- Resumen
- Máquinas fresadoras de
CNC - Eslabonamientos
planos - Análisis
- Planteamiento del
problema - Propuesta
- Metodología
- Conclusiones
- Referencias y
Bibliografía
Este trabajo trata acerca del diseño
de un sistema
automático de aplicación industrial para cargar y
descargar piezas prismáticas de material aluminio, de
dimensiones 70×50.9mm de ancho y espesores de 25.4mm, 19mm y
12.7mm las cuales deberán ser colocadas en una prensa ubicada en
una fresadora de control
numérico sin la intervención del operario para su
posterior maquinado. Debido a que no se requiere de un
dispositivo muy sofisticado para realizar esta tarea de carga y
descarga, se propone un mecanismo de cadena cerrada de 1 grado de
libertad. El
mecanismo es del tipo manivela oscilador de cuatro barras y
juntas de revolución, cuenta con una pinza mecánica para sujetar las piezas durante la
trayectoria, una mesa soporte para mantener el mecanismo en
posición estática y
un sistema de
alimentación por gravedad a través
del cual las piezas se deslizaran hasta llegar a una primera
posición preescrita de diseño,
donde la pinza o tenaza mecánica unida al eslabón acoplador
tomara las piezas para después colocarlas en una prensa o
dispositivo de sujeción de la fresadora de CNC.
Para poder
desarrollar este trabajo se hará uso de las herramientas
de diseño de mecanismos planos para realizar la síntesis
cinemática, el análisis cinematico, dinámico,
estructural y la simulación
de dicho mecanismo por medio de un sistema CAD para comprobar los
resultados.
La razón principal del desarrollo de
este sistema automático de carga y descarga de piezas es
que junto con la aplicación de las técnicas
de mejora (Jidoka), los operarios de las maquinas puedan ser mas
multifuncionales y desarrollen otras tareas para mejorar y
aumentar la productividad en
los diversos procesos que
se desarrollan en la industria, lo
cual dará como resultado la disminución de costos de
producción.
Actualmente la mayoría de las maquinas de
control
numérico no cuentan con sistemas
automáticos de carga y descarga de partes ni sistemas de
sujeción o amarre integrados a ellas que los hagan mas
flexibles, al menos que dichas máquinas
se encuentren en células de
manufactura
flexible donde se disponen de robots manipuladores y los lotes de
producción son a gran escala.
El transporte y
manejo de piezas dentro de una célula de
manufactura es
un aspecto muy importante a considerar en los sistemas de
producción ya que se debe analizar el correcto
posicionamiento de las piezas en los vagones y
sistemas de sujeción para evitar errores en los procesos de
maquinados[1].
El transporte
automático de piezas desde la estación de alimentación hasta
las estaciones de mecanizado y su devolución a la
estación de descarga, es una premisa para el montaje de
sistemas de fabricación flexible. Para cada pieza a
mecanizar se utilizan vagones específicos, que transportan
las piezas a través del sistema de fabricación
flexible.
La sujeción de las piezas prismáticas
sobre los dispositivos correspondientes se realiza manualmente,
mientras que las piezas de torneado se apilan en contenedores
apropiados de tal manera que, por ejemplo, los autómatas
de manipulación situados junto a las maquinas
–herramientas
puedan tomar las distintas piezas firmemente para cargar y
descargar las maquinas[1].
Los sistemas de carga y descarga de máquinas
son una parte esencial del sistema total, tanto
técnicamente como en relación a los costos. Es por
ello que se debe dedicar cierta atención a la resolución de la
cuestión del manejo de piezas, antes de su
elección. Por ejemplo, un sistema de manejo de piezas
prismáticas debe cumplir las siguientes funciones:
1.- Cumplir las exigencias de manejo de piezas dadas con
el menor costo
posible.
2.- Garantizar la exactitud del mecanizado de las piezas
colocadas en los sistemas de soporte y
sujeción.
3.-Manejo sencillo en el montaje de dispositivos de
sujeción, carga y descarga.
Con frecuencia sucede que las piezas a maquinar ocupan
sólo un área pequeña de la mesa. En estos
casos no es necesario tener una fresadora de gran tamaño y
costo para
poder realizar
el trabajo y
se puede emplear una máquina fresadora
pequeña.
Una fresadora pequeña es la solución ideal
para automatizar las operaciones de
maquinados pequeños, para las cuales no es rentable
emplear una máquina de mayor tamaño. Cuenta con
tres ejes controlados por computadora:
dos en la mesa y uno en el husillo. Su cabina de
protección (opcional) facilita la limpieza de la zona de
trabajo circundante pues la mantiene libre de virutas y aceites,
además de proporcionar mayor seguridad al
operador.
