UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA PARA
CORTE DE POLIESTIRENO MEDIANTE CONTROL NUMÉRICO
COMPUTARIZADO (CNC)
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERA MECATRÓNICA
SONIA PATRICIA MORENO PALACIOS
DIRECTOR: ING. ALEXY VINUEZA
DECLARACIÓN
Yo Sonia Patricia Moreno Palacios, 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 vigente.
_________________________ Sonia Patricia Moreno Palacios
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y Construcción de una Máquina para el Corte de Poliestireno mediante
Control Numérico Computarizado (CNC)”, que, para aspirar al título de Ingeniera Mecatrónica fue desarrollado por Sonia Patricia Moreno Palacios, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos18 y 25.
___________________
ING. ALEXY VINUEZA LOZADA MSC.
DIRECTOR DELTRABAJO
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
Mi gran agradecimiento a Dios por haberme dado sabiduría, constancia para llegar a conseguir este objetivo. Quiero extender mi agradecimiento a la Universidad Tecnológica Equinoccial por confiar y permitir culminar mis estudios. Mis agradecimientos a mis profesores, familiares y amigos que me guiaron y apoyaron durante todo este tiempo para finalizar este proyecto.
i
TABLA DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN ... IX ABSTRACT ... X
1. INTRODUCCIÓN... 1
OBJETIVOGENERAL ... 4
OBJETIVOSESPECÍFICOS ... 4
2. MARCO TEÓRICO ... 6
2.1 GENERALIDADES ... 6
2.1.1 POLIESTIRENO ... 6
2.1.1.1 Código de identificación de los plásticos ... 6
2.1.1.2 Poliestireno expandido ... 7
2.1.1.3 Formas de corte para poliestireno ... 8
2.1.2 CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO ... 12
2.1.2.1 Que es la CNC ... 12
2.1.2.2 Sistemas CAD/ CAM ... 13
2.1.2.3 CAD ... 13
2.1.2.4 CAM ... 14
2.1.3 ELEMENTOS MECÁNICOS DE UNA CNC ... 16
2.1.3.1 Sistema de guías ... 16
2.1.3.2 Sistema de transmisión ... 18
2.1.3.3 Elementos pasivos ... 20
2.1.4 ACTUADORES ELÉCTRICOS ... 22
2.1.4.1 Motores ... 22
2.1.4.2 Motora Pasos (PaP) ... 22
2.1.4.3 Sistema de control de motores Paso a Paso ... 23
2.1.5 ELEMENTOS DE CONTROL ... 24
2.1.5.1 Interruptores ... 24
2.1.5.2 Sensor ... 25
ii
2.1.6.1 Controladoras integradas ... 27
2.1.6.2 Controladoras modulares ... 28
3. METODOLOGÍA ... 31
3.1 METODOLOGÍAMECATRÓNICA ... 31
3.1.1 REQUERIMIENTOS DE LA MÁQUINA ... 32
3.1.2 RESTRICCIONES DE LA MÁQUINA ... 33
3.1.3 ALTERNATIVAS DE DISEÑO ... 34
3.1.3.1 Forma ... 34
3.1.3.2 Material para la estructura ... 36
3.1.3.3 Ejes de transmisión ... 38
3.1.3.4 Motores ... 40
3.1.3.5 Tarjeta de control ... 41
3.1.3.6 Software de diseño ... 42
3.1.3.7 Programa Interfaz o Pos-procesador ... 42
3.1.3.8 Resumen de la selección de alternativas ... 44
3.1.3.9 Cálculos necesarios para la elaboración del proyecto. ... 45
4. DISEÑO ... 46
4.1 DISEÑODELSISTEMAMECÁNICO ... 46
4.1.1 DIMENSIONAMIENTO DE GUÍAS ... 46
4.1.2 SELECCIÓN DE RODAMIENTOS ... 50
4.1.3 RADIO DE CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS PARA EL EJE A TORSIÓN ... 53
4.1.4 CÁLCULO DE PANDEO PARA PAREDES LATERALES ... 54
4.1.5 FACTOR DE DISEÑO ... 57
4.1.6 CÁLCULO DEL TORQUE PARA QUE EL EJE “Y” Y “X” ... 59
4.2 DISEÑODELSISTEMADECONTROL ... 65
4.2.1 ESQUEMA DEL FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA ... 65
4.2.2 PLACA INTERFAZ ARDUINO ... 66
4.2.3 DRIVER ... 67
4.2.3.1 Fuente de alimentación ... 68
4.2.4 SISTEMA ELÉCTRICO DE CONTROL. ... 68
4.2.5 TABLERO DE CONTROL ... 69
iii
4.4 SOFTWARECAM ... 70
4.5 SOFTWAREDECONTROLOPOS-PROCESADOR ... 71
4.5.1 GCODE-SENDER ... 71
4.5.1.1 Configuración GCode-Sender ... 71
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 72
5.1 PRUEBASDELSISTEMAELÉCTRICO: ... 72
5.2 PRUEBASDEMOVIMIENTO ... 73
5.3 COMPARACIÓNDECORTEENTRELAMÁQUINACNCYELTRABAJOMANUAL ... 77
5.3.1 COSTO DEL PROYECTO ... 80
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 81
6.1 CONCLUSIONES ... 81
6.2 RECOMENDACIONES ... 82
BIBLIOGRAFÍA ... 83
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
TABLA 1.PROPIEDADES DE POLIESTIRENO ... 7
TABLA 2.PROGRAMA CNC ... 15
TABLA 3.RESTRICCIONES DE LA MÁQUINA ... 33
TABLA 4.ESTUDIO COMPARATIVO: SELECCIÓN DE LA FORMA DE LA MÁQUINA ... 36
TABLA 5.ALTERNATIVAS DE MATERIAL PARA LA ESTRUCTURA ... 37
TABLA 6.ESTUDIO COMPARATIVO: SELECCIÓN DE MATERIALES ... 38
TABLA 7.ESTUDIO COMPARATIVO: TORNILLO DE POTENCIA – HUSILLO DE BOLAS ... 39
TABLA 8.ESTUDIO COMPARATIVO: MOTORES A PASOS Y SERVOMOTORES ... 40
TABLA 9.ESTUDIO COMPARATIVO PARA LA SELECCIÓN DE LA TARJETA DE CONTROL ... 41
TABLA 10.ESTUDIO COMPARATIVO PARA LA SELECCIÓN DEL SOFTWARE CAM ... 42
TABLA 11.ESTUDIO COMPARATIVO PARA LA SELECCIÓN DEL SOFTWARE DE CONTROL ... 43
TABLA 12.RESULTADOS DEL DISEÑO DE LA MÁQUINA ... 44
TABLA 13.PESO EJE Z …… ... 47
TABLA 14.PESO EJE X………... 47
TABLA 15.PESO EJE Y ... 47
TABLA 16.DURACIÓN DE LA VIDA SEGÚN LA APLICACIÓN ... 51
TABLA 17.FACTOR CARGA ... 51
TABLA 18.CARGA RADIAL DINÁMICA EQUIVALENTE ... 52
TABLA 19.VELOCIDAD DE AVANCE EN EL EJE “Y” ... 75
v
TABLA DE FIGURAS
PÁGINA
FIGURA 1.CNCROUTER 1.A;TORNO FRESADORA 1.B ... 2
FIGURA 2.CNCFOAM ... 3
FIGURA 3.INSTRUMENTO PARA EL CORTE DE ESPUMA FLEX ... 3
FIGURA 4.CORTE DE ESPUMA FLEX ... 4
FIGURA 5.CÓDIGO DE IDENTIFICACIÓN PS ... 6
FIGURA 6.POLIESTIRENO EXPANDIDO ... 7
FIGURA 7.APLICACIONES CON ESPUMA FLEX ... 8
FIGURA 8.CABLE ICOPOR-CIRCUITO PARA EL ICOPOR ... 9
FIGURA 9.CORTE PORLÁSER ... 10
FIGURA 10.CORTE POR FRESADO ... 11
FIGURA 11.FRESA SERIE 46 ... 12
FIGURA 12.FRESAS VÁSTAGO ... 12
FIGURA 13.ESQUEMA DEL PROCESO DE UNA CNC ... 16
FIGURA 14.GUÍA REDONDA ... 17
FIGURA 15.GUÍA COLA DE MILANO ... 17
FIGURA 16.GUÍA DE RECIRCULACIÓN DE BOLAS ... 18
FIGURA 17.TORNILLOMILIMÉTRICO ... 18
