Diseno y Construcciongranadosbejarano
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO”
TESIS PROFESIONAL
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL
P R E S E N T A N
GRANADOS BEJARANO ERIK CHISTIAN ORDAZ GALVÁN ARGELIA
MÉXICO, D.F. ABRIL, 2008.
ÍNDICE
Objetivo
Introducción
Antecedentes
1 Generalidades
1.1 Sistemas automatizados.
1.1.1 Parte de Mando.
1.1.2 Parte Operativa.
1.1.3 Objetivos de la automatización.
1.2 Máquina de Inyección
1.3 Robots manipuladores.
1.3.1 Sensores y sistemas de control.
1.3.2 Estructura de robots manipuladores.
1.3.2.1 Tipos de articulaciones.
1.3.3 Anatomía de los robots.
1.3.3.1 Los 14 atributos de un buen robot
1.3.4 Aplicaciones.
1.3.5 Analogías y diferencias respecto al hombre
1.3.6 Elementos terminales.
1.4 Origen de los plásticos
1.4.1 Inicios en la utilización de plástico.
1.4.2 Interés en la disposición de plástico.
1.4.3 Proceso de reciclado del plástico
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1.4.3.1 Reciclaje primario
1.4.3.2 Reciclaje secundario
1.4.3.3 Reciclaje terciario
1.4.3.4 Reciclaje cuaternario
2. Análisis de los Componentes
2.1 Controlador Lógico Programable
2.1.1 Visión general del sistema (opcional).
2.1.2 Beneficios.
2.2 Actuadores neumáticos
2.2.1 Tipos de cilindros.
2.2.1.1 Cilindro de doble efecto.
2.2.1.2 Cilindros de simple efecto.
2.2.1.3 Guías externas.
2.3 Ventosas
2.3.1 Ventosas de aspiración
2.3.2 Dimensionado de las ventosas de aspiración
2.3.3 Parámetros a considerar para ventosas.
2.4 Banda Transportadora Conveyor
2.5 Motores de Corriente Directa (CD)
3. Diseño mecánico
3.1 Introducción
3.2 Cálculo de columnas
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3.3 Selección del motor para hacer girar el tornillo que produce el
desplazamiento
3.4 Cálculo de guías
3.5 Diámetro del eje
3.5.1 Husillo de presión con rigidez óptima
3.5.2 Unidad de soporte con rodamientos
3.6 Selección del motor para la base
3.7 Cálculo de engranes para reductor de velocidad
3.7.1 Giro del manipulador (Sección A)
3.7.2 Giro del manipulador (Sección B)
3.7.2.1 Diseño de ruedas dentadas (Engranes rectos)
3.7.3 Cálculo del eje de transmisión
3.8 Cálculos para cuñero
3.9 Cálculo de viga base del manipulador
3.10 Cálculos estáticos
3.11 Cálculo de cilindros neumáticos
3.11.1 Cálculo del cilindro en posición vertical
3.11.2 Cálculo de tapas
3.11.3 Cálculo del cilindro vertical como columna
3.11.4 Cálculo de cilindros en posición horizontal
3.12 Cálculo de la guía del pistón horizontal
3.13 Selección del motor-reductor para el giro del efector final
3.13.1 Placa para sujeción del motor-reductor
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3.14 Selección de ventosa
3.14.1 Cálculo del diámetro de ventosa necesario
3.14.2 Cálculo de la fuerza de elevación (FT)
3.14.3 Cálculo de la fuerza real de elevación
3.14.4 Placa para fijación de las ventosas
3.15 Selección del compresor
3.16 Selección de la unidad de mantenimiento para el área neumática
3.17 Modelado cinemático para un manipulador de 5 grados de libertad
4. Cálculos eléctrico – electrónicos
4.1 Introducción
4.2 Requerimientos eléctricos
4.3 Transistores de potencia
4.4 Driver L293
4.5 Fuente de alimentación
4.5.1 Diagrama y funcionamiento de la fuente de alimentación regulada
4.6 Relevador
4.6.1 Ventajas del Relevador
4.7 Electroválvulas
4.8 Diagrama estado – fase
5. Análisis de Costos
5.1 Costo de la guía del pistón horizontal
5.2 Costo de las 2 guías paralelas al eje
5.3 Costo de las columnas para la base
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5.4 Costo de la placa de aluminio para las ventosas
5.5 Costo de la placa soporte del gripper
5.6 Costo de fabricación del piñón
5.7 Costo de fabricación de engrane recto
5.8 Costo de la placa base de giro
5.9 Elementos neumáticos
5.10 Costo de electroválvulas
5.11 Costo de racor múltiple
5.12 Costo del pistón horizontal
5.13 Costo del pistón vertical
5.14 Costo de manguera
5.15 Costo bridas para tubos
5.16 Costo del motor de giro de manipulador
5.17 Costo de motor de base
5.18 Costo de motor-reductor de gripper
5.19 Costo de elementos electrónicos
5.20 Evaluación económica total del proyecto
5.21 Estudio de gastos por accidente de trabajo
5.22 Comparación del costo de la implementación del proyecto contra pago de accidente de trabajo.
Anexo 1
Gráfica 1
Tabla I
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Tabla II
Tabla III
Anexo 2
Matrices de transformación de coordenadas del manipulador (Denavit – 140
Harterberg)
Anexo 3
Diagrama neumático
Diagrama estado – fase
Diagrama de flujo para el programa de control del manipulador
Dibujos
Válvula de retención para vacío
Válvula de retención para vacío con ventosa
Escuadra de fijación
Unidad de mantenimiento
Soporte de rodamiento
Husillo de bolas
Manipulador
Ventosa
Cilindro neumático
Placa soporte del gripper
Placa del gripper
Unión de ventosa
Diagrama neumático
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Conclusiones
Referencias
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
OBJETIVO
Adecuación de un sistema de producción en la inyección de plástico para reducir el número de
accidentes en el proceso, con la implementación de un manipulador de cinco grados de libertad.
