instituto politÉcnico nacional · se dibujo el diseño mecánico de la rectificadora en tercera...
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
AUTOMATIZACIÓN DE UNA RECTIFICADORA
SEMIAUTOMÁTICA DE BRIDAS.
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTA:
PORRAS TAPIA IRAK EMMANUEL
TORRES MORENO ULISES
SANCHEZ RUBIO JUAN CARLOS
DIRECTORES DE TESIS
M. EN C. IVONE CECILIA TORRES RODRÍGUEZ
M. EN C. ANTONIO OBREGÓN TENORIO
MÉXICO, D.F. MARZO 2013
Contenido Objetivo ............................................................................................................................................ i
Justificación ..................................................................................................................................... ii
Introducción ....................................................................................................................................iii
CAPÍTULO 1 Estado del arte ............................................................................................. 1
1.1. Diseño ....................................................................................................................................... 2
1.1.1. Etapas del diseño .............................................................................................................. 3
1.1.2Tipos de diseño. .................................................................................................................. 4
1.2 Automatización. ........................................................................................................................ 5
1.3Control. ....................................................................................................................................... 5
1.3.1Tipos de control. .................................................................................................................. 5
1.4 Máquina – Herramienta. ........................................................................................................... 6
1.5 Rectificado. ................................................................................................................................ 6
1.6Concepto de rugosidad .............................................................................................................. 6
1.6.1. Condiciones de trabajo para lograr una determinada rugosidad ..................................... 7
1.6.2. Aparatos y unidades de medida ....................................................................................... 8
1.7Trabajo de los abrasivos ........................................................................................................... 11
1.7.1Rectificadoras. ................................................................................................................... 13
1.7.1.1 Rectificadoras de superficies planas .................................................................. 13
1.8 Bridas. ..................................................................................................................................... 14
1.8.1 Tipos de bridas. ............................................................................................................... 14
1.8.1.1. Bridas con cuello para soldar (weldingneck). ................................................. 15
1.8.1.2. Bridas deslizantes (slip-on)................................................................................. 15
1.8.1.3. Bridas ciegas (blind) ............................................................................................ 16
1.8.1.4. Bridas con asiento para soldar (socket welding). .......................................... 16
1.8.1.5. Bridas roscadas (threaded) ................................................................................ 17
1.8.1.6. Bridas para junta con solapa (lap-joint) ............................................................ 17
1.8.1.7. Bridas de orificio ................................................................................................... 18
CAPÍTULO 2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................ 19
CAPÍTULO 3 Diseño mecánico ........................................................................................ 23
3.1 Brida a rectificar. ..................................................................................................................... 24
3.2 Construcción mecánica. .......................................................................................................... 24
3.3. Mecanismos ........................................................................................................................... 52
3.4 Angulo, filo y fuerza del buril................................................................................................. 60
3.4.1 Aditivos. ............................................................................................................................ 62
3.5 Determinación de la potencia del motor ................................................................................ 63
CAPÍTULO 4 Control de la secuencia de trabajo de los motores de la rectificadora
automática de bridas........................................................................................................ 64
4.1Introducción ............................................................................................................................. 65
4.2 Programa. ................................................................................................................................ 67
CAPÍTULO 5 Pruebas ...................................................................................................... 74
5.1.-Pruebas de la etapa de control. ............................................................................................. 75
5.1.1.-Pruebas de la etapa de aislamiento. ............................................................................... 75
5.1.2.-Pruebas de la etapa de potencia..................................................................................... 76
CONCLUSIONES ............................................................................................................ 78
RECOMENDACIONES .................................................................................................... 80
COSTOS ......................................................................................................................... 83
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 85
ANEXO 1 MICROCONTROLADOR PIC16F877A ............................................................ 88
ANEXO 2 TRANSISTOR DE POTENCIA “IRF7476PbF” ................................................. 90
ANEXO 3 PUENTE H L298 ............................................................................................. 92
ANEXO 4 FUENTE DE ALIMENTACIÓN SIEMENS ........................................................ 94
Índice de figuras
Figura 1.1 Indicación de las líneas de rugosidad. .............................................................. 8
Figura 1.2 Indicador de rugosidades. ................................................................................. 9
Figura 1.3 Líneas fundamentales en el diagrama de rugosidades. ................................. 11
Figura. 1.4 Grafico indicativo del tipo de abrasivo a emplear en función del trabajo. ....... 12
Figura1.5.- Brida con cuello para soldar........................................................................... 15
Figura 1.6- Brida deslizante. ............................................................................................ 16
Figura 1.7.- Brida ciega. ................................................................................................... 16
Figura1.8.- Brida con asiento para soldar. ....................................................................... 17
Figura 1.9.- Bridas roscada. ............................................................................................. 17
Figura1.10.- Brida para junta con solapa. ........................................................................ 18
Figura 1.11.- Brida de orificio. .......................................................................................... 18
Figura 2.1.-Trabajadores rectificando una brida de forma manual. .................................. 20
Figura 2.2.-Trabajadores rectificando una brida de mayor tamaño. ................................. 21
Figura 2.3.-Brida desgastada. .......................................................................................... 21
Figura 2.4.- Brida rectificada. ........................................................................................... 22
Figura 3.1. Vista de planta y frontal de una brida de 10” clase 900 de tipo de cara realzada
........................................................................................................................................ 25
Figura 3.2. Dibujo en tercera dimensión de la rectificadora semiautomática de bridas. .... 26
Figura 3.3.Dibujo en tercera dimensión de la pieza 1: cuerpo. ......................................... 28
Figura 3.4. Vista de planta de la pieza 1: cuerpo. ............................................................ 29
Figura 3.5. Dibujo en tercera dimensión de la pieza 2: patas. .......................................... 30
Figura 3.6. Vista de planta de la pieza 2.1 ....................................................................... 31
Figura 3.7. Vista de planta de la pieza 2.2 ....................................................................... 32
Figura 3.8. Dibujo en tercera dimensión de la pieza 2.2. .................................................. 33
Figura 3.9. Dibujo en tercera dimensión de la pieza 3: sujetadores. ................................ 34
Figura 3.10. Vista de planta de las piezas 3.1 y 3.2. ........................................................ 35
Figura 3.11. Dibujo en tercera dimensión de la pieza 4: brazo rectificador. ...................... 37
Figura 3.12. Dibujo en tercera dimensión de la pieza 4.1: brazo rectilineo. ...................... 38
Figura 3.13. Dimensiones de la pieza 4.1.1 ..................................................................... 39
Figura 3.14. Dimensiones de la pieza 4.1.2. .................................................................... 40
Figura 3.15. Dimensiones de la pieza 4.1.3. .................................................................... 41
Figura 3.16. Dimensiones de las piezas 4.1.4 y 4.1.6. ..................................................... 42
Figura 3.17. Dimensiones de la pieza 4.1.5. .................................................................... 43
Figura 3.18. Dimensiones de las piezas 4.1.7 y 4.1.8. ..................................................... 44
Figura 3.19. Dimensiones de la pieza 4.1.9. .................................................................... 45
Figura 3.20. Pieza 4.2: Brazo porta-herramienta. ............................................................. 47
Figura 3.21. Dimensiones de la pieza 4.2.1. .................................................................... 48
Figura 3.22. Dimensiones de la pieza 4.2.2. .................................................................... 49
Figura 3.23. Dimensiones de las piezas 4.2.3 y 4.2.4. ..................................................... 50
Figura 3.24. Dimensiones de la pieza 4.2.5. .................................................................... 51
Figura 3.25. Procedimiento de rectificado. ....................................................................... 52
Figura 3.26. Movimiento rotatorio de la rectificadora semiautomática de bridas. .............. 54
Figura 3.27. Vista Frontal de la rectificadora semiautomática de bridas. .......................... 55
Figura 3.28. Movimiento axial de la rectificadora semiautomática de bridas. ................... 56
Figura 3.29. Vista de planta del brazo rectificador. .......................................................... 57
Figura 3.30. Movimiento subir y bajar de la rectificadora semiautomática de bridas. ....... 58
Figura 3.31. Vista frontal del brazo porta-herramienta. .................................................... 59
Figura 3.32.- Superficie y Ángulos de corte ..................................................................... 61
Figura 3.33.- Superficies y fuerzas de corte ..................................................................... 62
Figura 4.1.Aspecto físico del microcontrolador PIC16F877A .......................................... 65
Figura 4.2.- Asignación de las terminales de conexión pins del PIC16F877A .................. 66
Figura 4.3 Diagrama de flujo del programa ...................................................................... 67
Figura 4.4.- Inicialización del PIC16F877A ...................................................................... 68
Figura 4.5 Arranque y ejecución de la vuelta de rectificado ............................................. 69
Figura 4.6 Accionamiento del motor que sube y baja el buril ........................................... 70
Figura 4.7 Secuencia del movimiento Axial ...................................................................... 71
Figura 4.8 Último paso del movimiento axial y secuencia de espera para pasar el
movimiento de bajar......................................................................................................... 72
Figura 4.9 Instrucciones para bajar el porta herramienta e iniciar secuencia del nuevo
arranque .......................................................................................................................... 73
Figura 5.1. Aspecto físico del circuito para comprobar la secuencia del programa. ......... 75
Figura 5.2. Optoacoplador 4N25. ..................................................................................... 75
Figura 5.3. Circuito de potencia con relevador. ................................................................ 77
Figura 5.4. Circuito físico de potencia con relevador. ....................................................... 77
Figura 6.1. Transistor MOSFET IRF7476PbF .................................................................. 81
Figura 6.2. Puente H L298. .............................................................................................. 82
Índice de tablas.
Tabla1.1 Relación de los principales sistemas usados para medición de rugosidades. 10
Tabla.1.2 Clasificación de máquinas para abrasivos. ...................................................... 12
Tabla. 1.3 Clases de rectificado superficies planas. ......................................................... 13
Tabla 1.4 Tipos de bridas. ............................................................................................... 15
Tabla 3.1. Piezas mecánicas de la rectificadora semiautomática de bridas. .................... 27
Tabla 3.2.- Valores de los ángulos ................................................................................... 61
Tabla 7.1.- Costo Rectificadora. ....................................................................................... 84
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Objetivo. Automatizar y controlar una rectificadora semiautomática de bridas de diez pulgadas clase
900. Se propone construir un prototipo a escala real, capaz de ser montado sobre una
brida de las características ya mencionadas, sin necesidad de desmontar la brida del
proceso.
Página ii
Justificación. Este trabajo se justifica como una aportación teórica al diseño de las máquinas
herramientas automatizadas, para el rectificado de bridas.
Normalmente, cuando se inicia una obra industrial donde se manejan grandes cantidades
de tubería de diferentes diámetros y especificaciones de materiales, implica manejar
grandes cantidades de válvulas, equipos, instrumentos, conexiones, etc., los cuales se
instalan entre bridas, por lo que se requiere que el manejo de estas piezas sea de manera
adecuada, para no dañar la cara de las bridas en la parte de contacto, ya que si presentan
un golpe transversal ,podría causar fracturas y, por lo tanto, fuga de la masa o energía
que se transporta, que ponga en riesgo la integridad física de los trabajadores y del
proceso.