FIGURA 18.PIÑON-CREMELLERA ... 19
FIGURA 19.CORREA DENTADA ... 20
FIGURA 20.USO DE RODAMIENTOS... 21
FIGURA 21.ACOPLES ... 21
FIGURA 22.MOTOR BIPOLAR ... 23
FIGURA 23.DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA CON MOTOR PAP. ... 24
FIGURA 24.INTERRUPTORES ... 25
FIGURA 25.SENSOR INFRARROJO ... 25
FIGURA 26.SENSOR CAPACITIVO ... 26
FIGURA27.SENSOR INDUCTIVO ... 26
FIGURA 28.SENSOR DE CONTACTO ... 27
FIGURA 29.ENCODER ... 27
vi
FIGURA 31.TARJETA CONTROLADORA ... 29
FIGURA 32.DRIVER ... 30
FIGURA 33.METODOLOGÍA MECATRÓNICA ... 31
FIGURA 34.SISTEMA DE REFERENCIA DE LA HERRAMIENTA ... 33
FIGURA 35.ROUTER O FRESADORA DE PUENTE ... 34
FIGURA 36.CORTADORA FOAM ... 35
FIGURA 37.FRESADORA 3 EJES ... 35
FIGURA 38.TORNILLO DE POTENCIA(A); TORNILLO DE BOLAS (B) ... 39
FIGURA 39.DISEÑO DEL PROTOTIPO ... 46
FIGURA 40.DIAGRAMA DE CARGA, FUERZA CORTANTE Y MOMENTO FLECTOR ... 48
FIGURA 41.ESTUDIO DE DEFLEXIÓN DEL EJE (MDSOLID) ... 50
FIGURA 42.RODAMIENTO DE BOLAS ... 50
FIGURA 43.EJE A TORSIÓN ... 53
FIGURA 44.CHAFLANES EN EJE ... 54
FIGURA 45.PANDEO DE PARED LATERAL ... 55
FIGURA 46.ÁREA DE LA PARED ... 55
FIGURA 47.VALORES K ... 56
FIGURA 48.SIMULACIÓN DE PANDEO ... 58
FIGURA 49.FACTOR DE SEGURIDAD DE LA COLUMNA ... 58
FIGURA 50.TRASMISIÓN DE MOVIMIENTO ... 59
FIGURA 51.FACTOR DE EMPOTRAMIENTO ... 61
FIGURA 52.MOTORES PARA LOS EJES [Y,X,Z] ... 64
FIGURA 53.ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA ... 65
FIGURA 54.CONTROLADOR ARDUINO ... 66
FIGURA 55.DRIVER DM542A ... 67
FIGURA 56.FUENTE DE ALIMENTACIÓN ... 68
FIGURA 57.SENSORES DE CARRERA ... 68
FIGURA 58.BAQUELITA PARA LOS ELEMENTOS ... 69
FIGURA 59.TABLERO DE CONTROL ... 69
FIGURA 60.DISEÑO EN CAD ... 70
FIGURA 61.DISEÑO EN CAM ... 70
FIGURA 62.VISOR GCODE-SENDER ... 71
vii
FIGURA 64.AVANCE A 457,14 PASOS/MM ... 74
FIGURA 65.AVANCE A 400 PASOS/MM ... 75
FIGURA 66.PROGRAMACIÓN CON DIFERENTES PASOS/MM ... 76
FIGURA 67.MECANISMO DE TRANSMISIÓN SIMPLE ... 77
FIGURA 68.USO DE ESPUMA FLEX PARA MAQUETA ... 77
FIGURA 69.CORTE MANUAL ... 78
FIGURA 70.CORTE CON CNC ... 78
viii
ANEXOS
PÁGINA
ANEXO1
CODIGOSGENERALESGYM ... 84
ANEXO2
PLANOSDELAMÁQUINA ... 85
ANEXO3
CAPACIDADDECARGADINÁMICA ... 86
ANEXO4
DIAGRAMADECONCENTRACIÓNDEESFUERZO ... 86
ANEXO5
ESPECIFICACIONESDELOSMOTORES (X,Y,Z) ... 87
ANEXO6
ESPECIFICACIONESDELCONTROLADOR ... 88
ANEXO7
PLANOELÉCTRICO... 89
ANEXO8
PARÁMETROSPARALACONFIGURACIÓNDELPOS-PROCESADOR ... 90
ANEXO9
CONFIGURACIÓN PARAOBTENER PASOS/REVOLUCIÓNENELDRIVER ... 91
ANEXO10
ix
RESUMEN
x
ABSTRACT
1 La máquina de control numérico computarizado o también llamado CNC tuvo su origen a principios de los años cincuenta en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en donde se automatizó por primera vez una fresadora. En esta época las computadoras estaban en sus inicios y eran tan grandes que el espacio ocupado por la computadora era mayor que el de la máquina.(Overby, 2011)
En la actualidad las computadoras son cada vez más pequeñas, económicas e indispensables en las industrias, el uso de este tipo de máquinas han obligado a desarrollar constantemente nuevas y mejoradas CNC para distintos tipos de aplicaciones como en la industria electromotriz, electrónica, textil, joyera y para fines artísticos; en fin muchos buscan este tipo de máquina por su exactitud y su mejorado tiempo de producción.
Una máquina a control numérico computarizado básicamente funciona de forma automática diferente a las convencionales que se tiene en el mercado como son las fresadoras, caladoras, tornos, dobladoras, estampadoras, etc., en este tipo de máquinas se espera que el operador realice los cálculos pertinentes para el mecanizado de una pieza, estos procedimientos duraban días, semanas en función de la complejidad y número de operaciones.
Ahora las máquinas a control numérico computarizado calculan la posición, movimiento y la velocidad de forma autónoma, su funcionamiento básicamente empieza con el diseño de una pieza en programa CAD (Diseño asistido por computador), el modelado es guardado en un formato que lee un programa CAM (Manufactura asistida por computador), este programa inicia la trayectoria de corte que sigue la herramienta para formar la figura deseada. El lenguaje que entrelaza la orden desde el computador a la máquina es el código G, la cual envía señales a los motores para el movimiento de los ejes que se desea según la figura diseñada.
2 - La Router según la Figura 1.a, es una fresadora ligera, robusta que posibilita el movimiento horizontal, vertical y oblicuo. Son adecuadas para movimientos rápidos, grabado y mecanizados para el prototipado de circuitos impresos y de gran utilidad en la industria manufacturera en general.
Figura 1. CNC Router 1.a; Torno Fresadora 1.b
- Las CNC Torno-Fresadora, máquinas totalmente robustas, especialmente para el corte de metal en varias direcciones, son muy precisas provistas de avance automático tanto en el sentido longitudinal como en el sentido transversal; utilizadas en la industria automotriz para el diseño de levas, ejes en fin para la fabricación de piezas que una fresadora se limita por sus coordenadas, según se muestra en la Figura 1.b (Overby, 2011)
3 Figura 2. CNC Foam
La espuma flex es un material totalmente liviano de baja densidad, muy utilizado hoy en día, gracias a sus propiedades este material sirve para diversas aplicaciones como es en el uso de embalaje de productos, el aislamiento térmico, acústico, arte y manualidades para diversos establecimientos. Sin embargo, se debe conocer que este material es termofusible porque al cortar con algún instrumento caliente en un tiempo no adecuado, esta tiende a quemar los filos de la figura; por tal el corte debe ser a una velocidad constante.