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se explica lo que es un manipulador, el tipo de operaciones que puede realizar,
su funcionamiento, diseño y construcción adecuándolo al proceso de inyección de plástico, teniendo
como finalidad, la seguridad del operador ya que esto representa reducción de gastos médicos y
beneficios para la empresa.
En el capítulo uno se hace la justificación del proyecto dando a conocer aspectos generales de lo que
es un manipulador, se describe el proceso de inyección de plástico y en que momento actúa el
manipulador.
En el segundo capítulo se hace referencia a los componentes que integran el manipulador, el
funcionamiento de cada uno de ellos y el porque de su selección dando a conocer sus ventajas y
desventajas, capacidades y rangos de trabajo.
En el capítulo tres se realiza el cálculo que constituye la parte mecánica del proyecto. Dentro de este
capítulo se encuentran los cálculos de dichos elementos para determinar si el material que se utiliza
es el adecuado y cumple con las necesidades mecánicas del proyecto
El capítulo siguiente tratan los aspectos electrónicos que comprende el manipulador como son:
transistores, relevadores, Controlador Lógico Programable (PLC), etc., y se definirán los
requerimientos eléctricos necesarios.
En el último capítulo se muestran los costos de cada elemento incluyendo los costos de manufactura
y su precio en lista. Además los precios de elementos que se seleccionaron tanto de catálogos como
de tiendas electrónicas. Se hace una comparación entre el costo que representa la implementación de
este proyecto contra el costo que representa para una empresa el que un trabajador sufra un
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
accidente, esto incluye gastos médicos, pago de seguro de vida, pago de incapacidad y el paro en la
producción.
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ANTECEDENTES
El concepto de máquinas automatizadas se remonta a la antigüedad, con mitos de seres mecánicos
vivientes. Los autómatas, o máquinas semejantes a personas, ya aparecían en los relojes de las
iglesias medievales, y los relojeros del siglo XVIII eran famosos por sus ingeniosas criaturas
mecánicas.
Algunos de los primeros manipuladores empleaban mecanismos de realimentación para corregir
errores, mecanismos que siguen empleándose actualmente.
El primer auténtico controlador realimentado fue el regulador de Watt, inventado en 1788 por el
ingeniero británico James Watt.
El control por realimentación, el desarrollo de herramientas especializadas y la división del trabajo
en tareas más pequeñas que pudieran realizar obreros o máquinas fueron ingredientes esenciales en
la automatización de las fábricas en el siglo XVIII. A medida que mejoraba la tecnología se
desarrollaron máquinas especializadas para tareas como poner tapones a las botellas o verter caucho
líquido en moldes para neumáticos. Sin embargo, ninguna de estas máquinas tenía la versatilidad del
brazo humano, y no podían alcanzar objetos alejados y colocarlos en la posición deseada.
En un proceso de fabricación en el cual se utilizan manipuladores sin duda es indispensable la
automatización, el cual es un sistema de fabricación diseñado con el fin de usar la capacidad de las
máquinas para llevar a cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres humanos, y para
controlar la secuencia de las operaciones sin intervención humana
Los manipuladores robóticos crean productos manufacturados de mayor calidad y menor costo. Sin
embargo, también pueden provocar la pérdida de empleos no cualificados, especialmente en cadenas
de montaje industriales.
La seguridad debe ser esencial en el diseño de robots para el servicio humano.
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
La propuesta de diseño es un manipulador de cinco grados libertad, el cual realizara la función del
operador, esto es, cuando el proceso de inyección termine se abrirá la puerta de la máquina y es aquí
cuando el manipulador extiende una de sus articulaciones y toma la cubeta por medio de unas
ventosas, después se contraerá y dejara la cubeta en una banda transportadora para posteriormente
llevarla al almacén fuera del área de trabajo.
Se pretende que el manipulador actué para 2 máquinas inyectoras cada 10 segundos.
Dentro de este proceso se observa que no interviene la mano del hombre y con esto se reduce los
riesgos de accidente y por consecuencia se vuelve un proceso más seguro para la integridad del
operador y se reducen los costos que generarían en la empresa.
Con este proyecto se procura reducir el número de basura plástica (PET). Porque la materia prima
que se utiliza en este proceso es pet reciclado. En nuestro país, el reciclado de PET, el plástico con el
que entre otros elementos se fabrican los envases de refrescos, creció más de 12 veces en los últimos
cinco años. De 780 toneladas de ese material reciclado en 1997 se pasó a más de 10 mil toneladas en
2002.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
1
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
2
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
1.1 Sistemas automatizados.
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.
1.1.1 Parte de Mando.
Suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace poco se utilizaban
relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada).
En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema.
Éste debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes del sistema automatizado.
1.1.2 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 y los captadores como
fotodiodos o finales de carrera.
1.1.3 Objetivos de la automatización.
Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costos de la producción y mejorando
la calidad de la misma.
Mejorar las condiciones de trabajo del personal, incrementando la seguridad.
Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades necesarias en el
momento preciso.
Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos
para la manipulación del proceso productivo.
Integrar la gestión y producción.
1.2 Máquina de Inyección
Una máquina inyectora es un equipo capaz de plastificar el material polimérico (plástico) y
bombearlo hacia un molde en donde llena una cavidad y adquiere la forma del producto deseado.
Una máquina inyectora se compone de cuatro unidades principales:
1. Unidad de cierre
2. Unidad de inyección
3. Unidad de potencia
4. Unidad de control
Figura 1.1 Máquina de inyección
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
4
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
1.3 Robots manipuladores.
La mayor parte de los robots industriales actuales son esencialmente brazos articulados con un
número de grados de libertad que oscila entre 2 y 5, cuyos movimientos de tipo secuencial, se
programan mecánicamente o a través de una memoria o de un controlador lógico programable. No
permiten la combinación simultánea de movimientos ni el posicionamiento de su elemento terminal
(griper). De hecho, según la definición del “Robot Institute of America”, un robot industrial es un
manipulador programable multifuncional diseñado pera mover materiales, piezas, herramientas o
dispositivos especiales, mediante movimientos variados, programados para la ejecución de distintas
tareas.
