diseÑo de mÁquina de corte c.n.c con 3 ejes

1

DISEÑO DE MÁQUINA DE CORTE C.N.C CON 3 EJES

JOHANS MANUEL RODRÍGUEZ LOMBANA

20131074018

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2016

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DISEÑO DE MÁQUINA DE CORTE CON 3 EJES

JOHANS MANUEL RODRÍGUEZ LOMBANA

20131074018

TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNÓLOGO MECÁNICO

PRESENTADO A:

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2016

3

FORMATO DE EVALUACION

Nota de Aceptación:

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__________________________________________

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_________________________________________

Firma del presidente del jurado

_________________________________________

Firma del jurado

_________________________________________

Firma del jurado

_________________________________

Ciudad y fecha

4

RESUMEN

En éste trabajo se estudia y se mejora el funcionamiento del Router C.N.C,

ésta máquina manufactura piezas en de intrincadas geometrías en materiales

de baja dureza y es precisamente allí en donde se apoya la investigación, se

perfecciona el diseño de la estructura, se seleccionan elementos eléctricos,

electrónicos y mecánicos que componen la máquina, permitiendo que la

máquina elabore piezas en materiales de durezas entre 20 HB y 35 HB,

además se selecciona el tipo de control de la máquina basado en los

requerimientos de la industria Colombiana y por último se evalúa

financieramente el proyecto.

5

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 9

2. OBJETIVOS ....................................................................................................... 10

2.1 GENERAL ........................................................................................ 10

2.2 ESPECÍFICOS ................................................................................. 10

3. MARCO TEÓRICO. ........................................................................................... 11

3.1 MESA DE CORTE C.N.C. .............................................................................. 11

3.2 CONTROL NUMÉRICO POR COMPUTADOR. .............................. 12

3.2.1 Máquina c.n.c. ........................................................................... 12

3.2.2 Programación en el control numérico. ....................................... 13

3.3 FUENTES DE ALIMENTACIÓN. ..................................................... 13

3.3.1 Transformación. ........................................................................ 13

3.3.2 Rectificación. ............................................................................. 13

3.3.3 Filtrado. ..................................................................................... 14

3.3.4 Estabilización. ........................................................................... 14

3.4 MOTORES PASO A PASO. ............................................................ 14

4. ANALISIS ALTERNATIVAS DE DISEÑO DE LA MÁQUINA. ............................ 15

4.1 BENCHMARKING............................................................................ 15

4.2 ANÁLISIS DE LA NECESIDAD ....................................................... 17

4.3 OPCIONES DE DISEÑO. ................................................................ 18

4.3.1 Alternativa No.1 ......................................................................... 18

4.3.2 Alternativa No.2 ......................................................................... 18

4.3.3 Alternativa No.3 ......................................................................... 18

4.4 MATRIZ QFD ................................................................................... 19

4.4.1 Alternativa No.1 ......................................................................... 20

4.4.2 Alternativa No.2 ......................................................................... 23

5. ANÁLISIS DE LAS VARIABLES QUE INTERVIENEN EN LOS PARÁMETROS

DE CORTE. ............................................................................................................... 30

5.1 ELECCIÓN DEL HUSILLO .............................................................. 30

6

5.2 CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE CORTE ............................ 31

5.2.1 Proceso de taladrado ................................................................ 32

5.2.2 Proceso de fresado ................................................................... 35

5.3 CALCULO DE LA TEORÍA DE CORTE. .......................................... 39

5.3.1 Proceso de taladrado ................................................................ 40

5.3.2 Proceso de fresado. .................................................................. 41

6. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS, ELÉCTRICOS Y

ELECTRÓNICOS ...................................................................................................... 44

6.1 DISEÑO Y SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS ...... 44

6.1.1 Columnas. ................................................................................. 45

6.1.2 Selección de los tornillos. .......................................................... 46

6.1.3 Diseño de las guías lineales. ..................................................... 48

6.2 SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y

ELECTRÓNICOS. ..................................................................................... 54

6.2.1 Sistema de control fanuc (opción No 1). ................................... 54

6.2.3 Sistema de control híbrido (opción No 3). ................................. 57

7. ELECCIÓN DEL CONTROL .............................................................................. 66

7.1 Elección de los motores ................................................................... 66

7.2 Elección driver ................................................................................. 68

8. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN .......................................... 69

8.1 Clasificación de costos del proyecto ................................................ 69

8.1.1 Recursos humanos ................................................................... 69

8.1.2 Recursos de hardware .............................................................. 70

9.1.3 Recursos de software ................................................................ 70

8.1.4 Insumos, fungibles y gastos ...................................................... 71

8.1.5 Resumen de costos................................................................... 71

9. CONCLUSIONES .............................................................................................. 73

10. BIBLIOGRAFÍA. .............................................................................................. 75

7

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Router C.N.C. ....................................................................................................... 12

Figura 2: Benchmarking – CNC 6040Z ............................................................................. 16

Figura 3 Alternativa 1 –necesidades de cliente-. ............................................................ 20

Figura 4: Alternativa 1 –parámetros de diseño-. ............................................................. 21

Figura 5: Alternativa 1 –análisis de brecha-. .................................................................... 22

Figura 6: Alternativa 2 –necesidades cliente-. ................................................................. 23

Figura 7: Alternativa 2 –parámetros de diseño-. ............................................................. 24

Figura 8: Alternativa 2 –análisis de brecha-. .................................................................... 25

Figura 9: Alternativa 3 –necesidades cliente-. ................................................................. 26

Figura 10: Alternativa 3 –parámetros de diseño-. ........................................................... 27

Figura 11: Alternativa 3 –análisis de brecha-. ................................................................. 28

Figura 12: Motor husillo y kit de pinzas. ........................................................................... 31

Figura 13: Calculadora de mecanizado. ........................................................................... 31

Figura 14: Parámetros-taladrado-asimétrico. .................................................................. 34

Figura 15: Parámetros-taladrado-simétrico. .................................................................... 35

Figura 16: Parámetros -fresado- planeado. ..................................................................... 37

Figura 17: Parámetros-fresado-escuadrado. ................................................................... 39

Figura 18: Movimiento relativo entre la fresa frontal y la pieza durante el tiempo de

mecanizado. .......................................................................................................................... 42

Figura 19: Acotación de tuerca y tornillo. ......................................................................... 47

Figura 20: diagramas de cuerpo libre, esfuerzo cortante, momento flector eje “Y”. .. 50

Figura 21: diagramas de cuerpo libre, esfuerzo cortante, momento flector, eje “X”. 52

Figura 22: Interconexión interfaz hombre - máquina. ..................................................... 55

Figura 23: Instalación tarjeta. ............................................................................................. 58

Figura 24: Instalación tarjeta. ............................................................................................. 59

Figura 25: Tarjeta madre. ................................................................................................... 60

Figura 26 Instalación del software. .................................................................................... 61

Figura 27: Instalación del software. ................................................................................... 62

Figura 28: Configuración del software. ............................................................................. 63



Figura 31: Ficha técnica motor paso-paso. ...................................................................... 67

Figura 32: Driver. .................................................................................................................. 68

8

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Benchmarking – CNC 6040Z .............................................................................. 16

Tabla 2:Matriz de selección. ............................................................................................... 29

Tabla 3: Características típicas de las máquinas herramienta que usan herramientas

multifilo ................................................................................................................................... 32

Tabla 4: Avances para brocas de acero rápido. .............................................................. 33

Tabla 5: velocidades de corte de la máquina fresadora. ............................................... 36

Tabla 6: Catálogo de tornillos de bola re-circulante -tornillo-. ....................................... 46

Tabla 7: Catálogo de tornillos de bola re-circulante -tuerca-. ....................................... 48

Tabla 8: Resumen datos calculados –guías lineales-. ................................................... 53

Tabla 9: Ficha técnica motor paso-paso. ......................................................................... 67

Tabla 10: Costo recursos humanos .................................................................................. 69

Tabla 11: Costo recursos de hardware ............................................................................. 70

Tabla 12: Costo recursos de software .............................................................................. 70

Tabla 13: Costo insumos, fungibles y gastos .................................................................. 71

Tabla 14: Resumen del costo general del proyecto ....................................................... 71

9

1. INTRODUCCIÓN

Es evidente el mejoramiento que ha traído la implementación del C.N.C. en la

industria y el gran campo de acción que tiene el mismo, en la actualidad se

encuentra presente de diversas formas en gran variedad de máquinas que

cumplen con diversas tareas, sus características de precisión y exactitud han

conseguido reemplazar al ser humano en gran cantidad de procesos,

mejorando así la productividad.

El router C.N.C. es una máquina que cuenta con tres ejes (en algunos casos

más) y en la cual se desplaza el husillo permitiéndole trabajar piezas de

grandes volúmenes sin ocasionarle grandes esfuerzos a la máquina, esto

permite que la máquina sea más económica teniendo en cuenta que no

requiere de una estructura tan robusta y así mismo sus actuadores son más

pequeños.

