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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA A PUNTO DE UN BANCO DIDÁCTICO

PARA PRÁCTICAS DE NEUMÁTICA, ELECTRONEUMÁTICA Y PLC.

LINA PAOLA ROJAS ROA

JHOSEPT NICOLAY VALENCIA URIBE

UNIVERSIDAD DE IBAGUÉ

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

IBAGUÉ

2018

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA A PUNTO DE UN BANCO DIDÁCTICO

PARA PRÁCTICAS DE NEUMÁTICA, ELECTRONEUMÁTICA Y PLC.

LINA PAOLA ROJAS ROA

JHOSEPT NICOLAY VALENCIA URIBE

Trabajo dirigido de grado presentado como requisito parcial para optar por

el título de Ingeniero Mecánico

Director: Msc I.M JORGE FREDY LLANO MARTÍNEZ

UNIVERSIDAD DE IBAGUÉ

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

IBAGUÉ

2018

DEDICATORIA

Este trabajo está dedicado a mis padres ya que gracias a ellos soy la

persona que soy en la actualidad, la mayoría de mis logros se los debo a

ustedes entre los que incluye este.

Lina Paola Rojas Roa

Dedico este trabajo a mi familia por su gran apoyo durante mi carrera, a mi

Madre Angélica M. Uribe, a mi Abuela Mirian Nossa y a mi Tía Mónica Uribe

por ser mi gran apoyo en cualquier momento de mi vida.

Por último dedico este trabajo a todas las personas que no creyeron en mí,

que pensaban que no iba a terminar mi carrera, a todos ellos les digo, I never

give up!

Jhosept Nicolay Valencia Uribe

AGRADECIMIENTOS

En primera instancia agradecemos a Dios por permitirnos culminar esta etapa y

comenzar nuestra vida profesional como Ingenieros Mecánicos. A nuestros padres

que fueron parte fundamental en este proceso de ser profesionales, apoyándonos

durante todo este ciclo.

Al Msc I.M.Jorge Fredy llano Martínez director de este trabajo de grado por su

dedicada colaboración aportándonos todos sus conocimientos y su valioso tiempo

para su desarrollo. Al Ing. Mario Casallas por su constante apoyo y dedicación al

momento de la fabricación, así mismo ayudándonos en la aclaración de dudas

durante cada proceso.

A los Ingenieros Oscar Javier Araque, Eduardo Pérez y Andrés García, los cuales

fueron parte de gran apoyo en algunas de las etapas del desarrollo del trabajo.

CONTENIDO

1. RESUMEN .................................................................................................................................10

2. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................11

4. JUSTIFICACIÓN .......................................................................................................................13

5. ANTECEDENTES .....................................................................................................................14

6. OBJETIVOS ..............................................................................................................................15

6.1 Objetivo General ...............................................................................................................15

6.2 Objetivos Específicos ......................................................................................................15

6.3 Estructura del Trabajo .....................................................................................................15

7. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................................16

7.1 Neumática ...........................................................................................................................16

7.1.1 Ventajas de la Neumática ........................................................................................16

7.1.2 Desventajas de la neumática ..................................................................................16

7.2 Aire Comprimido ...............................................................................................................17

7.3 Generación y Distribución del Aire Comprimido ......................................................17

7.4 Tipos De Compresores ....................................................................................................18

7.5 Principios de la Neumática .............................................................................................19

7.5.1 Fuerza ...........................................................................................................................19

7.5.2 Presión .........................................................................................................................19

7.5.3 Área ...............................................................................................................................19

7.6 ELEMENTOS BÁSICOS UTILIZADOS EN LA NEUMÁTICA .....................................20

7.6.1 Válvulas direccionales o válvulas de vías .........................................................20

7.6.2 Actuadores ......................................................................................................................22

7.6.2.1 Actuador de Simple Efecto ..................................................................................22

7.6.2.2 Actuador de Doble Efecto ....................................................................................22

7.7 Simbología Neumática.....................................................................................................23

7.8 ELECTRONEUMÁTICA ....................................................................................................24

7.9 SIMBOLOGÍA ELECTRONEUMÁTICA ..........................................................................25

7.10 PLC .....................................................................................................................................26

8. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO..................................................27

8.1 Elaboración de Guías.......................................................................................................27

8.2 Elementos Neumáticos y Electroneumáticos Requeridos para las Prácticas.

.................................................................................................................................................28

8.3 Descripción de los Elementos Básicos que Componen el Banco .......................30

8.3.1 Unidad Compresora ..................................................................................................30

8.3.3 Bloque distribuidor ...................................................................................................31

8.3.4 Válvula reguladora de caudal .................................................................................32

8.3.5 Válvula neumática 3/2 ...............................................................................................32

8.3.6 Válvula neumática 5/2 biestable. ..........................................................................34

8.3.7 Electroválvula 5/2 (monoestable y biestable) .....................................................34

8.3.8 Válvula “O” ..................................................................................................................35

8.3.9 Válvula “Y” ..................................................................................................................36

8.3.10 Pulsador eléctrico ...................................................................................................36

8.3.11 Relé Temporizador ..................................................................................................37

8.3.14 Relé auxiliar ..............................................................................................................37

8.3.15 Actuadores ................................................................................................................38

8.3.16 PLC .............................................................................................................................39

8.3.17 Fuente de poder .......................................................................................................39

8.4 Diseño de la Estructura ...................................................................................................39

8.4.1 Modelos Iniciales o Preliminares ...........................................................................39

8.4.2 Matriz de Selección de Propuestas .......................................................................41

8.4.3 Estructura ....................................................................................................................45

8.5 Construcción .....................................................................................................................49

8.6 Condiciones de Seguridad del Banco para su uso ..................................................56

9. CONCLUSIONES .................................................................................................................57

10. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................58

11. ANEXOS ..................................................................................................................................60

11.1 MANUALES DE LABORATORIO .................................................................................60

11.1.1 Manual de mantenimiento básico de los elementos que componen el

banco didáctico ...................................................................................................................60

11.1.2 Manual de uso del Banco Didáctico ...................................................................65

11.2 GUÍAS PRÁCTICAS ........................................................................................................70

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Sistema de distribución de aire. (Fuente: Autores) ..................................................18

Figura 2. Tipos de compresores. (Fuente: compresores: condiciones generales para

su selección) ..................................................................................................................................19

Figura 3. Válvula direccional 3/2. (Fuente: Autores).................................................................20

Figura 4. Representación de la circulación del fluido. (Fuente: Autores) ..............................20

Figura 5. Tipos de accionamientos. (Fuente: [9]). ....................................................................21

Figura 6. Actuador de simple efecto. (Fuente [10]) ..................................................................22

Figura 7. Actuador de doble efecto. (Fuente: [11]). ..................................................................23

Figura 8. Símbolos neumáticos más comunes. (Fuente [13]) .................................................23

Figura 9. Símbolos neumáticos más comunes. (Fuente: [13]) ................................................25

Figura 10. Estructura interna de un PLC. (Fuente: Controlador lógico programable, curso

061) .................................................................................................................................................26

Figura 11. Lenguajes de programación. (Fuente: Diseño e implementación de un módulo

de entrenamiento de automatización y control utilizando PLC controlado). .........................27

Figura 12. Compresor del banco didáctico. (Fuente: Autores). .............................................30

Figura 13.Unidad de mantenimiento. (Fuente: Autores). .........................................................31

Figura14. Bloque distribuidor de aire. (Fuente: Autores). ........................................................31

Figura 15. Válvulas reguladoras de caudal, a) bidireccional. b) unidireccional. (Fuente:

Autores). .........................................................................................................................................32

Figura 16. Pulsadores Neumáticos. (Fuente: Autores). ...........................................................33

Figura 17. Válvula neumática 3/2 biestable. (Fuente: Autores). .............................................33

Figura 18.a) Final de carrera neumático. b) Final de carrera abatible. c) Final de carrera

eléctrico. (Fuente: Autores). .........................................................................................................34

Figura 19. Válvula neumática 5/2. (Fuente: Autores). ..............................................................34

Figura 20.Electroválvula monoestable 5/2. (Fuente: Autores). ...............................................35

Figura 21. Electroválvula biestable 5/2. (Fuente: Autores). .....................................................35

Figura 22.Válvula "O". (Fuente: Autores). ..................................................................................36

Figura 23. Válvula "Y". (Fuente: Autores). .................................................................................36

Figura 24.a) Pulsador 1. b) Pulsador 2. (Fuente: Autores) ......................................................37

Figura 25.a) Temporizador con retardo de energización. (Fuente: Autores). b)

Temporizador con retardo de desenergización. (Fuente: [16]) ...............................................37

Figura 26. Representación Circuito NA, NC. (Fuente: [17]) ....................................................38

Figura 27.a) Relé 1. b) Relé 2. (Fuente: Autores). ....................................................................38

Figura 28. Actuador de simple y doble efecto. (Fuente: Autores). .........................................38

Figura 29.Diagrama PLC Array AF-20MR-D. (Fuente: http://www.array.sh/fab20MR-

De.htm) ...........................................................................................................................................39

Figura 30.Fuente principal y fuente del PLC. (Fuente: Autores) .............................................39

Figura 31. Diseño Banco N.V ......................................................................................................40