Maquinados en una fresadora de CNC: trabajos de
taladrado, barrenado, troqueles, maquinados en general, modelos y
moldes pequeños en metales
preferentemente blandos.
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.
CNC significa "control numérico
computarizado". En una máquina CNC, a diferencia de
una máquina convencional o manual, una
computadora
controla la posición y velocidad de
los motores que
accionan los ejes de la máquina. Gracias a esto, se pueden
ejecutar movimientos que no se pueden lograr manualmente como
círculos, líneas diagonales y figuras complejas
tridimensionales.
El término "control numérico" se debe a
que las órdenes dadas a la máquina son indicadas
mediante códigos numéricos.
Hoy día los equipos CNC con la ayuda de los
lenguajes conversacionales y los sistemas CAD/CAM, permiten a las
empresas
producir con mucha mayor rapidez y calidad sin
necesidad de tener personal
altamente especializado, la figura de abajo muestra una
operación de taladrado ejecutada en una maquina de
cnc.
Figura No 1 tareas de la fresadora de
cnc
Los mecanismos se usan en una gran variedad de
máquinas y dispositivos mecánicos. El
eslabonamiento de lazo cerrado mas simple es el de cuatro barras,
este tipo de eslabonamiento de cuatro barras es la cadena
más básica de eslabones que esta conectada por
medio de pasadores que permiten movimiento
relativo entre los eslabones. No obstante que se trata de un
mecanismo simple, las cuatro barras forman un mecanismo muy
versátil usado en miles de aplicaciones
prácticas.
Los eslabonamientos de cuatro barras tienen un amplio
rango de uso principalmente industrial. El desarrollo de
un mecanismo de cuatro barras para la prótesis de una
mano con referencia a siete posiciones[2] es un
ejemplo, también se emplean para tareas de carga y
descarga de moldes de fundición, en donde resulta
peligrosos que los operarios lo hagan manualmente debido al
calor y los
gases
generados[3]. Aunque esas aplicaciones son
bastante diferentes, existe una clasificación de acuerdo a
la tarea que se quiere realizar, existen tres
categorías:
1.- Generación de función. Es un eslabonamiento en el que
el movimiento
relativo entre eslabones conectados a tierra es de
interés. En la generación de
función, la tarea no requiere un punto
trazador de trayectoria sobre el eslabón
acoplador.
2.- Generación de trayectoria. Es un
eslabonamiento en donde es de interés
solo la trayectoria de un punto trazador y no la rotación
del eslabón acoplador.
3.- Generación de movimiento: es de
interés el movimiento total del eslabón acoplador;
las coordenadas x, y del punto trazador de trayectoria y la
orientación angular del eslabón
acoplador.
Síntesis cinemática.
La tarea a realizar en el presente trabajo se enfoca a
la generación de movimiento o guía de cuerpo
rígido, en el cual es de interés el movimiento
total del eslabón acoplador; las coordenadas x, y de un
punto trazador de trayectoria y la orientación angular del
eslabón acoplador.
El desarrollo del proyecto inicia
con la síntesis
cinemática del mecanismo, la cual esta dividida en dos
partes, la primera conocida como síntesis de tipo, que se
encarga de elegir los eslabones que formaran el mecanismo
pudiendo ser cadenas, bandas, levas, engranes y barras, el
número de grados de libertad que
se requieren para realizar la tarea también se determina
en esta etapa, el tipo y número de pares
cinemáticos o juntas a utilizar, pudiendo ser estos de
revolución, prismático,
cilíndrico, planar, de tornillo o esférico y el
tipo de eslabón, ya sea binario, ternario o
cuaternario.
El primer paso en la síntesis de tipo es
determinar el número y tipo de los eslabones necesarios
para formar eslabonamientos con el grado de libertad correcto.
Esto se hace utilizando una forma modificada de la
ecuación de Gruebler:
GDL = 3L-2J-3G Ec (1)
Donde: GDL = Número de grados de libertad. L =
Número de eslabones
J = Número de juntas G = Número de
eslabones fijos.
Se puede observar que en un mecanismo real, aun si mas
de un eslabón esta fijado el efecto neto será crear
un eslabón fijo mayor y de orden superior, ya que solo
existe un plano de sujeción. Por tanto G es siempre igual
a 1 y la ecuación 1 queda de la siguiente
manera:
GDL = 3 (L-1)-2J Ec. (2)
La segunda parte de la síntesis cinemática
es la síntesis dimensional, en esta etapa se hace uso de
procedimientos
de cálculo
analítico, la construcción geométrica y el uso de
software de
computadora para hallar las dimensiones significativas de los
eslabones.