En este caso se diseña un router C.N.C el cual es capaz de manufacturar

piezas en materiales de más alta dureza (20 HB y 35 HB) mejorando aún más

su productividad, se diseña la estructura, las geometrías de los elementos,

materiales de los mismos, tipos de actuadores y potencias de los mismos,

entre otros elementos que componen la máquina, basándose en los nuevos

requerimientos.

10

2. OBJETIVOS

2.1 GENERAL

Diseñar un router C.N.C. capaz de manufacturar piezas con materiales

de durezas entre 20 HB y 35 HB.

2.2 ESPECÍFICOS

Construir la matriz QFD.

Analizar las variables que intervienen en los parámetros de corte, con

el fin de modificarlas y acoplarlas a los nuevos requerimientos.

Diseñar estructuralmente la máquina.

Seleccionar los elementos eléctricos, electrónicos y mecánicos que

componen la máquina con base en los cálculos realizados previamente.

Seleccionar el control de la máquina teniendo en cuenta las

necesidades de la industria colombiana.

Evaluar financieramente el proyecto.

11

3. MARCO TEÓRICO.

3.1 MESA DE CORTE C.N.C.

Un router CNC, es una máquina que controla los cortes por computadora. Las

trayectorias de corte de un router CNC, pueden ser controlados mediante el

control numérico por ordenador. Se trata de una máquina controlada para el

corte de diversos materiales duros, tales como madera, acero, compuestos,

aluminio, plásticos, y espumas. Es uno de los muchos tipos de herramientas

que tienen variantes CNC. Un router CNC, es muy similar en concepto a una

fresadora (milling machine) CNC, como se puede apreciar en la Figura 1

también cuenta con tres ejes con lo diferencia que el material de trabajo no se

desplaza, se desplaza el husillo.

Los router CNC, pueden ser muy útiles en la realización de trabajos idénticos

y repetitivos. Un router CNC, suele producir un trabajo consistente y de alta

calidad y mejora la productividad de la fábrica.

Puede reducir los residuos, la frecuencia de errores, y el tiempo que el

producto acabado tarda en llegar al mercado. Por ejemplo, pueden realizar las

tareas de muchas máquinas de carpintería de taller, como la sierra del panel,

el tupí, y la máquina taladradora. También puede cortar mortajas y espigas.

Además, el router CNC ayuda en el termo formado de plásticos mediante la

automatización del proceso de recorte. Además de asegurar la repetitividad y

la producción industrial (SaleCNC, 2016).

12

Figura 1: Router C.N.C.

Fuente: (Fabrica, 2015)

3.2 CONTROL NUMÉRICO POR COMPUTADOR.

3.2.1 Máquina c.n.c.

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, puede hacer movimientos que no se

pueden lograr manualmente como círculos, líneas diagonales y figuras

complejas tridimensionales. Las máquinas CNC son capaces de mover la

herramienta al mismo tiempo en los tres ejes para ejecutar trayectorias

tridimensionales como las que se requieren para el maquinado de complejos

moldes y troqueles. En una máquina CNC una computadora controla el

movimiento de la mesa, el carro y el husillo. Una vez programada la máquina,

ésta ejecuta todas las operaciones por sí sola, sin necesidad de que el

operador esté manejándola. Esto permite aprovechar mejor el tiempo del

personal para que sea más productivo. El término "control numérico" se debe

13

a que las órdenes dadas a la máquina son indicadas mediante códigos

numéricos.

3.2.2 Programación en el control numérico.

Se pueden utilizar dos métodos:

Programación manual: en este caso, el programa pieza se escribe

únicamente por medio de razonamientos y cálculos que realiza un

operario.

Programación automática: los cálculos los realiza un computador, que

suministra en su salida el programa de la pieza en lenguaje máquina.

Por esta razón recibe el nombre de programación asistida por

computador como muestra (Del Castillo, 2010) en uno de sus más

recientes libros.

3.3 FUENTES DE ALIMENTACIÓN.

Es un montaje eléctrico-electrónico capaz de transformar la corriente alterna

en continua, esto se consigue a partir de unos procesos que se explicarán a

continuación:

3.3.1 Transformación.

Este paso es en el que se consigue reducir la tensión de entrada a la fuente

(220v o 125v) que son los que nos otorga la red eléctrica. Esta parte del

proceso se realiza con un transformador eléctrico. La salida de este proceso

generará de 5 a 12 voltios.

3.3.2 Rectificación.

La corriente que nos ofrece la compañía eléctrica es alterna, esto quiere decir,

que sufre variaciones en su línea de tiempo, por tanto, la tensión es variable,

no siempre es la misma. Lo que se intenta con esta fase, es pasar de corriente

alterna a corriente continua, a través de un componente que se llama puente

rectificador o de Graetz. Con esto se logra que el voltaje no baje de cero

voltios, y siempre se mantenga por encima de esta cifra.

14

3.3.3 Filtrado.

Lo que se hace en esta fase de filtrado, es aplanar al máximo la señal, para

que no haya oscilaciones, se consigue con uno o varios condensadores, que

retienen la corriente y la dejan pasar lentamente para suavizar la señal, así se

logra el efecto deseado.

3.3.4 Estabilización.

Falta estabilizar la corriente por completo, para que cuando aumenta o

descienda la señal de entrada a la fuente, no afecte a la salida de la misma; lo

anterior se realiza con un regulador de voltaje.

3.4 MOTORES PASO A PASO.

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en

donde se requieren movimientos muy precisos. La característica principal de

estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso

que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños

movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer

caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo

de 360°. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en

una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están

energizadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por

el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de

sus bobinas.

15

4. ANALISIS ALTERNATIVAS DE DISEÑO DE LA MÁQUINA.

En ésta etapa se determinan los nuevos requerimientos y componentes de la

máquina basado en las nuevas exigencias para la misma.

La viabilidad e importancia del proyecto se evalúa conociendo al cliente, sus

necesidades y las de la industria en general.

Por medio del planteamiento y la selección de alternativas de diseño para dar

respuesta a la actual necesidad, se determina cuál es la mejor opción que

permite cubrir dicha necesidad y de esa manera los objetivos propuestos, todo

lo anterior soportado con procedimientos estándares aplicados en el diseño

con el método Quality Function Deployment (Q.F.D.).

Este proyecto se llevó a cabo haciendo uso de varias áreas tecnológicas,

desarrollando tareas de diseño y selección de los diferentes componentes de

la máquina, obteniendo como resultado una máquina versátil y competitiva con

monumentales ventajas ante las ya existentes.

4.1 BENCHMARKING

Es de vital importancia analizar la información de un producto existente en el

mercado (Benchmarking), el cual cuenta con características similares a la

máquina que se diseña en éste proyecto, ésta máquina es útil para identificar

los aspectos funcionales más relevantes y hacer hincapié en la mejora de los

mismos basándose en los nuevos requerimientos, en la Figura 2 puede

observarse la geometría y tamaño de la máquina.

16

Figura 2: Benchmarking – CNC 6040Z

Fuente: (ZoneCnc, 2016)

En la Tabla 1 se muestran las características técnicas de la máquina, las

cuales serán tenidas en cuenta para el diseño de la máquina.

Tabla 1: Benchmarking – CNC 6040Z

Área eficaz de trabajo 580(X)mm*400(Y)mm*75(Z)mm

Dimensiones 880*670*530mm

Dimensiones máximas de trabajo 580mm*400mm<90mm

Dimensiones de la mesa de

trabajo 750mm*480mm

Materiales de la estructura

Aleación de aluminio 6063 y 6061, los

perfiles fabricados por extrusión en

moldes únicos.

Espesor de material aceptable ≤100mm

unidades de

accionamiento X/Y/Z axis 1605 tornillo de bolas

Elementos de

deslizamiento

X axis Dia.16mm ejes cromados

Y axis Dia.20mm ejes cromados

Z axis Dia.13mm ejes cromados

Motores paso a paso del tipo: 57 dos-fases 3A 150NNaN

17

Motor husillo Brand new 800W/1500W water

cooling spindle, 24000RPM

precisión de repetición 0.05mm

husillo de precisión 0.03 mm

Interfaz de comunicación Por medio de conexión por puerto

paralelo al computador

Entorno de software Windows xp, Windows 7

Velocidad máxima 0-4000mm/min

Velocidad de tallado 0-2500mm/min (different materials

differ)

Unidad de control

Toroidal transformer + PWM power

supply module + TB6560 3axis drive

board

conexión a la computadora Puerto USB

Código de comando G code

Software Mach3/ CNC USB software

Seguridad Botón de emergencia

Voltajes de operación AC110V/AC220V

Potencia husillo 2200W

Fuente: (ZoneCnc, 2016)

4.2 ANÁLISIS DE LA NECESIDAD

Actualmente el uso de la maquinaria C.N.C es bastante amplio ya que éste ha

permitido el desarrollo de la industria con mayor rapidez, es por esto que se

han encontrado diferentes métodos de implementar el C.N.C como es el caso

de los centros de mecanizado, brazos robóticos, entre otros; cubriendo así la

mayoría de exigencias en la industria, sin embargo, algunos procesos de

manufactura resultan ser más costosos en las máquinas ya existentes lo cual

reduce el beneficio en el producto final.

