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Mecanismos planos para manejo automático de materiales




Enviado por yordi_544



    1. Resumen
    2. Máquinas fresadoras de
      CNC
    3. Eslabonamientos
      planos
    4. Análisis
    5. Planteamiento del
      problema
    6. Propuesta
    7. Metodología
    8. Conclusiones
    9. Referencias y
      Bibliografía

    RESUMEN.

    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.

    INTRODUCCIÓN.

    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.

    Máquinas
    fresadoras de CNC.

    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

    Eslabonamientos
    planos.

    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.

    Análisis
    cinemático.

    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.

    Análisis dinámico.

    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).

    Planteamiento
    del problema.

    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

    PROPUESTA.

    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.

    METODOLOGÍA.

    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.

    Conclusiones.

    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.

    Referencias.

    [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,

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