La síntesis dimensional busca determinar las
dimensiones significativas y la posición inicial de un
mecanismo de un tipo preconcebido para una tarea
específica y un rendimiento preescrito. El termino de
dimensiones significativas o principales se refiere a las
longitudes de los eslabonamientos y distancias pivote- pivote de
eslabonamientos binarios y ternarios.
La tercera parte corresponde al estudio del análisis cinematico, el cual esta basado en
los requerimientos de movimientos relativos de los eslabones y se
expresa en términos de desplazamientos lineales,
velocidades lineales y aceleraciones lineales de las
partículas que forman el eslabón, al mismo tiempo el
movimiento de un eslabón también se puede expresar
en función de desplazamientos angulares y aceleraciones
angulares de líneas que se mueven en el eslabón
rígido.
Se ha definido a la cinemática como el estudio
del movimiento de los mecanismos y de los métodos
para crearlos. La primera parte de esta definición se
relaciona con el análisis cinemático. Dado cierto
mecanismo, las características de movimiento de sus
componentes se determinan por análisis cinemático.
El enunciado de la tares de análisis contiene las
dimensiones del mecanismo mas importantes, las interconexiones de
sus eslabonamientos y la especificación del movimiento de
entrada o del método de
accionamiento. El objetivo es
encontrar los desplazamientos, velocidades y aceleraciones de los
diversos miembros, así como las trayectorias descritas y
los movimientos realizados por ciertos elementos. En pocas
palabras, en el análisis cinemático determinamos el
rendimiento de un mecanismo dado.
En forma general la Cinemática trata acerca del
estudio y descripción de los posibles movimientos de
los cuerpos físicos, sin tomar en cuenta las fuerzas que
lo originan. La figura de abajo muestra por medio
de bloques los tipos de síntesis para crear
mecanismos.
Fig. 2 Diagrama que
muestra los tipos de síntesis para crear
mecanismos.
En el análisis dinámico de mecanismos y
sistemas mecánicos existen dos componentes principales que
son la fuerza y el
movimiento. Este análisis sirve para determinar las
fuerzas y pares que actúan en los pasadores o juntas del
mecanismo, considerando el sólido rígido y
partiendo del hecho que se conocen los movimientos que fueron
previamente determinados por experimentación o por
predicciones analíticas en el análisis
cinemático. Para poder determinar esas fuerzas y pares se
hace uso de las leyes de
Newton, así como también de las leyes de la
estática, es también conveniente
ampliar las leyes de Newton de
manera que puedan hacerse enunciados análogos acerca del
movimiento de eslabones sólidos a través de la
ley de
Newton-
Euler.
La figura No 3 muestra el modelo de un
eslabón en el cual se ver el par que actúa sobre
el, su centro de gravedad y la orientación de dicho
eslabón listo para su análisis
dinámico.
Fig. 3 Modelo de un
eslabón para el análisis
dinámico.
Análisis estructural.
En esta etapa del diseño se determinan los
esfuerzos y deformaciones que se presentan en el sistema,
también se establece un factor de seguridad o
factor de diseño que relaciona los esfuerzos y la resistencia
considerando las cargas y los materiales,
este análisis se desarrollará aplicando las
teorías
clásicas de diseño para el cálculo de
esfuerzos y deformaciones y utilizando el método del
elemento finito (software NISA
DISPLAY).
Se requiere un sistema automático de uso
industrial para cargar y descargar piezas prismáticas de
aluminio de
tres medidas diferentes para maquinarse en una fresadora de
control numérico sin la intervención del
operario.
La figura No 4 muestra la fresadora de control
numérico que se encuentra en el laboratorio de
manufactura del Instituto Tecnológico de
Puebla.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Fig. No 4 Máquina fresadora de
control numérico marca Denford
Triac VMC
La propuesta es utilizar un mecanismo de cadena cerrada
de cuatro barras y un grado de libertad para realizar esta tarea.
Específicamente se requiere un eslabón para cargar
y descargar automáticamente las piezas desde un
depósito de almacenamiento y
colocarlas en una prensa que se encuentra dentro de la
máquina fresadora. Se conocen tres posiciones prescritas
de diseño por las cuales debe pasar la pieza, tomando en
cuenta el espacio de trabajo en el cual se puede mover el
mecanismo, estas posiciones están dadas a través de
las coordenadas x, y, también se conocen las orientaciones
angulares del eslabón acoplador en dichas posiciones. Por
tanto, la tarea que se llevará a cabo es de
generación de movimiento. Cabe señalar que las
posiciones de mayor interés es la posición inicial
y la posición final, sin embargo se prescribe una
posición intermedia para asegurar que las piezas sean
transportadas en la dirección correcta.