En robótica subyace la idea de sustituir equipos capaces de automatizar operaciones concretas por
maquinas de uso mas general que puedan realizar distintas tareas.
El concepto “programable” es también básico. La realización por programa de las funciones de
control ofrece mucha mayor flexibilidad y la posibilidad de implantar funciones complejas
necesarias para controlar el manipulador.
Al incluir un manipulador en una aplicación industrial, estamos eliminando una cantidad
impresionante de artefactos que desde el punto de vista de la situación de la mano de obra, son
igualmente eficaces que los manipuladores.
Al ser más baratos, no tienen contrincante para las tareas en las que se encuentran trabajando. Su
limitación radica en que quedan excluidos de las tareas más complicadas o que requieren de cambios
de tareas frecuentes.
Para un manipulador el control de cierta forma es simple en comparación con un robot angular que
necesita una capacidad impresionante de control, ya que en éstos tenemos que combinar el
movimiento de por lo menos 2 ejes con control de ángulos, velocidades y aceleraciones.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
5
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Los manipuladores con solo contar con control punto a punto son también robots verdaderos, pero
más simples dado que la combinación de aceleraciones, velocidades e incluso su trayectoria, serán
las que resulten sin preocuparnos estrictamente de lo que ocurre en los puntos intermedios de la
trayectoria.
Un manipulador es controlado por medio de un computador y esta constituido por algunos
elementos rígidos conectados en serie mediante articulaciones prismáticas o de revolución. El final
de la cadena está fijo a una base soporte, mientras el otro extremo está libre y equipado con una
herramienta para manipular objetos.
1.3.1 Sensores y sistemas de control.
Los sistemas de control de robots pueden considerarse funcionalmente descompuestos según una
estructura jerárquica. En el nivel inferior se realizan las tareas de servocontrol y supervisión del las
articulaciones.
La mayor parte de los robots industriales emplean servomecanismos convencionales con
realimentaciones de posición y velocidad para generar señales de control sobre los actuadores de las
articulaciones. Típicamente, los parámetros del controlador son fijos aunque varíen
significativamente las condiciones de trabajo con la carga o con el propio movimiento.
Los primeros robots industriales eran programados exclusivamente por una guía manual,
almacenando la secuencia de posiciones en la memoria digital. La interacción con la tarea se
limitaba a la apertura o cierre de una pinza u otro órgano terminal, indicándolo a un equipo externo
o esperando una señal de sincronización, las aplicaciones típicas eran de “pick and place”, tales
como la carga y descarga de máquinas, realizando tareas con movimientos absolutamente definidos
y fijos. En cualquier caso los robots podían ser reprogramados para la realización de otras tareas.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
6
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
1.3.2 Estructura de robots manipuladores.
Los robots manipuladores son esencialmente, brazos articulados. De forma más precisa, un
manipulador industrial convencional es una cadena cinemática abierta formada por un conjunto de
eslabones o elementos de la cadena interrelacionados mediante articulaciones o pares cinemáticos
(figura 1.5). Las articulaciones permiten el movimiento relativo entre los sucesivos eslabones.
Figura 1.5 Pares cinemáticas.
1.3.2.1 Tipos de articulaciones.
Existen diferentes tipos de articulaciones. Las más utilizadas en la robótica son las que indica en la
siguiente tabla (Tabla 1.1).
La articulación de rotación suministra el grado de libertad consistente en una rotación alrededor
del eje de la articulación. Esta articulación es, por mucho la mas empleada.
En la articulación prismática el grado de libertad consiste en una traslación a lo largo del eje de
la articulación.
En la articulación cilíndrica existen dos grados de libertad: una rotación y una traslación.
La articulación planar esta caracterizada por el movimiento de desplazamiento en un plano,
existiendo por lo tanto dos grados de libertad.
La articulación esférica combina tres giros en tres direcciones perpendiculares en el espacio.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Esquema Articulación Grados de Libertad.
Rotación
1
Prismática
1
Cilíndrica
2
Planar
2
Esférica (rotula)
3
Tabla 1.1 Tipos de articulaciones.
1.3.3 Anatomía de los robots.
1.3.3.1 Los 14 atributos de un buen robot.
Un buen robot debe poseer:
1) Una mano capaz de sostener y transportar la pieza o herramienta.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
2) Un brazo capaz de mover la mano hasta cualquier punto del espacio (dentro de su alcance).
ad
5) ad acorde con la carga y cometido.
n ser humano.
edia).
acceso rápido a los
9) nuales que permitan a un operador mandar cada una de las funciones del robot
10) apaz de registrar todas las instrucciones del operador.
ciones en ausencia del
12) mas para poder repetir trabajos realizados en el pasado, o con alternancia
13) con la oficina, el taller y con la máquina en
14) e dialogar con un ordenador.
1.3.4 Aplicaciones.
En la actualidad se ha generalizado el uso de robots manipuladores en muchas aplicaciones que
pintar, etc. se encuentren siempre en el lugar determinado en el momento preciso.
3) Una muñeca capaz de orientar la pieza o herramienta en cualquier posición en el espacio.
4) Los músculos necesarios para sostener la pieza o herramienta y transportarla a la velocid
requerida.
Repetitivid
6) Velocidad de ejecución al menos igual a la de u
7) Una fiabilidad de al menos 400 horas de trabajo entre averías (m
8) Una construcción que permita un fácil mantenimiento, con un
componentes y su intercambiabilidad en caso de avería, disponiendo además de auto –
diagnóstico.
Controles ma
por separado.
Una memoria c
11) Sistemas automáticos que permitan a la memoria controlar las opera
instructor humano.
Un banco de progra
(paso de piezas distintas en una misma cadena).
Dispositivos de seguridad y sistemas de conexión
que opera el robot.
