UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO MECANICO
“DISEÑO DE UN DINAMOMETRO PARA MEDIR LA FUERZA DE CORTE Y FUERZA DE AVANCE EN EL TORNO”
AUTOR: FRANKLIN EDINSON GARCIA MENDOZA ASESOR: Ing. Juan Acosta Horna
TRUJILLO – PERU 2019
PRESENTACIÓN
SEÑOR DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA.
SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:De conformidad con lo estipulado por el Reglamento de Grados y Títulos de la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Trujillo, presento a su consideración la presente tesis:” DISEÑO DE UN DINAMOMETRO PARA MEDIR LA FUERZA DE CORTE Y FUERZA DE AVANCE EN EL TORNO”
El presente estudio tuvo como finalidad elaborar un dinamómetro para medir las fuerzas de en el Torno Mecánico.
DEDICATORIA
Dedico este trabajo principalmente a Nuestro padre Dios, por haberme dado la vida y permitirme el haber llegado hasta este momento tan importante de mi formación profesional.
A mis padres: GERMAN Y ISIDORA, por ser el pilar más importante y por demostrarme siempre su cariño y apoyo incondicional sin importar nuestras diferencias de opiniones. porque a pesar de todo siempre me guiaban por el buen camino, y de todo corazón me siento muy feliz por la herencia muy grande que me esa felicidad de ser un grande PROFESIONAL EN INGENIERIA MECANICA.
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por bendecirnos la vida, por guiarme a lo largo de mi
existencia de vida , ser el apoyo y fortaleza en aquellos momentos de dificultad
y de debilidad.
Agradezco a mis padres: German García Mendoza y Isidora Mendoza Roque,
por ser los principales promotores de mi sueño, por confiar y creer en mi
expectativa, por los consejos, valores y principios que me han inculcado.
Agradezco a nuestros docentes de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Nacional de Trujillo, por haber compartido sus conocimientos a lo
largo de la preparación de nuestra profesión, de manera especial, al master
Juan Elid David Acosta Horna tutor de mi proyecto de investigación quien me
ha guiado con su paciencia, y su rectitud como docente.
ÍNDICE ANALÍTICO
PRESENTACIÓN ... i
DEDICATORIA ... ii
AGRADECIMIENTOS ... iii
INDICE ANALÍTICO ... iv
LISTA DE FIGURAS ... vii
LISTA DE TABLAS ... viii
RESUMEN... ix
CAPITULO I .- INTRODUCCIÓN
1.1 Realidad problemática...Pág. 1
1.2 Enunciado del problema...Pág. 2
1.3 Hipótesis...Pág. 2
1.4 Justificación...Pág. 2
1.4.1 Justificación técnica ...Pág. 2
1.4.2 Justificación económica………..Pág. 2
1.5 Objetivo ...Pág. 3
1.5.1 Objetivo general...Pág. 3
1.5.2 Objetivos específicos...Pág. 3
CAPITULO II .-FUNDAMENTOS TEORICOS
2.1. Antecedentes...Pág 4
2.2. Diseño del Dinamómetro...Pág. 9
2.3. Mecánica de Formación de Viruta...Pág.11
2.31. Corte Ortogonal...Pág.12
2.3.2. Fuerzas de Corte... Pág.15
2.4. Elementos Finitos... Pág.16
2.5. Galgas extensometricas... Pág.17
2.5.1. Celdas Cargas... .Pág.24
2.6. Módulo HX711...Pág.28
2.7. Arduino...Pág.30
2.8. El torno Mecánico...Pág.35
CAPITULO III. MATERIALES Y METODOS
3.1. Materiales de Estadio...Pág.43
3.2. Equipo, Instrumentos y Materiales Consumibles...Pág.45
3.3. Procedimientos Experimental...Pág.50
3.3.1 Simulación del Dinamometro...Pág.50
3.3.2. Construcción y calibración del dinamómetro...Pág. 55
3.3.3. Conexión celda de carga- Arduino...Pág. 57
3.3.4. Ensayo de Torneado...Pág. 62
CAPÍTULO IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Resultados……… ...………..Pág. 63
4.2 Discusión de Resultados………...…. ..Pág. 64
CAPÍTULO V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones …………...………....………Pág.66
5.2. Recomendaciones………..Pág.68
ANEXOS………..Pág.69
CAPITULO VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1...Pág. 4 Figura 2.2. ...Pág. 6 Figura 2.3. ...Pág. 7 Figura 2.4. ...Pág. 8 Figura 2.5. ...Pág. 10 Figura 2.6. ...Pág. 11 Figura 2.7. ...Pág. 11 Figura 2.8. ...Pág. 12 Figura 2.9. ...Pág. 12 Figura 2.10. ...Pág. 14 Figura 2.11. ...Pág. 14 Figura 2.12. ...Pág. 21 Figura 2.13...Pág. 23 Figura 2.14...Pág. 24 Figura 2.15...Pág. 30 Figura 2.16...Pág. 34 Figura 2.17. ...Pág. 36 Figura 2.18...Pág. 37 Figura 2.19...Pág. 37 Figura 2.20...Pág. 41LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Composición química del acero AISI 1020 – ASTM A36………Pág. 44 Tabla 2.2 Propiedades mecánicas del acero AISI 1020 – ASTM A36………Pág. 45 Tabla 2.3 Especificaciones del Arduino Microcontroladores………Pág. 48
RESUMEN
En la presente Tesis se estudia el Diseño de un Dinamómetro para medir la
Fuerza de corte y la Fuerza de Avance en el torno.
El Dinamómetro es sometido a un proceso de Diseño por elementos finitos de
tal manera que no se supere el esfuerzo de fluencia y la deflexión sea mínima y
este dentro de los parámetros de fuerzas que deseamos medir.
El dinamómetro utiliza Galgas de extensometricas para poder medir distintas
magnitudes mecánicas.
El dispositivo fue aplicado al análisis de fuerzas de corte y avance
para el torneado ortogonal del ACERO AISI SAE 1020 obteniéndose
los resultados acordes con la bibliografía esperada. DINAMOMETRO MEDIDA
CORTE METAL
ABSTRACT
In this current investigation, the design of a lathe dynamometer Channels are
studied to measure shear force and feed force.
This two channel dynamometer was designed in a CAD Program Software and
simulated by finite element model with the condition that no exceed the elastic limit
and the deviation is minimal and this deviation is within the parameters of the forces
we want to measure.
The dynamometer uses two dial indicators with high sensitivity to measure
displacement.
To relate the Force and displacement it is necessary establish a sensitivity curve
that transforms displacements into forces.
The device was applied to the analysis of shear forces and feeding forces in
orthogonal cut for turning AISI SAE 1020 steel, the results were consistent with the
expected values according to the references.
METAL CUT MEASUREMENT
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN.
1.1. Realidad Problemática.
El avance vertiginoso de la Industria en los últimos años ha cambiado prácticamente nuestra manera de vivir. La manufactura cada día avanza más con la producción en masa se hacen miles de productos que después se venden en los lugares más apartados. Las maquinas Herramientas desde su aparición han sido un pilar fundamental de este desarrollo, desde las primeras máquinas modernas hasta las maquinas más sofisticadas y computarizadas de la actualidad, el principio de funcionamiento no ha cambiado y sigue siendo el mismo.
El Teoría del Corte es la parte de la manufactura que se encarga del estudio del mecanizado, aunque parece tan simple ver el corte del metal con una herramienta, esconde los secretos más guardados de la industria y su estudio a pesar de llevar décadas aún no concluye y cada día se enfrenta a nuevos desafíos.