La figura de abajo muestra el diseño conceptual
del mecanismo de cuatro barras, en su posición
final.
Fig. 5 Diseño conceptual del
mecanismo de carga y descarga de piezas.
Cabe señalar que aunque es muy común
utilizar robots manipuladores para realizar estas tareas,
aquí solo es necesario un mecanismo con un solo grado de
libertad, el cual puede desarrollar la misma tarea sin
dificultad, dejando a los robots para tareas más complejas
como pueden ser las tareas de ensamble.
Algunos de las condiciones que debe cumplir el
mecanismo:
1.- Es asegurar que las piezas bajen por el
depósito de almacenamiento
hasta la primera posición con cierta orientación
para que la pinza o tenaza unida al eslabón acoplador
pueda tomar la pieza.
2.-Los eslabones giratorios no deben interferir en
ningún momento con la máquina y tampoco con el
bastidor soporte del mecanismo.
3.-Los pivotes de tierra
deberán estar ubicados en posiciones
razonables.
1.- Establecimiento de los requerimientos de
operación del sistema de carga y descarga. Carga,
trayectoria, puntos específicos, espacio de trabajo,
velocidades de operación del sistema, geometría
de las piezas a manejar, tipo de mecanismo a utilizar, grados de
libertad que se requieren, tipos de articulaciones.
La figura No 6 muestra las tres diferentes medidas de las piezas
prismáticas a manipular por el mecanismo
automático.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Fig. 6 Geometría
y tamaño de las piezas a manipular.
1.- La automatización del proceso de
carga y descarga de piezas prismáticas en una fresadora de
CNC, que se lleva a cabo actualmente en el laboratorio de
manufactura del Instituto Tecnológico de Puebla es una
representación de los procesos que se llevan a cabo en
forma real en la industria, por
tal motivo tiene una gran aplicación, además el uso
de los mecanismos planos y espaciales es la base para poder
automatizar infinidad de procesos y resolver problemas de
otras áreas como por ejemplo en medicina a
través del diseño de prótesis. Con la
automatización de los procesos se busca
mejorar los tiempos de respuesta y mejorar la productividad de
los procesos, aunque en la gran mayoría de los casos se
opta por utilizar robots manipuladores con un grado de
automatización elevado y costoso para llevar a cabo esta
tarea de coger y colocar, aquí solo es necesario
diseñar un mecanismo con un mínimo de grados de
libertad, utilizando eslabonamientos planos y una pinza o tenaza
para poder sujetar las piezas.
Actualmente debido al desarrollo tecnológico de
los sistemas CAD-CAM y las máquinas de control
numérico, se requiere implementar nuevos dispositivos,
aplicar técnicas
de mejora continua en los procesos de producción, para mejorar el desempeño de las máquinas y hacer
que estas máquinas se vuelvan mas inteligentes para
detectar problemas que
se puedan presentar durante el proceso, del
mismo modo se busca liberar al operador de algunas tareas dando
como resultado que el operador se vuelva mas
funcional.
[1] P. L Corti and P. Fraternali, A Development
environment for automated manufacturing.
[2] E. Ngale Haulim and R. Vinet, Optimización de
un mecanismo de 4 barras para el diseño de la
prótesis de una mano con referencia en 7 posiciones,
Canada,
2002.
[3] R. Sinha, Tesis doctoral, Universidad de
Minnesota, 1995
Bibliografia.
1.- Joseph Edward Shigley, Diseño en ingeniería mecánica, México,
McGRAW-HILL, 1994, 5a Edición, 883
Págs.
2.- Teoría
de máquinas y mecanismos, J. Edward Shigley.
3.- Edman/ Sandor, Diseño de mecanismos
Análisis y Síntesis, México,
Prentice Hall, 1998, tercera edición, 664
Págs.
Ing. Jorge Aquino Morales
Alumno de la Maestría en Ciencias en
Ingeniería Mecánica del Instituto
Tecnológico de Puebla
M.C. Sergio Javier Torres Méndez
Profesor de la Maestría en Ciencias en
Ingeniería Mecánica del Instituto
Tecnológico de Puebla
Instituto Tecnológico de Puebla Avenida
Tecnológico # 420 Col. Maravillas, C.P 72220,