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