El corte del metal es un proceso sumamente complejo, debido a diferentes razones, ya sea por el espacio tan reducido en el cual se lleva cabo, por el cambio de propiedades que experimental el material de corte, por las tensiones y deformaciones tan altas y que son aplicadas en lapsos de tiempo muy corto incrementando las velocidades de deformación, o porque simplemente la geometría del corte resulta de lo más complicada.
Entender y estudiar la mecánica del corte es desentrañar los misterios más profundos del corte de metales, y uso parámetros muy importantes en este proceso son las fuerzas de corte, en ese sentido el tener un dinamómetro capaz de poder cuantificar las magnitudes de las fuerzas que están actuando resulta de los más importante en cualquier estudio.
1.2 Enunciado del problema
"COMO DISEÑAR UN DINAMOMETRO PARA MEDIR LA FUERZA DE CORTE Y AVANCE EN EL TORNO”
1.3 Hipótesis
.Mediante una metodología que permita simular los estados tensionales a los cuales va a ser sometido hasta optimizar en tamaño y geometría el dinamómetro
1.4 Justificación.
1.4.1 Justificación Técnica.
Fabricar objetos mediante el arranque de material es una tecnología que aparece ya en las actividades de manufactura en las primeras civilizaciones conocidas hace miles de años. A pesar de esto, la modelización de este proceso de mecanizado sigue siendo un desafío para los investigadores debido a la continua necesidad industrial de mejorar el proceso o de mecanizar nuevos tipos de materiales como las aleaciones de baja maquinabilidad o los materiales compuestos.
1.4.2 Justificación Económica.
El mecanizado es uno de los más extendidos procesos de formado de metal en la industria de la manufactura. La investigación mundial en el mecanizado de las maquinas herramientas se mantiene y continúa incrementándose cada año. La situación económica de cada país puede ser juzgada por esta inversión. Sin la ingente inversión en investigación no se hubiera podido llegar a la producción en seria y abaratar los costes de producción haciendo accesibles innumerables productos que el mercado nos ofrece.
1.5 OBJETIVOS
1.5.1. Objetivo General
Diseñar el dinamómetro para medir las fuerzas de corte en el Torno
1.5.2. Objetivos Específicos
Determinar la forma y configuración del dinamómetro
Determinar el material en el cual va a ser diseñado el dinamómetro
Determinar las dimensiones del dinamómetro a través de simulaciones
Determinar las posiciones donde deben ser colocadas los strain gages.
Calcular la Fuerza de Corte en un ensayo Calcular la Fuerza Avance en un ensayo
CAPÍTULO II.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS.
2.1. Antecedentes.
El dinamómetro es un instrumento que se emplea para medir fuerzas, es la definición más sencilla que podemos encontrar en numerosas fuentes. Su descubridor Newton lo relacionaba con el peso y la fuerza gravitatoria. En general el dinamómetro en si mide las fuerzas y muchos lo comparan con una báscula o una romana. En el caso muy popular de una romana tenemos un pequeño resorte que se calibra para medir la deformación ocasionada por la fuerza que actúa sobre él y produce una deformación del mismo aumentando su longitud, de tal manera que se relaciona esta elongación con la fuerza aplicada.
.
Fig. N°2.1 Romana dispositivo utilizado popularmente para medir el peso de un cuerpo utilizando un pequeño resorte que se deforma.
En ese mismo sentido se podría recoger el mismo principio y aplicarlo a un cuerpo que se deforma al aplicar cierta carga sobre el de tal manera que la acción de la carga causa una un efecto físico medible en el cuerpo como es su deformación, este es básicamente el principio general de todo dinamómetro.
Hoy en día encontramos dinamómetros elaborados con una altísima precisión, pero claro esta tiene un precio sumamente elevado. Dentro de este grupo tenemos a aquellos que son los más sofisticados como son los piezoeléctricos y también a los que utilizan strain gages o galgas extensometricas.
Dentro de los primeros es decir de los que utilizan sensores piezoeléctricos, estos se consideran herramientas versátiles para la medición de distintos procesos, por ejemplo en garantías de calidad, procesos de control o investigación y desarrollo en diferentes campos industriales. Aunque el efecto piezoeléctrico fue descubierto por Pierre Curie en 1880, no comenzó a ser implementado en las aéreas sensoriales de la industria hasta 1950. Desde entonces, el uso de este principio de medición se ha incrementado, debido a su fácil manejo y su alto nivel de fiabilidad. Tiene aplicaciones en campos como la medicina, la industria aeroespacial y la instrumentación nuclear, así como en pantallas táctiles de teléfonos móviles. En la industria automovilística, los elementos piezoeléctricos se utilizan para monitorear la combustión durante el desarrollo de motores de combustión interna, bien montados directamente en hoyos adicionales en la culata o en las bujías, que están equipadas con un sensor piezoeléctrico en miniatura.
Fig N°2.2 Un disco piezoeléctrico genera voltaje cuando es deformado (cambio drástico en la forma).
Los dinamómetros que utilizan galgas extensometricas en realidad utilizan el mismo principio que uno tradicional con la única diferencia que la galga se encarga de medir con bastante precisión la deformación producida a través de una alteración de su resistencia debido al cambio de su longitud, este cambio en su resistencia se puede medir a través de un puente de puente de Wheatstone. Por el contrario los piezoeléctricos utilizan el principio físico de estos materiales es decir un efecto piezoeléctrico que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
Fig N°2.3 Aquí se muestra los dinamómetros actuales con su consola (Amplificador).
Por otro lado, en el Trabajo de HÉCTOR ÁLVARO GONZÁLEZ B.
(DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN DINAMOMETRO PARA LA
MEDICION DE LA FUERZA DE CORTE EN EL PROCESO DE
ARRANQUE DE VIRUTA EN UN TORNO) se observa el diseño y
fabricación de un dinamómetro que funciona solo con deflexión (viga en
voladizo) al igual que el propuesto por nosotros, pero con la única
diferencia que solo es de un canal es decir solo está diseñado para medir
la fuerza de corte mas no la fuerza de avance lo cual es una limitación.
Fig N°2.3. Vista isométrica del dinamómetro para medición de la fuerza de corte en torneado. (HÉCTOR ÁLVARO GONZÁLEZ B).
En el Texto de Helmi A. Youssef “MACHINING TECHNOLOGY” (TWO-CHANNEL
CANTILEVER – CHISHOLM DYNAMOMETER) nos muestra el dinamómetro más simple para
dos canales. En el cual la herramienta de corte es sostenida al final de una viga en forma de cono. La forma de cono hueco le confiere la máxima rigidez con una elevada frecuencia natural. Además, el dinamómetro es libre de cualquier interferencia cruzada y su radio de desplazamiento es calculado como sigue:
r
d=
q/p
Dónde:r
d= Razón de Desplazamientoq= Desplazamiento medido por el instrumento p= Desplazamiento de la Herramienta
Fig N°2.4 Dinamómetro para medir fuerzas en el Torno (From Chisholm, A. W. J., Progress Report on the Wear of Cutting Tools, H. M. Stationary Office, MERL, Plasticity Report, 106, 1955.)
2.2 Diseño del Dinamómetro
Los factores a tener en cuenta más relevantes al momento de diseñar un dinamómetro son:
Las dimensiones del Dinamómetro son únicas y tienen una relación directa con las medidas de un torno en específico es decir se diseña de acuerdo a la maquina donde se va a utilizar o realizar los ensayos, esto hace que algunas medidas varíen.
En cuanto a la rigidez esta debe ser muy elevada para no permitir vibraciones que puedan alterar o perturbar el proceso.