Figura 32. Diseño banco L.R .......................................................................................................40

Figura 33.Valor óptimo ergonomía. (Fuente [18]) .....................................................................42

Figura 34. Medidas de la base del banco. (Fuente: Autores). ................................................42

Figura 35.Base banco y perfil aluminio. (Fuente: Autores). ...................................................43

Figura 36.Diseño banco didáctico. (Fuente: Autores). .............................................................44

Figura 37.Diseño banco didáctico con sus componentes. (Fuente: Autores). ......................44

Figura 38. Reacciones de la estructura. (Fuente: Autores). ....................................................47

Figura 39. Valor de las cargas en los apoyos del banco. (Fuente: Autores).........................48

Figura 40. Mueble de madera. (Fuente: Autores). ....................................................................49

Figura 41.Plano de la tapa/base. (Fuente: Autores). ................................................................50

Figura 42. Mesa de trabajo. (Fuente: Autores). ........................................................................50

Figura 43. Mesa de trabajo finalizada. (Fuente: Autores). .......................................................50

Figura 44. Perfil en C del tablero. (Fuente: Autores). ...............................................................51

Figura 45. Tablero de trabajo. (Fuente: Autores). .....................................................................51

Figura 46. Cortadora laser ubicada en la Universidad de Ibagué. (Fuente: Autores). .........52

Figura 47. PLC y sus conexiones. (Fuente: Autores) ..............................................................52

Figura 48. Panel eléctrico. (Fuente: Autores). ...........................................................................52

Figura 49. Interior mesa de trabajo con las fuentes. (Fuente: Autores).................................53

Figura 50.Perfil y pieza de aluminio (Fuente: Autores). ...........................................................54

Figura 51. Tablero de trabajo. (Fuente: Autores). .....................................................................54

Figura 52.Plano base compresor. (Fuente: Autores) ...............................................................54

Figura 53.Analisis de esfuerzos base del compresor. (Fuente: Autores) ..............................55

Figura 54. Base finalizada. (Fuente: Autores). ..........................................................................55

Figura 55. Unidad compresora y conexión eléctrica. ...............................................................56

Figura 56. Conexión suministro de aire. .....................................................................................56

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Tipos de válvulas. (Fuente: [8] ) ....................................................................................21

Tabla 2. Elementos adquiridos. (Fuente: Autores). ..................................................................28

Tabla 3. Matriz de selección de propuestas. .............................................................................41

Tabla 4. Cantidad de válvulas lado izquierdo. (Fuente: Autores) ...........................................45

Tabla 5. Cantidad de elementos lado derecho. (Fuente: Autores) .........................................46

1. RESUMEN

En el ejercicio de la profesión los Ingenieros Mecánicos deben enfrentarse a diferentes tipos de sistemas, entre ellos los sistemas Neumáticos y Electroneumáticos, es por esto; que el principal objetivo en este trabajo consiste en el diseño y construcción de un banco didáctico para las prácticas de neumática, electroneumática y PLC, debido a que el banco con el que contaba la Universidad de Ibagué ya cumplió con su ciclo de trabajo, el cual presenta ciertas limitaciones entre las cuales se encuentra el poco número de estudiantes al momento de realizar prácticas. Por estas limitaciones se diseñó un banco con más capacidad para el número de estudiantes al momento de llevar a cabo la práctica, contando con un tablero de trabajo el cual permite el trabajo por ambos lados del banco.

Para el diseño del banco en primer lugar se realizó la selección de elementos requeridos para las diferentes prácticas, y la creación de las guías, a partir de esto se procedió a la consecución de los diferentes elementos necesarios, posterior a la selección de los elementos se realizó el diseño y fabricación del banco didáctico con todos sus sistemas, como lo son la base del compresor, el tablero de trabajo y el panel eléctrico, entre otros; teniendo en cuenta la seguridad del estudiante.

El resultado de este trabajo fue la obtención de un banco didáctico actualizado, el cual cuenta con mayor espacio de trabajo, contando con un tablero de trabajo que permite la flexibilidad para el desarrollo de las diferentes prácticas, con las cuales el estudiante aprende de manera práctica los conocimiento adquiridos durante la asignatura, por lo tanto se desarrollaron las guías las cuales contienen: 10 prácticas para el tema de Neumática, 10 prácticas para el tema de electroneumática y 10 prácticas para el tema de PLC, con ellas permitiendo que el estudiante adquiera el conocimiento práctico de los temas vistos durante la asignatura cursada.

2. INTRODUCCIÓN

Dentro de las competencias que corresponden a un Ingeniero Mecánico está el dominio de la automatización neumática e hidráulica, por lo cual los fundamentos teóricos de los sistemas neumáticos y su combinación con un sistema electrónico son esenciales para el desarrollo de una buena práctica. El programa de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Ibagué dentro de su pensum cuenta con una asignatura en la cual se ven los aspectos teóricos y simulaciones de las diferentes secuencias neumáticas y electroneumáticas las cuales son reforzadas con las guías prácticas.

La universidad de Ibagué cuenta con un banco el cual fue diseñado por el ingeniero encargado de la asignatura de neumática y electroneumática en el año (2004), se realizó una revisión del banco donde se evidencio la necesidad de ser reemplazado ya que cumplió su ciclo de operación y se encuentra desactualizado con respecto a los instrumentos neumáticos y electroneumáticos que se trabajan en los actuales procesos mecánicos e industriales, posteriormente se decide realizar el diseño y fabricación de un banco didáctico actualizado de neumática, electroneumática y PLC con sus respectivas guías de trabajo para que los estudiantes de la Universidad de Ibagué lleven a la práctica los conocimientos adquiridos en la asignatura.

En este trabajo se describe de manera detallada el proceso de diseño y fabricación del banco didáctico, el cual cuenta con un tablero de trabajo en el cual se desarrollan las diferentes prácticas. Este tablero está compuesto por perfiles en c (perfiles de aluminio) los cuales fueron cortados con una tronzadora, para conformar las dos caras de trabajo del banco, a estos perfiles se ajustan los soportes para cada uno de los elementos los cuales fueron mecanizados en la fresadora de la Universidad de Ibagué, posteriormente se realizaron los agujeros los cuales permiten la unión de los elementos con los soportes de aluminio a través de tornillos.

Por último se procedió a realizar el montaje de cada uno de los elementos necesarios para las prácticas sobre el tablero de trabajo, para posteriormente realizar la puesta a punto del banco realizando las pruebas de todos los sistemas con respecto a las prácticas relacionadas en las guías de trabajo.

3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Actualmente el programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Ibagué

cuenta con un banco didáctico para llevar a cabo prácticas tanto de neumática

como de electroneumática, dicho banco ya ha cumplido su ciclo de trabajo, debido

al deterioro de sus componentes, adicionalmente este banco no cuenta con un

montaje que permita la realización de prácticas de PLC, así como también, solo

permite que 3 personas máximo realicen la manipulación de elementos, ya que un

número mayor a este entorpecen el trabajo, convirtiendo al resto del grupo en

simples espectadores.

4. JUSTIFICACIÓN

El tiempo de producción y la calidad de los productos son un aspecto muy

importante para el campo industrial, debido al avance tecnológico se ha optado

por la automatización ya que brinda mejores garantías de calidad y competitividad.

Teniendo esto en cuenta se requiere que el estudiante de Ingeniería Mecánica

adquiera un amplio conocimiento de la automatización en sus diferentes ramas

(neumática y PLC), Conocimiento que se logra a partir de conceptos teóricos

acompañados de una buena práctica que permita la aplicación de los mismos,

Práctica que debe desarrollarse en equipos y con los elementos adecuados. Por lo

tanto, el banco didáctico se convierte en una herramienta fundamental para lograr

dicho cometido. Adicionalmente este banco queda a disposición para el uso de

estudiantes o personas externas al programa de ingeniería mecánica.

5. ANTECEDENTES

Bancos didácticos para la enseñanza de la neumática y PLC se consiguen en el

mercado pero tienen un alto costo y no cuentan con los elementos necesarios

requeridos para la realización de las prácticas que se planifican realizar en el

mismo, debido a esto se realiza una revisión de literatura buscando referentes de

bancos didácticos construidos en diferentes universidades o centros educativos.

Entre las cuales se encuentra, la Universidad del Atlántico (Barranquilla) [1], la

cual en el año 2015 llevó a cabo el diseño y construcción de un banco para

prácticas electroneumática, el cual fue realizado por los estudiantes de la facultad

de ingeniería Mecánica, para realizar las diferentes prácticas de los procesos

industriales.

De igual manera la Institución FCECEP [2] (Fundación Centro Colombiano de Estudios Profesionales) en el año 2014 después de ver la problemática de tener el conocimiento teórico y no práctico decidió realizar el diseño e implementación de un banco de Neumática para la formación de sus estudiantes en controles industriales a través del desarrollo de las distintas prácticas secuenciales posibles. A su vez, la Universidad Politécnica Salesiana implementó un banco neumático en el año 2014 por la necesidad de formar profesionales integrales y prácticos, implementando un laboratorio con dicho banco para mejorar la vinculación en la solución de problemas cuando se encuentren trabajando [3].