Una interfaz capaz d
requieren movimientos repetitivos sencillos, pero la industria automovilística, que fue en un
principio la pionera en el uso de robots, continua siendo la que más los usa, siendo los tipos
principales de aplicación los siguientes: soldadura de puntos, pintura “spray”, manipulación de
partes de la carrocería, chasis y motor. En ninguna de estas aplicaciones es necesario el uso de un
sistema de visión, siempre y cuando se organice el trabajo en forma tal que las partes a soldar,
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
9
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Las tres aplicaciones mencionadas requieren distintas herramientas (end efector) y forma de
programación.
a) Soldadura de puntos: En este caso la herramienta usada al extremo del brazo es una pinza de
soldar por puntos. El robot se programa generalmente por medio de una “caja de enseñanza”
para que soldé siguiendo un camino determinado y actuando la pinza cada cierto número de
b)
alizado
c)
n es similar a la usada en soldadura de punto, caja de
En nin
Si se u isión u otro tipo de sensor externo, este control se hace necesario, ya que la
trayectoria dependerá de la información recibida por el microprocesador [Audí, D.;1998].
centímetros. Las partes a soldar deben estar en la posición correcta o el robot soldará en
puntos desplazados. La caja de enseñanza tiene un teclado con el cual pueden controlarse las
articulaciones y actuar la herramienta de trabajo en la secuencia deseada por el operador. Las
señales producidas por el operador van entrando en la memoria del microcomputador
controlador del brazo y pueden ser después repetidas un número cualquiera de veces.
Pintura “spray”: La herramienta de trabajo es una pistola de pintar. El movimiento no es de
punto a punto, sino continúo. En este caso es más práctico tener una réplica de peso ligero y
tamaño natural del robot, con los mismos sensores que éste. Un operario especi
mueve la pistola como si estuviera pintando y los movimientos van entrando, a través de los
sensores, a la memoria del microprocesador de control y los éstos son replicados fielmente.
Debido al método de programación descritos, se usa el término “leading by the nose” en
inglés, o sea “guiar por la nariz”.
La carga y descarga de piezas podría parecer la tarea más sencilla. Sin embargo en muchos
casos resulta la más complicada debido a la dificultad de agarrar y colocar las piezas de
forma compleja. La programació
enseñanza.
guna de estas tareas es necesario controlar la trayectoria de la herramienta automáticamente.
sa un sistema de v
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
1.3.5 Analogías y diferencias respecto al hombre
arece útil comparar al robot con el hombre al intentar describir su anatomía, ya que existen
similitudes, aunque también, de momento, notables diferencias.
El cuerpo
ento que posibilita alcanzar las 3 coordenadas de posición de un punto en el
espacio.
• Muñeca: elemento que posibilita alcanzar los 3 ángulos de posición de un objeto en el
• Mano – herramienta: “end – efector” (elemento Terminal o ejecutor final).
P
• Tronco: columna o viga soporte (figura 1.6).
• Brazo: elem
espacio.
Figura 1.6 Elementos que forman un grupo motor de un eje de un robot eléctrico.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Sentidos: los sensores
• Visión.
de par.
sión, fuerza.
viles para disminuidos físicos).
Codificadores y resolvers: no fácilmente comparables. No obstante una buena imagen de ellos nos la
da la capacidad que tenemos de conocer la posición de nuestras extremidades manteniendo los ojos
cer o
Conexiones eléctricas u ópticas (cables y fibras ópticas).
•
r putador
erebro es más o menos potente, según el tipo de sofisticación y precio del
robot; podemos empezar por un controlador lógico programable y acabar con un ordenador
mpuesto por la unidad de programación y un controlador.
• Tacto: control de fuerza,
• Piel: pre
• Oído: Ordenes acústicas (automó
rad s.
Nervios: elemento transmisor de órdenes.
•
Músculos: Actuadores
Hidráulicos.
• Eléctricos.
• Neumáticos.
Ce ebro: Com
En este caso, el c
más o menos poderos, co
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ientación
cualquiera en el espacio.
Los robots más completos van equipados con ellas, lo que nos da un robot con 6 grados de
ros tres ejes nos dan la posición). Los nombres de los movimientos de las
muñecas han sido tomados de los habitualmente usados en navegación aérea o marítima.
mpone de tres ejes de rotación en posición ortogonal, el primero
respecto al segundo y el tercero respecto al plano que definen los otros dos (este plano es
Las muñecas
Dijimos que una buena muñeca debe poseer tres ejes para conseguir una or
libertad (los ot
La muñeca clásica se co
paralelo al segundo eje y contiene el primer eje) (figura 1.7).
Figura 1.7 Muñeca de robot con tres ejes de rotación.
1.3.6 Elementos terminales.
Existen significativas diferencias entre los elementos terminales (end effectors) de un robot y la
mano del hombre. Las más notable consiste en que en el robot acoplamos, a veces, directamente la
herramienta, o máquina
s que cambiar la herramienta frecuentemente, se le provee de un
acoplamiento rápido, al estilo de los usados en los centros de mecanizado de control numérico.
portátil, al brazo sin pasar por la mano.
Cuando en un robot tenemo
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
La inmensa mayoría de los robots sólo cambian de elemento terminal al cabo de un largo período,
durante el que ejecutan un trabajo repetitivo. Por ello muchos de estos elementos son simples
mordazas de dos garras. Si las piezas a sujetar son de tipo cilíndrico todavía se simplifica más el
diseño de estas garras.
ano
del hombre capaz de efectuar la sujeción a través de un gran número de posibilidades, y con una
s e irregulares, pero
resultan algo voluminosas y pesadas.
s plásticos en México.
encontramos ante una industria joven que ha evolucionado en
forma acelerada y normalmente a índices superiores al mostrado por el Producto Interno Bruto
poderosas, hicieron aumentar el sector, originando el crecimiento dinámico de resinas
Cuando hay que sujetar piezas irregulares, frágiles o blandas, es cuando se hecha en falta la m
enorme capacidad para repartir la presión procurando no estropear las piezas.