Sensibilidad, está referida a que si bien es cierto debe ser rígido, pero también debe poseer sensibilidad como para captar las pequeñas deformaciones que se producen durante el corte. Además, debe distinguir y tratar de que las dos fuerzas no interfieran con los respectivos puntos de desplazamiento donde se va a medir Tipo de material a mecanizar
Condiciones de corte
El diseño del Dinamómetro empieza con la solución de la Viga en voladizo. En el Texto de Helmi A. Youssef “ MACHINING TECHNOLOGY” (TWO-CHANNEL-SLOTTED CANTILEVER DYNAMOMETER) nos muestra el dinamómetro más simple para dos canales. En el cual la herramienta de corte es sostenida al final de dos vigas en forma de rectangular. Su construcción es muy sencilla, pero tiene el inconveniente es que existe una cierta interferencia entre las dos fuerzas que se desean medir. Por otro lado, el radio de desplazamiento es calculado como sigue:
r
d=
q/p
. Dónde:q= Desplazamiento medido por el instrumento p= Desplazamiento de la Herramienta
Fig N°2.5 Dinamómetro de 2 canales tipo vigas en voladizo para ser utilizado en el Torno (Modified from Boothroyde, G., Fundamentals of Metal Machining and Machine Tools, McGraw-Hill, New York, 1981.)
De los gráficos podemos extraer un bosquejo de cómo sería el Dinamómetro, pero no nos dan ninguna de las posibles medidas, o proporcionalidad de ellas, esto es coherente ya que el diseño del dinamómetro en sí mucho tiene que ver con el material en el cual será fabricado y la razón de desplazamiento del propio Dinamómetro. En ese sentido inicialmente se pensó en resolver el problema solo con la viga en voladizo y aplicar los conocimientos de Resistencia de Materiales y con ayuda de la Ecuación de la Elástica obtener una expresión que exprese los esfuerzos en función del máximo desplazamiento (deflexión en la punta).
Esta tarea puede ser fácilmente resuelta aplicando algún tipo de ayuda por Métodos Numéricos. Se procedió a dibujar en un Software CAD para luego ser llevado al software de simulación Numérica.
2.3 Mecánica de Formación de la Viruta
El mecanismo básico involucrado en el sistema, es el de una deformación localizada sobre la pieza de trabajo inmediatamente delante de la punta de la herramienta. El movimiento relativo entre la herramienta y la pieza de trabajo comprime el material de trabajo cerca de la herramienta e induce una deformación por cortante (llamada zona primaria) la cual forma la viruta. La viruta pasa sobre la cara de ataque de la herramienta de corte y recibe deformación adicional (zona secundaria) debido al corte y deslizamiento de la viruta en contra de la herramienta.
Fig N°2.6 Se muestra la forma más simple de cómo se forma la viruta en un proceso de mecanizado.
Estas dos deformaciones tienen mutua dependencia. El material de Trabajo es calentado durante su pasaje a través de la zona primaria de corte producto de la fuerte deformación que sufre, y este es el que incide en la cara de ataque de la herramienta. Así el proceso secundario es influenciado por los fenómenos sobre la zona primaria. Algunos modelan esta zona primaria como un plano debido a que es extremadamente pequeña y estrecha.
Básicamente tenemos 2 tipos de maneras de cómo podemos estudiar este fenómeno, en proceso ortogonal o proceso oblicuo.
2.3.1 Corte ortogonal
La gran mayoría de los procesos de mecanizado son tridimensionales en la práctica diaria, pero en el laboratorio se utiliza un modelo mucho más simple, es decir el de dos dimensiones, el modelo mostrado en la figura es de gran ayuda en el estudio de los mecanismos básicos de corte y es conocido como modelo de corte ortogonal.
Fig N°2.8 Corte Ortogonal y los principales ángulos de la geometría del corte
A este modelo se le denomina como modelo de corte ortogonal debido a que en la operación el filo de corte es perpendicular a la velocidad relativa entre la pieza y la herramienta.
Existen dos teorías sobre el acercamiento del análisis de este modelo. La del plano delgado a la que pertenecen Merchant y Kubayashi. y la de Palmer y Oxley que proponen un modelo basado en un análisis sobre una región de deformación ancha. Los experimentos indican que la corriente basada en la región de deformación ancha describe el proceso de mecanizado correctamente a bajas velocidades. En cambio, a altas velocidades la corriente basada en el plano delgado describe mejor el proceso. Por lo que la corriente del plano delgado tiene una mayor utilidad práctica.
A continuación, se muestra la Teoría de Merchant que supone lo siguiente La punta de la herramienta es filosa y no ocurre un roce entre la
herramienta y la pieza de trabajo. La deformación es en dos dimensiones.
Los esfuerzos en el plano de corte están uniformemente distribuidos. La fuerza resultante R aplicada en la viruta, en el plano de corte es igual, opuesta y colinear a la fuerza R aplicada a la viruta en la interface de la herramienta y la viruta.
La viruta es continua y no fluye hacia otro lado del plano de deformación.
Fig N°2.10. Teoría del Corte Ortogonal mostrando toda la geometría
2.3.2 Fuerzas de corte
El sistema de fuerzas que intervienen en un proceso tridimensional de corte en el torneado consta de tres componentes Fc, fuerza de corte primaria, actuante en la dirección del vector velocidad de corte, esta fuerza es la mayor y responde al 99 % de la potencia requerida en el proceso. Ff, o Ft, Fuerza de avance, actuante en dirección del avance de la herramienta. Esta acostumbra a ser el 50% de Fc, pero responde sólo a un pequeño porcentaje de la potencia necesaria ya que las velocidades de avance suelen ser pequeñas a comparación de las de corte radial. Fr, fuerza radial, perpendicular a la superficie mecanizada, es del 50% de Ff y contribuye muy poco a las necesidades de potencia. Estas fuerzas se pueden relacionar con las fuerzas necesarias en la herramienta Ft y Fc, siendo la primera, la fuerza de empuje, en dirección perpendicular a la velocidad de corte y a la superficie de trabajo, y la segunda, la fuerza de corte en dirección de la velocidad de corte. Por medio del método de superposición, aplicado a los triángulos de fuerzas vistos en la figura anterior. Fc es la fuerza horizontal de corte en la herramienta y Ft la fuerza en dirección vertical, necesaria para soportar la fuerza vertical ejercida sobre la herramienta.
Aunque el coste de la potencia consumida en una operación de mecanizado no es un factor económico importante habitualmente, es necesario su conocimiento para ser capaces de estimar la cantidad de potencia necesaria para realizar la operación debido a las limitaciones impuestas por la máquina disponible. La capacidad de estimar la potencia de una operación es importante sobre todo en las operaciones de desbaste ya que lo que interesa es realizar la operación en el menor tiempo y en el menor número de pasadas posible. Por otra parte, las fuerzas de corte también intervienen en fenómenos como el calentamiento de la pieza y la herramienta, el
desgaste de la herramienta, la calidad superficial y dimensional de la pieza, el diseño del amarre y utillajes necesarios, etc.
La interacción entre la herramienta, la viruta y la pieza, se traduce en una serie de presiones sobre la superficie de la herramienta. Este sistema de fuerzas y presiones se puede reducir a una fuerza resultante F.
El momento resultante se puede despreciar ya que el área sobre el que se aplica la fuerza es muy pequeña. Una primera descomposición de esta fuerza es en dos direcciones es ortogonales, una en la dirección de la velocidad de corte que será la fuerza de corte Fc , y la otra en la dirección perpendicular a la velocidad de corte que será la fuerza de empuje Ft. De las dos fuerzas, la única que consume potencia es Fc, siendo la función de Ft la de mantener la posición del filo de la herramienta en el plano.