Para el corte de este material se tiene la CNC vertical mencionada anteriormente, el único problema es el alto costo que posee esta máquina, existe un instrumento básico totalmente económico como se observa en la Figura 3, su mecanismo de corte es el hilo caliente de Nicrom, únicamente útil para imágenes relativamente pequeñas sin tantas curvas.
Figura 3. Instrumento para el corte de espuma flex
4 Figura 4. Corte de espuma flex
Por lo cual el presente proyecto se realiza con el propósito de diseñar, y construir una máquina automática de corte de figuras regulares e irregulares en espuma flex con espesores de 10 a 20 mm que se moverán en 3 ejes [“x”, “y”, “z”]. Todo esto se lo puede lograr gracias al manejo de control numérico computarizado que aumentará la precisión de los cortes, limitará el desperdicio de material ,reducirá los tiempos muertos en la producción y evitará el cansancio que produce dicha actividad por el uso de herramientas tradicionales.
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir una máquina para corte de poliestireno mediante control numérico computarizado (CNC).
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar los requerimientos que se necesita para el diseño de la máquina y los parámetros de medida del corte.
Diseñar un sistema mecánico y electrónico que me permita realizar los movimientos “x”, “y”, “z” sin dificultad.
Seleccionar un software de control para el proceso, utilizando programas auxiliares para el diseño.
5 Para la elaboración de la máquina a control numérico se utilizará software que proyecte la misma geometría tanto en diseño como en mecanizado real, obteniendo así una figura con la misma escala que la diseñada en CAD. La máquina tendrá unas dimensiones aproximadas de (950x950) mm con movimientos en 3 ejes (x, y, z) de forma automática y monitoreo en tiempo real en una superficie de trabajo que no sobrepase los (850x850) mm, esto dependerá de la ubicación de los finales de carrera limitada por el área de la plancha de espuma flex; la variación en los espesores de la pieza a cortarse están entre 10mm a 20mm.
6 Para el desarrollo de la máquina se describe ciertos elementos importantes que caracterizan a una CNC por ello, en base a los conceptos recolectados se puede orientar a ideas preliminares para el desarrollo del proyecto que posterior a ello serán analizados para conseguir un prototipo adecuado según las características del material a cortarse.
2.1 GENERALIDADES
Se lleva a cabo los conceptos y teorías que interviene en la CNC, empezando desde las características básicas del material a cortarse, herramientas de corte, descripción de elementos importantes de la máquina hasta los distintos elementos de control:
2.1.1 POLIESTIRENO
El poliestireno es un plástico originado mediante un proceso denominado polimerización, que consiste en la unión de varias moléculas pequeñas para lograr moléculas muy grandes.
2.1.1.1 Código de identificación de los plásticos
En la Figura 5; el número 6 y las siglas PS indica que se trata de poliestireno y el triángulo con flechas muestra que es un plástico reciclable.(Avance y Tecnología en Pláticos, 2010)
Figura 5. Código de identificación PS
Existen tres tipos de poliestireno:
7 PS Expandido – muy ligero
2.1.1.2 Poliestireno expandido
Se define técnicamente como: material plástico celular y rígido fabricado a partir del moldeo de perlas pre-expandidas de poliestireno expandible, que contiene un agente de expansión, presenta una estructura celular cerrada y rellena de aire, tal como se muestra en la Figura 6.
La abreviatura EPS deriva del inglés expanded polystyrene. Este material también es conocido en el Ecuador como plumafón, espumafóno y espuma flex. Los productos y artículos fabricados en poliestireno expandido se caracterizan por ser extraordinariamente ligeros y muy resistentes. (Avance y Tecnología en Pláticos, 2010)
Figura 6. Poliestireno expandido
A continuación se presenta en la Tabla 1, las propiedades más importantes del Poliestireno Expandido (EPS)
Tabla 1. Propiedades de poliestireno
PROPIEDAD VALOR
Densidad
Temperatura de fusión
Temperatura de ignición
Conductividad térmica
Calor específico
Coeficiente de convección
8 Características básicas del poliestireno:
- Bajo peso
- Modelado perfecto
- Por su ligereza se reducen costos de trasporte - Poder de amortiguamiento
- Aislador térmico y acústico
- Material fisiológicamente inocuo, olor y sabor neutro - Evita la excesiva carga electrostática
- No absorbe agua
Por sus propiedades y características técnicas el poliestireno expandido se usa en una gran variedad de aplicaciones: trabajos manuales, empaque, embalaje, construcción, aislamiento térmico y acústico como se exhibe en la Figura 7.
Figura 7. Aplicaciones con espuma Flex
2.1.1.3 Formas de corte para poliestireno
Corte por tijera
Es un elemento de uso común y conocido por todos y formado por dos cuchillas contrapuestas que al hacer fuerza producen un corte por cizalladora. Se utilizan para cortar materiales blandos y finos como papel, cartón, corcho, fomix etc.
Existen diferentes tipos de tijeras en función del uso para el que están destinadas, así podemos encontrar:
9 - De chapa (para metal, mucho más grandes que las normales)
- De jardinería (con brazos largos para facilitar el corte y con una punta especial)
- Para niños (con las puntas redondeadas), etc.
Corte por nicrom
Está conformado por alambre resistivo de níquel-cromo y es elemento térmico resistivo usado en casi cualquier dispositivo termo-eléctrico, el cual se calentará al paso de la corriente por el circuito tal como se observa en la Figura 8.
Figura 8. Cable icopor-circuito para el icopor
La corriente en el plano tangente a la superficie en cualquier punto del hilo contiene las direcciones de la intensidad electromotriz y magnética.
En la ecuación de la ley de Ohm.
V = IR [Ec. 1]
Donde:
V tensión o voltaje; [V]
I Intensidad de la corriente; [A] R Resistencia; []
Entonces, IV = I2R, es el calor disipado de acuerdo a la ley de Joule.
Por consiguiente la cantidad de energía que entra debe dar cuenta del calor disipado que se desarrolla en la resistencia.
10
Corte por láser
La tecnología del mecanizado láser por medio de C02 se basa en la generación de un rayo láser de alta potencia que es dirigido contra la pieza mediante un sistema de espejos de alta precisión.
En la zona de incidencia del rayo se consigue una elevada densidad de potencia que produce la volatilización del material. El rayo láser erosiona el material en múltiples capas obteniendo, de este modo, la geometría y profundidad requerida, como se observa en la Figura 9. El mecanizado por láser es un proceso no convencional que permite obtener mecanizados de formas complejas y de pequeño tamaño. La gran ventaja de esta tecnología es la posibilidad de mecanizar casi todo tipo de materiales independientemente de su dureza o maquinabilidad, desde aceros, metal aleaciones termo resistente, cerámico hasta esponjas, silicio, etc. (Arraz, 2011)
Figura 9. Corte por láser
Corte por medio de niquelina
11 la intensidad de corriente y directamente proporcional al valor de la resistencia y al tiempo.
Corte por fresado
El corte por fresado es el desbaste de viruta mediante el movimiento rotativo de una herramienta de varios filos, que ejecuta movimientos de avance programados. Mediante el fresado es posible mecanizar los más diversos materiales, como madera, acero, metales no férricos y materiales sintéticos, superficies planas o curvas, ranuras, perforaciones, etc. En la Figura 10, se observa el maquinado en poliestireno con herramienta fresa.