6. OBJETIVOS

6.1 Objetivo General

Diseñar y construir un banco didáctico para prácticas de neumática,

electroneumática y PLC para la universidad de Ibagué.

6.2 Objetivos Específicos

● Elaborar las guías de trabajo para el desarrollo de las prácticas. ● Seleccionar los componentes requeridos para el desarrollo de las

prácticas. ● Diseñar y ensamblar las diferentes partes que conforman el banco

didáctico. ● Poner a punto el banco, realizando las pruebas necesarias para el

desarrollo eficiente de las prácticas. ● Elaborar el manual de funcionamiento del banco.

6.3 Estructura del Trabajo

El siguiente trabajo se encuentra organizado en 11 secciones, donde:

Secciones 1-5 se muestran el resumen y la justificación para este trabajo.

Sección 6 muestra los objetivos.

Sección 7 da una explicación teórica acerca de la neumática sus elementos

y ventajas así como de la electroneumática y PLC

Sección 8 se encarga de describir el proceso de diseño y construcción del

banco didáctico con el desarrollo de cada uno de los objetivos planteados.

Sección 9 contiene las conclusiones del trabajo.

Sección 10 se encuentra ubicada la bibliografía.

Sección 11 contiene los anexos en donde se pueden encontrar las guías de

trabajo y un manual de mantenimiento y un manual de uso.

7. MARCO TEÓRICO

7.1 Neumática

La neumática proviene del griego “pneumtikos”, que significa respiración. En

términos generales, se entiende por neumática la parte de la ciencia y la física que

trata de las propiedades de gases, y por lo tanto también del aire. La neumática

es la técnica que se dedica al estudio y aplicación del aire comprimido como

medio transmisor de energía. En muchos sectores de la técnica de automatización

de procesos industriales se utiliza la neumática y electroneumática. En plantas

industriales se usan sistemas de control neumáticos, electroneumáticos y los PLC

para controlar el funcionamiento de procesos de ensamblado, empaquetado, de

los equipos de fabricación, ensamblaje y máquinas de envasado, entre otros. [4]

7.1.1 Ventajas de la Neumática

✓ El aire es de fácil captación y abunda en la tierra. ✓ El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen

riesgos de incendio en ambientes peligrosos ✓ La aplicación de los diferentes elementos de mando y transmisión

resulta sencilla ✓ El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por

efecto de golpe de ariete ✓ Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que

dañen los equipos en forma permanente

✓ Puede ser almacenado y transportado fácilmente en depósitos. ✓ Energía limpia en caso de fugas no perjudica el ambiente. [5]

7.1.2 Desventajas de la neumática

✓ El aire comprimido debe ser tratado antes de su utilización,

eliminando humedad y partículas. ✓ En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas

considerables. ✓ Altos niveles de ruido por la descarga de aire hacia la atmósfera.

7.2 Aire Comprimido

Se puede definir el aire comprimido como una determinada masa de aire que se encuentra a una presión superior a la atmosférica. Se trata de aprovechar la capacidad de compresión que tiene el aire atmosférico, para usarlo como energía o para acumularlo en un recipiente con la idea de un uso posterior. La capacidad de compresión del aire atmosférico se explica por las leyes de los gases. Posiblemente la que mejor define al aire comprimido es la de Boyle-Mariotte, que dice: la presión que se ejerce por una determinada fuerza es inversamente proporcional al volumen de una masa gaseosa, considerando que la temperatura se mantenga constante. Esta masa de gas es el aire atmosférico, que está formado por una mezcla de gases, entre los que destacan el nitrógeno, el oxígeno y el vapor de agua. En menor cantidad, se pueden encontrar múltiples gases como el hidrógeno, el dióxido de carbono y el ozono. Cuando en el proceso de compresión se reduce el volumen de esa masa de gas, la presión aumenta. Esta es una explicación resumida, porque en la realidad, hay que considerar otros factores en el proceso de compresión, como son la temperatura y la humedad. El aire comprimido se obtiene usando unos equipos denominados compresores, que aspiran el aire atmosférico y lo comprimen hasta llegar a un valor de presión requerido y superior al de la presión atmosférica a la que se encontraba. La facilidad de uso del aire comprimido y el hecho de que pueda ser generado localmente, hacen que tenga múltiples aplicaciones.

✓ Como fuente de energía, para el uso en movimiento de maquinaria, actuadores, soplado, sistemas de frenos, elevación, etc.

Como aire acumulado, para los sistemas de respiración humana, soplado, ventilación, procesos biológicos, etc. [6]

7.3 Generación y Distribución del Aire Comprimido

Los circuitos neumáticos están constituidos fundamentalmente por los siguientes equipos como se observa en la figura 1: Compresor, que capta el aire de la atmósfera y le confiere la presión adecuada, acondicionador de aire, depósito acumulador, redes de distribución y aplicaciones neumáticas, constituidas por elementos de control, y actuadores.

Figura 1. Sistema de distribución de aire. (Fuente: Autores)

Las redes de distribución de aire comprimido surgen para poder abastecer de aire

a todas las máquinas y equipos que lo precisen, por lo que se debe tender una red

de conductos desde el compresor y después de haber pasado por el

acondicionamiento de aire, es necesario un depósito acumulador, donde se

almacena aire comprimido entre unos valores mínimos y máximos de presión,

para garantizar el suministro uniforme incluso en los momentos de mayor

demanda. [7]

7.4 Tipos De Compresores

Los compresores más comúnmente empleados son:

● Compresor de émbolo ● Compresor de émbolo con membrana ● Compresor Roots ● Compresor de paletas ● Compresor de tornillo ● Turbocompresor radial ● Turbocompresor axial

Estos se encuentran representados en la figura 2.

Figura 2. Tipos de compresores. (Fuente: compresores: condiciones generales para su selección)

7.5 Principios de la Neumática

7.5.1 Fuerza

La fuerza es la capacidad para realizar un trabajo físico o un movimiento, así como

también la potencia o esfuerzo para sostener un cuerpo o resistir empuje.

Ec. 1

7.5.2 Presión

Cantidad de empuje o de tracción (fuerza) aplicada a cada área de unidad de la

superficie

Ec. 2

7.5.3 Área

Es la extensión o superficie comprendida dentro de una figura de dos dimensiones

expresada en unidades de medida denominadas superficiales. Cualquier

superficie plana de lados rectos puede triangular y se puede calcular su área como

suma de triángulos.

Ec. 3

7.6 ELEMENTOS BÁSICOS UTILIZADOS EN LA NEUMÁTICA

7.6.1 Válvulas direccionales o válvulas de vías

Una válvula de control direccional es el control de extensión y retracción para los actuadores hidráulicos del sistema, donde las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadros (figura 3), donde el número de cuadrados adyacentes indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora. Las vías son conductos que comunican el paso del aire entre la entrada y la salida, se representan por medio de trazos como se ilustra en la figura 4 unidos al cuadrado que representa la posición inicial.

Para identificar una válvula direccional primero se identifica el número de vías las cuales se representan por medio de los trazos, el número se emplea con:

Donde:

A: representa el número de vías

C: representa el número de posiciones.

Figura 3. Válvula direccional 3/2. (Fuente: Autores)

El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de los cuadros. Los conductos que unen las distintas vías se representan mediante líneas rectas. Las flechas indican el sentido de circulación del fluido como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Representación de la circulación del fluido. (Fuente: Autores)

Teniendo en cuenta la anterior representación se tienen los siguientes tipos de válvulas ilustradas en la siguiente tabla

Tabla 1 Tipos de válvulas. (Fuente: [8] )

Las válvulas pueden ser accionadas por medios manuales, mecánicos, eléctricos y neumáticos o una combinación entre ellos. Entre los medios manuales se tienen: pulsador, palanca, pedal, por medio mecánico rodillo, leva, resorte entre otros. Los medios electrónicos son los solenoides y los medios neumáticos el aire comprimido. Estos tipos de accionamientos se ilustran en la figura 5.

Figura 5. Tipos de accionamientos. (Fuente: [9]).

7.6.2 Actuadores

Un actuador es un elemento que convierte la energía de un fluido de trabajo en

energía mecánica bien sea lineal o de rotación. Existen dos tipos de actuadores,

los que producen movimiento lineal (actuadores) y los que producen movimiento

rotativo (motores).

En los Actuadores lineales se encuentran dos tipos fundamentales:

7.6.2.1 Actuador de Simple Efecto

Un actuador de simple efecto es aquel que al suministrarle aire comprimido el émbolo modifica su posición y cuando se quita el suministro de aire, el resorte recupera la posición inicial del émbolo. Debido a la longitud del resorte se utilizan actuadores de simple efecto con carreras de hasta 100 mm, como se ilustra en la figura 6.

Figura 6. Actuador de simple efecto. (Fuente [10])

7.6.2.2 Actuador de Doble Efecto

Un actuador de doble efecto es aquel que recibe aire comprimido por una cámara, para realizar el movimiento de avance, y el aire dentro de la cama se evacua por el lado contrario, con lo que el vástago cambia de posición. Cuando el aire cambia de dirección y se intercambian las cámaras de llenado y de evacuación el vástago recupera la posición inicial.