2.4 Elementos Finitos
El MEF permite obtener una solución numérica aproximada sobre un cuerpo, estructura o dominio (medio continuo) —sobre el que están definidas ciertas ecuaciones diferenciales en forma débil o integral que caracterizan el
comportamiento físico del problema— dividiéndolo en un número elevado de subdominios no-intersectantes entre sí denominados «elementos finitos». El conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio también denominada discretización. Dentro de cada elemento se distinguen una serie de puntos
representativos llamados «nodos». Dos nodos son adyacentes si pertenecen al mismo elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un elemento finito puede pertenecer a varios elementos. El conjunto de nodos considerando sus relaciones de adyacencia se llama «malla».
Los cálculos se realizan sobre una malla de puntos (llamados nodos), que sirven a su vez de base para discretización del dominio en elementos finitos. La generación de la malla se realiza usualmente con programas especiales llamados generadores
de mallas, en una etapa previa a los cálculos que se denomina pre-proceso. De acuerdo con estas relaciones de adyacencia o conectividad se relaciona el valor de un conjunto de variables incógnitas definidas en cada nodo y denominadas grados de libertad. El conjunto de relaciones entre el valor de una determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma de sistema de ecuaciones lineales (o linealizadas). La matriz de dicho sistema de ecuaciones se llama matriz de rigidez del sistema. El número de ecuaciones de dicho sistema es proporcional al número de nodos.
2.5 Galgas Extensometricas
Un extensómetro, galga extensiométrica o Strain Gage es un dispositivo de medida universal que se utiliza para la medición eléctrica de diversas magnitudes mecánicas como: Presión, carga, torque, deformación, etc. y se basa en el efecto piezorresistivo, que es la propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se les somete a ciertos esfuerzos y se deforman en dirección de los ejes mecánicos. Un esfuerzo que deforma la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica. Esta variación se produce por el cambio de longitud, el cambio originado en la sección o el cambio generado en la resistividad. Inventado por los ingenieros Edward E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938, la galga extensiométrica hace una lectura directa de las deformaciones longitudinales en cierto punto del material que se está analizando. La unidad que lo representa es épsilon, que es adimensional y expresa el cambio de la longitud sobre la longitud inicial.
En su forma más común, consiste en un estampado de una lámina metálica fijada a una base flexible y aislante. La galga se adhiere al objeto cuya deformación se quiere estudiar mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Según se deforma el objeto, también lo hace la lámina, provocando así una variación en su resistencia eléctrica. Habitualmente una galga extensiométrica consiste en un alambre muy
fino, o más comúnmente un papel metálico, dispuesto en forma de rejilla, que se puede unir por medio de soldadura a un dispositivo que pueda leer la resistencia generada por la galga. Esta forma de rejilla permite aprovechar la máxima cantidad de material de la galga sujeto a la tensión a lo largo de su eje principal. Las galgas extensiométricas también pueden combinarse con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta los esfuerzos.
Idealmente, las galgas deberían ser puntuales para así poder medir esfuerzos en puntos concretos. En la práctica las dimensiones de la galga son apreciables, por lo tanto se supone que el punto de medida es el centro geométrico de la galga. Si se pretenden medir vibraciones, es necesario que las longitudes de las ondas de esas vibraciones sean bastante mayores que la longitud de la galga. Las galgas pueden estar cementadas en una placa pequeña o dos elementos que presionan el alambre que transporta la electricidad.
Las galgas tienen ciertas características, unas físicas y otras en cuanto a su funcionamiento. Entre las físicas se encuentra su tamaño, peso y materiales con los que fue fabricada; es pequeña y dura, lo que facilita la velocidad con que genera las respuestas. Estas son muy importantes, puesto que el resultado correcto depende de estos aspectos. Existen también características que dependen de la fabricación de la galga, por ejemplo, la temperatura del funcionamiento y el factor de la galga, que indica la sensibilidad que tiene el sensor. También la resistencia de la galga, el coeficiente de temperatura, la prueba de fatiga y el coeficiente de expansión lineal son características necesarias para conocer bajo qué circunstancias la galga arroja los resultados adecuados.
Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son alambres muy pequeños de aleaciones metálicas, como por ejemplo constatan (Níquel 60%-Cobre 40%), nicrom, Chromel (Níquel-Cromo), aleaciones (Hierro-Cromo-Aluminio),
elementos semiconductores como el silicio y el germanio o grabado en laminillas metálicas delgadas. Es por ello que las galgas se
clasifican en dos tipos: las
metálicas y las semiconductoras.
Se entiende por Strain a la cantidad de deformación de un cuerpo producto de la fuerza aplicada sobre él, en términos matemáticos Strain (ε) se define como la tasa de cambio en longitud.
Para medir con un Strain Gage se cumple:
Donde:
ε : Deformación. GF: Factor de Galga.
ΔR: Variación de resistencia. R: Resistencia Strain Gage.
El parámetro Strain puede ser positivo (tensión) o negativo (compresión). En la práctica la magnitud de medida del Strain es muy pequeña por lo que usualmente se expresa como microstrain (ε) que es ε x 10 -6 μ
Se conocen varios métodos para medir deformación, pero el más utilizado es mediante un Strain Gage, el cual es un dispositivo cuya resistencia eléctrica varía de forma proporcional a la deformación al que éste es sometido.
El Strain Gage más ampliamente utilizado es el confinado en papel metálico y consiste en un cable muy fino o papel aluminio dispuesto en forma de grilla. Esta grilla, maximiza la cantidad de metal sujeto a la deformación en la dirección paralela. La grilla está pegada a un fino respaldo llamado carrier, el cual está sujeto directamente a la pieza que se desea medir. Por lo tanto, la deformación experimentada por la pieza es transferida directamente al Strain Gage, el cual responde con cambios lineales de resistencia eléctrica, por esto es de suma importancia que el Strain Gage sea apropiadamente montado sobre la pieza
Los Strain Gages se encuentran en el mercado con valores nominales de resistencia de 30 a 3000 Ω, siendo los de 120, 350 y 1000 Ω, los valores más comunes
Un parámetro fundamental de los Strain Gage es la sensibilidad a la deformación, expresado cuantitativamente como el factor de galga (GF). El factor de galga es definido como la relación de variación fraccional de resistencia eléctrica y la variación fraccional de longitud
Auto compensación de temperatura
Una importante propiedad compartida tanto por los Strain Gages de constantan como los de Karma es su respuesta a procesos especiales gracias a su auto compensación de temperatura. Las galgas auto compensadas son diseñadas para producir una salida térmica mínima (la temperatura induce a deformaciones aparentes) sobre un rango de temperatura que va desde los -45°C a los +200°C.
Fig N°2.12 Curvas de salida en función de la temperatura.
El gráfico térmico de salida ilustra las características térmicas típicas de salida para aleaciones de tipo A y K. La salida térmica de aleaciones no compensadas isoelástica D se incluye en el mismo gráfico con propósitos comparativos. En la práctica el número STC para una galga tipo A o K, se elige lo más próximo posible al coeficiente de expansión termal de la pieza de prueba.
Material de respaldo o carrier
La confección de Strain Gages se realiza mediante un grabado del papel metálico sobre un material de respaldo o “carrier” que cumpla con las siguientes funciones: Proveer el medio de sustento a la grilla metálica durante la instalación.
Presentar una superficie para confinar y pegar la galga al material de prueba. Proveer un aislamiento eléctrico entre la grilla y el material de prueba.
Los materiales de respaldo para Strain Gages son básicamente de dos tipos: poliamida y fibra de vidrio reforzada con epoxi-fenólico.