Generalmente en los procesos de manufactura se requiere de alta precisión,

esta precisión se consigue por medio de la automatización a pesar de que la

inversión inicial sea elevada sus beneficios a largo plazo son monumentales.

Las máquinas C.N.C han conseguido incrementar la manufactura de manera

eficiente convirtiéndose así en máquinas de vital importancia, en este caso el

router C.N.C, presenta grandes resultados a la hora de fabricar piezas en

materiales tales como madera y polímeros, sin embargo, algunos de sus

18

aspectos técnicos no le permiten fabricar piezas en materiales de mayor

dureza limitando así su productividad.

Conseguir alterar la estructura de la máquina y demás elementos que la

componen permitirá desarrollar operaciones de mecanizado en materiales de

más alta dureza convirtiendo así su desventaja en una virtud enorme.

4.3 OPCIONES DE DISEÑO.

Esta etapa de diseño tiene como objetivo principal el diseño de la estructura

móvil de la máquina, en la cual se soporta el husillo, y también el tipo de

actuadores.

Por lo cual se plantean tres alternativas de diseño, que cumple con los

requerimientos básicos para realizar las operaciones de corte, posteriormente

se hace la evaluación de estas alternativas y el benchmarking, para poder

seleccionar la mejor opción entre las ideas propuestas.

4.3.1 Alternativa No.1

Para eliminar las perturbaciones en la máquina, se pretende atacar el

problema desde dos flancos, el primero la estructura de la máquina pues al

trabajar materiales de más alta dureza se van a hacer notorias las vibraciones,

se fortalece la estructura diseñando los elementos que inciden en el

mejoramiento de la misma, el segundo, se calculan los parámetros de corte y

se seleccionan los elementos eléctricos y electrónicos bajo la nueva necesidad

y además se plantea la implementación de un software adaptativo para el

futuro, el cual cambia los parámetros de corte según el comportamiento de la

máquina.


Se basa en el uso de un actuador lineal magnético el cual realiza movimientos

precisos y desplaza la estructura, está fundamentado en un modelo

matemático el cual reduce las vibraciones y con ello la máquina puede trabajar

en condiciones más exigentes sin reducir la calidad del producto final.


Una estructura la cual se denomina como inteligente, está construida en

materiales ligeros y en su interior o sujeta a su superficie cuenta con sensores

19

e incluso actuadores los cuales son capaces de alterar la posición de la misma

según se requiera, lo cual elimina las vibraciones en procesos de mecanizado

de materiales de alta dureza permitiendo incrementar las potencias sin tener

consecuencias negativas.

4.4 MATRIZ QFD

Como parte del proceso de diseño es fundamental hacer una comparación

entre las características que influyen en la máquina que se va a construir, entre

éstas se tienen los requerimientos del cliente y los requerimientos de diseño.

La matriz QFD (Quality Function Deployment) es una excelente técnica

utilizada para generar las especificaciones de ingeniería. La clave de este

método es la organización y de esta forma desarrollar los principales

elementos de información necesarios para la comprensión del problema.

Con esta matriz los requerimientos del cliente se traducen en objetivos

medibles de diseño y pueden aplicarse a todo el problema o incertidumbre que

se pueda presentar.

Este método toma tiempo para completarlo, en algunos proyectos de diseño,

cerca de un tercio del tiempo total del proyecto se destina a esta actividad.

Inicialmente se invierte tiempo en la parte técnica para la comprensión del

problema, así como en la compilación de bases para la generación de

conceptos como lo muestra (Ullman, 2015).

La matriz QFD es un diagrama en el cual se ubica estratégicamente la

información recopilada con el fin de ver con más claridad los puntos a favor y

en contra que tiene cada característica y de ese modo tomar las mejores

decisiones para el diseño. Véase: Anexo 1.

La matriz fue tomada de (QFD, 2016), se realizó una matriz para cada

alternativa y se analizaron las gráficas otorgadas por las mismas obteniendo

el criterio necesario para la elección de la alternativa apropiada.

20


En la Figura 3, se puede observar el Pareto de necesidades del cliente,

obteniendo una calificación para cada una de ellas que será fundamental en

la selección de la alternativa final, en general los valores de las necesidades

del cliente se establecen como constantes para todas las alternativas ya que

las necesidades del cliente siempre son las mismas como se puede observar

en la Figura 6 y Figura 9.

Figura 3 Alternativa 1 –necesidades de cliente-.

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 4, se observan los parámetros de diseño, los cuales se ven

afectados directamente por las características de la máquina y son

fundamentales para la gráfica de análisis de brecha, Figura 5.

21

Figura 4: Alternativa 1 –parámetros de diseño-.


El análisis de brecha es fundamental para observar de manera gráfica la

brecha que existe entre los valores deseados y los valores obtenidos, sin

embargo, más adelante se realiza un procedimiento aritmético para determinar

cuál es la mejor alternativa.

En esta alternativa podemos observar por medio de la Figura 5 que las

brechas existentes no son muy grandes, en especial en el tamaño, seguridad

y mantenimiento, esto es posible gracias a la similitud entre el diseño de las

máquinas ya existentes y el ataque directo a la problemática tratada en este

documento de la manera más versátil.

22

Figura 5: Alternativa 1 –análisis de brecha-.


23


Figura 6: Alternativa 2 –necesidades cliente-.


En la Figura 7 se puede observar como el sistema de control cobra un

porcentaje mayúsculo pues al tratarse de actuadores magnéticos el sistema

de control tiene una relación grande con varias de las necesidades del cliente

como son: Velocidad, operación de uso, costo de adquisición, entre otras.

24



25

En la Figura 8, podemos observar la considerable brecha que se genera en el

costo de adquisición para esta alternativa y es natural observar este resultado

pues los costos de implementar un sistema de control de este tipo son muy

elevados teniendo en cuenta el costo de los actuadores y demás elementos

que lo componen.



26


Figura 9: Alternativa 3 –necesidades cliente-.


En la Figura 10, se ve que es considerable el porcentaje de relación tanto de

los materiales como del sistema de control con las necesidades del cliente, al

tratarse de una estructura inteligente los materiales cobran una importancia

considerable y así mismo su nivel de relación con las necesidades del cliente

es alto como se puede observar en el Anexo 1, las relaciones más altas en

ambos parámetros existen entre el costo de adquisición y la precisión.

27



En la Figura 11, se observa una brecha monumental en el costo de

adquisición, éste es un resultado que se esperaba previo al análisis en la

matriz de relaciones pues aún sigue siendo muy engorrosa la fabricación de

materiales inteligentes y por lo tanto costosa.

28



4.5 MATRIZ DE SELECCIÓN

Por último, se realiza la matriz de selección, la cual permite comparar los

resultados antes obtenidos en las matrices de relaciones que pueden ser

observadas y analizadas en el Anexo 1 permitieron determinar finalmente cuál

de las alternativas es la ganadora, en este caso la alternativa 1, por una

diferencia no muy grande con respecto a las demás como se evidencia en la

Tabla 2.

29

Tabla 2:Matriz de selección.

Requerimientos de diseño

Ponderación

Alternativas

1 2 3

1. Materiales 8.1% 1.6 1.3 4.7

0.1296

0.1053

0.3807

2. Peso 1.9% 0.4 0.7 0.7

0.0076

0.0133

0.0133

3. Sistema de control

31.8% 6.4 7.5 5

2.0352 2.385 1.59

4. Capacidad 2.2% 0.5 1.2 1.2

0.011 0.026

4 0.026

4

5. Ergonomía 3.5% 0.7 0.2 0.2

0.0245 0.007 0.007

6. Sistema mecánico

6.9% 1.4 0 1.9

0.0966 0.000

0.1311

7. Sistema eléctrico

5.5% 1.1 0 1.3

0.0605 0.000

0.0715

8. Potencia 19.3% 3.9 2.5 3.6

0.7527

0.4825

0.6948

9. Compatibilidad

5.3% 1.1 2 2.3

0.0583 0.106

0.1219

10. Resistencia

15.4% 3.1 0 0.6

0.4774 0.000

0.0924

Total 3.6534 3.1255 3.1291


30

5. ANÁLISIS DE LAS VARIABLES QUE INTERVIENEN EN LOS

PARÁMETROS DE CORTE.