Página iii
Introducción. Este trabajo se enfoca en el diseño de una máquina herramienta automatizada para la
rectificación de bridas de 10 pulgadas clase 900. En algunas empresas utilizan métodos
manuales, el cual realiza un rectificado tardado debido a que el personal tiene que utilizar
la fuerza física para poder realizar la rectificación. Incluso en algunas ocasiones se debe
que retirar la brida del punto en el que se encuentra colocada para poder manipularla y
darle el respectivo mantenimiento o acabado a la misma.
La finalidad primordial de un rectificado es lograr una gran exactitud y calidad superficial
perfectamente definida, así como tener una buena capacidad de arranque de material por
unidad de tiempo. Para esto, existen diferentes tipos de rectificado, según sea su
aplicación. Para este caso el rectificado ocupado es el rectificado de superficies planas, la
rugosidad es un aspecto que debe considerar, ya que el acabado superficial que se
requiere es el de líneas de rugosidad circulares en relación a un centro.
Se construyo un prototipo mecánico, a partir de las dimensiones de una brida de 10
pulgadas clase 900. Se dibujo el diseño mecánico de la rectificadora en tercera dimensión
a escala 1:1, tratando que este fuera compacto. Para su construcción, se realizaron los
planos de cada pieza de la máquina.
Para la parte del control de la secuencia, que deben seguir los motores se optó por usar el
microcontrolador PIC16F877A de microchip; el lenguaje de programación usado fue
ensamblador y se realizó en el software MPLAB.
Además se elaboró una serie de pruebas por separado de los circuitos de potencia y de
control para corroborar que su funcionamiento fuera el adecuado. Al acoplar dichos
circuitos, se presentó una problemática con los motores, ya que estos demandaban un
pico de corriente de arranque elevado, el cual ya no se pudo solucionar físicamente, por lo
que se propusieron algunas recomendaciones para lograr el acoplamiento correctamente.
Una recomendación consiste en utilizar un motor con la potencia adecuada, otra en
ocupar componentes de potencia que sean capaces de resistir la corriente de pico de
arranque de los motores.
CAPÍTULO I
Página 1
CAPÍTULO 1 Estado del arte
CAPÍTULO I
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1.1. Diseño
El diseño como concepto surgió a partir de la revolución industrial en donde la producción
masiva sentó los principios básicos para que el término diseño se entendiera como
unnuevo concepto internacional desde el presente siglo. A continuación, se citarán
diversos conceptos sobre diseño de diferentes autores.
1. Gustavo Valdés de León
"El Diseño puede ser re-definido como una práctica social especializada que consiste en
el procesamiento racional, intuitivo y fáctico de una serie de variables objetivas y
subjetivas, por medio del cual los hombres intervienen operativamente sobre la realidad
material, “natural” y artificial, para producir –siguiendo una metodología proyectual y en el
interior de un horizonte tecnológico, estético e ideológico predeterminado- objetos,
servicios y mensajes destinados a satisfacer demandas, reales o inducidas, materiales y
simbólicas de un mercado, segmentando en estratos económicos y socio-gráficos –en
condiciones tales que garantice un razonable beneficio económico al productor- todos
ellos dentro de un contexto histórico y cultural dado".
2. Norberto Chaves
"La fase del proceso productivo en la cual se definen todas las características de un
producto (visuales, formales, tecnológicas, utilitarias, constructivas, materiales, etc.), su
forma de producción, distribución y consumo, previo a la producción material".
3. Guillermo González Ruiz
"Es un proceso intuitivo, racional y operativo de creación de formas útiles al hombre ya
sean estas destinadas a cumplir funciones de vida urbana, habitabilidad, operaciones y
táctiles o de comunicación visual".
4. John Christopher Jones
"La actividad especializada de expertos pagados que conforman las formas físicas y
abstractas de la vida industrial que como consumidores todos aceptamos o a las que nos
adaptamos"
5. Moholy Nagy
El diseño es la organización de materiales y procesos de la forma más productiva, en un
sentido económico, con un equilibrado balance de todos los elementos necesarios para
cumplir una función. No es una limpieza de la fachada, o una nueva apariencia externa;
más bien es la esencia de productos e instituciones. Diseñar es una compleja e intrincada
tarea. Es la integración de requisitos técnicos, sociales y económicos, necesidades
biológicas, con efectos psicológicos y materiales, forma, color, volumen y espacio, todo
CAPÍTULO I
Página 3
ello pensado e interrelacionado. El diseñador es intermediario y mediador entre el
mensaje y la población a quien va dirigido, por lo que debe contener una serie de signos
comprensibles para el sector target a quien pretende ir dirigido y basado en una serie de
armonías estéticas. Por otra parte, el diseñador maneja el sentido y el qué en una
proyección, siendo estos puntos paradójicamente, los cuales presentan al diseño como un
nuevo humanismo.
1.1.1. Etapas del diseño
Las etapas del proceso de diseño son: identificación del problema, ideas preliminares, perfeccionamiento, análisis, decisión, realización. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA: Es importante en cualquier actividad constructiva dar una definición clara de los objetivos para así tener una meta hacia la cual dirigir todos los esfuerzos. La identificación de la necesidad de un diseño se puede basar en datos de varios tipos: estadísticas, entrevistas, datos históricos, observaciones personales, datos experimentales o proyecciones de conceptos actuales. Definir es establecer los límites; es delimitar el problema y el alcance de la solución que está buscándose. Es indicar lo que se quiere hacer y a dónde no se quiere llegar. Definir un problema es la parte más complicada en el proceso de diseño; una equivocación a esta altura representa un enorme error al final. IDEAS PRELIMINARES: Una vez que se ha definido y establecido el problema en forma clara, es necesario recopilar ideas preliminares a partir de las cuales se pueden asimilar los conceptos del diseño. Esta es probablemente la parte más creativa en el proceso de diseño. Puesto que en la etapa de identificación del problema solamente se han establecido limitaciones generales, el diseñador puede dejar que su imaginación considere libremente cualquier idea que se le ocurra. Estas ideas no deben evaluarse en cuanto a factibilidad, puesto que se les trata con la esperanza de que una actitud positiva estimule otras ideas asociadas como una reacción en cadena. El medio más útil para el desarrollo de ideas preliminares es el dibujo a mano alzada. PERFECCIONAMIENTO DEL PROBLEMA: La etapa de perfeccionamiento es el primer paso en la evaluación de las ideas preliminares y se concentra bastante en el análisis de las limitaciones. Todos los esquemas, bosquejos y notas se revisan, combinan y perfeccionan con el fin de obtener varias soluciones razonables al problema. Deben tenerse en cuenta las limitaciones y restricciones impuestas sobre el diseño final. Los bosquejos son más útiles cuando se dibujan a escala, pues a partir de ellos se pueden determinar tamaños relativos y tolerancias y, mediante la aplicación de geometría descriptiva y dibujos analíticos, se pueden encontrar longitudes, pesos, ángulos y formas. Estas características físicas deben determinarse en las etapas preliminares del diseño, puesto que pueden afectar al diseño final. ANÁLISIS: El análisis es la parte del proceso de diseño que mejor se comprende en el sentido general. El análisis implica el repaso y evaluación de un diseño, en cuanto se refiere a factores humanos, apariencia comercial, resistencia, operación, cantidades físicas y
CAPÍTULO I
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economía dirigidos a satisfacer requisitos del diseño. Gran parte del entrenamiento formal del ingeniero se concentra es estas áreas de estudio. A cada una de las soluciones generadas se le aplica diversos pruebas para confirmar si cumplen las restricciones impuestas a la solución, así como otros criterios de solución. Aquellas que no pasan estos controles son rechazadas y solamente se dejan las que de alguna manera podrían llegar a ser soluciones viables al problema planteado. DECISIÓN: La decisión es la etapa del proceso de diseño en la cual el proyecto debe aceptarse o rechazarse, en todo o en parte. Es posible desarrollar, perfeccionar y analizar varias ideas y cada una puede ofrecer ventajas sobre las otras, pero ningún proyecto es ampliamente superior a los demás. La decisión acerca de cuál diseño será el óptimo para una necesidad específica debe determinarse mediante experiencia técnica e información real. Siempre existe el riesgo de error en cualquier decisión, pero un diseño bien elaborado estudia el problema a tal profundidad que minimiza la posibilidad de pasar por alto una consideración importante, como ocurriría en una solución improvisada. REALIZACIÓN: El último paso del diseñador consiste en preparar y supervisar los planos y especificaciones finales con los cuales se va a construir el diseño. En algunos casos, el diseñador también supervisa e inspecciona la realización de su diseño. Al presentar su diseño para realización, debe tener en cuenta los detalles de fabricación, métodos de ensamblaje, materiales utilizados y otras especificaciones. Durante esta etapa, el diseñador puede hacer modificaciones de poca importancia que mejoren el diseño; sin embargo, estos cambios deben ser insignificantes, a menos que aparezca un concepto enteramente nuevo. En este caso, el proceso de diseño debe retornar a sus etapas iniciales para que el nuevo concepto sea desarrollado, aprobado y presentado.
1.1.2Tipos de diseño.
Diseño automotriz: Es el implicado en el desarrollo de un vehículo. En este contexto se
refiere sobre todo a desarrollar el aspecto o la estética visual del vehículo, aunque
también está implicada en la creación del concepto del producto.
Diseño industrial: Abarca desde los tornillos y piezas de máquinas, los elementos
prefabricados para la construcción y el mobiliario de toda clase hasta las máquinas de
todo tipo, desde una bicicleta hasta un avión, pasando por los electrodomésticos.
Diseño gráfico: Se refiere a todo tipo de composiciones, planos, dibujos, carteles,
portadas de libros, periódicos y revistas, fotografías, proyectos de propagandas, etc. Se
puede hablar de diseño de zapatos, de moda, de juguetes, y de todo tipo de actividad que
suponga crear objetos para que la gente los use, se los ponga o simplemente los mire.
Diseño arquitectónico: Se ocupa de todo lo relacionado con la proyección y la
construcción de edificios y obras de ingeniería, ambientación y decoración de edificios,
parques, jardines y elementos urbanos [16].
CAPÍTULO I
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1.2 Automatización.
La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas
habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos.
Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
- Parte de mando
- Parte operativa
La parte operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los
elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los
elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como
motores, cilindros, compresores, etc.
La parte de mando suele ser un autómata programable, aunque hasta hace algunos años
se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos.
En un sistema de fabricación automatizado, el autómata programable está en el centro del
sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes del sistema
automatizado [17].
1.3Control.
El sistema de control permite una operación del proceso fiable y sencilla, al encargarse de
obtener condiciones de operación estables y corregir desviaciones que se pudieran
producir en el mismo.
Se puede hacer una clasificación de los sistemas de control atendiendo el procedimiento
lógico usado por el controlador del sistema.
1.3.1Tipos de control.
Control difuso: El desarrollo del control difuso tiene su origen en los sistemas basados
en reglas para la toma de decisiones y en la lógica difusa para la evaluación de aquellas.