Longitud de una galga
Es la región activa o longitud de la grilla sensible a la deformación de una galga. Los codos y almohadillas de soldadura no se consideran sensibles a la deformación debido a su gran sección transversal y su baja resistencia eléctrica. Para satisfacer las amplias necesidades de análisis de deformación se ofrecen longitudes de galgas que van de 0.2 mm a 100 mm.
Rosetas
Para estados biaxiales de esfuerzos, una roseta de dos o tres elementos puede ser requerida para determinar las principales deformaciones. Cuando las direcciones de las deformaciones se conocen de antemano, una roseta de dos elementos, 90°, puede ser empleada con las direcciones de los ejes alineadas con las deformaciones.
En la mayoría de los casos cuando las direcciones principales de las deformaciones no son conocidas se debe emplear una roseta de tres elementos. Dicha roseta puede ser ubicada con cualquier orientación, pero usualmente se dispone de manera que una de sus grillas se encuentre alineada con un eje principal de la pieza a medir.
PUENTE DE WHEATSTONE
Para evaluar las variaciones de resistencia experimentadas por las galgas cuando se deforman, éstas se conectan en un circuito eléctrico y se mide la variación de la tensión eléctrica en ellas.
En la práctica las mediciones con Strain gages raramente involucran cantidades mayores que unos pocos milistrain. Por lo tanto para medir deformación se requiere de máxima precisión sobre pequeños cambios de resistencia. Para medir cambios tan pequeños de resistencia y compensar la sensibilidad térmica los Strain gages son casi siempre utilizados en configuración puente con excitación externa.
El puente de Wheatstone está formado por cuatro resistencias unidas en serie – paralelo, de las cuales una o varias de ellas son galgas eléctricas o extensómetros, mientras que las restantes son simples resistencias eléctricas que completan el diseño del puente. La siguiente figura muestra dos ilustraciones diferentes del puente de Wheatstone que son idénticas eléctricamente.
Fig N°2.13 Las cuatro ramas del circuito están formadas por las resistencias R1, R2, R3 y R4.
Los puntos 2 y 3 del puente designan las conexiones para el voltaje de excitación del puente (Ve). La señal de medida es voltaje de salida del puente), (Vs), que se obtiene en los puntos 1 y 4.
4.2. Condición de equilibrio del puente.
Se dice que el puente está equilibrado cuando no hay diferencia de potencial entre los puntos 1 y 4, es decir, Vs = 0. Para ello, se debe cumplir la siguiente condición:
Partiendo de esta condición, se dice que el puente de Wheatstone se encuentra balanceado. Cualquier cambio de resistencia sobre cualquier brazo del puente resultará en una salida de voltaje no nula.
Por lo que si reemplazamos R2 con un strain gages activo (cuarto de puente), cualquier cambio de la resistencia del Strain gages causará el desbalance del puente y producirá una salida no nula proporcional al esfuerzo.
Fig N°2.14. Configuración de un cuarto 2.5.1 Celdas de Carga
La celda de carga o célula de carga es una estructura diseñada para soportar cargas de compresión, tensión y flexión, en cuyo interior se encuentra uno o varios sensores de deformación llamados Strain Gauges que detectan los valores de deformación.
La celda de carga digital produce esta deformación mediante circuitos wheatstone, que actúan en las bases de la máquina o sistemas de pesaje para encontrar reacciones, una vez obtenida la resistencia, se produce la transducción y se puede obtener el valor que la máquina resiste.
Las celdas de carga digitales, también son llamadas Digital Load Cell (es su traducción en inglés), esta se fija en la parte donde quiere registrarse una carga que aplique un sistema mecánico. La señal de la carga se lleva a un dispositivo electrónico, microchip o computadora central (dependiendo de su utilidad) para recopilar los datos totales de una o varias celdas de carga, inclusive desarrollar análisis estadísticos de las cargas durante un tiempo determinado o evento en particular
Características de las celdas de carga digitales
Sistema medidor de deformación:
Toda celda de carga debe poseer un adecuado sistema de deformación, que permita una calibración constante y que sea estable con el tiempo y la temperatura. También debe ser capaz de medir deformaciones con una exactitud de + 1 u in/in (mt/mt) sobre el rango de deformación de 10% y apto para colocarse y ser usado como elemento sensor en otros sistemas transductores donde la cantidad desconocida tal como la presión es medida en término de deformación.
Detección y corrección:
Las celdas de carga digitales, mediante sus sistemas electrónicos o el uso de micro computadoras, pueden detectar y a la vez corregir las señales que reciben y se aplican en un sistema mecánico, actuando como un aparato procesador.
Posibilidad de interfaz:
Las celdas de carga digitales tienen la ventaja de procesar señales en peso kg/lb. newton o péndales de fuerza, teniendo característica de enviar esta señal a un amplificador digital, como son los display digitales, facilitando en proceso de lecturas.
Control de flujo:
Las celdas de carga, son un sistema de control muy efectivo para el control de flujo en un recipiente cilíndrico en una estructura sometida a cargas.
Resistencia:
Toda celda de carga tiene límites de resistencia que se establecen al momento de su fabricación, esta capacidad de resistir una carga, permite conocer su aplicación en sistemas mecánicos.
Sensibilidad:
La sensibilidad de una celda de carga varía en un conjunto de factores, pero debe tomarse en cuenta que la aleación de metales en su fabricación es por excelencia una manera de lograr mejores resultados en los procesos de medición de cargas. Lord Kelvin notó que la resistencia de un alambre aumenta con el incremento de la deformación y disminuye con el descenso de la deformación. Así que este principio ha sido desarrollado en la creación de celdas de carga con diferentes tipos de aleaciones entre ellas; la aleación karma, aleación Nichrome, platino, isoelástica, entre otros. Cada una ajustándose a diferentes estándares y necesidades.
Principios operacionales
Los principios operacionales de las celdas de carga digitales, se basan en la transducción eléctrica que transforma o traslada la fuerza o peso a cambios de voltaje. Este principio de operación depende sobre la deflexión de galgas extensiométricas, creando resistencia y una salida. Se debe considerar el grado de sensibilidad de la celda de carga digital, pues es determinante para conocer la capacidad, el rango de deformación y la máxima de deformación. Toda celda de carga digital toma en cuenta en sus operaciones; la razón de salida, la seguridad de calibración, la histéresis, escurrimiento, linealidad y repetibilidad. Son considerados parámetros básicos operacionales.
Tipos de celdas de carga
Celdas de carga de compresión
Las celdas de carga de compresión con frecuencia tienen un diseño de botón integral. Son ideales para montarse en situaciones en las que el espacio está restringido. Ofrecen excelente estabilidad a largo plazo.
Celdas de carga de compresión/tensión
Las celdas de carga de compresión/tensión se pueden usar para aplicaciones en las que la carga puede pasar de tensión a compresión o viceversa. Son ideales para entornos con espacio restringido. Los extremos roscados permiten una instalación fácil.
Celdas de carga de viga en S
Las celdas de carga de viga en S reciben ese nombre por su forma en S. Las celdas de carga de viga en S pueden ofrecer una salida si está bajo tensión o compresión. Las aplicaciones incluyen nivel de tanque, tolvas y básculas para camión. Ofrecen un rechazo superior a la carga lateral.
Las celdas de carga de viga flexible
se usan en aplicaciones de varias celdas de carga, medición de peso de tanque y control industrial y de proceso. Vienen con construcción de bajo perfil para integración en áreas restringidas.
Celdas de carga de plataforma y punto único
Las celdas de carga de plataforma y punto único se usan para sistemas de medición de peso comerciales e industriales. Proporcionan lecturas precisas in importar la posición de la carga en la plataforma.