El router c.n.c. utiliza herramientas de corte multifilo por lo cual se analizan los

parámetros de corte para las mismas y los procesos de mecanizado que

maneja la máquina que son fresado y taladrado principalmente, estos cálculos

se realizan tomando como referencia el diámetro máximo que se puede

trabajar en el husillo antes elegido.

La máquina trabaja aluminio con una dureza máxima de 35 HB y entorno a la

misma se calculan los parámetros de corte.

5.1 ELECCIÓN DEL HUSILLO

Teniendo en cuenta el incremento en la potencia de la máquina se realiza la búsqueda y selección de un husillo que sea capaz de adaptarse a la nueva demanda, en éste caso se remite a la empresa “sherline®” (Sherline H. , 2016) la cual tiene alrededor de 45 años trabajando en máquinas c.n.c. pequeñas pero robustas, eligiendo el 3306 Headstock and Motor Unit el cual cuenta con las cualidades para el proceso de mecanizado requerido, superando las potencias que otorga un motor de corriente alterna o directa del mismo tamaño, además ofrece un funcionamiento mucho más suave y silencioso con 6100 r.p.m. máximas, tiene un sistema de transmisión con el fin de obtener más torque y aún en la relación de mayor velocidad entrega un torque considerable, la alimentación eléctrica puede ser de 110 V o 220 V tiene una unidad de control que se encarga de convertir la corriente de entrada en una de salida de 90 V CC requerida por el motor eliminando la posibilidad de generación de averías en el motor, además dicha unidad tiene un control de las r.p.m. del motor y por último pero no menos importante el fabricante ofrece un kit de boquillas diseñado para el husillo que encaja perfectamente y está diseñado para eliminar posibles vibraciones como se puede ver en la Figura 12, 1162 Deluxe Set WW Collet, el cual puede trabajar un diámetro de vástago máximo de 5/16 in, la ficha técnica del motor del husillo puede ser observada en el Anexo 2.

31

Figura 12: Motor husillo y kit de pinzas.

Fuente: (Sherline, 2016)

5.2 CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE CORTE

Para el cálculo de los parámetros de corte se recurre al fabricante de

herramientas de corte “walter” el cual cuenta con una calculadora de

parámetros de corte virtual, siendo este uno de los fabricantes que le

suministran insumos a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas ya se

ha comprobado la veracidad de sus resultados en anteriores oportunidades,

además muestra las fórmulas que utiliza permitiendo comprobar los datos

obtenidos, en la Figura 13 podemos ver su panel principal.

Figura 13: Calculadora de mecanizado.

32

Fuente: (Walter, 2016).

5.2.1 Proceso de taladrado

Para el proceso de taladrado se tiene en cuenta que por teoría de corte

no debe excederse la profundidad del agujero en cinco veces el

diámetro.

En éste caso el diámetro es de 7.9375 mm por lo cual 𝑙𝑤 = 39.6875 𝑚𝑚

Además, se busca analizar los parámetros en las condiciones más

críticas, basándose en la Tabla 3 de las características típicas de las

herramientas multifilo, se trabaja una velocidad de 600 r.p.m.

Tabla 3: Características típicas de las máquinas herramienta que usan herramientas multifilo

Fuente: (Boothroyd, 1993).

El avance por revolución recomendado por catálogo es de 0.1830 mm/rev

después de realizar la debida interpolación.

En la Tabla 4 podemos visualizar el avance en pulgadas por revolución

recomendado para brocas de acero rápido, es recomendable hacer uso del

Catálogo de brocas que se encuentra en el Anexo 3 para hacer un apropiado

uso de las herramientas.

33

Tabla 4: Avances para brocas de acero rápido.

Avances para Brocas de Acero Rápido

Diámetro de la

Broca en Pulgadas

Avance en

Pulgadas por

Revolución

Abajo de 1/8 0.001 a 0.002

1/8 a 1/4 0.002 a 0.004

1/4 a 1/2 0.004 a 0.007

1/2 a 1 0.007 a 0.015

1 y más 0.015 a 0.025

Diámetro de la

Broca en Milímetros

Avance en

Milímetros por

Revolución

Debajo de 3 mm. 0.02 a 0.05

3 mm a 6 mm. 0.05 a 0.10

6 mm a 13 mm. 0.10 a 0.40

13 mm a 25 mm. 0.18 a 0.40

25 mm. Y más 0.40 a 0.60

Fuente: (Patiño, 2009)

5.2.1.1 Asimétrico

Como puede observarse en la Figura 14 se le dan los valores conseguidos

por medio de catálogos al software con el fin de obtener los parámetros para

corte asimétrico en este caso. El ángulo de desprendimiento se toma como -

5° el cual reduce las fuerzas de corte

34

Figura 14: Parámetros-taladrado-asimétrico.


5.2.1.2 Simétrico

Por medio de la Figura 15 podemos observar los valores insertados en el

software para un taladrado simétrico.

35

Figura 15: Parámetros-taladrado-simétrico.


5.2.2 Proceso de fresado

Para el proceso de fresado, se recurre nuevamente a la Tabla 3,

tomando el rango máximo de velocidad de fresado de 500 r.p.m.

El número de dientes de una fresa tradicional es de 4.

El ancho de corte se define en su valor más crítico que es el del

diámetro de la herramienta 7.94 mm.

36

5.2.2.1 Planeado

Por medio de la Tabla 5 que relaciona el material con la velocidad de

corte, se determina una velocidad de 150 m/min.

El avance lineal se toma de la Tabla 3 como 8.5 mm/s el máximo en el

rango de valores.

La longitud de corte se toma de la Tabla 3 como 760 mm que es el

tamaño máximo de la pieza.

La eficiencia de una máquina no llega a ser 100%, en este caso al

tratarse de una máquina c.n.c. la eficiencia máxima es del 95%.

Se recomienda recurrir al Anexo 4, con el fin de seleccionar un avance

apropiado durante el proceso de mecanizado, según sea el material.

El valor del factor de desgaste se asume como 50, el más alto con el fin

de tener en cuenta el máximo poder de corte.

Tabla 5: velocidades de corte de la máquina fresadora.

TABLA 5 Velocidades de corte de la máquina fresadora

Material

Fresa de acero de alta velocidad

Fresa de carburo.

pie/min m/min pie/min m/min

Acero aleado 40 - 70 12 - 20. 150 - 200 45 - 75

Aluminio 500 - 1000 150 - 300 1000 - 2000 300 -700

Bronce 65 - 120 20 - 35 200 - 400 60 -120

Hierro fundido 50 - 80 15 - 25 125 - 200 40 - 60

Acero de maquinado libre 100 - 150 30 - 45 400 - 600 120 -180

Acero para maquinaria. 70 - 100 21 - 30 150 - 250 45 - 75

Acero inoxidable 30 - 80 10 - 25. 100 - 300 30 - 90

Acero para herramienta 60 - 70 18 - 20. 125 -200 40 - 60


En la Figura 16 se muestran los datos ingresados tomados de los catálogos,

así mismo los resultados obtenidos.

37

Figura 16: Parámetros -fresado- planeado.

38


39

5.2.2.2 Escuadrado

En la Figura 17 se muestran los datos ingresados, algunos muestran similitud

con procesos anteriores, sin embargo, en este caso obtenemos la teoría de

corte para un proceso de escuadrado.

Figura 17: Parámetros-fresado-escuadrado.


5.3 CALCULO DE LA TEORÍA DE CORTE.

Se realiza el cálculo de la teoría de corte basándose en el libro “Fundamentos

del Corte de Metales y de las Máquinas - Herramienta”, el cual permite

determinar los datos representativos en el proceso de mecanizado de la

máquina, además se comparan con los anteriormente calculados por medio

de la herramienta virtual.

40

5.3.1 Proceso de taladrado

En este proceso solo se realizan operaciones en las cuales la herramienta gira

y avanza a lo largo de su eje de rotación, operación en la que se usa una broca

en espiral para generar una superficie cilíndrica interior, esta herramienta tiene

dos filos y cada uno de ellos remueve una parte del material. De tal manera el

avance por diente es el encaje de avance 𝒂𝒄 y es igual a la mitad del avance f

como se muestra en la Ecuación 1, remplazando en la Ecuación 1 obtenemos

la Ecuación 2.

𝑎𝑐 =𝑓

2sin 𝑘𝑟 (1)

𝑎𝑐 =0.64 𝑚𝑚

2sin 15° = 0.208 𝑚𝑚 (2)

Donde 𝑘𝑟 es el ángulo del filo principal.