Se han fabricado manos de 5 dedos intentando imitar la mano humana, pero las dificultades son
impresionantes.
A través de varios proyectos de desarrollo, se ha llegado a la construcción de manos de 3 dedos
articulados y con la capacidad de rotación respecto al punto donde están anclados, las cuales
cumplen bastante bien el cometido de sujetar gran número de objetos distinto
1.4. Origen de lo
Dentro de la petroquímica, la industria de resinas sintéticas es la que presenta una mayor relevancia,
la producción nacional para plásticos se remonta escasamente a 57 años la cual se ha caracterizado
por su dinamismo en los últimos años, además la cadena productiva ha impactado todos los sectores
de la economía nacional, es decir nos
Nacional (PIB) y al Manufacturero.
A principios de la década de los 40´s, comenzó la comercialización de los plásticos y el
conocimiento del desarrollo a nivel industrial que ha tenido este sector y la flexibilidad de sus
productos les ha permitido aplicarse en mercados que antes eran cautivos de materiales como, el
hierro, cobre y acero. Desde 1960 la infraestructura y capacidad de las regiones económicamente
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
14
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
termoplásticas, la demanda interna de resinas sintéticas mostró una caída significativa durante 1982-
1984 del orden del 12% en términos globales. En 1986 y 1987 presentó una moderada recuperación,
y en 1985, 1988 y 1989 un importante crecimiento del 4.5 por ciento.
es de tonelada y para el año
o pues abarcando mercado del vidrio, papel y metales
s
• El plástico reciclado no es apto para su reutilización en envases reciclados para la industria de
• Los plásticos reciclables son utilizados en la manufactura de otros productos tales como: fibras
o, esponjas plásticas, transversales para las vías de los
trenes, y textiles.
1.4.1 Inicios en la utilización de plástico.
La primera fábrica de plásticos se llamó Albany Dental Plate Company fundada en 1870. Su nombre
se explica con el hecho de que una de las primeras utilizaciones del celuloide que fue experimentada
por dentistas, felices de sustituir con ella la goma vulcanizada, entonces extremadamente cara,
utilizada para obtener las huellas dentales.
En 1990 la producción mundial de plásticos alcanzó los 100 millon
2,000 llegará a 160 millones de toneladas.
El consumo de plásticos sólo se encuentra por abajo del consumo del hierro y acero, pero debe
tomarse en cuenta que éstos tienen una densidad entre seis y sietes veces mayor a la de los plásticos.
Por esta razón, el volumen producido de plásticos fue mayor al del acero.
Los plásticos seguirán creciendo en consum
debido a sus buenas propiedades y su relación costo – beneficio.
1.4.2 Interés en la disposición de plástico
• Los plásticos reciclados no pueden ser utilizados para fabricar envases similares, como es el caso
del aluminio y del vidrio.
alimentos.
para alfombras, material de empaque y rellen
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
15
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
1.4.3 Proceso de reciclado del plástico
En nuestro país, el reciclado de PET, el plástico con el que entre otros elementos se fabrican los
ese
iclado en 1997 se pasó a más de 10 mil toneladas en 2002.
bución de plantas entre otros.
cia, ya que algunas empresas lo usan como materia prima,
éste basa su importancia en la diferencia de precios que mantiene con el plástico original, en
en artículos con propiedades físicas y químicas
idénticas a la del material original. El reciclaje primario se hace en termoplásticos como PET
ario
envases de refrescos, creció más de 12 veces en los últimos cinco años. De 780 toneladas de
material rec
En el reciclaje del plástico se dan como puntos críticos: el conocimiento y/o la metodología de
cómo se realizan ciertas actividades, como por ejemplo la selección, el lavado, sistemas de molino,
aglutinado y distri
El plástico reciclado es de gran importan
algunas ocasiones se mezclan los dos para obtener mejor calidad y mejor precio, ya que productos
terminados solo con material reciclado poseen apariencia física y propiedades mecánicas menores
que los trabajados con plásticos originales.
1.4.3.1 Reciclaje primario
Consiste en la conversión del desecho plástico
(Polietileno Tereftalato), PEAD (Polietileno de alta densidad), PEBD (Polietileno de Baja
Densidad), PP (Poliestireno) y PVC (Cloruro de Polivinilo). Las propiedades de los termoplásticos
son la base de este reciclaje primario debido a la habilidad de estos de refundirse a bajas
temperaturas sin ningún cambio en su estructura ya que “tienen moléculas que se encuentran en un
alineamiento casi paralelo”.
Proceso de reciclaje prim
Es fundamentalmente el mismo para los distintos plásticos. Consiste en la separación, limpieza,
peletizado, moldeado por inyección y termo-formación.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
16
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Separación: La separación es tan difícil que algunos sistemas automatizados, además del
manual, han sido desarrollados.
Los métodos de separación pueden ser clasificados en separación macro, micro y molecular.
ce sobre el producto completo usando el reconocimiento óptico
del color o de la forma. La separación manual se incluye dentro de esta categoría, esta
año, peso, densidad, etc. Por otra parte la
a temperatura”.
pués del proceso de
olsas plásticas.
SOPLADORA: Máquina utilizada para la elaboración de envases.
La macro separación se ha
clasificación se ve auxiliada por un código de números. La micro separación puede hacerse
por una propiedad física específica como el tam
separación molecular “Involucra procesar el plástico pos disolución del mismo y luego
separar los plásticos basados en l
Limpieza: Los plásticos separados son generalmente contaminados con comida, papel,
piedras, polvo y pegamento. De ahí que, tienen que ser primero limpiados al granulárseles y
luego lavar este granulado en un baño de detergente. Otra opción de limpiado es la de
granular los plásticos repetidamente e irlo desechando sobre pantallas movibles. Se
recomienda usar hidrociclones cuando el desecho plástico está muy contaminado.
“El plástico contaminado es removido y al ser ligero, flota en la superficie en donde es
expulsado. Los contaminantes caen al fondo y se descargan”. Des
limpieza, los plásticos se llaman “hojuelas limpias” o “granulado limpio”.