Las fresas para poliestireno son fresas especiales, fabricadas según ciertas normas con características diferentes a las fresas normales para metales a continuación se muestran dos tipos de fresas especiales para la espuma flex. (Raimond, 2005)
Figura 10. Corte por fresado
- Fresa serie 46
12 Figura 11. Fresa serie 46
- Fresas tipo Vástago
Cambian básicamente las geometrías de los filos comparado con el dentado de escofina convencional; se fabrica de acuerdo al tamaño requerido del grano de fresado con los correspondientes parámetros de revoluciones y avance. Éste tipo de fresa exige velocidades altas para no hacer paradas de limpieza en la fresa. En la Figura 12 se puede observar las diferentes fresas tipo Vástago.
Figura 12. FresasVástago
2.1.2 CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO
2.1.2.1 Que es la CNC
CNC significa "control numérico computarizado".
A diferencia de una máquina convencional o manual, una CNC controla la posición y velocidad de los motores que accionan los ejes de la máquina. Gracias a esto, puede hacer movimientos que no se pueden lograr manualmente como círculos, líneas diagonales y figuras complejas.
13 En una máquina CNC una computadora controla el movimiento de la mesa, el carro y el husillo. Una vez programada la máquina, ésta ejecuta todas las operaciones por sí sola, sin necesidad de que el operador esté manejándola. Esto permite aprovechar mejor el tiempo del personal para que sea más productivo y se tenga productos de calidad.
Los controles numéricos por computadora desempeñan un papel crucial en la eficacia de una operación de corte mecanizado. Por ello una CNC debe ofrecer al usuario:
Fácil operación
Rendimiento confiable y uniforme
Mayor productividad
Configuración flexible del sistema
Avance y tiempo de proceso exactos
Diagnósticos del sistema simplificados
Control avanzado del proceso de corte
Fácil mantenimiento
2.1.2.2 Sistemas CAD/ CAM
Los sistemas de CAD/CAM son herramientas de modelado y manufacturado de piezas, capaces de generar una trayectoria de la herramienta de corte por medio de Control Numérico (NC).
2.1.2.3 CAD
(Diseño Asistido por Computadora), se trata de la tecnología implicada en el uso de ordenadores para realizar tareas de creación, modelado, modificación, análisis y optimización de un diseño. De esa forma, cualquier aplicación que incluya una interfaz gráfica y realice alguna tarea de modelado de piezas en ingeniería se considera software de CAD.
14 - SolidWorks
- Catia - Archicad - Solid Edge
2.1.2.4 CAM
(Manufactura Asistida por Computador), toma la información del diseño y genera la ruta de corte que tiene que seguir la herramienta para fabricar la pieza deseada; a partir de esta ruta de corte se crea automáticamente el programa de maquinado.
Las extensiones aceptadas por el software son en archivo .tap y .nc, aunque existen decenas de otras extensiones que cumplen la misma función.
Código G
Es la programación más usada en la industria de la automatización, se trata de una expresión alfa numérico ASCII – basado en el lenguaje de comandos de la máquina en el cual el controlador interpreta movimientos discretos o programación vectorial mediante entidades geométricas como recta arcos circunferencia junto a sus parámetros de maquinado (avance de herramienta, velocidades de husillo, uso de refrigerantes entre otros).
Las máquinas típicas que son controladas con G-Code son fresadoras, cortadoras, tornos e impresoras 3D.
(Overby, 2011)
Código M
El código M se usa para funciones auxiliares tales como el control del líquido enfriador, conexión y dirección del mandril, rebobinado, y fin del programa.
Estructura del programa CNC
15 mecanizar piezas de trabajo el ordenador lee y comprueba estos bloques según la secuencia programada y luego envía a la máquina herramienta las correspondientes señales de control. A continuación se detalla las direcciones utilizadas para la programación y un ejemplo en la siguiente Tabla 2:
Tabla 2. Programa CNC
CODIGO FUNCIÓN
N Número del bloque
G Función de recorrido
X,Y,Z coordenadas en valores absolutos
I localización X del centro de un arco
J localización Y del centro de un arco
K localización Z del centro de un arco
S Velocidad del husillo
F Avance , paso de rosca
T Llamada a la herramienta
M Función auxiliar
(Smid, 2005) Ejemplo:
N G X Y Z F S T M
N 100 G0 X0 Y0 Z0 F250 S900 T1 M3
Para ello se detalla en las siguientes líneas, una lista de los más utilizados códigos G por el controlador, el significado se lo encuentra en Anexo 1:
- Comandos no modal: G4, G10 L2, L20 G10, G28, G30 - Modos de movimiento: G0, G1, G2, G3, G38.1, G80 - Selección del plano G17,G18,G19
- Modo de velocidad de avance: G93, G94 - Modo absoluto:G90
16 - Herramienta longitud modos Offset: G43.1, G49
- Modos del sistema: G54, G55, G56, G57, G58, G59 - Flujo de programa: M0, M1, M2, M30
- Control del husillo: M3, M4, M5 - Parada:M00
En la Figura 13 se contempla un resumen general del proceso que cumple una CNC:
Figura 13. Esquema del proceso de una CNC
(Autor)
2.1.3 ELEMENTOS MECÁNICOS DE UNA CNC
2.1.3.1 Sistema de guías
17
Guías redondas
Para recorridos cortos o cargas ligeras ya que al sujetarse la guía por sus extremos, suele tener mucha flexión por lo cual es capaz de absorber fuerzas en todas las direcciones de su radio. En la Figura 14 se observa la guía básica elaborada de forma cilíndrica con su respectivo bocín:
Figura 14. Guía redonda
Guía Cola de Milano
En las superficies de contacto aparecen fuerzas que se oponen a su movimiento, por ello dichas superficies deben estar perfectamente lubricadas para minimizar este efecto. Se utiliza para soportar cargas verticales a mayores esfuerzos que una redonda. En la Figura 15 se observa este tipo de Guía:
Figura 15. Guía Cola de Milano
Guías de recirculación de bolas.
18 herramienta, donde la capacidad de carga, la rigidez y la exactitud son prioritarias. En la Figura 16 se muestra una guía de recirculación de bolas:
Figura 16. Guía de recirculación de bolas
2.1.3.2 Sistema de transmisión
Existen ciertos mecanismos que necesitan transformar su movimiento rotativo del motor a movimientos lineales por lo cual se debe desarrollar múltiples mecanismos para la transformación.
A continuación se presenta los más utilizados mecanismos de transmisión en la elaboración de una CNC:
Tornillo milimétrico
Los tornillos de rosca son mecanismos de transmisión capaces de transformar un movimiento de rotación en otro rectilíneo y transmitir potencia. Generalmente trabajan con un roce elevado, por lo que la eficiencia, el desgaste y el calentamiento son consideraciones importantes para un diseño. (Marin, 2008)
En la Figura 17 se observa las partes de un tornillo de potencia:
El paso de rosca.-es la distancia que existe entre dos crestas consecutivas.
El número de hilos.-es el número de filetes o pasos que hay contenidos en una longitud.
19
El husillo a bolas
El husillo a bolas es muy preciso y el principio de funcionamiento es similar al del tornillo de potencia, con la diferencia de que el contacto entre tuerca y tornillo es a través de elementos rodantes en lugar del contacto directo, lo que permite reducir la fricción e incrementar la velocidad de desplazamiento del bocín o tuerca.
Este sistema presenta una serie de ventajas:
- Puede emplearse en motores con pares de arranque pequeños. - Posee una eficiencia elevada.
- Facilidad y precisión en el posicionamiento. En oposición a ello, posee una serie de inconvenientes:
- Requieren una buena lubricación.
- La entrada de elementos abrasivos puede reducir la vida del husillo. - En las mismas condiciones de carga que en un tornillo de potencia,
presenta una menor rigidez.