Los controladores fuzzy, al igual que otros, toman los valores de las variables de entrada,
realizan algún procedimiento con ellas, deciden como modificar las variables de salida y lo
realizan, afectando estas últimas a la planta. La diferencia esencial es que no procesan
ecuaciones ni tablas, procesan reglas para decidir cómo cambiar las salidas [18].
Control avanzado: Cuando se hace referencia a control avanzado se quiere indicar la
aplicación de estrategias de control automático que usualmente se ocupan en control de
procesos. Las técnicas de control más usuales del sistema SISO (Una entrada – Una
salida) son el PID (Control proporcional – integral – derivativo), ajuste manual o
automático, sistema de adelanto y atraso. Estas mismas pueden aplicarse en sistema
MIMO (múltiples entradas – múltiples salidas) [19].
CAPÍTULO I
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1.4 Máquina – Herramienta.
Máquina estacionaria o motorizada que se utiliza para dar forma o modelar materiales
sólidos, especialmente metales. Es la base de la industria moderna y se utiliza directa o
indirectamente para fabricar piezas de máquinas y herramientas [20].
Estas máquinas pueden clasificarse en tres categorías: máquinas desbastadoras
convencionales, prensas y máquinas herramientas especiales. Las máquinas
desbastadoras convencionales dan forma a la pieza, cortando la parte no deseada del
material y produciendo virutas. Las prensas utilizan diversos métodos de modelado, tales
como prensado o estirado. Las máquinas herramientas especiales utilizan la energía
luminosa, eléctrica, química o sonora, gases a altas temperaturas y ases de partículas de
alta energía para dar forma a materiales especiales y aleaciones utilizadas en la
tecnología moderna [20].
1.5 Rectificado.
El rectificado es una operación que se efectúa en general con piezas ya trabajadas
anteriormente por otras máquinas herramientas, hasta dejar un pequeño exceso de metal
respecto a la dimensión definitiva.
El rectificado tiene por objeto alcanzar en las dimensiones, tolerancias muy estrictas y una
elevada calidad de acabado superficial; es indispensable en el trabajo de los materiales
duros o de las superficies endurecidas por tratamientos térmicos [4].
1.6Concepto de rugosidad.
Una de las principales aplicaciones de los abrasivos en el mecanizado de piezas de todo
tipo y material tiene por objeto mejorar la presentación y calidad de la superficie de las
piezas. Cualquier operación de rectificado o lijado tiene por objeto dar a la pieza una
forma y dimensiones, así como también un determinado grado de calidad en su superficie.
Esta calidad superficial no sólo afecta a su apariencia, sino que influye notablemente en el
comportamiento de la propia pieza, tanto en lo que concierne a su duración, corrosión y
desgaste, como al ajuste con otras piezas para formar un montaje [6].
La calidad superficial deberá ser igual para toda la serie de piezas fabricadas con el
mismo plano y con tal objeto deberá ser medida, cuantificada y controlada. Cualquiera
que sea el acabado de una pieza, por lisa que ésta parezca a nuestra vista, siempre
presenta una serie de desigualdades (rayas, ranuras o salientes) que se pondrán de
manifiesto al ser comprobada la superficie de la misma con ayuda de aparatos
apropiados. Esta desigualdad en la superficie de la propia pieza recibe el nombre de
rugosidad, la cual será tanto mayor cuanto más prominentes estén en la superficie los
puntos más salientes y más hundidos estén los más profundos. Se deberá distinguir, entre
rugosidad y ondulación. La rugosidad es debida al método de mecanizado empleado y
reproduce el perfil de la herramienta usada, junto con los avances y velocidades (granos,
CAPÍTULO I
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punta de herramienta, etc.), siendo por otra parte susceptible de mejorar por procesos
posteriores. La ondulación está producida por causas ajenas totalmente a la herramienta
usada, resultando siempre indeseable. Las causas de tales ondulaciones pueden ser,
entre otras, las siguientes [6]:
- Excesiva presión de corte, lo cual modifica la forma de la pieza.
- Inadecuado afilado de la herramienta.
- Poca mecanización, lo cual no llega a cambiar la forma de la pieza.
- Mala fijación o arrastre de la pieza en la máquina.
- Vibraciones producidas por desequilibrio de la pieza o malas condiciones de la
máquina.
1.6.1. Condiciones de trabajo para lograr una determinada rugosidad.
En todas las operaciones de mecanizado con arranque de viruta, lo cual es también el
caso del uso de abrasivo, se pretende fundamentalmente alguno de los tres factores [6]:
1. Arranque de material.
2. Consecución de unas dimensiones exactas (tolerancias).
3. Obtención de una determinada calidad superficial.
Estos tres factores son ambiguos y aunque tal vez inconscientemente se tienen en cuenta
en el trabajo de mecanizado, lo que ocurre según las particularidades del trabajo, el
objetivo para una determinada operación es la consecución de uno de ellos en particular y
se eligió la máquina y el método de trabajo, en función del objetivo perseguido [6].
Se emplea una nomenclatura convencional para indicar la dirección que deben tener las
ranuras o líneas de la rugosidad de las piezas a mecanizar, a fin de poder representarla
en los planos, una vez determinada por el proyectista, en función de la aplicación a que va
destinada la pieza, su ajuste y montaje. En la figura 1.1 vienen representados dichos
símbolos [6].
CAPÍTULO I
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Figura 1.1 Indicación de las líneas de rugosidad.
1.6.2. Aparatos y unidades de medida.
En algunos casos, no resulta posible observar la rugosidad y mucho menos determinar
sus dimensiones a simple vista o con los medios habituales de medición. Así pues, es
preciso hacer uso de instrumentos que proporcionen el perfil de la rugosidad lo
suficientemente ampliado para que nos permita tomar las dimensiones de dicho perfil [6].
Se pueden dividir los instrumentos de medición de rugosidad en dos grupos:
- Los que actúan mecánicamente.
- Los ópticos.
Los aparatos que actúan con base mecánica consisten en un palpador que se desliza
sobre la superficie de la pieza y de un indicador que muestra los valores detectados con la
suficiente ampliación para determinar sus magnitudes [6].
CAPÍTULO I
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Existen una gran variedad de modelos que van desde un pequeño indicador de cuadrante
(figura 1.2) hasta aparatos con amplificadores electrónicos; tales aparatos, denominados
comúnmente rugosímetros o perfilómetros, tienen un palpador constituido por una punta
de zafiro o diamante, de radio muy pequeño (del orden de 0.002 mm), que se desliza a
velocidad uniforme sobre la superficie a controlar. La palanca de dicho palpador actúa
sobre una bobina que traduce la rugosidad detectada en una señal eléctrica de intensidad
variable, misma que es transmitida al aparato indicador provisto de un instrumento
trazador que va dibujando las rugosidades en forma de diagrama [6].
Figura 1.2 Indicador de rugosidades.
Para la comprobación óptica de las superficies pueden usarse diversos tipos de aparatos,
algunos de los cuales están basados en el reflejo de los rayos de manera que formen un
perfil de la rugosidad superficial de la pieza observada, dando una sección de la misma
que puede ser medida directamente o incluso fotografiada para posterior valoración. En
estos métodos ópticos no existe el palpador mecánico, con lo que se evitan posibles
deformaciones en la medición [6].
Uno de tales aparatos es el microscopio de luz seccionada, que trabaja con un principio
de retículos luminosos y permite medir rugosidades del orden de 1 a 400 micras [6].
Otro método óptico de observación y medición de superficies es el de interferencias, por
medio del cual se consigue dar a la superficie a comprobar un aspecto de líneas y
sombras semejantes a las curvas de nivel, lo cual se logra dirigiendo los rayos de luz en
un ángulo adecuado por medio de espejos o prismas. Midiendo las distancias entre dichas
curvas, pueden obtenerse valores de rugosidad de orden de 0.003 micras [6].
En la tabla 1.1 se presenta un resumen de los métodos y apartados de medición de las
calidades superficiales en las piezas.
CAPÍTULO I
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Tabla1.1 Relación de los principales sistemas usados para medición de rugosidades.
Métodos Denominación Gama de rugosidades
Documentos Datos que ofrece.
Rugosímetros Eléctrico Microgeómetro …1000 Diagrama inmediato
Rm-Rt-Ra
Talysurf …15 - Ra
Comprobador …60 Diagrama inmediato
Ra-Rt
Perfilómetro …100 Diagrama inmediato
Rt-Rp-Ra-Rs
Mecánico Iindicadorsuperficial
…400 - Rt
Óptico Aparato Foster 0.5…100 Diagrama previo
revelado
Rt
Luz seccionada Microscopio de luz seccionada
1-400 Fotografía Rt
Interferencias Microscopio de interferencias
0.03-30 Fotografía Rt
Comprobador de superficies
0.03-30 Fotografía Rt
Multimi 3000 0.005-25 Fotografía Rt
En todo perfil de la rugosidad superficial las siguientes líneas fundamentales (figura):
Lh-Línea límite superior
Lg-Línea límite inferior
Lm-Línea media
Rt-Rugosidad total
Rm-Rugosidad media
A partir de la figura 1.3, se puede determinar la rugosidad de la siguiente manera:
Midiendo en micras la distancia entre las líneas Lh y Lg, es decir, el valor Rt, aunque
realmente es la altura máxima de rugosidades, que si bien es significativa, no se utiliza
comúnmente. Las rugosidades medidas por este procedimiento vienen indicadas por las
siglas Rt, cuando los valores se dan en micras (μ) o por letra R, al estar dados en
milipulgadas [6].
CAPÍTULO I
Página 11
Figura 1.3 Líneas fundamentales en el diagrama de rugosidades.
1.7Trabajo de los abrasivos.
Son numerosas las posibilidades de aplicación de los diversos tipos de abrasivos y
existen una gran variedad de máquinas; naturalmente, al tratar de éstas deben tenerse en
cuenta sus características generales, ya que cada fabricante introduce continuos cambios
para mejorar el rendimiento de sus productos, así como para, en muchos casos, hacerlos
más versátiles en su aplicación [6].
Además de aquellas máquinas que se podrían considerar como incluidas dentro de unos
tipos más o menos comunes, por ser conocida su esencia de construcción, pueden
encontrarse, y en realidad existen, máquinas construidas para trabajos particulares, que
de hecho consisten en una adaptación de los mecanismos básicos para realizar ciertos
trabajos. Por eso, no es posible mencionar aquí todas las características de máquinas
susceptibles de emplear abrasivos, sino tan sólo aquellas que son más significativas para
realizar cada uno de estos trabajos [6].
Hay que sentar unas amplias bases sobre el trabajo que se puede realizar con cada tipo
de abrasivo, lo cual depende mucho de la calidad de la superficie que deba tener la pieza
mecanizada y de la cantidad de material a elevar. En la figura 1.4 se representa
gráficamente, y de forma muy esquemática, el tipo de abrasivo más adecuado, en función
del arranque de material y de la calidad superficial. Existe una cierta lógica en emplear
abrasivos aglomerados, cuando se precisen grandes arranques de material. Pero cuando
lo que se pretenda sea una mejora de la calidad o aspecto de la pieza, más que una
elevación de material o una conservación de medidas, se deben escoger abrasivos sin
soportes, o todo lo más aquellos en que dichos soportes sean pastas o aceites y en
algunos casos fibras ni tejidas [6].