Peletizado: El granulado limpio y seco puede ser ya vendido o puede convertirse en “pellet”.
Para esto, el granulado debe fundirse y pasarse a través de un tubo para tomar la forma de
espagueti al enfriarse en un baño de agua, una vez frío es cortado en pedacitos llamados
“pellets”.
Esta materia prima es derretida o transformada por medio de máquinas como:
EXTRUSORA: Máquina utilizada para la elaboración de rollos de b
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
17
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
INYECTORA: Máquina utilizada para la elaboración de una gran variedad de piezas
plásticas o sólidas.
Moldeo por inyección: El fundamento del moldeo por inyección es inyectar un polímero
fundido en
un molde cerrado y frío, donde solidifica para dar el producto.
Termoformación: En la termoformación, se calienta una preforma que, por lo común, es
o, se deforma
med
1.4.3.2 Re
El reciclaje secundario convierte al plástico en artículos con propiedades que son inferiores a las del
pol
plástico ivo del reciclaje
sec
incluye
extruso
cortadas a varias longitudes dependiendo de las especificaciones del cliente. Los plásticos
o se funden y tiene que acumularse en el centro de la mezcla y los
una lámina de polímero obtenida por extrusión, hasta que se reblandece y, lueg
iante una fuerza que se aplica al molde, donde se enfría.
ciclaje secundario
ímero original. Ejemplos de plásticos recuperados por esta forma son los termoestables o
s contaminados. El proceso de mezclado de plásticos es representat
undario. Este elimina la necesidad de separar y limpiar los plásticos. La mezcla de plásticos,
ndo tapas de aluminio, etiquetas de papel, polvo, etc., se muelen y funden juntas dentro de un
r. Los plásticos pasan por un tubo con una gran abertura hacia un baño de agua, y luego son
termoestables son partes que n
plásticos más viscosos tienden a salir, dándole al producto final una apariencia uniforme.
1.4.3.3 Reciclaje terciario
Éste degrada al polímero en compuestos químicos básicos y combustibles. Es fundamentalmente
diferente a los dos tipos de reciclaje mencionados anteriormente porque involucra un cambio
químico además del físico. Aquí las largas cadenas del polímero se rompen en pequeños
hidrocarburos (monómeros) o monóxido de carbono e hidrógeno. Actualmente el reciclaje terciario
cuenta con dos métodos principales: la pirólisis y la gasificación. Pero se están desarrollando otros
métodos como son metanólisis y glicólisis.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
18
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
1.4.3.4 Reciclaje cuaternario
Consiste en el calentamiento del plástico con el objeto de usar la energía térmica liberada de este
proceso para llevar a cabo otros procesos, es decir, el plástico es usado como un combustible con
objeto de reciclar energía. La incineración puede incluirse en esta clasificación siempre que la
recuperación de carbón sea acompañada de un generador de vapor, “por el uso directo de gases de
horno de alta temperatura en un proceso que requiere una fuente de calor externa”. Estos gases de
umo son para recalentar, secar o templar hornos. Existen otras ventajas de la incineración tales
como:
a. Mucho menos espacio ocupado que en los rellenos sanitarios.
h
b. La recuperación de metales.
c. El manejo de diferentes cantidades de desecho.
Sin embargo, algunas de sus desventajas son la generación de contaminantes gaseosos, aunque ésta
sea mínima, y la gran inversión monetaria que representa.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
19
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
20
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
2.1 Controlador Lógico Programable.
2.1.1 Visión general del sistema (opcional).
El sistema de MicroLogix 1200/1762 provee la funcionalidad entre los MicroLogix 1000/1761 y
sistemas de MicroLogix 1500/1764, usando la arquitectura de familia de MicroLogix y SLC. La
memoria de escritura de 6K proporciona un programa máximo de las palabras de 4K y los datos
máximos de las palabras de 2K con la conservación de datos de 100 %. Un módulo de memoria
opcional suministra programa y copia de seguridad de datos de carga de programa y la capacidad de
descarga. El reloj de tiempo real opcional permite la planificación de tiempo de las actividades de
control. El sistema operativo auto actualizable deja actualizar el software del sistema sin reemplazar
el equipo físico.
Figura 2.1 Controlador Lógico Programable.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
21
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
2.1.2 Beneficios
Flexibilidad – el rango de I/O y opciones de comunicación lo deja configurar un controlador de
MicroLogix 1200 para diferentes aplicaciones:
• 24 o 40 I/O incorporadas. Las entradas pueden ser de 24V CC (pila o fuente) o de 120V CA.
Salidas a contactos relay o FET.
• Añada hasta 96 I/O digitales en 6 módulos de I/O análogos (dentro de los límites de la
capacidad de suministro de energía, por un total de 136 I/O máximo).
Extensión amplia de opciones de comunicación:
• Módem de radio DF1. El módulos de interfaz de comunicación DH-485 soporta, DeviceNet,
y Ethernet / IP.
• Los controladores MicroLogix 1200 también suministran un puerto de programación HMI
con los parámetros de comunicación fijos para proveer medios adicionales de comunicación
al controlador.
Alta funcionalidad
El MicroLogix 1200 / 1762 suministra un poderoso sistema con las siguientes características:
• Contador de alta velocidad de 20k-Hz.
• 20k - Hz de PTO (Tren de Salida de Pulsos) o PWM (Modulación de Ancho de Impulso).
• Memoria de 6K no borrable (4K máximo de escritura en programa, 2k máximo de escritura
en datos).
• 4 entradas de interrupción.
• 4 seguros de salida.
• 2 potenciómetros incorporados.
• Memoria opcional, reloj de tiempo real o el módulo de memoria / reloj de tiempo real.
• Poderoso set de instrucciones para soporte PID y ASCII.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
22
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
• Software de programación RSLogix 500.
• Sistema operativo auto actualizable.