- Dependiendo de su ángulo de avance, los husillos de bolas puede retroceder debido a su bajo rozamiento interno.
Piñon cremellera
Permite convertir un movimiento giratorio en uno lineal continuo, o viceversa. Alternativa ideal para instalar en routers de robusta estructura, con puentes sobredimensionados para desplazamientos largos, régimen de velocidad de trabajo aceptable y motores de fresado de gran torque y peso. En la Figura 18 se observa este tipo de sistema de transmisión:
20
Correa dentada
Este sistema de transmisión tiene buena precisión y su costo no es muy elevado, consisten en utilizar una correa dentada conectada al motor PAP y al eje que queremos mover mediante poleas. Las correas dentadas tiene un gran paso por lo cual es un sistema de transmisión rápido, esta velocidad vendrá definida por el número de dientes que tenga la polea y por el tamaño del paso de la correa, como se observa en la Figura 19:
Figura 19. Correa dentada
2.1.3.3 Elementos pasivos
Rodamientos
El rodamiento es un elemento normalizado que consta de dos aros concéntricos con caminos de rodadura, en la mayoría de los casos esféricos, sobre los que se desplazan unos cuerpos rodantes, bolas o rodillos, cuya finalidad es el permitir la movilidad del eje de transmisión.
Los rodamientos para husillos tienen tolerancias restringidas. Son especialmente aptos para rodaduras con requisitos muy elevados de precisión de guiado y de aptitud para altas velocidades. Se han mostrado muy eficaces para la rodadura de los husillos principales en máquinas-herramienta, tal como se refleja en la Figura 20. (NTN, 2014)
Los rodamientos deben satisfacer las siguientes exigencias: - Velocidad de rotación elevada
21 - Alta precisión de rotación
- Duración de vida
Figura 20. Uso de rodamientos
Acople
Los acoplamientos tienen por función prolongar líneas de transmisión de ejes, estén o no alineados entre sí. El propósito fundamental de los acoplamientos es transmitir el par de torción requerido desde el eje motor al husillo y compensar el desalineamiento angular, paralelo o una combinación de ambos. En la Figura 21 se muestra dos diferentes acoples de distintos masteriales;usualmente para la fabricación de CNC utilizan acoples hechos de aluminio o duralon.
Características:
- Absorbe y amortigua las irregularidades del par - Desplaza los regímenes críticos
- Acepta desalineaciones y diferencias entre los ejes - Permite algunas deformaciones de chasis
- El acoplamiento no tiene juego, y por tanto, es silencioso, sin fricción y nonecesita engrase.
22
2.1.4 ACTUADORES ELÉCTRICOS
2.1.4.1 Motores
El motor eléctrico es la máquina destinada a transformar energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos electromagnéticos variables, sirven para accionar diferentes mecanismos y dispositivos que son usados en la industria, agricultura, electrodomésticos, en el campo de la automatización y otros.
2.1.4.2 Motora Pasos (PaP)
Es un actuador electromagnético rotatorio en ambas direcciones que convierte mecánicamente entradas de pulsos digitales a movimiento rotatorio. Este tipo de motores son ideales cuando lo que queremos es posicionamiento con un elevado grado de exactitud y/o una muy buena regulación de velocidad. Su modo de movimiento va desde pequeños pasos hasta una secuencia definida de pasos.
Número de pasos: es la cantidad de pasos que ha de efectuar el rotor para realizar una revolución completa:
[Ec. 2]
Donde:
Ejemplo:
23
Motor Bipolar
En los motores bipolares la corriente que circula por los bobinados cambia de sentido en función de la tensión que se aplica.
Un mismo bobinado puede tener en uno de sus extremos distintas polaridades. Están formados por dos bobinas y poseen cuatro cables externos. A diferencia de los motores unipolares que son más sencillos de utilizar, en los bipolares su dificultad reside en el control de la alimentación y el cambio de polaridad. Un motor bipolar se representa según la Figura 22:
Motor Unipolar
Los motores paso a paso unipolares se componen de cuatro bobinas. Se denominan así debido a que la corriente que circula por sus bobinas lo hace en un mismo sentido, a diferencia de los bipolares, estos motores se componen de seis cables externos, dos para cada bobina, y otro para cada par de éstas. (Conti 2013)
Figura 22. Motor bipolar
2.1.4.3 Sistema de control de motores Paso a Paso
La función básica de los sistemas de control es lograr que el sistema sea robusto y estable frente a las perturbaciones y errores que se dan en proceso, obteniendo así un sistema eficiente.
24 En el control de posición de motores paso a paso son fundamentales ciertas configuraciones para evitar perder pasos; para ello se necesita un buen control PWM, impulsos que son capaces de entregar la corriente necesaria para que las bobinas del motor se exciten y así se obtenga un máximo par y con la programación proporcionada tanto para aceleración y desaceleración obtener un perfecto trabajo en lazo abierto.
No obstante en un sistema de lazo cerrado, donde las órdenes suministradas a los motores dependen de la información de sensores como es el encoder y el tacómetro, dispositivos más utilizados en este sistema. (Teruel, 2008).
En la Figura 23 se presenta el diagrama de bloques de un sistema abierto de motores paso a paso:
Figura 23. Diagrama de bloques de un sistema con motor PaP.
2.1.5 ELEMENTOS DE CONTROL
Para el buen funcionamiento de la máquina se necesitan interruptores para la energización de todo el sistema, acoplando también varios sensores que son capaces de definir los puntos limites que se debe imponer a la máquina CNC:
2.1.5.1 Interruptores
Los interruptores eléctricos, son dispositivos que sirven para desviar u obstaculizar el flujo de corriente eléctrica, son vitales para el funcionamiento seguro de cualquier máquina.
25 La función de parada de emergencia sirve para prevenir situaciones que puedan poner en peligro a las personas, para evitar daños en la máquina o trabajos en curso, y ha de activarse con una sola maniobra de una persona que al accionarlo suspenda definitivamente el paso de corriente. En la Figura 24 se observa los interruptores básicos para una máquina.
Figura 24. Interruptores
2.1.5.2 Sensor
En un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas en magnitudes eléctricas.
En la CNC son utilizados para definir los límites máximos de cada eje, así como el home de la máquina (origen de coordenadas). A continuación se describe algunos sensores que son de gran utilidad para las máquinas a control numérico:
Sensor infrarrojo (IR)
El sensor infrarrojo es beneficioso en sistemas de cierre centralizado con mando a distancia.
Durante su funcionamiento el sensor captará la señal luminosa (invisible para el ojo humano) emitida por el emisor que contiene el código de activación-desactivación del cierre. En la Figura 25 se observa este tipo de sensor:
26
Sensor capacitivo
El sensor capacitivo está especialmente diseñado para lograr detectar materiales aislantes tales como el plástico, el papel, la madera, entre otros, no obstante también cuentan con la capacidad de detectar metales.
Están diseñados para funcionar mediante la generación de un campo electroestático y detectar cambios en este campo ocasionados por la aproximación de un objeto a la cara de detección, tal como se muestra en la Figura 26.
Figura 26. Sensor capacitivo
Sensor inductivo
En la Figura 27 se muestra este tipo de sensor, tiene una bobina electromagnética que es usada para detectar la presencia de un objeto de metal conductor, no toma en cuenta los objetos no metálicos.
Figura 27. Sensor inductivo
Sensor de contacto
27 Figura 28. Sensor de Contacto
Encoder rotativo
En la Figura 29 se muestra este tipo de sensor, se usa para controlar electrónicamente la posición del giro de un eje al convertir la rotación en pulsos eléctricos. (Mandado, 2000)
Figura 29. Encoder
2.1.6 CONTROLADORES CNC
Es un conjunto de dispositivos electrónicos que reciben las órdenes de un computador para generar movimiento a los motores. Su elección es clave para el óptimo funcionamiento de la máquina. El controlador CNC está compuesta por dos partes: el interfaz y los drivers, en el mercado se encuentra controladoras que acoplan "todo en uno”, lo que resulta más sencillo, económico y menos recursos utilizados en esta tarjeta, y por otro lado existe cada elemento de forma modular.