Para conseguir ciertos acabados especiales, se usaran granos abrasivos proyectados por
chorreado sobre la pieza. Cuando se precise exactitud en medidas y acabado, se recurrirá
al superacabado, utilizando de nuevo abrasivos aglomerados [6].
Lh
Lm
Rm
Lg
Rt
CAPÍTULO I
Página 12
Figura. 1.4 Grafico indicativo del tipo de abrasivo a emplear en función del trabajo.
Se clasifican las máquinas que usan abrasivos aglomerados, tal como se muestra en la
tabla 1.2.
Tabla.1.2 Clasificación de máquinas para abrasivos.
TRABAJOS CON ABRASIVOS AGLOMERADOS
Para trabajo de desbaste
-Desbaste de piezas de fundición
-Rebarbado de piezas en bruto de fundición o forja
-Descascarillado de lingotes y productos laminados
-Tronzado
-Preparación de superficies planas para una posterior mecanización
Para trabajos de acabado
-Rectificado cilíndrico exterior entre puntos
-Rectificado cilíndrico exterior sin puntos
-Rectificado cilíndrico interior
-Rectificado superficies planas
-Rectificado de roscas
-Rectificado de perfiles
-Rectificado de árboles de levas y cigüeñales
-Rectificado de engranes
Afilado
Pastas y aglomerantes
Abrasivos libres
Abrasivos aplicados
Abrasivos aglomerados
Materiales a rebajar
Calidad superficial
Tamaño del grano
CAPÍTULO I
Página 13
En la tabla 1.3 se muestran las clases de rectificados en superficies planas dependiendo,
del ángulo de incidencia entre el abrasivo y la pieza, así como también del tipo de
abrasivo utilizado.
Tabla. 1.3 Clases de rectificado superficies planas.
RECTIFICADO SUPERFICIES PLANAS
-Tangencial
-Frontal (aros)
-Frontal (segmentos)
-Frontal (copas y vasos)
1.7.1Rectificadoras.
El requisito primordial que precisan cumplir las maquinas rectificadoras es precisamente
lograr una gran exactitud de formas y calidad superficial perfectamente definida y, como
segundo objetivo, buena capacidad de arranque de material por unidad de tiempo [6].
Desde el punto de vista constructivo, todas las rectificadoras poseen características
fundamentales se deben que considerar a la hora de decidir su uso para un determinado
trabajo [6].
Se puede seleccionar la máquina adecuada para el trabajo, partiendo de dichas
características fundamentales, teniendo en cuenta los siguientes factores:
1. Dimensiones y forma de la pieza a rectificar Tipo de máquina
2. Clase de material y cantidad a arrancar Velocidad, avances, potencia
3. Operación a realizar sobre la pieza y grado Maquina precisión utillaje
de precisión
1.7.1.1 Rectificadoras de superficies planas.
Se utilizan estas máquinas para obtener superficies planas de mucha exactitud, en piezas
previamente mecanizadas o en algún caso sin ningún tipo de mecanización previa. No
resulta extraño encontrar operaciones de rectificado plano, que efectúa desbastes de
varios milímetros en una sola pasada en piezas en bruto [6].
Cuando se precisen estrechas tolerancias en el mecanizado, el rectificador que ofrece
mayor grado de exactitud es el que trabaja con muela; en tal caso el eje de accionamiento
de la muela está colocado horizontalmente. No obstante, a efectos de arranque de
material, es la máquina que menor capacidad de corte ofrece [6].
Si fuese de más importancia la rapidez en el arranque que el grado de exactitud, se deben
escoger máquinas de trabajo frontal, que utilizan muelas de aro, vaso, copa o segmento;
en este ultimo caso se conseguirá el mayor arranque previsto en estas maquinas salvo
con máquinas destinadas a trabajos especiales que trabajan con plato de tuerca,
juntándose varios cabezales para conseguir instalaciones adecuadas para mecanizado de
piezas determinadas [6].
CAPÍTULO I
Página 14
Además la forma y disposición de la mesa para la fijación de la pieza a mecanizar tiene
gran importancia a la hora de escoger un tipo más adecuado. Existen máquinas de mesa
larga dotadas de un movimiento de vaivén y mesas circulares con movimiento giratorio.
Tanto en uno como en otro caso es adecuado el empleo de platos magnéticos para la
fijación de las piezas con caras paralelas. Industrialmente, existen máquinas y
disposiciones de fijación que permiten trabajar la pieza, no sólo por su parte superior, sino
incluso por sus zonas laterales o varias caras simultáneamente [6].
Se tendrá en cuenta que el rectificado plano es mucho más sensible que el cilíndrico, lo
cual exige que la muela se halle perfectamente ajustada para cada trabajo en particular y
sea necesario efectuar frecuentes cambios de muela, requisito que será necesario
considerar al elegir uno u otro tipo de máquina destinada a trabajos de rectificado plano.
La velocidad de la pieza depende de la clase de material con que esté construida, de su
área a mecanizar y de la profundidad de arranque de dicho material. Así, por ejemplo, el
acero se rectifica con poca profundidad de pasada pero bastante avance (150 a 300
mm/s) y la fundición se rectifica con menos avance (100 a 150 mm/s) pero mayor
profundidad de pasada [6].
Por último se, admitirá como habitual una exactitud en las máquinas para rectificado plano
del orden de ±10µ en piezas de aproximadamente 2m de longitud, disminuyendo a ±5µ o
menos en piezas cortas [6].
1.8 Bridas.
Las bridas son piezas que conectan tuberías con equipos industriales tales como bombas,
intercambiadores de calor, calderas, tanques reactores, etcétera, o con otros accesorios
como codos o válvulas. La unión se realiza mediante dos bridas, una de las cuales
pertenece a la tubería y la otra al equipo industrial o accesorio al cual se la quiere
conectar [1].
Las clases más usuales son: 150#, 300#, 600#, 900#, 1500# y 2500#, aunque ASME
B16.47 reconoce la clase 75# la cual está pensada para presiones y temperaturas de
trabajo de baja exigencia [2].
1.8.1 Tipos de bridas.
Los diferentes tipos de bridas se muestran en la tabla 1.4, las cuales serán descritas a
continuación [3].
CAPÍTULO I
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Tabla 1.4 Tipos de bridas.
TIPOS DE BRIDAS
-Bridas con cuello para soldar
-Bridas deslizantes
-Bridas ciegas
-Bridas con asiento para soldar
-Bridas roscadas
-Bridas para junta con solapa
-Brida de orificio
1.8.1.1. Bridas con cuello para soldar (weldingneck).
Estas bridas se diferencian por su largo cuello cónico, su extremo se suelda a tope con el
tubo correspondiente. El diámetro interior del tubo es igual que el de la brida, esta
característica proporciona un conducto de sección prácticamente constante, sin
posibilidades de producir turbulencias en los gases o líquidos que por él circulan. El cuello
largo y la suave transición del espesor del mismo otorgan a este tipo de bridas
características de fortaleza aptas en sectores de tuberías sometidos a esfuerzos de
flexión, producto de las expansiones en línea como se muestra en la figura 1.5 [2].
Las condiciones descritas aconsejan su uso para trabajos severos, donde actúen
elevadas presiones [3].
Figura1.5.- Brida con cuello para soldar
1.8.1.2. Bridas deslizantes (slip-on)
En este tipo de bridas, el tubo penetra en el cubo de la misma, sin llegar al plano de la
cara de contacto al que se une por medio de cordones de soldadura interna y
externamente. Puede considerarse de montaje más simple que la brida con cuello, debido
a la menor precisión de longitud del tubo y a una mayor facilidad de alineación. Sus
condiciones mecánicas a la resistencia y fatiga son en general buenas, pero algo
inferiores a las bridas con cuello, cuya sustitución por la brida deslizante, cuando las
condiciones de trabajo son menos exigentes, se justifica por el menor costo de ésta, tal
como se observa en la figura 1.6 [3].
CAPÍTULO I
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Figura 1.6- Brida deslizante.
1.8.1.3. Bridas ciegas (blind)
Están destinadas a cerrar extremos de tubería, válvulas o aberturas de recipientes,
sometidos a variadas presiones de trabajo. Desde el punto de vista técnico, este tipo de
bridas es el que soporta condiciones de trabajo más severas (particularmente las de
mayores dimensiones), ya que al esfuerzo provocado por la tracción de los bulones, se le
adiciona el producido por la presión existente en la tubería [3].
En los terminales, donde la temperatura sea un factor de trabajo o actúen esfuerzos
variantes o cíclicos, es aconsejable efectuar los cierres mediante el acople de bridas con
cuello y ciegas, tal como se ilustra en la figura 1.7 [3].
Figura 1.7.- Brida ciega.
1.8.1.4. Bridas con asiento para soldar (socket welding).
Su mayor rango de aplicación radica en tuberías de dimensiones pequeñas que
conduzcan fluidos a altas presiones. De allí que las normas ANSI B16.5 aconsejan su uso
en tubos de hasta 3” de diámetro en las series 150, 300, 600, y de hasta 2 ½” en la serie
1500 [3].
En estas bridas el tubo penetra dentro del cubo hasta hacer contacto con el asiento –que
posee igual diámetro interior que el tubo- quedando así un conducto suave y sin
cavidades. La fijación de la brida al tubo se realiza practicando un cordón de soldadura
alrededor del cubo. Es frecuente el uso de estas bridas en tuberías destinadas a procesos
CAPÍTULO I
Página 17
químicos, por su particular característica de conceder al conducto una sección constante
como se muestra en la figura 1.8 [3].
Figura1.8.- Brida con asiento para soldar.
1.8.1.5. Bridas roscadas (threaded)
Estas bridas presentan la característica de no llevar soldadura, lo cual permite un fácil y
rápido montaje, las cuales deben ser destinadas a aplicaciones especiales, por ejemplo,
en tuberías donde existan altas presiones y temperatura ambiente. No es conveniente
utilizarlas en conductos donde se produzcan considerables variaciones de temperatura,
ya que por efectos de la dilatación de la tubería, pueden crearse pérdidas a través del
roscado al cabo de un corto período de trabajo, tal como se observa en la figura 1.9 [3].
Figura 1.9.- Bridas roscada.
1.8.1.6. Bridas para junta con solapa (lap-joint)
Son bridas destinadas a usos muy particulares. Ellas producen el esfuerzo de acople a
sectores de tubos solapados, que posteriormente se sueldan a los tubos que conformarán
la línea. La capacidad de absorber esfuerzos, puede considerarse muy similar a la de las
bridas deslizantes [3].