2.2 Actuadores neumáticos
En los sistemas hidráulicos y neumáticos la energía es transmitida a través de tuberías. Esta energía
es función del caudal y presión del aire o aceite que circula en el sistema.
El cilindro es el dispositivo mas comúnmente utilizado para conversión de la energía antes
mencionada en energía mecánica.
La presión del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de ese fluido es quien
establece la velocidad de desplazamiento del mismo. La combinación de fuerza y recorrido produce
trabajo, y cuando este trabajo es realizado en un determinado tiempo produce potencia.
Ocasionalmente a los cilindros se los llama "motores lineales".
En la figura 2.2, vemos un corte esquemático de un cilindro típico. Este es denominado de doble
efecto por que realiza ambas carreras por la acción del fluido.
Las partes de trabajo esenciales son: 1) La camisa cilíndrica encerrada entre dos cabezales, 2) El
pistón con sus guarniciones, y 3) El vástago con su buje y guarnición.
1)
CONEXIÓN CONEXIÓN
3) BUJE Y GUARNICIÓN
CAMISA 2) PISTON GUÍA DE PISTÓN VASTAGO
VASTAGO
CABEZAL
Figura 2.2 Corte esquemático de un cilindro de doble efecto.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
23
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
2.2.1 Tipos de cilin
fecto.
do en la figura 2.2 constituye la conformación más corriente de los
cilindros hidráulicos y neumáticos, sin embargo para aplicaciones especiales existen variaciones
uración es deseable cuando se
necesita que el desplazamiento volumétrico o la fuerza sean iguales en ambos sentidos.
Figura 2.3 Cilindro de doble vástago.
En muchos trabajos la produc uso de estaciones de trabajo
operadas alternativamente por un cilindro de doble vástago (figura 2.4).
Figura 2.4 Estaciones de trabajo operadas por un cilindro de doble vástago.
dros.
2.2.1.1Cilindro de doble e
El cilindro de doble efecto mostra
cuyo principio de funcionamiento es idéntico al que hemos descrito
La figura 2.3 nos ilustra un cilindro de doble vástago. Esta config
CONEXIÓN CONEXIÓN
ción puede incrementarse mediante el
ESTACIÓN DE TRABAJO ESTACIÓN DE TRABAJO
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
24
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Cada estació secuencia
progresiva por ejemplo, diferentes operaciones en una misma pieza.
ontactos o microválvulas para
establecer una secuencia (figura 2.5).
Figura 2.5 Vástago actuando en 2 microcontactos o microválvulas.
2.2.1.2 Cilindro
de fuerza en un solo sentido. El fluido es aplicado en la cara
delantera del cilindro y la opuesta conectada a la atmósfera como en la figura 2.6.
Figura 2.6 Cilindro de simple efecto
Después de que la carrera de
original por la acción de un resorte interno, externo, o gravedad u otro medio mecánico. El fluido
n puede realizar el mismo trabajo, o dos operaciones diferentes en una
Uno de los vástagos puede ser empleado para actuar sobre microc
de simple efecto.
Cuando es necesaria la aplicación
1
CONE
ESTACIÓN DE TRABAJOMICROVALVULAS O MICROCONTACTOS
VENTEO
EMPAQUETADURA DE VASTAGO
CONEXIÓN
retroceso se ha completado, el pistón es retornado a su posición
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
25
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
actúa sobre el área "neta" del pistón por lo tanto para el cálculo de fuerza debe restarse el área
representada por el vástago.
El resorte de retorno esta calculad exclusivamente para vencer la fricción propia del cilindro y "no"
para manejar cargas externas.
con resorte interior se emplean en carreras cortas (máximas 100mm.)
ya que el resorte necesita un espacio adicional en la construcción del cilindro, lo que hace que estos
cuadrada, camisa ovalada o cuadrada, o una guía interna como la mostrada
en la figura 2.7 que constituye la solución mas corriente y económica, el perno de guía que atraviesa
Los cilindros de simple efecto
sean mas largos que uno de doble efecto para la misma carrera.
2.2.1.3 Guías externas
Vástago de sección ovalo
el pistón está empaquetado en este para evitar perdidas de fluido entre cámaras.
Figura 2.7 Cilindro con guía interna
CONEXIÓN
GUÍA DE PISTÓN VASTAGO
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
26
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Una aplicación típica de un cil a figura 2.8 donde se requiera
mantener una posición relativamente alineada.
Figura 2.8 Cilindro no rotativo
2.3 Ventosas.
on el comp ente activo que crea el enlace entre el manipulador y la pieza a
manipular. Hay una gran diversidad de piezas y aplicaciones de sujeción, así como una gran
herramienta sencilla y
económica para automatizar, en aplicaciones de sujeción repetitivas del tipo “tomar, transportar,
ión de materiales tales como, la cerámica, el vidrio o la madera. Son
adecuadas para un gran número de operaciones de manipulación, tales como clasificación,
indro no rotativo la observamos en l
VASTAGO NO
ROTATIVO
YUGO
PIEZA
Las ventosas s on
variedad de ventosas con diferentes tamaños, material, geometría y diseño.
Actualmente, las ventosas se utilizan ampliamente en la industria como
dejar”, siempre que las piezas tengan superficies planas y no porosas.
2.3.1 Ventosas de aspiración.
Son utilizadas para la manipulac
alimentación, sujeción, giro y apilado, y se utilizan como pinzas en dispositivos de elevación,
sistemas de alimentación y de almacenado, máquinas empaquetadoras y líneas de producción.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
27
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Las ventosas de aspiración son especialmente adecuadas cuando las piezas tienen las siguientes
características:
Dimensiones de difícil manejo.
Sensibles a deformarse.
sguños (rectificadas, pulidas, pintadas).
as, pero no porosas.
Distinción general entre dos tipos de aplicaciones de las ventosas de aspiración:
Gran superficie de aspiración y pequeña diferencia de presión.