2.1.6.1 Controladoras integradas
28 Figura 30. Controlador integrado
2.1.6.2 Controladoras modulares
La interfaz (tarjeta controladora) y los drivers están separados en elementos externos, lo que conlleva mayor espacio. Sin embargo es la opción más potente al ser posible utilizar drivers de distinta naturaleza lo que hace más flexible los cambios según el gusto del usuario.
1. Interfaz o procesador
El interfaz de comunicaciones es en este caso un transmisor-receptor que permite la transmisión de órdenes desde un computador hacia la electrónica, los datos van y viene, mediante el establecimiento de un adecuado protocolo.(Mandado, 2000)
29 Figura 31. Tarjeta controladora
Separa la delicada electrónica del ordenador y los motores, circuitos de potencia, etc.
Existen diferentes tipos de comunicación a continuación:
Interfaz puerto paralelo: es una de las conexiones más antiguas. Aún siguen utilizando a pesar de que existen pocas computadoras con puerto paralelo DB25.
Puerto serie: constituye como una de las más básicas conexiones externas a un computador, aunque no es muy habitual para CNC. Este tipo de conexión permite trabajar a largas distancias.
Puerto USB: esta forma de conexión ha ido evolucionando en el tiempo, mejorando su velocidad de transferencia de datos de 12 mbps a 480 mbps. Con el tiempo reemplazará a las otras formas de conexión, el único inconveniente es que todavía este tipo de comunicación tiene cierta incompatibilidad con algunos software.
Ethernet: es la tecnología de LAN más usada en la actualidad a nivel profesional.
2. Driver
30 son las señales de paso y dirección junto con de salida de la fuente de alimentación. Los circuitos dentro de la unidad amplifican estas señales, que luego son enviados a los devanados de la bobina en el motor.
(Overby, 2011)
En la Figura 32 se muestra ejemplos de drivers usados para la electrónica de la CNC:
31 La metodología es una estrategia que se sigue para determinar las mejores opciones e incrementar la investigación sobre un tema de forma eficaz, en el cual se debe plantear alternativas que puedan resolver un problema establecido en un proyecto.
Esto implica una distribución de actividades secuenciales en diferentes secciones de un trabajo como se observa en la Figura 33, todas estas áreas siguen un mismo propósito, llegar a obtener un producto mecatrónico que sostenga todas las características que se define en la metodología.
3.1 METODOLOGÍA MECATRÓNICA
Figura 33. Metodología Mecatrónica
Para alcanzar los objetivos planteados en este proyecto se utiliza como base la metodología mecatrónica que determina procesos adecuados para la elaboración de la Tesis. Para proceder a realizar este método se empieza a:
1. Reconocer las variables internas y externas del proyecto
2. Analizar el diseño mecánico, eléctrico y de control dependiendo de los parámetros establecidos en el punto anterior.
3. Diseñar las partes que conformarán los diferentes subsistemas mecánicos de la máquina y modelarlos en algún software CAD.
32 5. Ensamblar y modelar un prototipo de la máquina mediante software
de simulación y control del mismo.
6. Fabricación y ensamblaje de las partes del proyecto a partir de los planos aprobados.
3.1.1 REQUERIMIENTOS DE LA MÁQUINA
El proyecto que se desarrolla es una máquina que cumpla con ciertas características como es una buena precisión, rapidez y seguridad; mucho mejor que cualquier artefacto convencional que exista en el mercado.
El ensamblaje de la máquina debe ser totalmente desmontable con articulaciones suficientemente rígido, robusto, resistente al pandeo y a la corrosión. Un diseño confiable que soporten vibraciones y posibles impactos que se den en el transcurso del corte.
Esto no concluye que se deba diseñar con materiales totalmente pesados, ni tampoco con piezas complejas al contrario se precisa de la elaboración de una máquina que sea ligera y fácil de construir y desmontar para futuros mantenimientos.
Además de ello se debe someter a una serie de pruebas que pongan en funcionamiento el proceso de la máquina al momento del corte y la seguridad de las piezas en sujeción para evitar posibles accidentes.
Para ello se manifiesta a continuación ciertos criterios para el diseño de la máquina:
a.- Ejes
33
3.1.2 RESTRICCIONES DE LA MÁQUINA
A continuación en la Tabla 3, se detalla los limitantes necesarios para el buen funcionamiento de la máquina:
Tabla 3. Restricciones de la máquina
RESTRICCIÓN
a.-Ejes
DESCRIPCIÓN
Diseño de tres ejes [“x”, “y”, “z”] como se muestra en el siguiente sistema de referencia de la Figura 34.
Figura 34. Sistema de referencia de la herramienta
b.- Dimensiones El área a tomarse en cuenta será de una plancha de 900x900 con una profundidad de corte de 10 a 20 mm de espesor
c.-Materiales Los materiales que se usa en la CNC son:
-Estructura (base y paredes laterales) => acero A36 de espesor 4mm y 6mm.
-Guias=> acero inoxidable AISI 304 diámetro 12.7 mm
-Ejes de transmisión=> acero inoxidable AISI 304 , diámetro 12mm
-Bocines => Bronce
-Cabezal=>Duralon
-Acoples =>Duralon
d.- Fabricación Todos los materiales deben ser fáciles de ensamblar y desmontar
e.- Precisión El movimiento debe darse de forma continua sin ningún impedimento entre el husillo y el bocín, para obtener un trazo continuo en la figura.
34
3.1.3 ALTERNATIVAS DE DISEÑO
El diseño de la máquina se dividió según ciertas características y opciones relevantes encontradas en el mercado para su selección:
Forma
Estructura
Ejes de transmisión
Motor
Tarjeta de control
Software de diseño
Programa interfaz
3.1.3.1 Forma
ROUTER O FRESADORA DE PUENTE
De acuerdo con la Figura 35 se detalla ciertas características que presenta este tipo de Router o Fresadora de Puente:
- Estructuras apta para piezas pequeñas y largas. - Es ligera.
- Es robusto.
- Movimientos rápidos.
- Mecanizados de piezas relativamente blandas. - 3 ejes de corte.
Figura 35. Router o Fresadora de Puente
CORTADORA FOAM
35 - Utilizada para espuma flex.
- Método de corte hilo Nicrom caliente. - Corte en forma aerodinámica.
- Movimientos rápidos. - 2 ejes de corte.
Figura 36. Cortadora Foam
FRESADORA 3 EJES
Las características que definen a este tipo de CNC que se muestra en la Figura 37 son:
- Estructura robusta de metal
- Mecaniza elementos duros que requieren de esfuerzos y precisión. - Proporciona movimientos lentos.
- Es muy pesada - 3 ejes de corte
36 En la Tabla 4 se presenta un estudio comparativo de las diferentes formas de la CNC según las características establecidas.
Tabla 4. Estudio comparativo: selección de la forma de la máquina
VALOR PUNTAJE
1 Baja
2 Media
3 Alta
CARACTERÍSTICAS ROUTER CORTADORA FOAM
FRESADORA
Estructura robusta 3 1 3
Movimientos rápidos 3 2 1
Mecanizado piezas complejas
3 2 3
Costo 1 2 1
Apta para cualquier altura pieza
3 3 1
Fácil mantenimiento 2 2 1
Ejes de libertad 3 1 3
Estética 3 1 2
Fácil de encontrar en el mercado
3 1 3
TOTAL 24 16 18
Se puede apreciar que el resultado de esta comparación, señala que la mejor forma para iniciar el diseño es la alternativa 1.