Generalmente, se colocan en tuberías de aceros comunes o especiales que necesiten ser
sometidas con frecuencia a desmontajes para inspección o limpieza. La facilidad para
girar las bridas, y alinear así los agujeros para bulones, simplifica la tarea, especialmente
CAPÍTULO I
Página 18
cuando las tuberías son de gran diámetro. No es aconsejable su uso en líneas que están
sometidas a severos esfuerzos de flexión, como se puede ver en la figura 1.10 [3].
Figura1.10.- Brida para junta con solapa.
1.8.1.7. Bridas de orificio.
Están destinadas a ser colocadas en puntos de la línea donde existen instrumentos de
medición. Son básicamente iguales a las bridas con cuello para soldar, deslizantes o
roscadas; la selección del tipo en función de las condiciones de trabajo de la tubería.
Radicalmente tienen dos agujeros roscados para conectar los medidores.
Frecuentemente es necesario separar el par de bridas para extraer la placa de orificio; la
separación se logra gracias al sistema de extracción que posee, conformado por un bulón
con su correspondiente tuerca alojada en una ranura practicada en la brida. Existe otro
sistema de extracción, en el cual el bulón realiza el esfuerzo de separación a través de un
agujero roscado practicado en la brida. Este sistema tiene una desventaja con respecto al
anterior, ya que cuando se deteriora la rosca, se inutiliza la brida para tal función, como se
muestra en la figura 1.11 [3].
.
Figura 1.11.- Brida de orificio.
CAPITULO II
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CAPÍTULO 2 PLANTEAMIENTO DEL
PROBLEMA
CAPITULO II
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Este trabajo implica problemas tanto en cuestiones técnicas, económicas y sociales, ya
que el rectificado de las bridas se realiza de forma manual y, en ocasiones, la brida debe
ser desmontada del proceso. Esto implica una producción diferida, debido a que el tiempo
en el que se está llevando a cabo el rectificado, el proceso se encuentra parado por
cuestiones de seguridad; otro aspecto económico es la cantidad de empleados que se
necesitan.
En las figuras 2.1 y 2.2se pueden observar cómo dos trabajadores realizan el rectificado
manual. Al hacer esto, los trabajadores están expuestos a sufrir lesiones por cargar la
brida al desmontarla y montarla, por postura de trabajo, por falta y/o mal uso del equipo
de seguridad, y por estar en contacto directo con el proceso de rectificación.
En la parte técnica, un problema común es que las velocidades del rectificado no se
respetan, ya que al hacerse manual, no se tiene un control de esta variable; así mismo
pasa con el torque. El tamaño de la rectificadora hace que sea difícil encontrar un lugar
adecuado y con espacio suficiente para trabajar, esto implica tener que transportar la
brida a un lugar en donde el espacio sea el adecuado.
Figura 2.1.-Trabajadores rectificando una brida de forma manual.
CAPITULO II
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Figura 2.2.-Trabajadores rectificando una brida de mayor tamaño.
En la figura 2.3se muestra una brida dañada por el fluido y el tiempo. En contraste en la
figura 2.4 se muestra una brida rectificada.
Figura 2.3.-Brida desgastada.
CAPITULO II
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Figura 2.4.- Brida rectificada.
CAPITULO III
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CAPÍTULO 3 Diseño mecánico
CAPITULO III
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3.1 Brida a rectificar.
Se propone implementar un prototipo de una rectificadora semiautomática de bridas de
diámetro de diez pulgadas clase 900, según la norma ASME B16.5-2003. La brida
propuesta es clasificada como clase 900, porque está diseñada para trabajar con una
presión de proceso de hasta 900 lb/pulg² o psi (que en el sistema internacional es igual a
63.28 kg/cm². La norma ASME, ya mencionada, especifica las medidas de la brida para
que ésta funcione adecuadamente en las condiciones específicas de ésta clase. Cabe
mencionar que la brida propuesta es una brida de cara realzada; en éste tipo de bridas,
precisamente el área realzada es el área de rectificado. En la figura 3.1 se indican las
medidas de la brida según la norma; así como la zona de rectificado, la rectificadora
semiautomática de bridas se dibujó a partir de estas dimensiones. Las cotas utilizadas en
las figuras están dadas en milímetros (mm).
Esta rectificadora está diseñada para montarse sobre la brida, de este modo no es
necesario desmontar la brida del proceso. La máquina se debe llevar, por un operador,
hasta la brida, montarse y fijarse manualmente con los sujetadores (esta pieza se
describirá más adelante). Una vez que está colocada la rectificadora sobre la brida, el
operador presiona el botón de arranque y el proceso automático de rectificado
comenzará, (este proceso se explicara a detalle más adelante). Al término de éste
proceso, el operador puede desmontar la máquina de la brida.
3.2 Construcción mecánica.
El prototipo se construyó a escala real para la brida ya mencionada y se utilizó placa de
acero al carbón de 12.7 mm de espesor para la mayoría de las piezas. Para las patas de
la máquina, se necesitó PTR de 50 mm x 50 mm, Se utilizó este material y calibre para
tener un buen soporte y rigidez en el proceso de maquinado. En la figura 3.2 se muestra
un dibujo en tercera dimensión de la rectificadora semiautomática de bridas de diez
pulgadas clase 900.
El prototipo está constituido por cuatro piezas mecánicas: el cuerpo, las patas, los
sujetadores y el brazo rectificador. Véase la figura 3.2. En la tabla 3.1 se enlistan tales
piezas con sus correspondientes nombres. Los sujetadores permiten fijar firmemente la
máquina sobre la brida. Las patas le dan la altura necesaria a la máquina para que el
brazo rectificador pase por debajo del cuerpo. El cuerpo sostiene el brazo de rectificado y
mediante una flecha, ubicada al centro de la brida, permite que éste último gire. El brazo
rectificador está formado por dos mecanismos de tornillo sinfín acoplado a un motor a
pasos.
CAPITULO III
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Figura 3.1. Vista de planta y frontal de una brida de 10” clase 900 de tipo de cara realzada
CAPITULO III
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Figura 3.2. Dibujo en tercera dimensión de la rectificadora semiautomática de bridas.
Brida
Pieza 3
CAPITULO III
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Tabla 3.1. Piezas mecánicas de la rectificadora semiautomática de bridas.
Pieza Pieza Nombre
1 Cuerpo
2 Patas
3 Sujetadores
4 Brazo rectificador
El cuerpo es una placa de 12.7 mm en forma de cruz, como se ve en la figura 3.3. En
cada uno de sus extremos se encuentra un ojal, en donde se puede ajustar cada pata
según el diámetro de la brida, mediante un tornillo de 12.7 mm. Al centro del cuerpo se
encuentra una flecha que lo atraviesa de arriba hacia abajo. Acoplado a dicha flecha, se
encuentra un motor de CD, en la parte superior del cuerpo. En la parte inferior del cuerpo
se encuentra, acoplado a la flecha, el brazo rectificador.
En la figura 3.4 se muestran las dimensiones de la pieza 1. Se diseñó en forma de cruz,
para que la máquina se sostenga en cuatro patas, dándole mayor firmeza.
La pieza 2: patas, se muestra en la figura 3.5, donde se observa que esta compuesta por
las piezas 2.1 y 2.2. Se tienen cuatro patas para sostener el cuerpo y el brazo rectificador
de la máquina. Cada pata está formada por un tramo de PTR y por una placa de 12.7 mm.
La placa se encuentra soldada a la parte superior del tramo de PTR. Esta placa permite
que las patas se ajusten adecuadamente al diámetro de la brida, mediante un tornillo de
12.7 mm que sujeta la placa y el cuerpo, a través de su ojal.
En la figura 3.6 se tiene una vista de planta de la pieza 2.1, la cual es una placa de 50 mm
x 50 mm con espesor de 12.7 mm. Al centro tiene un barreno con cuerda de 12.7 mm de
diámetro.
En la figura 3.7 se muestran las dimensiones de la pieza 2.2 construida con PTR de 50
mm x 50 mm con un espesor de 9.5 mm. En la figura 3.8 se muestra un dibujo de ésta
pieza en tercera dimensión, en donde se puede apreciar su altura.
Se tienen cuatro sujetadores, uno en cada pata. Cada sujetador está formado por dos
placas de 12.7 mm de espesor, unidas por un tornillo de 12.7 mm. La placa superior se
encuentra inmóvil, soldada a un extremo de la pata. La placa inferior se mueve hasta
sujetar la brida, este movimiento se realiza girando el tornillo manualmente. Ambas placas
cuentan con un barreno con cuerda de 12.7 mm para hacer pasar la cuerda del tornillo a
través de estos. Ver figura 3.9.
Ambas placas (pieza 3.1 y 3.2) del sujetador miden 95 mm x 50 mm y tienen un espesor
de 12.7 mm. Se encuentra un barreno roscado de 12.7 mm de diámetro a 32.5 mm del
borde izquierdo de la placa, como se muestra en la figura 3.10.
CAPITULO III
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Figura 3.3.Dibujo en tercera dimensión de lapieza 1: cuerpo.
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Figura 3.4. Vista de planta de la pieza 1: cuerpo.
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Figura 3.5. Dibujo en tercera dimensión de la pieza 2: patas.
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Figura 3.6. Vista de planta de la pieza 2.1
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.
Figura 3.7. Vista de planta de la pieza 2.2
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Figura 3.8. Dibujo en tercera dimensión de la pieza 2.2.
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Figura 3.9. Dibujo en tercera dimensión de la pieza 3: sujetadores.
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Figura 3.10. Vista de planta de las piezas 3.1 y 3.2.
CAPITULO III
Página 36
El brazo rectificador está compuesto principalmente por dos piezas el brazo axial (pieza
4.1) y el brazo porta-herramienta (pieza 4.2). Ver figura 3.11.
La pieza 4.1 que es el brazo axial, está construido por las piezas mostradas en la figura
3.12. Ésta pieza esta acoplada a la flecha del motor de CD para permitir el movimiento
rotatorio a todo el brazo de rectificado. En esta pieza se encuentra alojado el motor a
pasos 1, el cual proporciona el movimiento axial. Acoplado a éste motor se encuentra un
tornillo sinfín acompañado de dos guías paralelas a éste. La pieza 4.1.5 se mueve
mediante el tornillo sinfín, deslizándose a través de las guías (piezas 4.1.7 y 4.1.8).
La pieza 4.1.1 es una placa de 80 mm x 106.35 mm con espesor de ½”. Ver figura 3.13.
Ésta placa sirve de soporte para el motor a pasos 1 y para la flecha del motor de cd.
La pieza 4.1.2 es una placa de 50 mm x 80 mm con un espesor de 12.7 mm. Ver figura
3.14. Ésta placa le sirve de pared y soporte al brazo axial, en su extremo izquierdo.
En la figura 3.15 se muestra la pieza 4.1.3, la cual es una placa de espesor de 12.7 mm
con dimensiones de 80 mm x 210 mm. Esta pieza sirve de soporte para las tres paredes
del brazo axial, además de que está sujeta a la flecha del motor de CD.
Las piezas 4.1.4 y 4.1.6 son iguales, cada una es una placa de 50 mm x 80 mm de
espesor de 12.7 mm, con un barreno al centro de 14.29 mm de diámetro. Ver figura 3.16.