La fuerza del émbolo es mayor en el avance que en el retroceso debido a la mayor

superficie sobre la que presiona el aire, ya que en la otra cámara se tiene que

descontar la superficie del vástago. Estos actuador pueden desarrollar trabajo en

las dos direcciones y además pueden presentar carreras significativamente

mayores a las de los actuador de simple efecto, En la figura 7 está representado

un actuador de doble efecto. [6].

Figura 7. Actuador de doble efecto. (Fuente: [11]).

7.7 Simbología Neumática

La simbología usada sirve para la identificación de componentes, en el diseño de

sistemas neumáticos estos símbolos están diseñados conforme a la norma

internacional ISO 1219-1- 1991, por otro lado la numeración de las válvulas no se

encuentra cubierta en esta norma, por lo tanto se toma de la recomendación

CETOP RP 68P (Comité Europeo de transmisiones oleohidráulica y neumática)

simbología ISO 1219. [12]

En la figura 8 se ilustran los principales elementos neumáticos y su respectivo

símbolo.

Figura 8. Símbolos neumáticos más comunes. (Fuente [13])

7.8 ELECTRONEUMÁTICA

La Electroneumática es una técnica de automatización la cual permite la

optimización de los procesos a nivel industrial. Con los avances tecnológicos en la

electricidad y la electrónica se ha permitido la fusión de estas técnicas, dando así

inicio a los sistemas electroneumáticos, los cuales resultan más compactos y

óptimos a diferencia de los sistemas puramente neumáticos.

Dentro de los elementos de un sistema electroneumático es importante reconocer

la cadena de mando para elaborar un correcto esquema de conexiones. Cada uno

de los elementos de la cadena de mando cumple una tarea determinada en el

procesamiento y la transmisión de señales. La eficacia de esta estructuración de

un sistema en bloques de funciones se ha comprobado en las siguientes tareas:

✓ Disposición de los elementos en el esquema de conexionado ✓ Especificación del tamaño nominal, la corriente nominal y la tensión nominal

de los componentes eléctricos (bobinas, etc.). ✓ Estructura y puesta en marcha del mando. ✓ Identificación de los componentes al efectuar trabajos de mantenimiento.

7.9 SIMBOLOGÍA ELECTRONEUMÁTICA

En la figura 9 se ilustran los principales elementos eléctricos utilizados en circuitos

electroneumáticos, mediante su respectivo símbolo.

Figura 9. Símbolos neumáticos más comunes. (Fuente: [13])

7.10 PLC

Un controlador lógico programable (PLC) es una computadora industrial que

acepta entradas desde interruptores (pulsadores, finales de carrera, presostatos,

termostatos, etc.) y/o sensores digitales o analógicos (de proximidad,

fotosensibles, de temperatura, etc.). El PLC realiza la ejecución de un programa

de forma cíclica. La ejecución del programa puede ser interrumpida

momentáneamente para realizar otras tareas consideradas más prioritarias, pero

el aspecto más importante es la garantía de ejecución completa del programa

principal. Estos controladores son utilizados en ambientes industriales donde la

decisión y la acción deben ser tomadas en forma muy rápida, para responder en

tiempo real. Los PLC son utilizados donde se requieran tanto controles lógicos

como secuenciales o ambos a la vez. [14]

Los PLC se componen de 3 bloques, la sección de entradas, la unidad central de

procesos (CPU), la sección de salida como se representa en la figura 10.

Figura 10. Estructura interna de un PLC. (Fuente: Controlador lógico programable, curso

061)

Los lenguajes de programación para el PLC (figura 11) indican las técnicas que se

deben usar para escribir el programa que se quiere ejecutar según el tipo de PLC.

Los diagramas de escalera (LD) son una recopilación de códigos con información

simbólica. Los diagramas de bloques funcionales (FBD) permiten una integración

mucho más familiar en el aspecto gráfico donde las características funcionales del

programa se representan mediante bloques lógicos. El lenguaje de programación

GRAFCET, simplifica la complejidad de extensas líneas de código con la nueva

concepción algorítmica de que todo proceso lleva a cabo en una secuencia. [15]

Figura 11. Lenguajes de programación. (Fuente: Diseño e implementación de un módulo de entrenamiento de automatización y control utilizando PLC controlado).

8. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO

8.1 Elaboración de Guías

Para llevar a cabo el diseño del banco didáctico se tuvo en cuenta los temas

contemplados en el contenido de la asignatura de Oleohidráulica y neumática y así

de esta manera poder elaborar las diferentes guías para las diferentes prácticas,

las cuales van a servir de base en la selección de los diferentes elementos que

componen el banco. Dentro de los temas vistos en la asignatura se tiene el

componente de oleohidráulica, componente que no hará parte de las guías

anteriormente mencionadas. Por lo tanto las guías elaboradas tendrán en cuenta

los temas de neumática, electroneumática y PLC. Las guías elaboradas (ver el

Anexo 11.2), buscan que los estudiantes aprendan a realizar desde los circuitos

más básicas hasta ejecutar circuitos más complejos que requieren la aplicación de

métodos especiales para la elaboración de los mismos. Para las guías de trabajo

de cada una de las temáticas anteriormente mencionadas se utiliza la misma

metodología en su elaboración es decir cada guía consta de un título, objetivo, y

los diferentes elementos requeridos para la misma.

Como se observa en el Anexo 11.2. El componente de neumática,

electroneumática y PLC cuentan con 10 guías de práctica cada uno.

8.2 Elementos Neumáticos y Electroneumáticos Requeridos para las

Prácticas.

Teniendo en cuenta los elementos requeridos para las prácticas ilustradas en la

guías elaboradas se requiere de elementos nuevos para las prácticas de

neumática y electroneumática, debido a que los elementos del banco actual están

deteriorados por otro lado las prácticas con el PLC se utilizaran los mismos

elementos de las prácticas de electroneumática, el programa de ingeniería

mecánica cuenta con un PLC por lo tanto no se requiere de uno nuevo,

Igualmente se reutilizara el compresor del banco anterior ya que este cumple con

las condiciones requeridas para el adecuado funcionamiento del banco didáctico.

Teniendo esto en cuenta se procede a la consecución de los elementos, donde se

realiza la labor de solicitar diferentes cotizaciones a varios proveedores,

posteriormente después de analizar las diferentes propuestas se procede a la

adquisición de los elementos listados en la tabla 2.

Tabla 2. Elementos adquiridos. (Fuente: Autores).

Elemento Cantidad

Microswitch final de carrera eléctrico 12

Relé con 2 contactos NA y 2 contactos NC 4

Relé temporizador 0-30 seg 2

Pulsador de marcha 2NA-2NC 4

Temporizador neumático simple de 0-15 seg. Sal

pos + base de conexionado

2

Válvula 3/2 doble mando neumático 6

Actuador de doble efecto MD8 NG 2E C/IMAN

C100MM D 25 EJEC. U

6

Actuador de simple efecto MD8 NG C/IMAN C100

D 25 EJEC. U

2

Soporte para interruptor magnético DMR-MD8-NG

Diam 25

16

Montaje de pie cilíndrico diam 20-25 16

interruptor magnético con cable 250 V 2

Válvula 3/2 con mando mecánico por rodillo (serie

MV-1/8¨)

16

Válvula 3/2 con mando mecánico por rodillo

unidireccional (serie MV-1/8¨)

4

Válvula 5/2 biestale por impulsos eléctricos

24VCC

4

Electroválvula 5/2, reacción resorte 24VCC 10

Válvula serie enchufable función "o" 6

Válvula serie enchufable función "y" 4

Silenciador de escape serie SPL (1/8") 10

Regulador de caudal unidireccional RVL(serie en

línea)

10

Regulador de caudal bidireccional (1/8") 42

Unidad FR(1/8") 1

Agrandador para tubo diámetro 6mm y enchufe

diámetro 4 mm

12

T igual tubo diámetro 6 mm 1

Unión doble tubo diámetro 6 mm 15

Conector orientable a 90° rosca G (1/8") para

tubo diámetro 6 mm

10

Tubo poliuretano diámetro ext. 6 mm 40m

Cable flexible con ficha banana 4mm(0,3m) 10



8.3 Descripción de los Elementos Básicos que Componen el Banco

8.3.1 Unidad Compresora

La unidad compresora consta de un compresor de dos etapas, un motor de 2 hp

trifásico con un sistema de transmisión por poleas y además cuenta con

elementos de medición como lo son el manómetro y un presóstato .El compresor

es uno de los elementos principales ya que es el encargado del suministro de aire

para el accionamiento de las válvulas y los actuadores.

Figura 12. Compresor del banco didáctico. (Fuente: Autores).

Como se observa en la figura 12, el compresor se encuentra ubicado en una base

la cual fue construida específicamente para el espacio que ocupa en el banco,

este se encuentra debajo de la base de madera esto para evitar las vibraciones

del sistema en la mesa de trabajo.

8.3.2 Unidad de Mantenimiento

La unidad de mantenimiento es una parte fundamental para la durabilidad y seguridad de funcionamiento de la instalación neumática ya que los compresores aspiran aire húmedo y los filtros de aspiración no se encargan de retener dicha humedad, ni eliminar totalmente las partículas contenidas en el aire atmosférico donde está situado el compresor. Esta acondiciona el aire evitando la suciedad del aire comprimido, las partículas líquidas contenidas en el aire las cuales provocan un gran deterioro en las instalaciones, además de que las conexiones y desconexiones del compresor generan oscilaciones de presión que impiden un funcionamiento estable de la instalación, La unidad de mantenimiento con la que cuenta el banco tiene un filtro- regulador, con esta unidad regula la presión de

trabajo la cual no debe exceder los 6 bares. En la figura 13 se puede observar la unidad de mantenimiento con la que cuenta el banco.