3.1.3.2 Material para la estructura
37 material correcto determina un buen funcionamiento de la máquina, a continuación en la Tabla 5 se expone ciertas características:
Tabla 5. Alternativas de material para la estructura
ALTERNATIVAS CARACTERÍSTICAS
PRIMERA ALTERNATIVA
ESTRUCTURA DE ALUMINIO
- Resistente a la corrosión
- Buena resistencia mecánica
- Estructura ligera
- Rígida
- Más eficiente para mecanizar
- Muy costosa
-Buena capacidad de carga
SEGUNDA ALTERNATIVA
-ESTRUCTURA DE MADERA
- No se corroe
- Poco liviana
- Económica
TERCERA ALTERNATIVA
-ESTRUCTURA DE ACERO
- Excelente resistencia
- Económica
- Mayor durabilidad
38 Tabla 6. Estudio comparativo: selección de materiales
VALOR PUNTAJE
1 Baja
2 Media
3 Alta
CARACTERÍSTICAS
ESTRUCTURA ALUMINO
ESTRUCTURA MADERA
ESTRUCTURA ACERO
Resistencia a la corrosión
2 1 1
Resistencia mecánica 2 1 3
Estructura ligera 3 2 1
Fácil de mecanizar 2 2 3
Costo 1 3 2
Rígida 2 1 3
Estética 3 1 2
Accesible en el mercado 1 2 3
TOTAL 16 13 18
Después del análisis realizado en la Tabla 6, se manifiesta que el mejor material para la estructura, es la alternativa 3, debido a que esta cuenta con las características deseadas para el diseño, cabe mencionar que el costo en este material es mucho más accesible que el aluminio para su respectiva construcción.
3.1.3.3 Ejes de transmisión
39 Figura 38. Tornillo de potencia(a); tornillo de bolas (b)
Tabla 7. Estudio comparativo: tornillo de potencia – husillo de bolas
VALOR PUNTAJE
1 Baja
2 Media
3 Alta
CARACTERÍSTICAS TORNILLO DE
ROSCA FINA
HUSILLOS DE BOLAS
Rendimiento mecánico
2 3
Fricción 2 3
Mantenimiento 3 1
Costo 3 1
Desgaste 1 3
Precisión (posicionamiento) 2 3
Rigidez 3 1
Precarga 2 2
Velocidad 2 3
Sencillez 3 1
TOTAL 23 21
40
3.1.3.4 Motores
Para realizar los movimientos de los ejes se debe utilizar motores eléctricos de corriente continua. Los movimientos de estos mecanismos tienen que ser de gran rigidez, resistir los esfuerzos generados por las fuerzas de corte o por los desplazamientos a alta velocidad y vencer la inercia que se presenta al inicio de cada movimiento, por ello la importancia de elegir un motor adecuado para este proyecto y así evitar el sobrecalentamiento del mismo.
Tabla 8. Estudio comparativo: motores a pasos y servomotores
VALOR PUNTAJE
1 Baja
2 Media
3 Alta
CARACTERÍSTICAS A PASOS SERVOMOTORES
Velocidad se incrementa, el par decrece 3 2
Par constante hasta la velocidad nominal 2 3
Mayor revoluciones (<1000 rpm) 2 3
Capacidad de producir un par pico en cortos periodos de tiempo
1 3
Bucle de alimentación 1 3
Bloqueo 2 1
Costo 3 1
Mantenimiento 3 1
Respuestadearranque 3 2
TOTAL 20 19
41
3.1.3.5 Tarjeta de control
Esta tarjeta es la encargada de transmitir información desde la PC a la máquina para su respectivo movimiento. A continuación en la Tabla 9 se describe algunas características de diferentes tarjetas de control:
Tabla 9. Estudio comparativo para la selección de la tarjeta de control
VALOR PUNTAJE
1 Baja
2 Media
3 Alta
CARACTERÍSTICAS TB6560 CNC-DB25 ARDUINO
Tarjetaintegrada 3 3 1
Fáciluso 2 2 3
Velocidad de respuesta 2 2 2
Fiabilidad 2 2 3
Rendimiento 3 3 2
Robusta 2 2 2
Elemento de ventilación 3 1 1
Control de límites 3 3 3
Comunicación 1 1 3
Costo 2 2 3
Comercial 1 1 3
TOTAL 24 22 26
42
3.1.3.6 Software de diseño
En la siguiente tabla se selecciona el software CAM que diseña la trayectoria de la herramienta de corte y el mecanizado de la pieza, como se indica en la tabla 10.
Tabla 10. Estudio comparativo para la selección del software CAM
VALOR PUNTAJE
1 Baja
2 Media
3 Alta
CARACTERÍSTICA CRAZYCAM MASTERCAM SOLIDCAM
Fácil de utilizar 3 2 1
Tratamiento de imágenes 1 3 3
Instalación del Sotware 3 2 1
Simulador 1 3 3
Definición de herramienta 1 3 3
CAD complejo 1 3 3
Cambio de velocidad 1 3 3
Grabado de letras 1 3 2
Flexible 1 3 3
TOTAL 13 25 22
3.1.3.7 Programa Interfaz o Pos-procesador
43 Tabla 11. Estudio comparativo para la selección del software de control
VALOR PUNTAJE
1 Baja
2 Media
3 Alta
CARACTERÍSTICAS GCODE MACH3 PRONTERFACE
Fáciluso 3 2 2
Pantalla de simulación 1 2 1
Apta para cualquier pieza compleja
2 2 2
Velocidadderespuesta 3 3 3
Interacción real con usuario 2 3 2
Accesibilidaden el mercado 3 1 3
Características de comunicación 3 1 3
Personalización según los parámetros de la máquina
2 2 2
Fácilinstalación 3 2 3
TOTAL 22 18 21
De acuerdo con los resultados de la Tabla 11, se establece que el programa de monitoreo GCode-Sender cumple con los requerimientos que se necesita para la interfaz.
44
3.1.3.8 Resumen de la selección de alternativas
Tabla 12. Resultados del diseño de la máquina
FORMA
ESTRUCTURA
EJE DE
TRANSMISIÓN
MOTOR
TARJETA CONTROLADO RA
SOFTWARE DE DISEÑO
45 Como se detalla en la Tabla 12, estas son las opciones que mejor se ajustan a nuestro objetivo por tanto serán analizadas, justificadas y calculadas en la parte de Diseño.
3.1.3.9 Cálculos necesarios para la elaboración del proyec to.
A continuación se presenta una serie de procedimientos tanto analíticos como teóricos que se debe realizar en el capítulo de diseño:
DISEÑO MECÁNICO
En la sección de diseño mecánico se realiza ciertos cálculos que ayuda a obtener los motores apropiados para el movimiento de toda la estructura como se observa a continuación:
Peso de la estructura
Fuerza que se distribuya en cada guía Esfuerzos resultantes en la guía “y” Selección del diámetro para las guías Selección de rodamientos
Cálculo de pandeo para las paredes laterales. Torque requerido para el motor
DISEÑO ELECTRÓNICO - SOTWARE
En esta sección se aplica los siguientes pasos:
Definir los pines de control de la tarjeta Arduino
Definir del voltaje y amperaje que se utilizará en el proyecto Posición de los finales de carrera.
Formato del diseño CAD
Trayectoria de la herramienta en el software CAM y la generación del Código G.
46 El diseño es una etapa fundamental para el buen funcionamiento de la máquina, por lo cual se realiza cuidadosamente los cálculos analíticos junto con el diseño CAE para eliminar cualquier incertidumbre en los cálculos, así comprobar que los resultados son totalmente verídicos y los elementos utilizados tanto para el desarrollo mecánico y electrónico son los apropiados para obtener la máquina CNC.