Celdas de carga de cartucho
Las celdas de carga de cartucho se usan para aplicaciones para medición de peso individual y múltiple. Muchas tienen un diseño totalmente en acero inoxidable y están herméticamente selladas para áreas de lavado y húmedas. Celdas de carga de bajo perfil
celdas de carga de compresión y tensión/ compresión. Los orificios de montaje y las roscas hembra permiten una instalación fácil. Se usan con frecuencia en investigación de medición de peso y en monitoreo de fuerza en línea.
2.6 Modulo HX711
Este módulo permite trabajar fácilmente con el circuito integrado HX711, que facilita en gran medida la interfaz con celdas de carga para medir peso / fuerza. Al conectar el amplificador al microcontrolador es posible medir los cambios en la resistencia de la celda de carga y con algunas calibraciones y calculos, es posible obtener medidas bastante precisas. Esto es ideal para crear tu propia báscula en aplicaciones industriales, realizar sistemas de control de inventario, sistemas de detección de presencia, etc.
El HX711 usa una interfaz de 2 hilos para realizar la comunicación. Para esto es posible utilizar 2 pines de I/O de cualquier microcontrolador. En cuanto al software, ya hay varias librerías que permiten realizar la interfaz de este dispositivo con plataformas populares como Arduino.
Las celdas de carga utilizan un puente wheatstone que requiere de 4 conexiones con el HX711, los colores utilizados habitualmente son Rojo, Negro, Blanco, Verde y Amarillo. Cada color corresponde a una señal como se muestra a continuaciòn:
Rojo: Voltaje de exitación +, E+, VCC Negro: Voltaje de exitación -. E- GND Blanco: Aplificador +, Señal +, A+ Verde: Amplificador -, Señal -, A-
Amarillo: Tierra, normalmente no conectada a la celda, solo como protección contra interferencia electromagnética.
Características del HX711 Módulo amplificador para celda de carga
Digitalización completa en el chip HX711
Conexión a protoboard o tarjeta con header estándar 2 canales diferenciales de entrada
Interfaz de salida digital serial
Regulador integrado en chip para fuente analógica Voltaje de operación: 2.7 – 5 volts
Corriente de operación : < 1.5mA Corriente en espera: <1 uA
Operación seleccionable: 80 y 10 muestras por segundo
Fig N°2.15. Módulo HX711 con todas sus conexiones 2.7 Arduino
Arduino (Genuino a nivel internacional hasta octubre 2016), es una compañía de hardware libre y una comunidad tecnológica que diseña y manufactura placas de desarrollo de hardware, compuestas por Microcontroladores, elementos pasivos y activos . Por otro lado las placas son programadas a través de un entorno de desarrollo (IDE), el cuál compila el código al modelo seleccionada de placa.
Arduino se enfoca en acercar y facilitar el uso de la electrónica y programación de sistemas embebidos en proyectos multidisciplinarios.Toda la plataforma, incluyendo sus componentes de hardware (esquemáticos) y Software, son liberados con licencia de código abierto que permite libertad de acceso a ellos..
El hardware consiste en una placa de circuito impreso con un microcontrolador, usualmente Atmel AVR, puertos digitales y analógicos de entrada/salida,4 los cuales pueden conectarse a placas de expansión (shields), que amplían las características de funcionamiento de la placa Arduino. Asimismo, posee un puerto de conexión USB desde donde se puede alimentar la placa y establecer comunicación con el computador.
Por otro lado, el software consiste en un entorno de desarrollo (IDE) basado en el entorno de processing y lenguaje de programación basado en Wiring, así como en el cargador de arranque (bootloader) que es ejecutado en la placa.4 El microcontrolador de la placa se programa mediante un computador, usando una comunicación serial mediante un convertidor de niveles RS-232 a TTL serial.
La primera placa Arduino fue introducida en 2005, ofreciendo un bajo costo y facilidad de uso para novatos y profesionales. Buscaba desarrollar proyectos interactivos con su entorno mediante el uso de actuadores y sensores. A partir de octubre de 2012, se incorporaron nuevos modelos de placas de desarrollo que usan microcontroladores Cortex M3, ARM de 32 bits,5 que coexisten con los originales modelos que integran microcontroladores AVR de 8 bits. ARM y AVR no son plataformas compatibles en cuanto a su arquitectura y por lo que tampoco lo es su set de instrucciones, pero se pueden programar y compilar bajo el IDE predeterminado de Arduino sin ningún cambio.
Las placas Arduino están disponibles de dos formas: ensambladas o en forma de kits "Hazlo tú mismo" (por sus siglas en inglés "DIY"). Los esquemas de diseño del Hardware están disponibles bajo licencia Libre, con lo que se permite que cualquier persona pueda crear su propia placa Arduino sin necesidad de comprar una prefabricada. Adafruit Industries estimó a mediados del año 2011 que, alrededor de 300 000 placas Arduino habían sido producidas comercialmente y en el año 2013
estimó que alrededor de 700 000 placas oficiales de la empresa Arduino estaban en manos de los usuarios.
Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser conectado a software tal como Adobe Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data, etc. Una tendencia tecnológica es utilizar Arduino como tarjeta de adquisición de datos desarrollando interfaces en software como JAVA, Visual Basic y LabVIEW.6 Las placas se pueden montar a mano o adquirirse. El entorno de desarrollo integrado libre se puede descargar gratuitamente.
El proyecto Arduino recibió una mención honorífica en la categoría de Comunidades Digitales en el Prix Ars Electrónica de 2006.789
Arduino como herramienta educativa es muy útil y efectiva. Existen diferentes web con recursos, tutoriales, trucos, ejercicios… Existen tutoriales oficiales de Arduino.
Arduino tiene una gran comunidad a su alrededor donde puedes encontrar material de calidad y muy útil, desde tutoriales para iniciarse desde cero hasta aquellos destinados a usuarios más avanzados.
Aplicaciones
La plataforma Arduino ha sido usada como base en diversas aplicaciones electrónicas:
Xoscillo: Osciloscopio de código abierto17 Equipo científico para investigaciones18 Arduinome: Un dispositivo controlador MIDI19
OBDuino: un económetro que usa una interfaz de diagnóstico a bordo que se halla en los automóviles modernos
SCA-ino: Sistema de cómputo automotriz capaz de monitorear sensores como el TPS, el MAP y el 02S y controlar actuadores automotrices como la bobina de ignición, la válvula IAC y aceleradores electrónicos
Humane Reader: dispositivo electrónico de bajo coste con salida de señal de TV que puede manejar una biblioteca de 5000 títulos en una tarjeta microSD20
The Humane PC: equipo que usa un módulo Arduino para emular un computador personal, con un monitor de televisión y un teclado para computadora21
Ardupilot: software y hardware de aeronaves no tripuladas
ArduinoPhone: un teléfono móvil construido sobre un módulo Arduino2223 Máquinas de control numérico por computadora (CNC)
Open Theremín Uno: Versión digital de hardware libre del instrumento Theremín.
Esquema de conexiones : Entradas y salidas
Poniendo de ejemplo al módulo Diecimila, este consta de 14 entradas digitales configurables como entradas y/o salidas que operan a 5 voltios. Cada contacto puede proporcionar o recibir como máximo 40 mA. Los contactos 3, 5, 6, 9, 10 y 11 pueden proporcionar una salida PWM (Pulse Width Modulation). Si se conecta cualquier cosa a los contactos 0 y 1, eso interferirá con la comunicación USB. Diecimila también tiene 6 entradas analógicas que proporcionan una resolución de 10 bits. Por defecto, aceptan de 0 hasta 5 voltios (aunque es posible cambiar el nivel más alto utilizando el contacto Aref y algún código de bajo nivel).