Figura 13.Unidad de mantenimiento. (Fuente: Autores).

8.3.3 Bloque distribuidor

El bloque distribuidor permite que el aire proveniente del compresor sea utilizado

para el accionamiento de los diferentes elementos: válvulas y actuadores, está

constituido por 6 válvulas 3/2 NC con un accionamiento por enclavamiento. En la

figura 14 se observa el bloque distribuidor.

Figura14. Bloque distribuidor de aire. (Fuente: Autores).

8.3.4 Válvula reguladora de caudal

Esta válvula permite controlar el caudal que circula por ellas, existen válvulas

bidireccionales y válvulas unidireccionales, donde las válvulas bidireccionales son

aquellas que regulan el caudal en ambas direcciones permitiendo que los

actuadores avancen o retrocedan a velocidades lentas, así mismo las válvulas

unidireccional permiten regular el caudal en una sola dirección, en función de esto

el actuador puede avanzar lentamente y retroceder de una manera rápida y

viceversa.

Las guías estipulan el uso de estas válvulas con el fin de buscar que los

actuadores al avanzar reduzcan el impacto de salida y entrada evitando así el

deterioro de los elementos. Estas válvulas se ilustran en la figura 15.

Figura 15. Válvulas reguladoras de caudal, a) bidireccional. b) unidireccional. (Fuente: Autores).

8.3.5 Válvula neumática 3/2

Existen varios tipos de válvula 3/2 las cuales cuentan con diferentes tipos de

accionamiento como lo son el accionamiento manual (pulsadores, figura 16),

neumático (válvula 3/2 biestable, figura 17) y mecánico (finales de carrera, figura

18). Gracias a sus 3 vías el flujo del aire puede ir en dos direcciones distintas y

realizar el escape en su posición cerrada. Estos elementos dan la señal de mando

para activar o desactivar la entrada o salida de un actuador neumático además

existen válvulas normalmente abiertas (NA) o normalmente cerradas (NC), a

continuación se describen las diferentes válvulas

8.3.5.1 Pulsadores neumáticos

Los pulsadores neumáticos son un tipo de pulsador de presión (figura 16), los

pulsadores utilizados son válvulas 3/2. Este tipo de interruptor transmite una señal

de aire y cierra y abre un contacto cuando cierta presión de ajuste se ha

alcanzado en su entrada.

Figura 16. Pulsadores Neumáticos. (Fuente: Autores).

8.3.5.2 Válvula neumática 3/2 biestable

Como se puede observar en la figura 17 la válvula neumática 3/2, normalmente es

utilizada para manejar actuadores simple efecto y para realizar señales (pilotajes)

neumáticos.

Figura 17. Válvula neumática 3/2 biestable. (Fuente: Autores).

8.3.5.3 Final de Carrera

Un final de carrera es un tipo de sensor el cual detecta la presencia de una señal y

entra en funcionamiento cuando su terminal el cual es un rodillo es presionado

mediante un actuador u otro elemento. Los tipos de finales de carrera se pueden

observar en la figura 18.

Figura 18.a) Final de carrera neumático. b) Final de carrera abatible. c) Final de carrera eléctrico. (Fuente: Autores).

8.3.6 Válvula neumática 5/2 biestable.

La válvula 5/2 en la figura 19, es también un elemento de maniobra y sirve para

accionar actuadores neumáticos de doble efecto.

Figura 19. Válvula neumática 5/2. (Fuente: Autores).

8.3.7 Electroválvula 5/2 (monoestable y biestable)

Una válvula monoestable como la de la figura 20, es aquella que tiene una

posición de reposo estable, el cual es en la válvula que permanecerá de forma

indefinida si no actúa sobre ella una señal de mando. Las válvulas monoestables

pueden ser a su vez normalmente abiertas (NA) o normalmente cerradas (NC).

Son normalmente abiertas (NA) cuando en su posición estable dejan pasar el

fluido a presión hacia los elementos y son normalmente cerradas (NC) cuando en

su posición estable no dejen pasar el fluido o lo dejen pasar desde los elementos

actuadores hacia la salida.

Figura 20.Electroválvula monoestable 5/2. (Fuente: Autores).

Las electroválvulas biestables (figura 21) son aquellas que no tienen una única

posición de reposo estable; es decir, que aunque se anule la señal que provocó la

posición en la que se encuentra, la válvula seguirá en esa misma posición hasta

que se active la señal correspondiente a una nueva posición. En el caso de que se

activen dos señales prevalece la más antigua.

Figura 21. Electroválvula biestable 5/2. (Fuente: Autores).

8.3.8 Válvula “O”

Es un elemento neumático procesador de señal, a la válvula “O” representada en

la figura 22, le debe llegar una señal por cualquiera de sus dos entradas teniendo

siempre una señal de salida.

Figura 22.Válvula "O". (Fuente: Autores).

8.3.9 Válvula “Y”

Es un elemento neumático procesador de señal. A la válvula “Y” representada en

la figura 23, le deben llegar dos señales al tiempo, una por cada entrada para que

haya una señal de salida.

Figura 23. Válvula "Y". (Fuente: Autores).

8.3.10 Pulsador eléctrico

El pulsador eléctrico es un elemento de señal de entrada, el cual da paso a una

señal activa de accionamiento dejando abierto el paso de energía.

El banco didáctico contiene dos tipos de pulsador eléctrico los cuales se pueden

evidenciar en la figura 24. Estos dos tipos de pulsadores son los requeridos en las

prácticas de electroneumática, siendo los encargados de activar y desactivar el

circuito.

Figura 24.a) Pulsador 1. b) Pulsador 2. (Fuente: Autores)

8.3.11 Relé Temporizador

Un relé temporizador es aquel que es utilizado para controlar el tiempo que

transcurre entre la señal de entrada y la respuesta de un elemento del circuito

(electroválvula). Existen dos tipos de temporizador, con retardo de energización

(figura 25) que proporciona un intervalo de tiempo regulable entre la alimentación

y la actuación de los contactos de salida y con retardo a la desenergización, el

cual con la alimentación el relé de salida es instantáneamente accionado, y al

desenergizar el relé permanece accionado durante el tiempo seleccionado.

Figura 25.a) Temporizador con retardo de energización. (Fuente: Autores). b)

Temporizador con retardo de desenergización. (Fuente: [16])

8.3.14 Relé auxiliar

El relé es elemento eléctrico que conecta y controla con poca energía, los relés

son utilizados normalmente para el procesamiento de señales, el cual es

accionado de forma electromagnética con contactos abiertos y cerrados o una

combinación de estos. En la figura 26 se ilustran los contactos nombrados

anteriormente donde se encuentra normalmente cerrado (NC) cuando el contacto

común y se encuentra junto con el contacto cerrado, y es normalmente abierto

cuando el contacto abierto se encuentra junto con el contacto común.

Figura 26. Representación Circuito NA, NC. (Fuente: [17])

En la figura 27 se representan los tipos de relé que conforman el banco, Estos son

parte fundamental en la práctica ya que permite realizar las conexiones de los

circuitos.

Figura 27.a) Relé 1. b) Relé 2. (Fuente: Autores).

8.3.15 Actuadores

Los actuadores funcionan con la energía inherente al aire comprimido la cual los

alimenta transformando en movimientos de vaivén en los actuador, en la figura 28

se observa el actuador de simple efecto, en la parte inferior y en la parte inferior

se observa el actuador de doble efecto.

.

Figura 28. Actuador de simple y doble efecto. (Fuente: Autores).

8.3.16 PLC

Un PLC (controlador lógico programable, figura 29) es básicamente una

computadora industrial la cual procesa todos los datos de una máquina como

pueden ser sensores, botones, temporizadores y cualquier señal de entrada. Para

posteriormente controlar los actuadores como pistones, motores, válvulas, etc. y

así poder controlar cualquier proceso industrial de manera automática.

Figura 29.Diagrama PLC Array AF-20MR-D. (Fuente: http://www.array.sh/fab20MR-De.htm)

8.3.17 Fuente de poder

La fuente es la encargada de energizar los diferentes elementos que componen el

banco didáctico (figura 30), el PLC cuenta con su propia fuente de energización,

cada una de estas fuentes da un voltaje de 24V.

Figura 30.Fuente principal y fuente del PLC. (Fuente: Autores)

8.4 Diseño de la Estructura

8.4.1 Modelos Iniciales o Preliminares

En primer lugar se realizaron dos propuestas de diseños iniciales (Figura 31 y 32),

una por cada uno de los estudiantes incorporados en el trabajo, dando como

resultado un diseño final con las ideas plasmadas en estos diseños (Figura 33).

Concepto 1

Figura 31. Diseño Banco N.V (Fuente: Autores)

Diseño realizado por el estudiante Nicolay Valencia del programa de

Ingeniería Mecánica de la Universidad de Ibagué.