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO
Con el modelo de la máquina de la Figura 39, se procede a desarrollarlos cálculos que limitan ciertos valores y condiciones para la construcción de la estructura, guías, apoyos y ejes de transmisión, puesto que al no analizar estos factores puede la máquina obtener vibraciones no deseadas que perjudica al acabado superficial de la pieza a efectuarse.
Figura 39. Diseño del Prototipo
4.1.1 DIMENSIONAMIENTO DE GUÍAS
47 Tabla 13. Peso eje z Tabla 14. Peso eje x
Tabla 15. Peso eje Y
PIEZA PESO
EJE_ZX 3828,71
RODAMIENTOSX 2(19)
MESA_H 4350,4
LATERALES 2(1544,3)
MOTORX 240
OTROSX_P 150
EJE_ZXY 11695,71 g
PIEZA PESO
HERRAMIENTA 0,39
EJEZ 2(66,5)
TORNILLO 118,05
SOPORTE CAUTÍN 70,75
OTROS 50
EJE_Z 372,19 g
PIEZA PESO
EJE Z 372,19
MOTOR Z 240
GUIAZ_1 195,74
GUIA_1SUP 60,61
GUIA_1POS 60,61
RODAMIENTOSZ 2(19)
OTROSZ_P 100
EJEX 2(938,62)
TORNILLO_X 884,32
48 Se divide Peso_ Max (P1) para las 5 guías de apoyo del mecanismo:
Por tanto para el análisis de esfuerzos en las guías se toma el valor de P1 ya que éste valor servirá para realizar el análisis del momento flector máximo que se presenta a continuación en la Figura 40:
Figura 40. Diagrama de carga, fuerza cortante y momento flector
(Autor)
RA =0
49 [Ec. 4]
[Ec. 5]
Cuando x =500 mm
La expresión para determinar el diámetro lo conseguimos mediante la ecuación Ec.5 en material de acero inoxidable A304:
[Ec. 6]
50 (Mott, 2006)
Por tanto el diámetro escogido para el husillo es comercial en acero inoxidable
Con ese diámetro se puede analizar la deflexión del eje, como se observa en la Figura 41, un breve análisis en un simulador.
Figura 41. Estudio de Deflexión del eje (MDsolid)
(Autor)
Como resultado según el software nos da una desviación pequeña de 1.73 mm, la cual pueda disminuir dependiendo el peso real apoyado en las guías.
4.1.2 SELECCIÓN DE RODAMIENTOS
El adecuado giro del motor depende del rodamiento, un ejemplo del mismo se observa en la Figura 42:
Figura 42. Rodamiento de bolas
1. Duración de la vida según la aplicación:
51 Tabla 16. Duración de la vida según la aplicación
CLASIFICACIÓN DEL SERVICIO
APLICACIÓN DE LA MAQUINARIA
DURACIÓN
Equipos utilizados en periodos cortos o intermitentes con interrupciones permitidas
Electrodomésticos, herramientas eléctricas manuales, maquinaria agrícola, tecles en tiendas
4000 8000
(NTN, 2014)
[Ec. 7] Donde:
De acuerdo con la Ec.7, muestra que el rodamiento tendrá una duración de vida de revoluciones.
2. Fuerza en el rodamiento:
[Ec. 8]
Donde:
Tabla 17. Factor carga
MAGNITUD DEL CHOQUE APLICACIÓN
Muy poco o nada de choque
Máquinas eléctricas, máquinas
herramientas, instrumentos de medición
Choque ligero Molinos de rodillos, máquinas para trabajar metales, máquinas para fabricar papel, máquinas eléctricas.
Choque pesado Trituradores, equipo agrícola, equipo de construcción, grúas
52
3. Carga dinámica:
[Ec. 9]
Donde:
)
)
Tabla 18. Carga radial dinámica equivalente
e e e
X Y X Y
0.172 0.19 2.3
0.345 0.22 1.99
0.689 0.26 1.71
1.03 0.28 1.55
1.38 0.30 1 0 0.56 1.45
2.07 0.34 1.15
3.45 0.38 1.04
e por tanto x=1
4. Capacidad de carga dinámica:
[Ec. 10]
Donde:
53 Pero de cierto modo existe un inconveniente ya que en el mercado no es muy comercial por lo cual se elige el rodamiento número 6000 que presta las mismas condiciones a favor del diseño.
5. Factor de carga del rodamiento
[Ec. 11]
Donde:
(NTN, 2014)
Como se observa el factor de seguridad es totalmente alto esto se debe a la carga estática tomada del rodamiento 6000 que es muy superior al que se necesita.
4.1.3 RADIO DE CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS PARA EL
EJE A TORSIÓN
Al momento de ensamblar y ubicar diversos elementos sobre el eje, existen ciertas zonas críticas que están sometidas a esfuerzos, tendiendo a fallar por fatiga. Es por ello que al diseñar un eje se debe analizar las variaciones súbitas de geometría como es el cambio de diámetro, los agujeros, chavetas, ranuras para anillo entre otras, estas zonas están expuestas a esfuerzos mayores o a lo que llamamos concentración de esfuerzos, como se observa en la Figura 43.
54 El eje para el diseño de este proyecto tiene un leve cambio gradual en su sección transversal para acoplar al rodamiento; visto que su diámetro es delgado es necesario realizar un análisis en esa zona para encontrar el radio de curvatura a mecanizarse entre el diámetro mayor (D=12mm) y el diámetro menor (d=10mm).
Figura 44. Chaflanes en eje
Si el radio de eje del diseño se encuentra de la forma señalada en la Figura 44, entonces el factor de concentración k = 2,5. Con este valor se realiza una intersección según el Anexo 4 entre k y D/d, el cual es igual a 0,0275 Es decir que, según la gráfica del dicho Anexo:
[Ec. 12] Donde:
Se obtiene que el radio en el cambio gradual de sección debe ser mecanizado a , un radio pequeño tolerable.
4.1.4 CÁLCULO DE PANDEO PARA PAREDES LATERALES
55 Figura 45. Pandeo de pared lateral
Para ello se sigue una serie de pasos:
1.- Relación de Esbeltez de transición o constante de columna:
[Ec. 13]
Donde:
2.- Radio de giro
[Ec. 14]
Donde:
56 [Ec. 15] Donde:
El radio de giro es:
3.- Relación de esbeltez
Es un factor que define el comportamiento de columnas en condiciones de apoyo de sus secciones extremas, como se indica en la Figura 47, nuestro eje se asimila a la barra 4, dado que la columna lateral se encuentra con apoyo fijo el otro extremo como pasador.
Figura 47. Valores k
(Mott, 2006)
[Ec. 16]
57 .
La relación de esbeltez de la Ec.16 es menor a la relación de esbeltez de transición de la Ec.13.
Por tanto se debe aplicar la formula de Johnson (para columnas cortas)
[Ec. 17]
Donde:
Gracias a este análisis se pudo observar que la carga máxima que soporta las paredes es de es superior a la carga real de
4.1.5 FACTOR DE DISEÑO
Para estar completamente seguros que el diseño no fallará se recurre al factor de diseño:
[Ec. 18]
58 Con este valor se asegura que la carga aplicada o admisible es mucho menor a la carga critica de pandeo por tanto es completamente rígida.
(Mott, 2006)
No solo se aplicó los cálculos analíticos en este análisis ya que como el factor de seguridad tiene un valor muy alto se decide comparar con el software de análisis CAE que nos ayuda en la simulación de pandeo, según se presenta en la Figura 48.
Figura 48. Simulación de pandeo
Es decir a partir del factor de seguridad se llega obtener la carga crítica según nos muestra en la Figura 49.
Figura 49. Factor de seguridad de la columna