Ambas placas sostienen en sus extremos a las guías (piezas 4.1.7 y 4.1.8); así como
también acoplan al tornillo sinfín (pieza 4.1.9).
La pieza 4.1.5 es una placa de 40 mm x 90 mm de 12.7 mm de espesor, con tres
barrenos de 19.05 mm de diámetro, ubicados como se muestra en la figura 3.17. Sólo el
barreno ubicado en el centro es roscado.
En la figura 3.18 se muestran las medidas de las piezas 4.1.7 y 4.1.8. Cada pieza es una
barra sólida de diámetro de 19.05 mm y de longitud de 90.95 mm. Como ya se ha
mencionado anteriormente, estas piezas sirven de guía a la pieza 4.1.5 para su
movimiento.
La pieza 4.1.9 es un tornillo sinfín de diámetro 19.05 mm y de longitud 96.35 mm. Éste
tornillo sin fin se encuentra acoplado al motor a pasos 1. Ver figura 3.19.
CAPITULO III
Página 37
Figura 3.11.Dibujo en tercera dimensión de la pieza 4: brazo rectificador.
CAPITULO III
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Figura 3.12. Dibujo en tercera dimensión de la pieza 4.1: brazo rectilineo.
CAPITULO III
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Figura 3.13. Dimensiones de la pieza 4.1.1
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Figura 3.14. Dimensiones de la pieza 4.1.2.
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Página 41
Figura 3.15. Dimensiones de la pieza 4.1.3.
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Página 42
Figura 3.16. Dimensiones de las piezas 4.1.4 y 4.1.6.
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Página 43
Figura 3.17. Dimensiones de la pieza 4.1.5.
CAPITULO III
Página 44
Figura 3.18. Dimensiones de las piezas 4.1.7 y 4.1.8.
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Página 45
Figura 3.19. Dimensiones de la pieza 4.1.9.
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La pieza 4.2: Brazo porta-herramienta, se muestra en la figura 3.20. En esta pieza se
encuentra el motor a pasos 2, el cual proporciona el movimiento alternante de subir y
bajar el buril. Aquí también se encuentra la pieza de porta-herramienta, donde se coloca
el buril para realizar el maquinado.
La pieza 4.2.1 es una placa de 50 mm x 112.24 mm con un espesor de 12.7 mm, que
tiene un barreno de 15.88 mm de diámetro, y otros dos con cuerda de 3.18 mm de
diámetro cada uno. En esta placa se encuentra fijo el motor a pasos 2 mediante dos
tornillos de 3.18 mm, que atraviesan esta placa. Ver figura 3.21
La pieza 4.2.2 es la pieza porta-herramienta que está construida por una barra sólida de
30 mm x 112.24 mm con una altura de 30 mm, maquinada como se muestra en la figura
3.20. Se tienen dos barrenos de 12.7 mm de diámetro cada uno, en los extremos de la
pieza; por estos barrenos pasan las guías (piezas 4.2.3 y 4.2.4). El barreno colocado
cerca del centro de la pieza es de 12.7 mm de diámetro y tiene cuerda, donde a través de
él pasa el tornillo sinfín (pieza 4.2.5). En el barreno con forma cuadrada se introduce el
buril y se fija con tres opresores; la inclinación de este barreno se hizo para conservar el
centro de maquinado con el buril. Observar la figura 3.22.
Las piezas 4.2.3 y 4.2.4 son las guías por las que pasa la pieza porta-herramienta (pieza
4.2.2), están construidas por barras sólidas de 12.7 mm de diámetro y 100 mm de
longitud. Ver figura 3.23.
En la figura 3.24 se muestra la pieza 4.2.5 que es un tornillo sin fin de ½” de diámetro por
100 mm de longitud. Éste tornillo sinfín esta acoplado al motor a pasos 2 y a través de él
pasa la pieza porta-herramienta (pieza 4.2.2).
CAPITULO III
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Figura 3.20. Pieza 4.2: Brazo porta-herramienta.
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Figura 3.21. Dimensiones de la pieza 4.2.1.
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Figura 3.22. Dimensiones de la pieza 4.2.2.
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Figura 3.23. Dimensiones de las piezas 4.2.3 y 4.2.4.
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Figura 3.24. Dimensiones de la pieza 4.2.5.
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3.3. Mecanismos
El proceso de rectificado que realizará la máquina consiste en tres movimientos
automáticos: subir y bajar el buril, movimiento axial y movimiento rotatorio. La secuencia
de dichos movimientos se muestra en la figura 3.25.
Figura 3.25. Diagrama de flujo del rectificado.
Como se muestra en el diagrama de la figura 3.25, el procedimiento de rectificado
comienza con el movimiento rotatorio. Para que inicie tal movimiento, la rectificadora debe
ser colocada y fijada manualmente sobre la brida con los sujetadores. También; es
pertinente mencionar que se debe posicionar el buril sobre la superficie a mecanizar de la
brida, al inicio del área de rectificado; esto antes de iniciar la secuencia de movimientos
automáticos. A continuación, se describirá cada movimiento del prototipo.
El movimiento rotatorio consiste en hacer girar el brazo con un eje ubicado en el centro de
la brida. Este movimiento provoca el maquinado de circunferencias concéntricas sobre la
cara de rectificado de la brida con el buril. En la figura 3.26 se observa dicho movimiento
rotatorio, así como también se muestra una circunferencia maquinada de rectificado.
Inicio
Movimiento rotatorio
No 1 revoluciones
Movimiento subir buril
Si
Movimiento axial
Movimiento bajar buril
INICIO
CAPITULO III
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En este movimiento se usa un motor de CD de 12 V, el cual tiene acoplada una flecha de
12.7 mm de diámetro por 215.1 mm de largo. Ésta flecha, antes de pasar por el cuerpo y
el brazo rectificador, pasa por un cilindro de baleros que facilitan su giro. Después de
pasar los baleros, la flecha atraviesa el cuerpo (pieza 1), con un rodamiento que permite
su giro, es decir el cuerpo permanece fijo durante el movimiento rotatorio. Posteriormente,
la flecha se encuentra soldada al brazo y sostenida por una tuerca al final; de esta
manera, la flecha transmite el movimiento giratorio al brazo rectificador (pieza 4).
En la figura 3.27 se muestra una vista frontal de la rectificadora, donde se indican los
componentes mencionados.
El movimiento axial consiste en mover el brazo en forma lineal sobre el plano X. Este
movimiento proporciona las diferentes distancias entre el centro de máquina y el buril, lo
que representa el radio de cada una de las circunferencias maquinadas de rectificado. En
la figura 3.28 se muestra un acercamiento de la vista frontal donde se representa éste.
Al realizar el movimiento axial se utiliza un motor a pasos acoplado a un tornillo sinfín. El
movimiento rotatorio del motor y del tornillo sinfín es transmitido a un movimiento lineal,
mediante una placa (pieza 4.1.5) con un barreno roscado, que es donde pasa el tornillo
sinfín. Para asegurar el movimiento lineal de dicha placa se utilizan dos guías, que son
dos barras sólidas paralelas al tornillo sinfín, la placa cuenta con otros dos barrenos por
donde pasan las guías. Soldado a esta placa (pieza 4.1.5) se encuentra el brazo porta-
herramienta, mediante la pieza 4.2.1. Cabe mencionar que en este movimiento las partes
móviles son la pieza 4.1.5 y el brazo porta-herramienta. En la figura 3.29 se tiene una
vista de planta del brazo rectificador, donde se indican los elementos mencionados.
El movimiento subir y bajar el buril consiste en desplazar sobre el eje Y, la pieza 4.2.2 que
forma parte del brazo porta herramienta y que es donde se coloca el buril. Este
movimiento sirve para alejar el buril de la superficie de la brida, cuando se realiza el
movimiento axial; y para acercar y posicionar el buril sobre la brida, cuando se realiza el
movimiento rotatorio. La figura 3.30 es un acercamiento de la vista frontal de la
rectificadora, donde se muestra dicho movimiento.
Este movimiento es realizado por el motor a pasos 2, el cual se encuentra acoplado a un
tornillo sinfín. El movimiento rotatorio del motor y del tornillo es transmitido a un
movimiento lineal mediante la pieza 4.2.2 con un barreno roscado, que es donde pasa el
tornillo sinfín. Para asegurar el movimiento lineal de dicha placa se utilizan dos guías, que
son dos barras solidas paralelas al tornillo sinfín, la placa cuenta con otros dos barrenos
por donde pasan las guías. En la figura 3.31 se tiene una vista frontal del brazo porta-
herramienta, indicando las piezas mencionadas.
CAPITULO III
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Figura 3.26. Movimiento rotatorio de la rectificadora semiautomática de bridas.
CAPITULO III
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Figura 3.27. Vista Frontal de la rectificadora semiautomática de bridas.
CAPITULO III
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Figura 3.28. Movimiento axial de la rectificadora semiautomática de bridas.
CAPITULO III
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Figura 3.29. Vista de planta del brazo rectificador.
CAPITULO III
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Figura 3.30. Movimiento subir y bajar de la rectificadora semiautomática de bridas.
CAPITULO III
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Figura 3.31. Vista frontal del brazo porta-herramienta.
CAPITULO III
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3.4 Angulo, filo y fuerza del buril.
El corte de los metales se logra por medio de herramientas con la forma adecuada. Una
herramienta sin los filos o ángulos mal seleccionados ocasionará gastos excesivos y
pérdida de tiempo. En casi todas las herramientas de corte existen de manera definida:
superficies, ángulos y filos. Las superficies de las herramientas son [8]:
Superficie de ataque. Parte por la que la viruta sale de la herramienta.
Superficie de incidencia. Es la cara del útil que se dirige en contra de la superficie
de corte de la pieza.
Los ángulos son:
Ángulo de incidencia (alfa). Es el que se forma con la tangente de la pieza y la
superficie de incidencia del útil. Sirve para disminuir la fricción entre la pieza y la
herramienta.
Ángulo de filo (beta). Es el que se forma con las superficies de incidencia y
ataque del útil. Establece qué tan punzante es la herramienta y al mismo tiempo
que tan débil es.
Ángulo de ataque (gama). Es el ángulo que se forma entre la línea radial de la
pieza y la superficie de ataque del útil. Sirve para el desalojo de la viruta, por lo
que también disminuye la fricción de esta con la herramienta.
Filos de la herramienta
Filo principal. Es el que se encuentra en contacto con la superficie desbastada y
trabajada.
Filo secundario. Por lo regular se encuentra junto al filo primario y se utiliza para evitar la
fricción de la herramienta con la pieza.
La suma de los ángulos alfa, beta y gama siempre es igual a 90°
Para la definición de los valores de los ángulos, se han establecido tablas producto de la
experimentación. En la tabla 3.2 se muestran los ángulos alfa, beta y gama[8].
CAPITULO III
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Tabla 3.2.- Valores de los ángulos
En la figura 3.32 y en la 3.33 se pueden observar gráficamente las superficies con su
ángulo de corte y su fuerza de corte [8].