Concepto 2

Figura 32. Diseño banco L.R (Fuente: Autores)

Diseño realizado por la estudiante Lina Rojas del programa de Ingeniería

Mecánica de la Universidad de Ibagué.

Concepto 3

Figura 33. Diseño final.

Diseño final realizado por los estudiantes Lina Rojas y Nicolay Valencia del

programa de Ingeniería Mecánica de la universidad de Ibagué.

8.4.2 Matriz de Selección de Propuestas

Tabla 3. Matriz de selección de propuestas.

Con el diseño seleccionado esta etapa consistió en el diseño de las diferentes

partes del banco y sus diferentes sistemas, la cual comenzó con el diseño

adecuado del mueble, el cual debe ser cómodo y accesible para las personas,

teniendo en cuenta los parámetros para tener condiciones de ergonomía óptimas,

por tanto para determinar la altura adecuada de la superficie de trabajo, es

importante tener en cuenta la altura promedio de las personas en Colombia que es

de 1.60m.

Además se debe tener en cuenta los siguientes parámetros para que el cuerpo

adopte una buena posición si hay que trabajar de pie como se muestra en la figura

34 y 35:

✓ Estar frente a la máquina. ✓ Mantener el cuerpo próximo al producto de la máquina. ✓ Mover los pies para orientarse en otra dirección en lugar de girar la

espalda o los hombros.

Figura 34.Valor óptimo ergonomía. (Fuente [18])

Figura 35. Medidas de la base del banco. (Fuente: Autores).

Teniendo en cuenta la ergonomía de los estudiantes el diseño permite que los pies

no interfieran con el sistema, la pata del medio es necesaria para el soporte

adecuado de las cargas y de los elementos que este soportara. Debido a que el

banco no va a estar expuesto a la intemperie y se encontrará en un ambiente

cerrado, se selecciona la madera como material para la base del banco, dando así

una mejor presentación y seguridad al momento de ser manipulado por los

estudiantes ya que no se dará conductividad con las conexiones eléctricas que

contendrá en su interior. Por otro lado se escogió perfiles de aluminio para el

tablero de trabajo ya que el aluminio es un material con buenas propiedades

mecánicas como lo son los bajos niveles de oxidación, el cual redujera el alto

nivel a la corrosión evitando así tener que recuperar la pieza y evitar estar en el

proceso de pintura constantemente. Siendo también un material que ofrece un

mejor presentación y acabado. En la figura 36 se ilustra los elementos

anteriormente nombrados.

Figura 36.Base banco y perfil aluminio. (Fuente: Autores).

Considerando que se desea aumentar la cantidad de estudiantes por práctica en

el banco, se diseña un banco didáctico con la posibilidad de trabajar en los dos

lados del mismo, permitiendo hacer prácticas múltiples, una por cada lado del

tablero, el diseño del tablero del banco permite que las prácticas sean flexibles, ya

que los elementos se pueden remover y acomodar según sea necesario, El diseño

del banco se puede observar en la figura 37 y con sus partes en la figura 38.

Figura 37.Diseño banco didáctico. (Fuente: Autores).

Figura 38.Diseño banco didáctico con sus componentes. (Fuente: Autores).

El tablero en su parte inferior contiene dos cajas acrílicas que son el panel

eléctrico como se observa en la figura 38, estas permiten la conexión de los relés,

pulsadores, electroválvulas de manera más práctica ya que se extiende por todo el

tablero con sus entradas positivo y negativo respectivamente, una de las cajas de

acrílico contiene solo entradas positivas y negativas, la otra caja contiene en uno

de sus lados el PLC.

Cada caja cuenta con su propia fuente de alimentación las cuales están ubicadas

en la parte interior del banco debajo de los relés, por seguridad y mayor utilización

del espacio. Se decidió hacer una base independiente que contenga el motor y el

compresor que alimentan el aire al banco, para evitar vibraciones en la mesa que

soporta todo el sistema.

8.4.3 Estructura

Para la estructura se muestran las reacciones y fuerzas que se ven implicadas en

ella. Debido a que la mesa soporta el tablero de trabajo, y que soporta más carga

de la mitad del tablero hacia la izquierda ya que el tablero posee más elementos

en este lado como se observa en la figura 39, se realiza un análisis de esfuerzos ,

teniendo en cuenta la cantidad de elementos que este soporta y un peso

aproximado de todos los elementos, la carga resulta de la suma del peso del

banco y sus componentes, agregándole el peso de 4 estudiantes, tomando como

peso promedio 70 Kg en un hipotético caso de que se encuentren apoyados

dando como carga un cuarto de su peso debido a la posición sobre el mueble

ejerciendo una fuerza dichos valores se observan a continuación.

Lado izquierdo del banco

Cantidad de válvulas

Tabla 4. Cantidad de válvulas lado izquierdo. (Fuente: Autores)

Siendo un total de

Además se cuenta con el peso de los cajones que es de aproximadamente 3Kg

A estos 20Kg se le suma el peso de dos estudiantes apoyados en ambos lados del

banco siendo un peso de 35Kg además del peso del tablero de 5Kg, dando como

resultado un peso de 60Kg

Lado derecho

Cantidad de elementos

Tabla 5. Cantidad de elementos lado derecho. (Fuente: Autores)

Siendo un total de

A los 12.8 Kg se le suma el peso de dos estudiantes apoyados en ambos lados del

banco siendo un peso de 35Kg además del peso del tablero de 5 Kg, dando como

resultado un peso de 52.8kg.

Teniendo los valores de los 2 pesos distribuidos para ambos lados de la mesa, se

procede a calcular la fuerza que soporta la mesa y su análisis estático como se

observa a continuación

● Análisis estático

Figura 39. Reacciones de la estructura. (Fuente: Autores).

Para el desarrollo del análisis estático se realiza la división de las fuerzas para

lograr el despeje de las incógnitas, realizando el análisis por separado del tramo

A-B y tramo B-C, realizando la sumatoria de fuerzas y su respectivo despeje.

● Tramo A-B

Se reemplaza B en la sumatoria de Fy

● Tramo B-C

Se reemplaza B en la sumatoria de Fy

Las cargas soportadas en el tramo A-B son las mismas de igual manera que las

cargas en el tramo B-C, debido a que la carga en B está soportando tanto el

resultado en el tramo A-B como en el B-C, se realiza la sumatoria de las cargas en

B.

Realizando la sumatoria de fuerzas y su análisis estático se logra despejar las

incógnitas, dando como resultado que A tiene un valor de 294 N repartidos en sus

dos llantas, el punto B tiene una carga de 552.98N repartidas en sus dos llantas y

el punto C 258.98N repartidos en las dos llantas, como se logra observar en la

figura 40. Debido a la simetría, tanto del mueble como de las cargas, la fuerza se

distribuirá a través de los seis elementos verticales (patas del mueble).

Figura 40. Valor de las cargas en los apoyos del banco. (Fuente: Autores)

Con los diferentes esfuerzos obtenidos anteriormente (figura 40), se sabe que los

apoyos del medio son las que más carga soportan por lo tanto se evaluaran con

esfuerzo, debido a que la carga está repartida por igual se evaluará con 276.49 N

que es lo que soporta un solo apoyo.

ẟ= Ec.4

ẟ=

Teniendo el esfuerzo que soporta la pata más crítica se procede a comparar el

valor con el de tracción y compresión de la madera, donde su valor, según la

calidad de la madera, suele ser de entre 70.000 y 120.000 kg/cm2, en este caso

se utilizó 80000 kg/cm2 lo cual es equivalente a 7845320000 siendo este

valor mayor al valor hallado del esfuerzo máximo que soporta la pata del mueble

de madera. [19]

8.5 Construcción

Esta etapa consta de la construcción del banco, donde a partir del diseño del

mueble y sus respectivos planos se procedió a enviarlos a una persona externa a

la Universidad de Ibagué profesional en carpintería para que realizara su

respectiva fabricación el cual se observa en la figura 41.

Figura 41. Mueble de madera. (Fuente: Autores).

Después de la entrega de la base del madera se procedió a hacer los agujeros

para cada uno de los elementos como el relé, pulsador y temporizador que van en

la mesa de trabajo como se observa en la figura 42, estos cortes se realizaron con

una caladora proporcionada por la Universidad de Ibagué; la tabla con los cortes

ya realizados se observa en la figura 43 y 44.

Figura 42.Plano de la tapa/base. (Fuente: Autores).

Figura 43. Mesa de trabajo. (Fuente: Autores).

Figura 44. Mesa de trabajo finalizada. (Fuente: Autores).

Con la mesa de trabajo finalizada se procedió a la construcción del tablero de

trabajo, el cual está conformado por perfiles en C de aluminio ver (figura 45), los

perfiles que se adquirieron tienen cada uno una medida de 3 metros los cuales

fueron cortados a la medida de 135 cm (medida del mueble de madera) con una

tronzadora, para conformar las dos caras de trabajo del banco, se realizó la unión

de los perfiles en c formando así 7 perfiles que conforman el tablero de trabajo.

Figura 45. Perfil en C del tablero. (Fuente: Autores).