El tiempo de mecanizado está dado por la Ecuación 3 y remplazando

obtenemos la Ecuación 4:

𝑡𝑚 =𝑙𝑤

𝑓𝑛𝑡 (3)

𝑡𝑚 =40 𝑚𝑚

0.64 𝑚𝑚(600𝑟𝑒𝑣𝑚𝑖𝑛

)= 6.25 𝑠 (4)

Donde 𝑙𝑤 es el largo del agujero a taladrar, y 𝑛𝑡 es la frecuencia rotacional de

la herramienta. El metal removido por unidad de tiempo 𝑍𝑤 puede obtenerse

de la Ecuación 5, remplazando los valores obtenemos la Ecuación 6:

𝑍𝑤 =𝜋

4𝑑𝑚

2 𝑣𝑓 =𝜋 𝑑𝑚

2 𝑛𝑡

4 (5)

𝑍𝑤 =𝜋

47.94𝑚

2 (0.64) = 31.7 (6)

Donde 𝑑𝑚 es el diámetro de la superficie mecanizada, si se está ampliando un

agujero existente de diámetro 𝑑𝑤 se usaría la Ecuación 7 (no aplica en este

caso):

41

𝑍𝑤 =𝜋𝑓(𝑑𝑚

𝑤 − 𝑑𝑤2 )𝑛𝑡

4 (7)

5.3.2 Proceso de fresado.

Durante una operación de fresado frontal para para producir en la pieza una

superficie plana, el avance f es la distancia que la fresa recorre en la pieza

durante una revolución, así podemos encontrarla por medio de la Ecuación 9:

𝑓 =𝑣𝑓

𝑛𝑡 (8)

𝑓 =5100 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛

6000 𝑟𝑒𝑣/𝑚𝑖𝑛= 0.001417

𝑚𝑚

𝑟𝑒𝑣 (9)

Donde vf es la velocidad de avance y nt es la velocidad rotacional de la fresa.

Por otro lado, si el eje de la herramienta pasa sobre la pieza, el espesor de la

viruta no deformada crece hasta un valor máximo y entonces decrece durante

el tiempo en el que cada diente está acoplado con la pieza; este valor máximo

𝑎𝑐 𝑚𝑎𝑥 , es igual al encaje de avance, el cual es igual a f/N, donde N es el

número de dientes de la fresa, así por medio de la Ecuación 10 podemos

encontrar el valor de. 𝑎𝑐 𝑚𝑎𝑥 como se muestra en la Ecuación 11.

𝑎𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑓

𝑁𝑛𝑡 (10)

𝑎𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 5100 𝑟𝑒𝑣/𝑚𝑖𝑛

4(6000𝑟𝑒𝑣𝑚𝑖𝑛

)= 0.2125 (11)

Para el cálculo del tiempo de mecanizado, 𝑡𝑚, se debe tener en cuenta el

recorrido adicional de aproximación. Como puede verse en la Figura 18, El

recorrido total cuando la trayectoria del eje de la herramienta pasa sobre la

42

pieza está dado por (𝑙𝑤 + 𝑑𝑡) y el tiempo de mecanizado puede calcularse por

medio de la Ecuación 12 Remplazando encontramos la Ecuación 13:

Figura 18: Movimiento relativo entre la fresa frontal y la pieza durante el tiempo de mecanizado.


𝒕𝒎 =(𝑙𝑤 + 𝑑𝑡)

𝑉𝑓 (12)

𝒕𝒎 =(760 𝑚𝑚 + 7.94 𝑚𝑚)

5100 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛= 0.1506 min = 9.03 𝑠 (13)

Donde 𝑙𝑤 es el largo de la pieza y 𝑑𝑡 es el diámetro de la fresa.

43

Cuando la trayectoria del eje de la fresa no pasa sobre la pieza puede

calcularse 𝑡𝑚 por medio de la Ecuación 14 (no aplica en este caso),

𝑡𝑚 =𝑙𝑤(2√𝑎𝑒(𝑑𝑡 − 𝑎𝑒))

𝑉𝑓 (14)

Donde 𝒂𝒆 es el encaje de trabajo. En este caso la operación es similar al

fresado tangencial con un encaje de trabajo grande, y el espesor máximo de

la viruta no deformada está dado por la Ecuación 15:

𝑎𝑐 𝑚𝑎𝑥 =2𝑉𝑓

𝑁𝑛𝑡√

𝑎𝑒

𝑑𝑡(1 +

𝑎𝑒

𝑑𝑡) (15)

El metal removido por unidad de tiempo 𝑍𝑤 es igual al producto de la velocidad

de avance y área del metal removido medida en la dirección del movimiento

de avance. Así, dado que el encaje axial 𝑎𝑝es igual al ancho de la pieza como

se muestra en la Ecuación 16 y remplazando encontramos la Ecuación 17:

𝑍𝑤 = 𝑎𝑝𝑎𝑒𝑣𝑓 (16)

𝑍𝑤 = (76 𝑐𝑚)(0.000104 𝑐𝑚2

𝑟𝑒𝑣)(5100

𝑟𝑒𝑣

𝑚𝑖𝑛) = 40.69 𝑐𝑚3/ min (17)

44

6. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS,

ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS

Después de definir con cual alternativa se trabajaría, se procede a realizar el

diseño y selección de los elementos que componen la máquina, entre los que

se encuentran los sistemas eléctricos, electrónicos y mecánicos y entre los

cuales se resalta los cálculos de los elementos estructurales, definiendo

espesores, geometrías y materiales; así como también la elección del software

que trabajará la máquina y los sistemas eléctricos y electrónicos.

6.1 DISEÑO Y SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS

El diseño de los elementos mecánicos representó una importancia

monumental en el diseño de la máquina, se realizaron los cálculos de manera

exhaustiva permitiendo seleccionar los materiales y geometrías más

apropiadas para las condiciones requeridas, entre las que se destacaban la

funcionalidad de la máquina, el coste de la misma, entre otras.

Al tratarse de una máquina de dimensiones pequeñas (0.6 m x 0.4 m) se

analizan los elementos que soportarán más carga y por lo tanto se verán

sometidos a más esfuerzo.

Como se mencionó anteriormente la máquina tiene unas dimensiones

máximas de 0.6 m x 0.4 m y por eso mismo no cuenta con una base o

estructura de soporte, principalmente los elementos a analizar son los que

soportan el husillo.

Entre los elementos que soportan el husillo se encuentran los ejes lineales y

los soportes de los mismos, también las columnas y vigas, para la definición

de sus características técnicas fue necesario analizar el sistema electrónico

que se implementa, más específicamente las cargas que éste genera en la

estructura.

45

6.1.1 Columnas.

6.1.1.1 Laterales verticales.

Las columnas laterales se ven expuestas a momentos cuando se realiza una

operación de mecanizado en el eje “Y”, por lo cual son otro elemento a

considerar en el incremento de la robustez de la máquina, sin embargo estas

no se flectan ni si quiera en condiciones de mecanizados bruscos, de igual

manera se elige aluminio 6082-T6 con una dureza Brinell de 95 HB el cual es

una aleación entre Aluminio-Magnesio-Silicio y se usa habitualmente en

estructuras ligeras para andamios, torres, tecnología nuclear, entre otras y se

incrementa levemente el espesor del elemento a 30 mm.

El peso del elemento juega un papel importante en los cálculos de las guías

lineales y se calcula de la siguiente manera:

Dimensiones del elemento:

Altura: 350 mm

Ancho: 150 mm

Espesor: 30 mm

Volumen: 1575000 𝑚𝑚3 = 1575 𝑐𝑚3

Este material tiene un peso específico de 2.71 𝑔/𝑐𝑚3, entonces el peso está

definido por el producto del volumen y el peso específico.

W= (2.71 𝑔/𝑐𝑚3) * (1575 𝑐𝑚3)= 4268.24 g = 4.3 kg = 42.1 N

6.1.1.2 Viga horizontal.

La función de esta viga es unir las columnas laterales, no está sometida a

fuerzas considerables, por lo tanto, sus dimensiones son:

Altura: 120 mm

Ancho: 400 mm

Espesor: 10 mm

Volumen: 480000 𝑚𝑚3 = 480 𝑐𝑚3

46

Este material tiene un peso específico de 2.71 𝑔/𝑐𝑚3, entonces el peso está

definido por el producto del volumen y el peso específico.

W= 2.71 𝑔/𝑐𝑚3 (480 𝑐𝑚3) = 1300.8 g = 1.3 kg = 12.74 N.

6.1.2 Selección de los tornillos.

Se eligen tornillos de bola re-circulante los cuales son capaces de soportar

grandes cargas ya que reparten el esfuerzo en todas las esferas, además

tienen una alta precisión y poca fricción lo cual impide el desperdicio de

potencia, para la selección de los mismos se recurre a una empresa dedicada

al diseño y fabricación de los mismos en este caso: THOMSON, la cual inventó

la tecnología lineal antifricción hace más de 60 años y ha seguido liderando la

industria desde entonces. La marca Thomson está reconocida y comprobada

como líder global en tecnología de movimiento mecánico, por medio del

catálogo encontrado en (Thomson, THOMSON Linear Motion. Optimized.,

2016) se realiza la selección de los tornillos y sus características, según la

carga a soportar el catálogo de tornillos de bola recirculante puede ser

revisado en el Anexo 5.

