
33 El propósito es desarrollar máquinas que abarquen muchas partes de la
ingeniería mecánica, electrónica, de control y computación. Las máquinas
deben actuar de forma integral y ayudan a:
Reducir los tiempos de diseño e implantación
Tener un orden de actividades en un proyecto integral Reducir la interacción de varios o muchos operadores. Reemplazar métodos manuales por métodos automáticos.
En la figura 23, se muestra un diagrama de la metodología del presente
proyecto con cada una de las fases para la elaboración de la máquina.
3.2. ESPECIFICACIONES Y REQUERIMIENTOS DE LA
MÁQUINA
Según la empresa para la se va a construir la máquina, se necesitan las
siguientes especificaciones:
Cortar tol de 0,5mm-0.7mm de espesor.
Doblar tol de 0,5mm-0.7mm de espesor.
Tener un corte específico para hacer producción masiva. Tener un doblado en “v” para producción masiva.
3.3. FUNCIONES DE LA MÁQUINA
Su principal función será de cortar y doblar una chapa metálica plana
mediante las matrices expuestas según lo que necesita. Para desarrollar un
producto, con este proceso se disminuirá el tiempo de producción.
3.4. RESTRICCIONES DE LA MÁQUINA
El proyecto cortara y doblara de 0.5 a 0.7 mm de espesor. Posee una matriz
para cortar y otra para doblar, esto puede variar según las según
34 La máquina solamente será construida para un doblado en (v). La máquina
solamente desarrollará un corte como muestra la matriz de la figura 24.
Figura 24. Matriz de Corte.
3.4.1. DIMENSIONES
La mesa debe ser acorde a las necesidades de comodidad del operador por
lo cual será de máximo 1,50 m de ancho. Estará situada a 90cm del suelo,
con placas base para apoyarlas en un bastidor hecho de un perfil I y un perfil
C. Tendrá máximo una altura de 1,90m para permitir el fácil mantenimiento.
El cilindro es dimensionado en función de la mesa central de la plataforma,
la longitud y el recorrido del vástago serán de 300 mm.
3.4.1.1. Movimiento del cilindro
El cilindro hidráulico genera un movimiento lineal al momento de extender y
retraer el vástago. Debe constar con uno fin de carrera en las placas para la
subida y uno de bajada, así el cilindro no se extiende completamente y no
provocar daños futuros a la bomba.
3.4.1.1. Ubicación de la Máquina
Se debe determinar el lugar donde exista el suficiente espacio para operar la
máquina, el piso debe ser estable, nivelado y de gran resistencia con el fin
35 3.4.1.2. Sistema de Seguridad
La seguridad en la máquina es un aspecto muy importante para evitar
riesgos al operador, por lo que debe tener las respectivas normas de
seguridad en el sistema eléctrico e hidráulico,
3.4.1.3. Tablero Eléctrico
El tablero eléctrico donde se encuentra los elementos de control y los
mandos, funciona a una tensión de 220v. El tablero debe ir colocado a una
altura adecuada donde no incomode y sea de fácil acceso a los mandos de
control.
3.5. VARIABLES
Tiempo de trabajo
El con el sistema actual toma un tiempo aproximado de 256 seg en el corte,
y 164 seg en cinco planchas de chapa metálica, ya que son máquinas
antiguas y no automatizadas. El objetivo es reducir, en lo posible, a la mitad
del tiempo.
Presión y Fuerza
Dicha prensa consta de un sistema hidráulico, el cual proporciona la fuerza
para la compresión. La fuerza necesaria estará de acuerdo a la presión con
la que esté trabajando el sistema hidráulico.