Para crear los soportes del tablero se usaron perfiles rectangulares, siendo estos los perfiles base como se observa en la figura 46, se procedió al corte y pulido de los mismos para su instalación en el banco y posterior a eso la unión con los 7 perfiles en c construidos anteriormente, unidos con ayuda de remaches a los dos perfiles base.

Figura 46. Tablero de trabajo. (Fuente: Autores).

Con el tablero instalado en la mesa, se tomaron las medidas necesarias para crear

el panel eléctrico que está fabricado en acrílico y mdf, compuesto por 2 caras

acrde mdf las cuales contienen las conexiones eléctricas en cacrilico , éste fue

cortado en impresora láser la cual se puede observar en la figura 47

proporcionada por la universidad de Ibagué.

Figura 47. Cortadora laser ubicada en la Universidad de Ibagué. (Fuente: Autores).

Con los cortes obtenidos del acrílico que conforma el panel eléctrico se realizó la instalación de las bananas en el acrílico y su respectiva soldadura. Una de las cajas de acrílico contiene el PLC, teniendo en cuenta esto se realizó las respectivas conexiones para su funcionamiento como se observa en la figura 48, se procedio a instalar ñas aminas de acrílico al mdf el cual le aporta resistencia al panel eléctrico como se observa en la figura 49.

Figura 48. PLC y sus conexiones. (Fuente: Autores)

Figura 49. Panel eléctrico. (Fuente: Autores).

El panel eléctrico está energizado debido a las dos fuentes que están ubicadas

internamente de la mesa de trabajo, una de las fuentes es para el PLC y la otra es

para energizar todas las demás entradas y salidas, como se observa en la figura

50, para que esto fuera posible se realizaron agujeros en la pared interna del

banco para lograr conectar el tablero a las fuentes. El cajón interno del banco

cuenta con un toma corriente al cual van conectadas las fuentes al momento de su

funcionamiento.

Figura 50. Interior mesa de trabajo con las fuentes. (Fuente: Autores).

En el tablero van ubicados los elementos como lo son las válvulas, electroválvulas,

actuadores, finales de carrera, etc. Con el posicionamiento de las piezas y las

válvulas se busca tener la mayor cantidad de componentes necesarios para las

prácticas, evitando la necesidad de remover elementos. Para que esto sea posible

es necesario adaptar estos elementos a piezas de aluminio representadas en la

figura 51, las cuales son mecanizadas en la fresadora para que entren en los

perfiles en C del tablero y se puedan deslizar a través de ellos.

Realizando inicialmente un proceso de corte del perfil macizo de aluminio con las

diferentes medidas de los elementos y su mecanizado en la fresadora,

posteriormente se realizaron los agujeros los cuales permiten la unión de los

elementos con la pieza de aluminio a través de tornillos, en la figura 52 se

observan los diferentes elementos ubicados en el tablero de trabajo.

Figura 51.Perfil y pieza de aluminio (Fuente: Autores).

Figura 52. Tablero de trabajo. (Fuente: Autores).

Para la estructura del motor y el compresor se utilizó un perfil en L de 70.5cm x

83.5cm como se observa en la figura 53, el cual se cortó y soldó por el proceso de

soldadura SMAW (Soldadura por arco eléctrico revestido). Se escogió este

proceso ya que es de los más usados en este tipo de estructura y abarca diversas

técnicas, Donde fue utilizado un electrodo especial (electrodo 6011 o 6013) los

cuales son electrodos para propósitos generales de fabricación de estructuras por

ser una soldadura eficaz y precisa recomendada para juntas, produciendo un arco

eléctrico muy estable dando una mejor apariencia de acabado al cordón.

Figura 53.Plano base compresor. (Fuente: Autores)

Figura 54.Analisis de esfuerzos base del compresor. (Fuente: Autores)

Se realizó el análisis estático en solidworks (figura 54), el cual demuestro que la base va a soportar 25 veces la carga a la que está sometida, la cual es ejercida por el motor compresor y el tanque.

Después del proceso de soldadura se realizó un proceso de pulido para eliminar

imperfecciones que hayan quedado durante el proceso, dándole así un mejor

acabado, donde posteriormente se procedió a pintarlo de color azul para darle el

último acabado estético, seguidamente se procedió al montaje de los elementos

que van sobre la estructura fabricada, la cual soporta (tanque, motor y compresor)

como se observa en la figura 55.

Figura 55. Base finalizada. (Fuente: Autores).

Con el debido montaje del motor, compresor y el tanque se verificó su correcto

funcionamiento, para esto se realizaron las conexiones eléctricas del motor

conectando el presóstato y el interruptor de encendido y pagado en el cable que

energiza el sistema y la respectiva conexión del compresor hacia el tanque para el

almacenamiento del aire; además se realizó la alineación entre la polea del

compresor y del motor con su respectiva la tensión de la correa, esto se evidencia

en la figura 56.

Figura 56. Unidad compresora y conexión eléctrica.

Para el suministro de aire el cual sale del compresor y llega al bloque distribuidor

por medio de una manguera la cual pasa por el interior del banco como se observa

en la figura 57, de esta manera se realizó el cableado con mayor seguridad.

Debido al diseño del mueble la estructura del compresor va situado en la parte

inferior del lado derecho por lo tanto es conveniente realizar dicha conexión por el

interior del cajón evitando tensiones y dobleces en la manguera.

Figura 57. Conexión suministro de aire.

8.6 Condiciones de Seguridad del Banco para su uso

Interacción usuario-producto: En cuanto a la seguridad del banco didáctico

frente a un usuario el banco cuenta con un acabado superficial pulido evitando

puntas peligrosas que puedan afectar al usuario (Estudiante), la colocación de las

diferentes válvulas y dispositivos que van dentro de los perfiles es sencilla y no

cuenta con esquinas peligrosas, además la unidad compresora está ubicada de

manera que no se presenten accidentes al momento de ser manipulado, en cuanto

a los diferentes relés y demás elementos se cuenta con sistemas de botones los

cuales hacen más fácil el proceso y no son riesgosos para el usuario.

Factor ergonómico: Este factor está pensado en la seguridad del usuario evitando posturas que produzcan lesiones además de evitar riesgos durante uso, cuenta con las medidas adecuadas para que cualquier persona logre efectuar las diferentes actividades alrededor del banco.

9. CONCLUSIONES

● Se diseñó un banco didáctico de aprendizaje para que los estudiantes puedan reforzar los conocimientos vistos en clase de la Universidad de Ibagué en la carrera de Ingeniería Mecánica para un mejor reconocimiento de los elementos que se encuentran en la industria y de esta manera poder tener ventajas en el ámbito laboral y profesional.

● Se elaboraron las respectivas guías de trabajo las cuales están conformadas por el título de la práctica, su objetivo, propósito, los elementos requeridos para dicha práctica y el esquema del circuito neumático. Teniendo 10 guías para neumática, 10 guías para electro neumática y 10 para PLC.

● Se seleccionaron los elementos para el banco didáctico teniendo en cuenta las guías prácticas, el mejor proveedor en cuanto a costo, calidad, accesibilidad y tiempo de entrega.

● El banco diseñado cumple con los requerimientos de seguridad y ergonomía, además de ampliar el número de participantes por práctica el cual genera flexibilidad al momento de realizar las prácticas.

● La puesta punto del banco didáctico comprobó el correcto funcionamiento del sistema y sus elementos realizando las pruebas de las guías, corrigiendo cualquier inconveniente surgido en ese momento.

● Se elaboraron los respectivos manuales, uno de estos es el manual de funcionamiento básico donde se explica y expone el método de encendido y de uso correcto del banco didáctico, y de mantenimiento de los diferentes elementos que lo constituyen.

10. BIBLIOGRAFÍA

[1] «utp,» [En línea]. Disponible:

http://revistas.utp.edu.co/index.php/revistaciencia/article/viewFile/9314/6421 .

[2] prezi, «banco neumatico,» [En línea]. Disponible:

https://prezi.com/sqaqydtbm0tw/diseno-e-implementacion-de-un-banco-

neumatico-basico/ .

[3] A. vinicio, «Diseño e implementacion de un banco de pruebas neumaticos para

mejorar el aprendizaje de los estudiantes de la universidad salesiana,»

Universidad politecnica salesiana, guayaquil , 2014.

[4] Festo didactics, «Neumatica Electroneumatica fundamentos,» 2009.

[5] «Diseño e implemetacion de un banco neumatico,» [En línea]. Disponible:

https://prezi.com/q3tkwyw1gwni/diseno-e-implementacion-de-banco-neumatico-

basico/ .

[6] «Mundo compresor,» [En línea]. Disponible:

https://www.mundocompresor.com/diccionario-tecnico/aire-comprimido.

[7] CATEDU. [En línea]. Disponible: http://e-

ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1108/html/23_distr

ibucin_de_aire_comprimido.html.

[8] FESTO, [En línea]. Disponible:

https://es.scribd.com/document/391470875/SIMBOLOGIA-Neumatica-FESTO-

pdf.

[9] [En línea]. Disponible: http://e-ducativa.catedu.es.

[1

0]

[En línea]. Disponible: :http://manuelbrionesfernandezdelara110.blogspot.com.

[1

1]

[En línea]. Disponible:

https://sites.google.com/site/1bachsanchezmarioa/hidraulica.