Tabla 6: Catálogo de tornillos de bola re-circulante -tornillo-.

Fuente: (Thomson, Lead Screws, Ball Screws and Ball Splines, 2015)

47

Eligiendo por medio de la Tabla 6 el tornillo KGS-1605-023-RH, siendo este el

de menor diámetro disponible y por supuesto soportando las cargas a las que

estará sometido, teniendo en cuenta que los rangos de carga son

extremadamente altos en comparación a los exigidos se establece el mismo

tornillo para todos los ejes, la tuerca correspondiente a éste tornillo se

encuentra en la Tabla 7 con sus respectivas dimensiones acotadas en la

Figura 19.

Con la longitud del tornillo, se determina el peso de cada uno de los tornillos.

Peso tornillo eje “X” 0.62m (1.2 kg/m) = 0.7 kg = 6.86 N

Peso tornillo eje “Y” 0.42m (1.2 kg/m) = 0.5 kg = 4.9 N

Peso tornillo eje “Z” 0.085m (1.2 kg/m) = 0.1 kg = 0.98 N

Figura 19: Acotación de tuerca y tornillo.


48

Tabla 7: Catálogo de tornillos de bola re-circulante -tuerca-.


Además, se tuvo en cuenta el método de unión entre la tuerca del tornillo y la

estructura dinámica que soporta el husillo, teniendo en cuenta que se buscó

reducir las vibraciones y mantener un nivel de precisión y exactitud apropiado,

la tuerca se une a la estructura directamente, sin ningún elemento intermedio,

reduciendo posibles fallas en el mismo.

6.1.3 Diseño de las guías lineales.

El diseño de las guías lineales es fundamental en la mejora de la máquina, en

ellas recae todo el peso de la misma y las fuerzas que actúan durante las

operaciones de mecanizado, se define el material buscando eliminar posibles

fallas en su operación, en éste caso acero inoxidable martensítico SAE 410,

teniendo en cuenta su bajo costo, atractivas características y fácil obtención

49

en el mercado Colombiano, al tratarse de acero inoxidable, éste impide la

corrosión en las guías lo cual contribuye en la precisión de la máquina, para la

determinación del diámetro de las guías se requiere realizar los respectivos

diagramas de fuerza cortante y momento flector, con el fin de obtener los datos

de manera acertada se utiliza software, en este caso “MDSolids 4.0” el cual es

un software educativo para el análisis de este tipo de problemas y el cual se

analiza previamente comprobando la veracidad en sus resultados.

6.1.3.1 Elementos que van soportados en las guías lineales eje

“Z”:

Las guías del eje “Z” tienen una longitud de 85 mm y soportan los siguientes

elementos:

Husillo: 7.5 kg

Soporte del husillo: 1 kg

La carga total que estos elementos ejercen es de 83.3 N, en este caso se trata

de una carga axial y la mayor parte de la carga actúa sobre el tornillo, sin

embargo, hay algunas componentes de fuerza que actúan sobre las guías pero

son mínimas debido a que al bajo coeficiente de fricción en las mismas, por lo

cual no es necesario hacer el análisis y se asigna el diámetro hallado para el

eje “Y”, con el fin de conseguir un factor de seguridad apropiado.

6.1.3.2 Elementos que van soportados en las guías lineales eje

“Y”:

Las guías lineales son las que soportan el peso del husillo y sus componentes,

las cuales tienen una longitud de 440 mm y soportan el peso de los siguientes

elementos.

Motor de husillo: 7.5 kg

Cables: 0.5 kg

Motor paso a paso: 3 kg

Soporte motor paso a paso: 0.5 kg

Guías lineales: 0.5 kg

Tornillo del eje “Z”: 0.5 kg

Soporte husillo: 0.5 kg

50

La carga total que estos elementos ejercen sobre las guías es de 127.4 N,

luego se realizan los diagramas de cuerpo libre, esfuerzo cortante y de

momento flector, la carga actúa sobre las dos guías por lo cual se divide en

dos en este caso la carga es de 63.7 N como se puede observar en la Figura

20.

Figura 20: diagramas de cuerpo libre, esfuerzo cortante, momento flector eje “Y”.

Fuente: (MDSolids, 2015).

Momento flector

𝑀 = 7 𝑁×𝑚

51

Acero inoxidable martensítico SAE 410.

𝜏𝑦 = 159.35 𝑀𝑃𝑎

Factor de seguridad

𝐹𝑆 = 3

Esfuerzo admisible, es calculado por medio de la Ecuación 18.

𝜎𝑎𝑑𝑚 =𝜏𝑦

𝐹𝑆 (18)

𝜎𝑎𝑑𝑚 = 53.12 𝑀𝑃𝑎

Módulo de la sección mínimo

𝐷 =(𝑀

13)(2

53)

((𝜎𝑎𝑑𝑚)(𝜋))1/3 (19)

𝐷 = 11.03 𝑚𝑚

El diámetro calculado es de 11.03 mm, sin embargo, se determina un diámetro

de 12 mm el cual es comercial.

6.1.3.3 Elementos que van soportados en las guías lineales del eje

“X”:

Estas guías tienen una longitud de 690 mm y en ellas actúan los pesos de

todos los componentes de los ejes “Z” y “Y”, como son:

Columnas laterales: 8.6 kg

Viga horizontal: 1.3 kg

Ejes lineales “Z”: 0.5 kg

Ejes lineales “Y”: 1 kg

Tornillo eje “Y”: 0.5 kg

52

Motor paso a paso eje “Y”: 3 kg

Peso total eje “Z”: 13 kg

La carga total que estos elementos ejercen sobre las guías es de 273.42 N,

luego se realizan los diagramas de cuerpo libre, esfuerzo cortante y de

momento flector, la carga actúa sobre las dos guías por lo cual se divide en

dos en este caso la carga es de 136.7 N tal y como se aprecia en la Figura

21.

Figura 21: diagramas de cuerpo libre, esfuerzo cortante, momento flector, eje “X”.

53

Fuente: MDSolids, 2016.

Momento flector

𝑀 = 23.6 𝑁×𝑚

Acero inoxidable martensítico SAE 410.

𝜏𝑦 = 159.35 𝑀𝑃𝑎

Factor de seguridad

𝐹𝑆 = 3

Esfuerzo admisible, es calculado por medio de la Ecuación 18.

𝜎𝑎𝑑𝑚 = 53.12 𝑀𝑃𝑎

El módulo de la sección mínimo lo obtenemos remplazando datos en la

Ecuación 18.

𝐷 = 16.54 𝑚𝑚

El diámetro calculado es de 16.54 mm, sin embargo, se determina un diámetro

de 18 mm el cual es comercial.

En resumen, los diámetros quedan definidos como se muestra en la Tabla 8.

Tabla 8: Resumen datos calculados –guías lineales-.

Diámetro

calculado (mm)

Diámetro

elegido (mm)

Guías lineales eje

"X" 16.54 18

Guías lineales eje

"Y" 11.03 12

Guías lineales eje

"Z" 11.04 12


54

6.2 SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y

ELECTRÓNICOS.

La elección de los elementos eléctricos y electrónicos está directamente

relacionada con la interfaz hombre-máquina debido a que los fabricantes

enlazan la interfaz con el sistema de control y los actuadores.

En este caso se analizaron tres posibilidades de control para implementar en

la máquina y por último se eligió una de ellas basándose en las necesidades

del cliente y por supuesto en los requerimientos de diseño.

6.2.1 Sistema de control fanuc (opción No 1).

Esta es una interfaz que no solo determina la interfaz hombre máquina, sino

que también la ruta del control a seguir puesto que sus elementos solo

funcionan en interconexión con sus PLC y motores de la misma marca y línea.

6.2.1.1 Características básicas del control:

Las características básicas del control se muestran a continuación:

Interfaz hombre-máquina, panel de control:

El control fanuc presenta una gran variedad de gama de paneles de

configuración de pantalla según la cantidad de ejes a controlar tal y como se

muestra en la página 4 del anexo sobre control Fanuc (Fanuc, 2016). Pero los

correspondientes a tres ejes que son los que para este se realizara hincapié

corresponde a la línea de tipo 1 y 3 son entornos muy conocidos en Colombia

por su representación como marca e introducción en el mercado con mucha

aceptación y antelación que cualquier otro control.

Otro aspecto de este control es que es todas sus versiones contempla una

misma tendencia de ejecución y utilización de programas de la maquina lo cual

hace que cualquier operario con nociones básicas en este tipo de control lo

pueda operar sin dificultad.

Finalmente, la interconexión con todo tipo de software CAM es bastante alta

puesto que fabricantes reconocidos de software como Autodesk, Siemens,

Dassault Systemes, Mastercam y entre otros lo tiene incluido en sus librerías.