2.8 El Torno Mecánico
El torno es una máquina-herramienta que realiza el torneado (dar forma) de piezas y se utiliza principalmente para operaciones de torneado rápido de metales, madera y plástico y para pulimento. Permite mecanizar (dar forma) piezas de forma geométrica de revolución (cilindros, conos, hélices). Pulimentar: Alisar una pieza para dejarla suave y brillante.
Los trabajos generales que se pueden realizar con el torno son el ranurado, el torneado, el corte y el lijado.
Torneado
Tornear es quitar parte de una pieza, mediante una cuchilla u otra herramienta de corte, para darle forma. Este proceso se realiza mediante una máquina, como vimos anteriormente, llamada Torno.
Partiendo de una pieza base, se va eliminado partes con la cuchilla a la pieza base hasta dejarla con la forma que queramos.
El torneado es, posiblemente la primera operación de mecanizado (dar forma a una pieza) que dio lugar a una máquina herramienta. El torneado genera superficies de revolución (cilindros, conos, hélices).
El movimiento principal en el torneado es el de rotación y lo lleva la pieza a la que vamos a dar forma. Los movimientos de avance de la cuchilla y penetración (meter la cuchilla sobre la pieza para cortarla) son generalmente rectilíneos y los lleva la herramienta de corte.
Fig N°2.17 Movimientos básicos en el torno En resumen, tenemos 3 movimientos básicos:
Movimiento de rotación: La pieza se coloca sobre un eje que la hace girar sobre sí misma.
Movimiento de Avance: La cuchilla avanza paralela a la pieza en un movimiento recto. Movimiento de Penetración: La cuchilla penetra contra la pieza cortando parte de ella formándose virutas.
El control de estos 3 movimientos es básico para dar forma a la pieza sin errores.
Se pueden tornear piezas de muchas formas, con rosca, engranajes, cóncavas, convexas, etc. El torneado suele hacerse en metal, en madera o en piezas de plástico.
Fig N°2.18 Diferentes formas de revolución generadas en un torno Partes de un Torno
Fig N°2.19 Máquina Herramienta llamada torno donde se señala alguna de sus partes.
Las partes básicas de un torno son:
- Bancada: es su estructura y suele ser un gran cuerpo de fundición. Sirve de soporte y guía para las otras partes del torno.
- Eje principal y plato: sobre este eje se coloca la pieza para que gire. En un extremo lleva un eje terminado en punta que es móvil, llamado contrapunto, para sujetar la pieza por un punto, en el otro extremo se sujeta la pieza con un plato. El plato se puede cambiar mediante el husillo. El torno dispone de varios platos para la sujeción de la pieza a mecanizar y que la hará girar en torno a un eje. La pieza queda sujeta por un extremo por el plato y por el otro por la punta del contrapunto. La pieza se coloca en el plato y se mueve el contrapunto hasta que apriete la pieza.
El movimiento de corte y de la pieza lineales se hacen mediante los carros. - Carro Portaherramientas: son los carros que permiten desplazar la herramienta de corte. Hay 3 carros diferentes:
Carro Longitudinal o Principal: este se mueve a lo largo de la bancada o sea hacia la izquierda o a la derecha. Produce el movimiento de avance de la pieza, desplazándose en forma manual o automática paralelamente al eje del torno. Se mueve a lo largo de la bancada, sobre la cual se apoya. Sobre este carro está montado el carro transversal.
Carro Transversal: se mueve hacia adelante o hacia atrás perpendicular al carro principal. Es utilizado para dar la profundidad. Se mueve perpendicularmente al eje del torno en forma manual, girando la manivela de avance transversal o embragando la palanca de avance transversal automático. Sobre este carro esta montado el carro orientable ó carro auxiliar.
principalmente para hacer conicidades o penetrar la herramienta con cierto angulo. El carro auxiliar sólo puede moverse manualmente girando la manivela de tornillo para su avance. El buril o herramienta cortante se sujeta en la torreta portaherramientas que está situada sobre el carro auxiliar. La Torreta Portaherramientas, ubicada sobre el carro auxiliar permite montar varias herramientas en la misma operación de torneado y girarla para determinar el ángulo de incidencia en el material.
- Todo el conjunto de los carros, se apoya en una caja de fundición llamada Delantal o Carro PortaHerramientas, que tiene por finalidad contener en su interior los dispositivos que le transmiten los movimientos a los carros. - Caja Norton: sirve para ajustar las revoluciones de las velocidades mediante unas palancas que accionan un conjunto de engranajes que se encuentran en el interior de la caja.
Funcionamiento de un Torno
Un material base se fija al mandril del torno (entre el eje principal y el plato).
Se enciende el torno y se hace girar el mandril.
Se mueve los carros donde está la cuchilla hasta el material base. Con el carro auxiliar se mueve la cuchilla para realizar sobre la pieza base la forma deseada. Luego veremos las formas u operaciones que se pueden hacer con el torno.
Para ver mejor el funcionamiento del un torno mira el video de la parte de abajo.
La velocidad a la cual gira la pieza de trabajo en el torno es un factor importante y puede influir en el volumen de producción y en la duración de la herramienta de corte.
Una velocidad muy baja en el torno ocasionará pérdidas de tiempo; una velocidad muy alta hará que la herramienta se desafile muy pronto y se perderá tiempo para volver a afilarla. Por ello, la velocidad y el avance correctos son importantes según el material de la pieza y el tipo de herramienta de corte que se utilice.
Hoy en día los tornos más modernos se llaman Tornos CNC o por control numérico. Estos tornos utilizan un software o programa de ordenador con datos alfanuméricos según los eje XYZ y que es capaz de controlar todos los movimientos del torno para crear lo pieza definida mediante el programa. El ordenador que lleva incorporado controla las velocidades y las posiciones.
Operaciones del Torno
Hay varias operaciones que se pueden realizar con un torno. En la siguiente imagen puedes ver las más importantes:
Fig N°2.20 Operaciones básicas llevadas a cabo en un Torno
Cilindrado: Hacer un cilindro más pequeño partiendo de otro más grande (cilindro base).
Torneado Cónico: Dar forma de cono o troncos de cono. Contornos: Dar forma a una parte del cilindro base. Formas: Hacer diferentes formas sobre el cilindro base.
Achaflanado: hacer un chaflán, o lo que es lo mismo, un corte o rebaje en una arista de un cuerpo sólido.
Trozado: Cortar la pieza una vez terminada. Roscado:. Hacer roscas para tuercas y tornillos. Mandrinado: Agrandar un agujero.
Moleteado: Hacer un grabado sobre la pieza. La pieza con la que se hace se llama "moleta" que lleva en su superficie la forma del grabado que queremos hacer sobre la pieza.
CAPÍTULO III
MATERIALES Y MÉTODOS
3.1 Material de estudioMaterial del Dinamómetro
Después de hacer nuestro estudio bibliográfico llegamos a la decisión que el material a emplear sería un acero intermedio ni tan maleable ni tampoco tan resistente eligiendo para estos menesteres al ACERO SAE AISI 1045, el cual tiene buenas características mecánicas. En el cuadro siguiente se describen algunas de sus características y propiedades mecánicas más importantes.
Material: ACERO AISI-SAE 1045 (UNS G10450)
Descripción: Es un acero utilizado cuando la resistencia y dureza son necesarios en condición de suministro. Este acero de medio carbono puede ser forjado con martillo. Responde al tratamiento térmico y al endurecimiento por llama o inducción, pero no es recomendado para cementación o cianurado. Cuando se hacen prácticas de soldadura adecuadas, presenta soldabilidad adecuada. Por su dureza y tenacidad es adecuado para la fabricación de componentes de maquinaria.