[1

2]

«NORMA TECNICA,» [En línea]. Disponible:

https://es.scribd.com/document/266729997/Norma-Neumatica-e-Hidraulica-

Simbologia.

[1

3]

[En línea]. Disponible: : http://e-ducativa.catedu.es.

[1

4]

MiCro, «Controlador logico programable , curso 061».

[1

5]

F. C. A. y. A. A. Arturo de Castro R, «Diseño e implementacion de un modulo

de entrenamiento de automatizacion y control utilizando PLC controlino,

programado en lenguaje c, para actividades practicas en loslaboratorios de

electronica de la universidad cooperativa de colombia sede santa marta,» santa

marta , 2017.

[1

6]

[En línea]. Disponible: http://www.promelsa.com.pe/pdf/1008699.pdf.

[1

7]

[En línea]. Disponible: http://www.promelsa.com.pe/pdf/1008699.pdf.

[1

8]

[En línea]. Disponible: : https://www.uv.es.

[1

9]

tknika, «propiedades mecanicas de la madera,» [En línea]. Disponible:

http://normadera.tknika.net/es/content/propiedades-mec%C3%A1nicas.

11. ANEXOS

11.1 MANUALES DE LABORATORIO

11.1.1 Manual de mantenimiento básico de los elementos que componen el

banco didáctico

A continuación se describen las acciones a realizar para un mantenimiento

preventivo de los elementos que componen el banco.

DISPOSITIVO PERIODO TAREA IMAGEN

Revision de la tension de la

correa, de no estar tensionada

realizar el desmontaje de la rejilla

de seguridad y correr el motor

hasta tener una buena tension

Vaciado de la consdensacion,

Abrir la llave del tanque para

vaciar el agua que se condensa

en el proceso

Hacer el cambio de los

cartuchos de los filtros de aire

Cambio de la correa , si al

momento de realizar la debida

tension la correa sigue

destensionada o presenta

grietas se debe realizar dicho

cambio

Se debe realizar el cambio de

aceite, el utilizado es 20W50

anual

Compresor

MANTENIMIENTO

Semestral

Mensual

Revision del manometro

verificando que este

debidamente calibrado utilizando

un manometro guia para realizar

la comparacion de la lectura de

las presiones

Revision de la valvula de

seguridad , comprobando

haciendo un accionamiento

controlado de la mismo

PERIODO TAREA IMAGEN DISPOSITIVO

MANTENIMIENTO

Verificar el correcto

funcionamiento del

manometro verificando

que la aguja se

encuentre al lado

izquierdo

Cambio de aceite,

cambio de filtros de

aire

Verificar las conexiones

del compresor hacia el

tanque

anual

semestral

semanal

Compresor

PERIODO TAREA IMAGEN DISPOSITIVO

MANTENIMIENTO

Verificar el correcto

funcionamiento del

manometro verificando

que la aguja se

encuentre al lado

izquierdo

Cambio de aceite,

cambio de filtros de

aire

Verificar las conexiones

del compresor hacia el

tanque

anual

semestral

semanal

Compresor


MANTENIMIENTO

Bloque distribuidor

de aire

Mensual

Verificar los racores

para que no

queden partes de

manguera adentro

que obstruye la

salida del aire

Semestral

Verificar que al

accionar las

valvulas de paso ,

estas permiten el

adecuado paso del

aire


Verificar que no haya fugade aire

en los racores ademas de pedazos

de manguera

MANTENIMIENTO

Unidad de

Mantenimiento

Mensual

Semestral

anual

Revision del manometro

verificando que este debidamente

calibrado utilizando un

manometro guia para realizar la

comparacion de la lectura de las

presiones

Verificar que el regulador de

presion funciona y que su punto

maximo no pase de 6 bares

Se debe purgar el filtro , girando la

parte inferior del mismo para

liberar la condensacion del

proceso


MANTENIMIENTO


para no presentar

fugas de aire.

Retirar el

silenciador y

limpiarlo, reajustar

los tornillos de la

válvula.

Semestral

Mensual

Válvula neumática

3/2


MANTENIMIENTO

Válvula neumática

5/2

Mensual


para no presentar

fugas de aire.

Semestral

Retirar el

silenciador y


los tornillos de la

válvula.


MANTENIMIENTO

Verificar las salidas

para que no tenga

partes que

obstruyan la salida

del aire

MensualVálvula "Y" y "O"


MANTENIMIENTO

Actuador de simple

efecto

Mensual


para no presentar

fugas de aire.

Semestral

Limpiar y lubricar el

vastago del

cilindro, reajustar

tornillos de soporte


Válvula

pulsante,Temporizador

y Relé de 10 pines.

MensualLimpiar todos los

contactos externos

MANTENIMIENTO


MANTENIMIENTO


para no presentar

fugas de aire.

Retirar el

silenciador y


los tornillos de la

válvula, retirar la

bobina y el

conector de esta y

limpiarla.

Semestral

Mensual

Electro Válvula

neumática 5/2

11.1.2 Manual de uso del Banco Didáctico

IMPORTANTE: Para la realización de cada una de las prácticas en el

banco, el estudiante se debe encontrar bajo la supervisión ya sea del

docente director de la materia o el personal encargado del laboratorio

(laboratorista), para evitar cualquier error durante la práctica que conlleve a

que se produzca un accidente.

Para el encendido del Banco didáctico el primer paso es revisar que todas

las conexiones en el interior estén debidamente realizadas.

En el interior del banco se encuentran la fuente que energiza todo el panel eléctrico para realizar las conexiones de los relés y las electroválvulas las dos fuentes van conectadas a la toma que se encuentra en la esquina de la caja interna.

Se debe revisar que los fusibles que pertenecen a la fuente principal no se encuentren fundidos.

La conexión de la fuente principal consta de dos cables que están conectados directamente a la fuente y van a energizar el tablero eléctrico los cuales van conectados a la caja acrílica a su respectiva banana positiva y negativa a través de los agujeros que tiene la base en su interior

Y el cable que va conectado al tomacorriente, con esto realizado se enciende la fuente de su interruptor on/off

Al momento de requerir el PLC, su fuente se conecta al tomacorriente, de lo contrario deberá permanecer desconectado.

La fuente del PLC cuenta con dos

cables que se conectan al panel

eléctrico del PLC los cuales se

pueden conectar y desconectar

con facilidad de ambas partes , van

conectados a la caja acrílica a su

respectiva banana positiva y

negativa a través de los agujeros

que tiene la base en su interior

La fuente del PLC es de 24V

El siguiente paso es realizar la conexión del toma corriente ubicado en la

parte interna de la base

Antes de conectar el motor se debe revisar la conexión de la manguera al

bloque de distribución para evitar accidentes teniendo la válvula cerrada.

La conexión del motor cuenta con un interruptor on/off, verificar que ninguno de los botones este accionado, conectar al tomacorriente , en el momento

de realizar la conexión la clavija cuenta con seguridad se debe girar

después de conectado, se procede al encendido del motor el cual recargara

el tanque con el compresor.

Para el apagado del banco se deberá apagar el motor con el interruptor

on/off, recogiendo el cable y guardándolo en la base.

Al momento de iniciar las prácticas se utilizan las mangueras de 6 mm y se

conectan del bloque de distribución a la válvula que corresponda para dicho

circuito.

Utilizando otra de las mangueras se conecta de la válvula al actuador.

Verificando que la manguera utilizada quede debidamente conectada, halándola para la comprobación de su conexión.

Se deberá realizar las conexiones entre relés y válvulas con los cables que

se encuentran ubicados en los cajones del banco exclusivos para ese uso

como se muestra en la siguiente imagen.

Al finalizar las prácticas se debe recoger y organizar todos los materiales utilizados

como lo son los diferentes cables que energizan los relés y que dan la continuidad

entre ellos.

11.2 GUÍAS PRÁCTICAS

En el presente módulo se presentan diferentes tipos prácticas que se pueden realizar en el banco didáctico, las cuales se encuentran relacionadas con los temas de neumática, electroneumática y PLC vistos dentro de la asignatura de sistemas hidráulicos y neumáticos del programa de ingeniería mecánica de la universidad de Ibagué.

De esta manera el estudiante pone en práctica el conocimiento teórico aprendido en la asignatura a través de los ejercicios postulados en este módulo, los cuales están divididos en el orden de neumática, electroneumática y PLC.

Cada tema relacionado anteriormente contiene 10 prácticas las cuales comienzan desde el ejercicio más sencillo el cual es el accionamiento de un cilindro de simple efecto, hasta llegar a un ejercicio de mayor complejidad donde contiene una cantidad (n) de actuadores de simple o doble efecto, sensores, finales de carrera, entre otros más elementos que se pueden utilizar en desarrollo del ejercicio.

Para la solución de los ejercicios contemplados en este módulo el estudiante cuenta con diferentes métodos de solución, como lo son método intuitivo, método de cascada y método de paso a paso, los cuales permiten el desarrollo de los ejercicios propuestos en el módulo.

No obstante de ser un sistema de aprendizaje practico y útil, el estudiante podrá profundizar los temas realizando prácticas establecidas en otros documentos.

diseÑo, construcciÓn y puesta a punto de un ......diseÑo, construcciÓn y puesta a punto de un...

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