55

Lo cual conlleva a eliminar muchos tipos de problemáticas cuando se requiere

fabricar y diseñar cualquier elemento.

Interconexión con la interfaz hombre máquina.

La interconexión del control con la interfaz se muestra en la Figura 24 y se

recomienda revisar el Anexo 6 si se desea comprender a cabalidad el

funcionamiento del mismo.

Figura 22: Interconexión interfaz hombre - máquina.

Fuente: Fanuc, 2016.

Con lo anterior se especificarán algunos conceptos clave de tener en cuenta

en la selección de este tipo de equipos.

Actuadores para el movimiento en los ejes:

Este control tiene la singularidad que se limita al uso específico de una línea

de motores y controladores de laso cerrado para los cuales solo pueden

usarse los controladores y motores de la misma marca, puesto que están

diseñados de esta manera, con lo cual se limita solamente a las potencias de

la serie IL que comienza con un par torsor de 11 N*m.

Amplificadores de control o drivers.

56

Solo pueden ser usados aquellos que se pueden interconectar con el PLC de

la máquina y la interfaz hombre-máquina quedando como única opción usar

los que corresponden a la marca Fanuc y por lo tanto restringen directamente

los diferentes motores para los cuales están diseñados.

Finalmente, estos controladores tienen un tipo de respuesta y de

retroalimentación de lazo cerrado que la hace la más rápida del mercado, lo

cual hace que la precisión y exactitud de la máquina sea muy buena con

respecto a otros.

6.2.2 Sistema de control sinumerik (opción No 2).

Este control está diseñado especialmente para plataformas de Siemens, tiene

una gran acogida gracias a su versatilidad y facilidad de manejo, su

funcionamiento casi intuitivo hace que su programación y métodos de

operación sean bastante sencillos, puesto que tiene como ayuda y soporte

muchos tipos de software de la rama Siemens® (Siemens, 2016).

La interacción con el operario es bastante eficaz puesto que permite

desarrollar desde el control mismo muchas actividades de mecanizado y

opciones avanzadas de subrutinas y programación de simulación con software

como NX que aumenta la eficiencia en términos del ahorro de tiempo.

Finalmente queda resaltar que este tipo de control solo puede ser ensamblado

con Drivers SINUMERIK y motores SINUMERIK, porque aun cuando exista la

posibilidad de interconectarlo con otro tipo de elementos se pierde totalmente

la posibilidad de opciones avanzadas del control y otros aspectos de garantías

limitadas y restringidas.


SINUMERIK 808

Gracias a su diseño CNC basado en paneles que requieren sólo unos

interfaces y un panel de operador con grado de protección IP65, el

SINUMERIK 808D / 808D avanzada está perfectamente preparado para ser

usado en ambientes hostiles. Con sus pequeñas dimensiones, puede ser

utilizado en máquinas compactas. Por otro lado, el SINUMERIK 808D / 808D

avanzado permite un funcionamiento cómodo con teclas de carrera corta y las

teclas de función SINUMERIK conocidas.

57

Optimizado para aplicaciones básicas de torneado y fresado

Con sus características específicas de tecnología, el SINUMERIK 808D / 808D

AVANZADO está perfectamente pre-configurado para el torneado y fresado.

El alcance de las aplicaciones varía de fresadoras estandarizadas básicas y

centros de mecanizado básicos para tornos controlados por ciclos a través de

los tornos CNC básicos completo.

Ideal para principiantes

Con la startGUIDE innovadora, integrada, SINUMERIK 808D / 808D avanzado

es el socio ideal para los usuarios de CNC de nivel bajo. Además de la

operación CNC y programación, puesta en marcha también se explica de

forma gráfica e interactiva. La forma de funcionamiento y programación

SINUMERIK uniforme hace que el SINUMERIK 808D / 808D avanzado sea el

control de nivel principiante ideal para el mundo.

SINAMICS S110 Basic Servo Drives

El accionamiento de posicionamiento SINAMICS S110 con su sistema de

posicionamiento básico integrado es ideal cuando se necesita para posicionar

los ejes de las máquinas de manera sencilla, rápida y precisa. La unidad de

posicionamiento ayuda al sistema de control de la máquina de nivel superior a

esta tarea. Como alternativa a un sistema de posicionamiento básico, al

accionamiento de posicionamiento se le puede asignar valores establecidos

como un eje de velocidad mediante entrada analógica o una interfaz de bus

de campo, como Profibus, CAN, PROFINET. Además, la unidad de

posicionamiento puede controlar una amplia gama de funciones de seguridad

integradas con terminales de seguridad a bordo y sin circuitos adicionales

complicados. Como una unidad de un solo eje modular con funcionalidad

servo, la unidad de posicionamiento cubre un rango de potencia de 120 W (1

AC 230 V) a 90 kW (3 AC 400 V). Se puede utilizar para posicionar ambos

servomotores síncronos y motores de inducción.

6.2.3 Sistema de control híbrido (opción No 3).

58

Este tipo de control contiene características muy particulares, puesto que

puede adaptarse o configurarse de cualquier forma dependiendo de los

requerimientos, por tanto, puede ser usado en condiciones de lazo abierto y

lazo cerrado, sin importar que tipo de software sea utilizado para la interfaz,

teniendo en cuenta que contiene un archivo para cargar en el ordenador el

cual le permite funcionar con cualquier software de control.

Los elementos que lo componen principalmente son: el software, el ordenador,

la tarjeta madre, fuentes de alimentación, drivers, actuadores y para conseguir

hacerlo de lazo cerrado sensores.

Para el funcionamiento de todo el conjunto de elementos que componen el

control se instala el software en el ordenador, luego se configura con el número

de actuadores y demás datos requeridos, se conecta la tarjeta madre al

ordenador, los drivers a la tarjeta madre y la fuente de alimentación y los

motores a los drivers recibiendo potencia y datos para su ejecución, como se

muestra más adelante.


Características de la tarjeta madre.

Velocidad de transmisión de datos de 200 KHz que le permite el uso de

un lazo cerrado sea bien por el uso de servo motores o por el uso de

motores de pasos con encoder de tipo lineal y retroalimentación.

Driver que se instala en el PC para el reconocimiento del puerto USB y

emplear cualquier tipo de software de control como puede observarse,

en la Figura 22 se observa la notificación mostrada cuando se conecta

la tarjeta madre al ordenador.

En la Figura 23 se observa el manejo que se le deba dar a los archivos

para una adecuada instalación.

Figura 23: Instalación tarjeta.

59

Fuente: (Mach3, 2016).

Figura 24: Instalación tarjeta.


Diferentes lugares de conexión para los motores, sensores y demás

aditamentos como puede observarse en la Figura 25:

60

Figura 25: Tarjeta madre.


Características de los motores paso a paso.

1. Según la secuencia y cantidad de campos de activación de las bobinas

de un motor de pasos se pueden obtener diferentes condiciones según

su necesidad.

2. Al activar mayor cantidad de bobinas y el seccionamiento de las mismas

de forma individual, se puede obtener pasos hasta de 1.8 grados según

se muestra en las diferentes gráficas, mejorando la precisión.

3. Al activar las bobinas en serie, se disminuyen la cantidad de pasos, pero

aumenta el torque ejercido por el motor, así como también su capacidad

de frenado, aceleración y velocidad.

4. Existe un grado de incertidumbre entre cada uno de los pasos el cual

puede ser solucionado con la perfecta equivalencia entre las diferentes

bobinas

Características del driver:

61

Cuenta con dos puertos, uno de ellos recibe la potencia de la fuente y

el otro la transmite al actuador con los datos recibidos por la tarjeta

madre.

Tienen una configuración que puede ser alterada por medio del

accionamiento de unos pequeños interruptores, con el fin de cambiar el

funcionamiento de los motores.

Cuenta con una base de aluminio para la eliminación de calor durante

su operación, eliminando la posibilidad de una falla por

sobrecalentamiento.

Tipo de software, mach 3:

Teniendo en cuenta las siguientes razones y características se eligió el

software mach3 para esta opción, además se muestra en paralelo la

instalación y configuración del mismo.

Puesto que es un entorno usado en gran medida en los últimos años,

es bastante conocido por los operarios.

Su conectividad con las diferentes plataformas electrónicas lo hace

funcionar adaptándose fácilmente a las velocidades de transmisión de

tipo USB de datos y pc, así como se evidencia en las Figuras 28 a 32.

Figura 26 Instalación del software.

62


Instalando el software mach con el puerto USB se debe seleccionar en

este paso la opción señalada en la Figura 27.

Figura 27: Instalación del software.


63

Debido a su similitud con el entorno fanuc es muy fácil adaptarse a este

control, luego que sus principios son similares.

Su posicionamiento en el mercado ha provocado que grandes

fabricantes del software cam en la industria hubiesen fabricado pos-

procesadores genéricos para este tipo de control. Lo cual genera una

mayor posibilidad de eficiencia en la manufactura y un proceso de

simulación de la máquina.