Figura 3.32.- Superficie y Ángulos de corte
CAPITULO III
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Figura 3.33.- Superficies y fuerzas de corte
3.4.1 Aditivos.
Para el rectificado se debe utilizar abundante fluido de corte sobre la herramienta y la
pieza. El mecanizado genera fuerte fricción entre la herramienta y el material a trabajar,
con ello se producen altas temperaturas que, al no ser controladas, pueden llegar a dañar
los buriles. Un método para reducir la fricción y disminuir la temperatura es aplicar aditivos
lubricantes o refrigerantes en el momento del corte.
Recomendaciones:
El aditivo debe ser transparente (permite al operario ver lo que está haciendo),
poseer una baja viscosidad, que cubra completamente la herramienta y la pieza,
refrescando y disminuyendo la temperatura. Esto evita que se desafile muy rápido
la herramienta.
Su forma debe ser aceitosa y no acuosa, para que no se degrade rápidamente y
mejore el deslizamiento de la cuchilla y la salida fácil de la viruta.
No debe ser tóxico, ni inflamable.
CAPITULO III
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3.5 Determinación de la potencia del motor
Para un sistema dotado de movimiento de rotación:
P= C · ω ------------------------------------------------- (3.1)
Donde:
P es la potencia desarrollada
C es el par torsional del motor
ω es la velocidad angular del movimiento ( en el sistema MKS, P en W, C en N·m y ω en
rad/s).
Cálculo:
La velocidad lineal requerida para un rectificado superficial es:
Velocidad= 18 m/min
Por lo que se transformó la velocidad lineal a velocidad angular de la siguiente manera:
Se obtiene el perímetro de la circunferencia mayor del área a rectificar
Diámetro = .25m ;Perímetro = .25m X π = .7854m
Se obtiene la velocidad angular, teniendo que una revolución es igual al perímetro
ya mencionado
ω = (18 m/min) (1 rev /.7854 m) = 22.9182 rev/min (rpm)
Se hizo la conversión a rad/seg
(22.9182 rpm) (.10472 rad/seg/1rpm)= 2.3999 rad/seg
La carga se consideró midiendo la masa del brazo rectificador
Carga = 3 kg
Para obtener el peso se multiplico la masa por la gravedad
Peso= 3 kg (9.81 m/s2) = 29.34 N
Para obtener el par torsional del motor se considero avanzar un metro
C= 29.43 N·m
∴P= (29.43 N·m) (2.3999 rad/seg) = 70.6318 W o 0.094719 hp
Es necesarioun motor con una potencia de 70.6318 W o 0.094719 hp. [5]
CAPITULO IV
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CAPÍTULO 4 Control de la secuencia
de trabajo de los motores
de la rectificadora
automática de bridas
CAPITULO IV
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4.1Introducción
Para este proyecto se ocupó el microcontrolador PIC16F877Ade microchip, el cual sólo
tiene 35 instrucciones para programar; estas instrucciones son suficientes para realizar la
secuencia de trabajo de los motores de la rectificadora automática. La programación se
realizó en lenguaje ensamblador a través de un software llamado MPLAB IDE v8.63.
El programador que se ocupó fue el PicKit 2, el cual tiene una conexión por medio de USB
por lo que se puede programar en cualquier ordenador, ya que en la actualidad todos
cuentan con este puerto.
Para realizar la simulación de la secuencia de instrucciones se ocupó el software PIC
Simulator IDE, el cual es gratuito.
Se controlan los tres motores por medio del microcontrolador PIC16F877Ael cual se
muestra en la figura 4.1. Se eligió éste ya que tiene un costo accesible, permite realizar
las funciones que se necesitan, su tamaño es reducido por lo que no necesita mucho
espacio, no se descompone con facilidad ya cuando está en una placa de circuito impreso
yes robusto.
Las terminales que no son usadas se pueden ocupar como respaldo, ya que si llegara a
fallar alguna, no se tendría que cambiar por completo el microcontrolador sino que solo se
asignará la función de esa terminal dañada a otra que se encuentre en buen estado.
Figura 4.1.Aspecto físico del microcontrolador PIC16F877A
CAPITULO IV
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En la figura 4.2 se muestra la asignación de las terminales de conexión del
microcontrolador PIC16F877A; este es un encapsulado de 40 terminales, divididos en 5
puertos, alimentación, señal de reloj y su reset [9].
El puerto A se ocupó para las entradas del botón de arranque y del sensor, el cual detecta
cuando se cumple una vuelta en la circunferencia del rectificado. El puerto B se ocupó
tanto para la salida del motor de CD, que permite el movimiento rotatorio; comopara el
motor a pasos, que se encarga del movimientode subir y bajar el porta-herramienta.Por
último, el puerto C se ocupó para el motor a pasos,el cual realiza el movimiento axial y
permite cambiar la zona de rectificado de la brida.
Figura 4.2.- Asignación de las terminales de conexión pins del PIC16F877A
Para la señal de reloj se ocupa un cristal de 20MHz y capacitores de 15pF, se alimenta
con 5 VDC [9].
CAPITULO IV
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4.2 Programa.
En la figura 4.3 se muestra el diagrama de flujo de la estructura del programa.
INICIO
ARRANCA
MOTOR, BAJA
BURIL
PRESIONA LA
BRIDA
PARA MOTOR
DE BURIL
ARRANCA
MOTOR
ROTATORIO
1 VUELTA
PARA MOTOR
ROTATORIO
SUBE BURIL
ARRANCA
MOTOR AXIAL
SE MUEVE 48
PASOS
PARA MOTOR
AXIAL
42 CICLOS
TERMINA
REGRESA A
POSICION ORIGINAL
MOTOR DEJA AL
BURIL EN
POSICION
ORIGINAL
SI
NO
NO
SI
NO
SI
NO
SI
SI
NO
Figura 4.3 Diagrama de flujo del programa
CAPITULO IV
Página 68
El microcontrolador se inicializa como se muestra en la figura 4.4, donde se configuran las
terminales 1 y 3 correspondientes al puerto A como entradas digitales y la entrada 2 como
salida digital, las terminales del puerto B y C se ponen como salidas digitales, el
preescalador se ajusta en 1:256 para que la velocidad en que se ejecutan las
instrucciones sea lenta; como se ocupara un oscilador de 20MHz se configura como HS
que significa High Speed. La demás parte de la cabecera también se pone para que el
microcontrolador PIC pueda realizar sus funciones adecuadamente.
Es importante mencionar que se debe de configurar la librería del microcontrolador
PIC16F877A, ya que en el caso contrario, el programa nunca se ejecuta en el
microcontrolador.
Figura 4.4.- Inicialización del PIC16F877A
CAPITULO IV
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En la figura 4.5 se efectúa la operación de arranque y se energizan dos bobinas del motor
a pasos, que realiza el movimiento de subir el porta-herramienta, para que este no se
regrese y el mecanismo tenga fuerza; esto se logra guardando una constante en la
variable” b” que se mueve al puerto B, a cual sirve para el motor de CD y para el motor de
a pasos del movimiento vertical.
Posteriormente, se cuenta con una serie de instrucciones, las cuales indican cuándo se
complete una vuelta de rectificado; al finalizar dicha vuelta, se manda a la sección de
SUBIR y se carga el valor de cero en la variable “b” para que ya no salga ninguna señal
del puerto B.
Figura 4.5 Arranque y ejecución de la vuelta de rectificado
CAPITULO IV
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El código para el control del motor que sube el porta-herramienta se muestra en la figura
4.6.Se usa una etiqueta que se llama SUBIR, la cual activa la terminal 0X01del puerto B
que sirve como señal para que empiece la secuencia del motor a pasos; la secuencia se
efectúa con cuatro pasos, ya que se requiere que el buril se eleve dejando una separación
entre este y la brida.
Para cada paso se ocupó la instrucción MOVLW que mueve la constante guardada en “b”,
seguida de una instrucción CALL que llama a la etiqueta DELAY, la cual ejecuta la función
de tiempo, donde se efectúa un pequeño retardo entre cada paso. Cada paso consta de
las mismas instrucciones, con diferencia del cuarto paso que, al terminar su instrucción de
tiempo, mueve una constante al puerto B, poniendo en cero todas sus terminales y
posteriormente se llama a la etiqueta AXIAL.
Figura 4.6Accionamiento del motor que sube y baja el buril
CAPITULO IV
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La secuencia del movimiento axial se puede observar en la figura 4.7, donde se tiene una
etiqueta llamada AXIAL, la cual manda a llamar 8 veces la secuencia de tiempo ya que
debe de existir haber un espacio de tiempo entre cada motor. Al terminar el tiempo de
espera, se activa el primer paso pero en vez de mover la constante que se guarda en “b”
al puerto B, esta se moverá al puerto C, ya que en sus terminales configuradas como
salidas se encontrará conectado el otro motor a pasos. Al terminar el primer paso se llama
al paso2A y la secuencia de instrucciones se repite con la diferencia de que en cada uno
se energizarán dos bobinas diferentes; este procedimiento se repetirá 48 veces, ya que
esos son los pasos que se necesitan para que el motor de una vuelta completa y mueva
la pieza 2mm.
Figura 4.7 Secuencia del movimiento Axial
CAPITULO IV
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En la figura 4.8 se muestra que al llegar al paso 48 del movimiento axial, se desactivan
todas las terminales del puerto C, mandando la constante que esta en “b” a dicho puerto;
posteriormente llama a la etiqueta BAJAR en donde se encuentra otro tiempo de espera.
Ya que se hace cambio de motor, al terminar ese tiempo de espera se llama
inmediatamente a la etiqueta PASO1A1.
Figura 4.8 Último paso del movimiento axial y secuencia de espera para pasar el movimiento de bajar.
CAPITULO IV
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Como el porta-herramienta se sube cuatro pasos para realizar el movimiento axial, este se
debe bajar los mismos para que vuelva a posicionarse bajo la brida. La secuencia de los
pasos es inversa, ya que se necesita que el motor gire al lado contrario; al terminar el
PASO4A1, se desenergizan todas las terminales de puerto B, para posteriormente llamar
a la etiqueta ARRANQUE1, la cual confirma que el bit 0X04 del puerto B esté en 0, ya que
es el bit que se ocupa para el motor que hace girar el brazo que realiza la rectificación,
para posteriormente mover la constante que esta en “b” a mi puerto B y empezar a
realizar otra línea de rectificado con mis dos bobinas del motor a pasos energizadas, tal
como se muestra en la figura 4.9.
Figura 4.9 Instrucciones para bajar el porta herramienta e iniciar secuencia del nuevo arranque
Los procedimientos antes mencionados se realizan 42 veces para que se cubra por
completo la zona de rectificado de una brida de 10 pulgadas clase 900. Si se desea hacer
el rectificado en otro tipo de brida en donde la zona de rectificado sea diferente lo único
que cambia son los pasos del movimiento axial.
CAPITULO V
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CAPÍTULO 5 Pruebas
CAPITULO V
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5.1.-Pruebas de la etapa de control.