3.6. DESARROLLO DEL CONCEPTO DE LA MÁQUINA
La máquina está basada en el principio de funcionamiento de una prensa
hidráulica. Desde una placa móvil se integra el cilindro hidráulico de doble
efecto, la placa móvil estará sujeta a unas columnas que constaran con
bocines para permitir su movilidad. Estas columnas estarán acopladas a dos
placas fijas una arriba y una abajo de la placa móvil para permitir el sostén
36 perfil u, esto conectado al sistema hidráulico que consta de: los cilindros, el
tipo de mangueras de alta presión, el control en la apertura y el cierre de las
electroválvulas. Para la parte electrónica se tendrá un Plc con los diferentes
acompañamientos que comandaran las acciones. Lo mencionado estará
dentro de un tablero de control con pulsadores de subida, bajada de
emergencia, cambio de operación, entre otros, para permitir el movimiento.
3.6.1. ALTERNATIVAS DE DISEÑO
Analizando diferentes alternativas de diseños según los requerimientos
específicos, obtuvimos tres posibles soluciones:
Figura 25. Alternativa 1.
1. Mesón móvil
2.- Mesón fijo
3.- Dados dobladores
La alternativa 1 que se muestra en la figura 25, tiene dados dobladores pero
también se los puede cambiar para que funcione como dados cortadores.
Según la matriz, tiene un tablero de control que los maneja, posee el mesón
móvil que es una buena opción para que funcione correctamente la máquina.
Además, el mesón fijo es muy resistente para las opresiones de corte y
doblado de tol que necesita el cliente. 1
3
37 .
Figura 26. Alternativa 2.
1. Mesón móvil
2. Mesón fijo
3. Matriz y punzón corte
4. Matriz y punzón doblado
El diseño de los componentes que van a formar el proyecto automatizado,
tendrán un modelo a escala real, estos componentes se lo pueden realizar
en CAD como se muestra en la figura 26. Según los requerimientos del
cliente, la maquina tiene la capacidad de doblado y cortado, además esta
opción es de fácil operación y mucho más pequeño.
Figura 27. Alternativa 3
1. Mesón móvil
2. Mesón fijo
1 1
2
2
2
3 4
1 2
2 4
38 3. Matriz y punzón corte
4. Matriz y punzón doblado
En la tercera alternativa, según requerimientos que necesita el cliente es el
del doblado y cortado, como se muestra en la figura 27. En una placa se
encuentran las matrices para realizar lo que necesitamos, además de contar
con el mesón móvil para poder lograr el objetivo.
3.6.2. ANALISIS DE ALTERNATIVAS POR CRITEROS PONDERADOS
Para la selección de la alternativa más adecuada se realizó un análisis
según la tabla de criterios ponderados, con requerimientos de ingeniería con
referencia a las tres alternativas descritas anteriormente. Se escogió la
opción más factible en: diseño, construcción, operación, y mantenimiento,
para definir el modelo de diseño y por ultimo realizar la construcción de
dicha máquina.
Tabla 2. Cuadro de comparación ponderada por pares de requerimientos de ingeniería
CRIT E RIO S F ác il uso F ac ilidad d e Mon taje T amaño F ac ilidad d e Ma n tenim ient o Distan ci a de O p er ac ión Co mp lej idad d e c o n tr o l Requ er im ient o
s de e
sfu er z o s p o
r parte d
el o p er ado r Capacid ad d e Car g a Σ + 1 P o n d er a ción
Fácil uso 1 0,5 1 0,5 1 0,5 0 5,5 0,14
Facilidad de
Montaje 1 0,5 1 0,5 0 1 0 5 0,13 Tamaño 0,5 0 0,5 1 0 1 0,5 4,5 0,12
Facilidad de
Mantenimiento 0 1 0 1 0,5 0,5 0 4 0,11 Distancia de
Operación 1 0,5 1 0 0,5 1 1 6 0,16 Complejidad de
control 1 0,5 0 0,5 1 1 0,5 5,5 0,14 Requerimientos
de esfuerzos por parte del operador
0 1 0 0 0 1 0 3 0,08
Capacidad de
Carga 0 0 1 0 0,5 1 1 4,5 0,12