El software permite la fácil y eficiente instalación de los motores y sus

respectivas curvas de velocidad tal y como se muestra en las siguientes

figuras:

Habilitación de los respectivos ejes para el control:

Figura 28: Configuración del software.


Habilitaciones de la relación de pasos para el control de velocidad y sus diferentes características de movimientos.

64



Apoyándonos en la Figura 29 podemos observar el panel de trabajo de la

siguiente manera.

1. Gráfica del movimiento del motor

2. Ecuación sencilla de relación de pasos según lo establecido en el driver

y por tanto este correspondiendo a los 1.8 grados

3. Tiempos de recorrido

4. Barra de simulación del tiempo de recorrido

5. Ejes de activación que se está trabajando

Los limites mecánicos se pueden establecer por medio de sensores

o los encoder lineales a los cuales se auto calibran por medio del

entorno que se observa en la Figura 30:


65


66

7. ELECCIÓN DEL CONTROL

Después de hacer un análisis exhaustivo entre las tres opciones antes

mencionadas se elige la opción No 3 y se eligen los componentes del mismo

para el caso particular.

7.1 Elección de los motores

Atendiendo los diferentes requerimientos exigidos por la teoría de corte y por

supuesto analizados en el QFD sobre selección de motores, se determina un

lazo cerrado por medio de motores de pasos haciendo uso de encoder lineales

ubicados en puntos estratégicos de la máquina. Esta solución es tenida en

cuenta debida a la relación de alto costo versus potencia que presentan los

servomotores.

Finalmente, según los datos obtenidos por la teoría de corte se seleccionan de

la Tabla 9 y el fabricante WANTAI MOTOR homologado por las diferentes

normas ISO, por medio de la Figura 31 podemos hacernos saber las

dimensiones que tendrá el motor.

67

Tabla 9: Ficha técnica motor paso-paso.

Fuente: (WantaiMotor, 2016).

La selección del motor es un Nema 34 de pasos 85BYGH450D-007, el cual

cuenta con un torque de 4 N*m y las siguientes características técnicas:

Figura 31: Ficha técnica motor paso-paso.


68

7.2 Elección driver

Se selecciona el driver DQ860MA de potencia para este motor el cual puede

realizar las diferentes activaciones de bobinas para generar diferentes

condiciones y aún más importante generar los pasos de 1,8 grados más finos

para dar una excelente precisión.

Figura 32: Driver.


69

8. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN

8.1 Clasificación de costos del proyecto

8.1.1 Recursos humanos

• Tutor: Profesor de planta de la Universidad Distrital encargado de

seguir el desarrollo del proyecto, realizar correcciones pertinentes y

de guiar al ejecutor.

• Ejecutor: Encargado de desarrollar el proyecto, siguiendo las pautas

del tutor.

Se estima un promedio de 15 horas por semana para el ejecutor y dos

horas por semana para el tutor por lo tanto los costos son los que se

muestran en la Tabla 10.

Tabla 10: Costo recursos humanos

Recurso Fuente de

financiación

Costo por

hora

Horas

Dedicadas Costos

Tutor Universidad

Distrital F.J.C. $40.000 40 $1´600.000

Ejecutor Ejecutor $15.000 480 $7´200.000

Total: Horas

Dedicadas:

520

Total: Costos:

$8´800.000


70

8.1.2 Recursos de hardware

Corresponde a los elementos físicos que se usarán durante el proyecto,

se estima su costo según la duración estimada del proyecto como se

muestra en la Tabla 11.

Tabla 11: Costo recursos de hardware

Recurso Fuente de

financiación

Tiempo de uso

(meses) Costos

Computador

Portátil Ejecutor 5 $125.000

Costos Totales:

$125.000


9.1.3 Recursos de software

Corresponde a los programas que se utilizarán durante el

desarrollo del proyecto, se estima su costo según la duración

estimada del proyecto como se muestra en la Tabla 12.

Tabla 12: Costo recursos de software

Recurso Fuente de

financiación

Tiempo

de uso

(meses)

Costo

Recurso Costos Estimado de uso

Windows

7 Ejecutor 5 $160.000 $40.000

Microsoft

Office

Word

Ejecutor 5 $96.000 $48.000

NX

Siemens

Universidad

Distrital

F.J.C.

5 $28.000.000 $5.000.000

Bases

de datos

Universidad

Distrital

F.J.C.

2 $700.000.000 $3.900.000

71

Costo

Recursos:

$728.256.00

Costo Total de Uso:

$8.988.000


8.1.4 Insumos, fungibles y gastos

Corresponden a los elementos requeridos para el uso y/o consumo para la

ejecución del proyecto como se muestra en la Tabla 13.

Tabla 13: Costo insumos, fungibles y gastos

Recurso Fuente de Financiación Costo Recurso

Papelería Ejecutor $30.000

Impresiones Ejecutor $40.000

Fotocopias Ejecutor $30.000

Libros Ejecutor $60.000

Internet Ejecutor/ Universidad

Distrital F.J.C $150.000

Servicios

Públicos

Ejecutor/ Universidad

Distrital F.J.C $100.000

Costo Total Recursos:

$510.000

$ 410.000 Fuente: Elaboración propia.

8.1.5 Resumen de costos

A continuación, en la Tabla 14, se relacionan los costos totales para la

ejecución de este proyecto.

Tabla 14: Resumen del costo general del proyecto

Recurso Financiación

ejecutor

Financiación

Universidad Distrital

Francisco José de

Caldas

Costo Total

Recurso

Humano $5.400.000 $1.920.000 $8.800.000

Hardware $0 $125.000 $125.000

72

Software $88.000 $5.000.000 $8.988.000

Insumos,

fungibles y

gastos

$160.000 $250.000 $510.000

Costo Total

Ejecutor

Costo Total

Universidad Distrital

Francisco José de

Caldas

$5.648.000 $7.295.000

Costo Total

Recursos $

18.423.000


73

9. CONCLUSIONES

Cuando se pretende incrementar la potencia de corte en una máquina

se debe analizar las implicaciones que ello traerá entre las cuales se

encuentran las vibraciones que surgirán y por supuesto el

redimensionamiento de los elementos que la componen, tanto

estructurales como eléctricos, en esta investigación se analizaron los

elementos de la máquina, más específicamente los que determinaban

ser importantes en el mejoramiento de la misma, incrementando así su

robustez, fue necesario calcular de nuevo las dimensiones de los

elementos mecánicos y definir los materiales apropiados.

Para el cálculo de los elementos estructurales se recurrió a un análisis

por resistencia de materiales que permitió determinar las dimensiones

de los mismos, por otro lado, los materiales escogidos se sustentan por

sus propiedades mecánicas las cuales no requieren de grandes

volúmenes, manteniendo así una máquina compacta.

Los sistemas de transmisión en una máquina C.N.C. son importantes

pues ellos determinan gran parte de la precisión de la misma, en este

caso se seleccionaron tornillos de bolas re-circulantes los cuales no solo

mantienen un nivel alto de precisión sino que además son más

eficientes permitiendo que gran parte de la potencia suministrada llegue

al proceso de mecanizado gracias a su bajo coeficiente de fricción, estos

hacen de la máquina una máquina compacta debido a la alta dureza que

tienen no se requieren grandes dimensiones para soportar las cargas.

En estos procesos de diseño y selección de los elementos que

componen la máquina es necesario hacer un análisis de la teoría de

corte de la misma con el fin de ser acertado, centrándose en

operaciones de fresado y taladrado las cuales son las que la máquina

tiene la capacidad de realizar se determinan las potencias requeridas

por los actuadores, en este caso motores paso a paso.

La interfaz hombre-máquina juega un papel de vital importancia en estas

máquinas, pues una adecuada interacción con el operario hace a la

máquina más productiva, por lo cual se analizaron tres opciones de

control disponibles en Colombia, el control fanuc presenta grandes

ventajas teniendo en cuenta que maneja una de las más altas

resoluciones en el mercado y es fácil de operar, sin embargo el tamaño

de los actuadores excede el tamaño requerido y eliminaría uno de los

atributos de la máquina la compactibilidad de la misma, de la misma

74

manera el control siemens cuenta con una interfaz amigable para el

operario pero el tamaño del control excede incluso el tamaño de la

máquina, descartándola como posibilidad, de esta manera se encontró

que el Mach 3 presenta los mayores atributos, su adaptación a

diferentes sistemas de control, fácil manejo y precio asequible lo hacen

el más competitivo en el mercado Colombiano.

Todos los cálculos hechos y materiales escogidos se enfocaron a

solucionar una condición de necesidad en el mercado colombiano para

la fabricación de diferentes piezas con una tolerancia dimensional de

IT7.

75

10. BIBLIOGRAFÍA.

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diseÑo de mÁquina de corte c.n.c con 3 ejes

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