Se realizaron pruebas, tanto del programa de control del microcontroladorPIC16F877A,
como de la etapa de potencia hacia los motores; armando un circuito electrónico en un
protoboard, siguiendo la configuración de las terminales del microcontrolador, tal como se
muestra en la figura 4.2.
Para la primera prueba se utilizó LED como indicadores de las salidas del
microcontrolador. Como entradas se utilizaron dos interruptores pulsadores normalmente
cerrados. El primero funciona como botón de arranque para iniciar la secuencia de
control. El segundo interruptor simula el sensor infrarrojo que cuantifica las revoluciones
del brazo rectificador. Tal circuito se muestra físicamente en la figura 5.1. El circuito
funcionó acorde al programa de control.
Figura 5.1. Aspecto físico del circuito para comprobar la secuencia del programa.
5.1.1.-Pruebas de la etapa de aislamiento.
Para acoplar los motores a las salidas del microcontroladorPIC16F877A se utiliza una
etapa de potencia y aislamiento. Para el aislamiento se utiliza un optoacoplador 4N25, el
cual tiene como entrada un LED infrarrojo y como salida un fototransistor, y esto se puede
observar en la figura 5.2.
Figura 5.2. Optoacoplador 4N25.
CAPITULO V
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5.1.2.-Pruebas de la etapa de potencia.
En el siguiente apartado se muestran las pruebas que se realizaron con los motores
propuestos en el prototipo mecánico de la rectificadora semiautomática de bridas de diez
pulgadas clase 900. Con las pruebas 1 y 2 se obtuvo la corriente de trabajo y de pico del
motor de CD. Con las pruebas 3 y 4 se obtuvo el circuito de potencia necesario para el
motor de CD, aislando éste circuito con el circuito de control. En la prueba 5 se consiguió
el valor de corriente de trabajo y pico de los motores a pasos.
Prueba 1.
Como primera prueba se conectó el motor de CD directo a una fuente de 12 VCD de 3 A.
Se observó que el motor demandaba demasiada corriente, la cual no es soportada por
esta fuente, por lo que no arrancó el motor, el cual es el encargado de mover el brazo
rectificador.
Prueba 2.
Para la segunda prueba se utilizaron dos fuentes de 12 VCD a 3 A, conectadas en
paralelo para alimentar el motor de CD. De este modo, la fuente de alimentación soporta 6
A; en estas condiciones, el motor opera con una baja fuerza de torque. Al medir la
corriente de operación, se obtuvo 3.5 A. El arranque se dificultó ya que en esta instancia
se presenta un pico de corriente de 17.5 A el cual no es soportado por la fuente.
Prueba 3.
La tercera prueba consistió en conectar un transistor TIP-41C a la salida del
optoacoplador 4N25. La entrada del optoacoplador o etapa de control se simuló con una
fuente de 5 VCD, separada de la ocupada para energizar al motor. La salida del
optoacoplador o etapa de potencia se energiza con la fuente de 12 VCD a 6 A. Se
conectó el motor de CD a la salida del transistor usando tal transistor en sus etapas de
corte y saturación.
En esta prueba, el motor no funcionó por las siguientes razones.
La fuente de alimentación no soportó el pico de arranque del motor de 17.5 A.
La corriente de trabajo del motor de CD es de 3.5 A. El transistor TIP-41C no
soporto tal corriente, ya que este transistor trabaja con una corriente de 3 A.
Prueba 4.
Esta prueba radicó en conectar el motor de CD mediante un relevador, integrado con la
etapa de aislamiento y potencia. Se armó el circuito mostrado en la figura 5.3. Este
circuito funcionó correctamente hasta la bobina del relevador. El motor de CD se conectó
en el contacto N.A. del relevador, pero se presentó el mismo problema, de no contar con
una fuente de alimentación que soporte el pico de corriente de arranque. En la figura 5.4
se puede observar el circuito físico realizado en protoboard.
CAPITULO V
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Figura 5.3. Circuito de potencia con relevador.
Figura 5.4. Circuito físico de potencia con relevador.
Prueba 5.
Se energizó una bobina de cada motor a pasos con 24 VCD, con el objetivo de medir las
corrientes de trabajo de cada motor. En ambos motores se midió una corriente de 4 A,
esto implica tener componentes de potencia.
CONCLUSIONES
Página 78
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
Página 79
Las conclusiones, desde el punto de vista técnico, que se obtienen en este trabajo se
fundamentan en los resultados obtenidos
Durante el desarrollo de la tesis se propuso generar un diseño mecánico de la
rectificadora de bridas, por lo tanto se genero un prototipo mecánico de dicha
rectificadora para una brida de 10 pulgadas, clase 900. De los resultados que se
obtuvieron, se concluye que se debió haber hecho antes una memoria de cálculo.
El procedimiento que rige al prototipo, para realizar el rectificado, debe estar
descrito por una secuencia de movimientos; por ende se realizó un programa de
control que activa cada movimiento en el orden adecuado. Tal programa funcionó
correctamente puesto que se corroboró su funcionamiento, mediante un circuito
del PIC conectando a sus salidas leds que indican cada señal dirigida al motor.
Para el acoplamiento de la parte mecánica con la parte de control se realizaron las
pruebas indicadas en el capítulo 5, por consiguiente no se logro tal acoplamiento,
puesto que el cálculo del motor no se realizó, y se selecciono un motor
inadecuado. Por lo que se hizo un apartado de recomendaciones.
RECOMENDACIONES
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RECOMENDACIONES
RECOMENDACIONES
Página 81
El material utilizado en la rectificadora es pesado, provoca una carga grande en los
motores y como consecuencia los motores demandan una corriente alta para ser
alimentados.
Como se mencionó en el capítulo 5, la corriente de trabajo del motor de cd es de 3 A. Se
midió la corriente de los motores a pasos, energizando una bobina de cada uno de estos,
y se obtuvo que la corriente de trabajo de cada motor a pasos es de 4 A. Tomando en
cuenta que los picos de corriente de arranque llegan a multiplicarse hasta 5 veces la
corriente de trabajo; el pico de corriente del motor de CD es de 15 A. Por lo que se
propone utilizar una fuente de alimentación de 24V a 30A, ya que la corriente máxima en
el sistema se presenta cuando se arranca el motor de CD mientras se mantiene
energizada una bobina de un motor a pasos [11,12].
Para la etapa de potencia del motor de CD es necesario utilizar un transistor de potencia
tipo MOSFET como el que se muestra en la figura 6.1 [10].
Figura 6.1. Transistor MOSFET IRF7476PbF
Aquí se activa con una señal de control de 4.5 V, y trabaja con un voltaje de salida de 12
V a 15 A.
Para la etapa de potencia de los motores a pasos se recomienda el puente H L298 (figura
6.2). El cual soporta hasta 46 V a 4 A. En su entrada lógica considera el cero lógico de 0 a
1.5 V, por lo que no causa problemas al conectarle la señal de control. Cada salida de
control para cada motor procedente del PIC, es aislada por un optoacoplador 4N25 y
mandada a cada entrada correspondiente del puente H [7].
Vista desde arriba S0-8
RECOMENDACIONES
Página 82
Figura 6.2. Puente H L298.
COSTOS
Página 83
COSTOS
COSTOS
Página 84
Tabla 7.1.- Costo Rectificadora.
ELEMENTOS COSTO
Transistor MOSFET IRF7476PbF
$7500.00 ( solo se consigue en Europa)
Puente H L298 $75.00
PIC16F877A $75.00
Buril de pastilla $60.00
Sujetadores $150.00
Cuerpo $2,060.00
Patas de la rectificadora $250.00
Brazo rectificador $690.00
Motor a pasos del brazo axial $150.00
Motor a pasos del brazo porta-herramienta
$100.00
Motor de CD del brazo rectificador $400.00
Fuente de alimentación compacta
de20 amperes con entrada
universal.
$1.507.466
TOTAL: $13017.00
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Página 85
REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Página 86
[1] BRIDAS. HTTP://WWW.CENTRIACERO.COM.AR/DETALLE.PHP?A=BRIDAS&T=3&D=3
[2] AN AMERICAN NATIONAL STANDARD (ASME) B16.47-2006“LARGE DIAMETER
STEEL FLANGES”
[3] TIPOS DE BRIDAS.
HTTP://WWW.FLUIDA.COM.MX/FILES/7%20BRIDAS%20DE%20ACERO.PDF
[4] MANUEL DE LA RECTIFICADORA. RICHARD KIBBE, 304P, 1ª EDICIÓN.
[5] SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE MOTORES ELECTRICOS EDITORIAL
ALFAOMEGA 1998
[6] ABRASIVOS MANUEL FIGUERAS BLANCH MARCOMBO BIOXAREU
EDITORES
[7] DATASHEET PUENTE H L298
[8] ANGULO PARA BURIL.
HTTP://WWW.APRENDIZAJE.COM.MX/CURSO/PROCESO2/TEMARIO2_III_3.
[9] MANUAL MICROCHIP DEL PIC16F877A.
[10] DATASHEET TRANSISTOR DE POTENCIA MOSFET IRF7476PbF
[11] FUENTE DE ALIMENTACION SIEMES:
https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/press/prensa_esp/Pages/Fuente_alime
ntacion_compacta.aspx
[12] DATOS TECNICOS DE LA FUENTE DE ALIMENTACION
https://eb.automation.siemens.com/goos/catalog/Pages/ProductData.aspx?nodeID=
10049451&catalogRegion=WW&language=es&activetab=product®ionUrl=/#active
tab=product&
[13] TABLA DE PESO Y MEDIDAS DE LAS BRIDAS
http://grupos.emagister.com/index/login/?redirect=%2Fficheros%2Fvcruzada%3
Ffdwn%3D1%26idGrupo%3D1167%26idFichero%3D590167&tipoItem=1&idItem=5
90167
[14]RECTIFICADORA MANUAL http://www.hydratight.com/es-
mx/products/machining/facing-and-end-prepping/quickface
[15] DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS. ROBERT L. MOTT, P.E. EDITORIAL PEARSON EDUCACIÓN
[16].www.arqhys.com/diseno-tipos.html------
[17].http://www.grupomaser.com/PAG_Cursos/Auto/auto2/auto2/PAGINA%20PRINCIPAL/Aut
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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[18].www.edutecne.utn.edu.ar/fuzzy_control/UTN-FCONTR.pdf
[19].http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/Control_Avanzado.pdf
[20] PRINCIPIOS FUNDAMENTALES PARA EL DISEÑO DE HERRAMIENTAS.
MIEMBROS DEL COMITÉ DE PUBLICACIONES TECNICAS DE LA A.S.T.M.E.
ANEXO 1
Página 88
ANEXO 1 MICROCONTROLADOR
PIC16F877A
ANEXO 1
Página 89
ANEXO 2
Página 90
ANEXO 2 TRANSISTOR DE
POTENCIA “IRF7476PbF”
ANEXO 2
Página 91
ANEXO 3
Página 92
ANEXO 3 PUENTE H L298
ANEXO 3
Página 93
ANEXO 4
Página 94
ANEXO 4 FUENTE DE
ALIMENTACIÓN
SIEMENS
ANEXO 4
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