Normas involucradas: ASTM A108
Propiedades mecánicas:
Dureza 163 HB (84 HRb)
Esfuerzo de fluencia 310 MPa (45000 PSI) Esfuerzo máximo 565 MPa (81900 PSI) Elongación 16% (en 50 mm)
Reducción de área (40%)
Módulo de elasticidad 200 GPa (29000 KSI) Maquinabilidad 57% (AISI 1212 = 100%) Propiedades físicas: Densidad 7.87 g/cm3 (0.284 lb/in3) Propiedades químicas: 0.43 – 0.50 % C 0.60 – 0.90 % Mn 0.04 % P máx 0.05 % S máx Material a cortar durante el ensayo
Nuestro material a ensayar para testear nuestro dinamómetro será el acero más conocido el AISI SAE 1020. Procederemos a cortar en forma ortogonal un tubo de pared gruesa de 1.5 “ de Acero AISI 1020. La composición química y propiedades mecánicas del material antes mencionado se muestran en las siguientes tablas.
Tabla 2.1 Composición química del acero AISI 1020 – ASTM A36 (Fuente: Aceros Arequipa)
Composición química
% C % Si % P % S
Tabla 2.2 Propiedades mecánicas del acero AISI 1020 – ASTM A36 (Aceros Arequipa)
3.2 Equipo, Instrumentos y Materiales consumibles A. EQUIPOS
Se adquirió una romana o dinamómetro de carga con sensor electrónico y display LED.
Fig. N
o3.1
Dinamómetro de Resorte (Romana) utilizado para la Construcción de la Curva de Sensibilidad.Galgas Extensometricas: Con las siguientes características
Resistance: 350+ / -0.1 ¦¸ Sensitivity coefficient: 2.0-2.20 Accuracy rating: 2.11% + / -1% Strain limit: 2.0%
The monolithic Size: 7.4mm * 4.4mm
Características mecánicas
Límite de
fluencia
Resistencia a la tracción
Fig. N
o3.2 Galga Extensometrica de 350 ohmios
Herramienta de corte: Una cuchilla de corte de 1/4x1/4" de HSS debidamente acondicionada
Fig. N
o3.3 Cuchilla HSS para Torno
También se adquirió una costoso Multitester de Alta Gamma Industrial FLUKE para realizar las mediciones con muchísima precisión el orden de diez milésimas de voltio.
Fig. N
o3.4 Dinamómetro
de Resorte (Romana) utilizado para la Construcción de la Curva de Sensibilidad.Trasmisor de celda de carga HX711: Se utiliza un módulo el cual realiza una interface entre las celdas de carga y el microcontrolador, permitiendo poder leer el peso de manera sencilla. Internamente se encarga de la lectura del puente Wheatstone formado por la celda de carga, convirtiendo la lectura analógica a digital.
Un Microcontrolador: Una placa computadora Arduino UNO R3
Tabla 2.3: Especificaciones del Arduino Microcontroladores
Voltaje de funcionamiento 5V
Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V
Voltaje de entrada (limites) 6-20V
Pines E/S digitales 54 (de los cuales 15 proporcionan PWM)
Pines de entrada analógica 16
DC corriente por I/ O Pin 40 mA
Corriente CC para Pin 3.3 V 50 mA
Memoria Flash 256 KB de los cuales 8 KB usados por
bootloader.
SRAM 8 KB
EEPROM 4 KB
Velocidad del reloj 16 MHz
Torno Rexon TML (Maquina Multiusos):
La máquina tiene la función de torneado, fresado, taladrado y corte de hilo. La alimentación se puede controlar automáticamente o manualmente, conveniente para procesar el metal, Madera y otros materiales. Es ampliamente utilizado en talleres de trabajo, enseñanza, Investigación, entrenamiento ocupacional, especialmente en casa para utensilios domésticos.
Construcción:
La máquina tiene el carácter de construcción compacta, fácil operación y velocidad de alcance amplio. La función de torneado, taladrado y fresado puede realizarse en una sola máquina. La alimentación de la mesa de trabajo se puede controlar Longitudinal y transversal. El cabezal de perforación puede ser girado 180 °. La máquina fue diseñada según el estándar CE. También puede ser controlado por el ordenador personal al conectar con él.
3.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3.3.1 Simulación del Dinamómetro
Para esta simulación primero se dibujó en un programa CAD la forma del dinamómetro y en seguida se realizó un análisis estático simple con magnitudes de fuerza que rondaban entre 0-400N que sería el rango en el cual nuestro dinamómetro podría actuar. Una vez completada la simulación procedimos a encontrar las deformaciones y verificar si estas deformaciones estaban dentro del rango en la cual nosotros podríamos medir dichas deformaciones con el instrumental que teníamos en este caso las galgas extensometricas, claro está que esto no se obtuvo a la primera sino después de muchas iteraciones ya que en muchos casos debíamos modificar las magnitudes de medición y en algunos casos la forma del dinamómetro hasta conseguir que su razón este dentro del rango señalado.
A continuación, mostramos las simulaciones obtenidas con cargas de 100, 200, 300 y 400 N.
Fig. N
o3.8 Simulación con una carga de 100 N. Esfuerzos y
Fig. N
o3.9 Simulación con una carga de 200 N Esfuerzos y
Fig. N
o3.10 Simulación con una carga de 300 N Esfuerzos y
Fig. N
o3.11 Simulación con una carga de 400 N Esfuerzos y
Después de evaluar las diferentes simulaciones se ubicaron aquellos puntos que exhibían las máximas deformaciones para aprovechar eso y poder situar nuestras galgas en esos puntos estratégicos y poder realizar las mediciones respectivas. En ese sentido se ubicaron los puntos estratégicos.
3.3.2 Construcción y Calibración del dinamómetro El dinamómetro propuesto fue mecanizado en Acero AISI 1045
El dinamómetro propuesto es llamado Ranurado en Voladizo y tiene la particularidad de poder medir en dos direcciones diferentes, es muy sensible ya que prácticamente tenemos dos ranuras que simulan dos vigas en voladizo. La gran ventaja de este dinamómetro es su construcción que es muy sencilla, pero por otra parte tiene la desventaja de que presenta una elevada interferencia según señala la bibliografía, eso también fue corroborado por las simulaciones realizadas
Una vez completada la fabricación del Dinamómetro se procedió al pegado cuidadoso de las galgas extensometricas en los puntos donde se había identificado la máxima deformación, en ese sentido el pegado se realizó con metacrilato con mucho cuidado a través de una cinta.
Fig. N
o3.13 Técnica de la cinta para el pegado de strain gages
Fig. N
o3.15 Puntos dónde ocurre la máxima deformación
3.3.3 Conexión Celda de Carga - ArduinoConexiones entre la Celda de carga y el módulo HX711 y Arduino. se realizara de acuerdo a la siguiente tabla
Conexión entre la Celda de carga y módulo HX711
Celda De Carga Módulo HX711
Cable Rojo Pin E+
Cable Negro Pin E-
Cable Verde Pin A-
Cable Blanco Pin A+
Conexión entre HX711 y Arduino
Módulo HX711
Arduino UNO
Pin GND
Pin GND
Pin DT
Pin A1
Pin SCK
Pin A0
Pin VCC
Pin 5V
Aunque los datos serán registrados en el ordenador para poder visualizar en tiempo real los datos se adiciono un LCD Key pad Shield solo se coloca encima del Arduino aquí vemos su montaje.