Aquí la ventaja es que la fuerza de sujeción puede alcanzarse rápidamente y que hay poca
iales ligeramente porosos,
el aire difícilmente atraviesa el objeto.
Esto significa elevadas fuerzas de aspiración ya que las ventosas son más pequeñas. Lo cual
e a menudo es un factor
decisivo en espacios limitados.
A continuación se muestran los componentes más importantes de una ventosa de aspiración (figura
.9):
No magnetizables.
Superficies sensibles a ra
Superficies ondulad
deformación en las piezas blandas y flexibles. En el caso de mater
Pequeña superficie de aspiración y gran diferencia de presión.
permite reducir el radio de holgura de los manipuladores, lo qu
2
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
28
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Línea de vacío
Vacuostato
Libertad angular
Escape rápido
Libertad vertical
Intercambiabilidad rápida
Generación de la fuerza de sujeción
Sensor de contacto con la pieza
Figura 2.9 Componentes de una ventosa de aspiración
2.3.2 Dimensionado de ventosas de aspiración.
La finalidad es definir el nivel de vacío y el tamaño de la superficie de aspiración, para que sean
compensadas de forma fiable todas las fuerzas que se producen durante la manipulación.
En movimientos lentos, como es el caso de la sujeción de piezas por aspiración en un movimiento
de balanceo, es suficiente considerar las fuerzas estáticas.
Con movimientos rápidos, también hay que considerar las fuerzas dinámicas.
Como principio general se aplica la siguiente ecuación (2.1):
( )S
znApupoF 13 ⋅⋅⋅⋅⋅−= η (2.1)
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
29
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Los términos utilizados arriba son los siguientes:
A = Fuerza teórica de aspiración de la ventosa.
F = Carga de trabajo; fuerza debida al peso de la pieza sujetada; carga total en la zona de aspiración.
3n = Coeficiente de deformación. Los labios muy blandos (ventosas en forma de campana) se
deforman mucho cuando se crea el vacío, lo cual reduce la superficie efectiva de aspiración.
3n = 0,9 a 0,6.
po = Presión atmosférica: depende de la altitud sobre el nivel del mar.
pu = Depresión en la cámara hermética de aspiración.
S = Factor de seguridad a respetar ante el desprendimiento de la pieza.
No basta un simple estado de equilibrio; el objeto a sujetar debe ser presionado
contra la ventosa con una cierta fuerza.
S = 2 a 3.
z = Cantidad de ventosas.
η = Rendimiento del sistema, incluyendo las pérdidas por fugas.
Con movimientos rápidos, al peso de la pieza hay que añadir las fuerzas debidas al momento de
inercia de la masa y a la fuerza centrífuga. Esto produce también líneas de acción diferentes de la
fuerza total. Además, el centro de gravedad del objeto puede no coincidir con el centro de la
ventosa.
La fuerza F es siempre la resultante de todos los efectos estáticos y dinámicos, incluyendo un
margen para los movimientos superpuestos.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
30
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
En casos de movimiento lateral y en los que la superficie de aspiración se halla vertical, debemos
considerar otra variable: el coeficiente de rozamiento µ. Puede tomarse µ = 0,5 para vidrio limpio y
seco, piedra y plástico, bajando hasta µ = 0,1 a 0,4 con superficies húmedas o aceitosas (figura
2.10), (ecuación 2.2).
Figura 2.10 Situación de fuerza en una ventosa
μF/nFs ⋅≥ 2 (2.2)
F = Suma de las fuerzas de desplazamiento.
sF = Fuerza producida por el vacío.
2n = Coeficiente de protección contra desplazamiento.
μ = Coeficiente de desplazamiento.
Con una ventosa horizontal, la fuerza de sujeción es menos del 50% del valor asignado para un eje
vertical.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
31
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
2.3.3 Parámetros a considerar para ventosas.
Los materiales corrientes de las ventosas son perbunan (buna-N), silicona, poliuretano y neopreno.
También se utiliza la goma natural. En ciertas aplicaciones, puede ser indispensable que la ventosa
no marque la pieza, por ejemplo en piezas con acabados a espejo o metales pulidos.
Un método es utilizar caperuzas o laminados textiles bajo las ventosas.
Hay también ventosas de goma fluorada que no producen marcas.
La elección de las ventosas viene influida por la aplicación y por las cargas asociadas que presentan
la pieza y el entorno.
Son especialmente importantes las propiedades tales como la resistencia a la abrasión, resistencia al
aceite (resistencia química), adecuación para ser utilizadas en el sector de alimentación y la
resistencia a la temperatura a corto o a largo plazo.
La temperatura de la pieza puede variar en general entre –50 y 250°C.
Cualquier aplicación por encima de los 70° puede ser considerada como un caso especial y requerirá
generalmente materiales especiales. A temperaturas por debajo de cero grados, la dureza de las
ventosas puede aumentar, haciendo las ventosas prácticamente rígidas e impidiendo su adaptación a
la superficie de la pieza.
Los diámetros normales de las ventosas van desde 1 a 630 mm (ventosas de aspiración planas).
2.4 Banda Transportadora Conveyor.
La banda transportadora conveyor es un auxiliar en el transporte de materiales, se debe considerar
que para su utilización, debe estar diseñada exclusivamente para las dimensiones del material que va
a soportar. Si hubiera un movimiento brusco, existe la posibilidad de que se altere la posición del
material, por lo cual se debe calcular el proceso de manera que no existan estas alteraciones.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
32
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Algo importante de mencionar es que la banda transportadora conveyor esta integrada por una serie
de dispositivos que operan de la siguiente forma:
Estructura de soporte.
• Como su nombre lo indica, es el conjunto de elementos rígidos que sirven para
soportar a todos los demás componentes, su fabricación es de aluminio por ser un
material ligero y con alta resistencia mecánica.
Cadena de transporte.
• Esta es la cadena de movimiento continuo sobre la cual se desplaza el producto
hasta ser detenido por otro elemento, en caso de ser pernos de retención el pallet
tendrá fricción en su parte inferior, por lo cual la cadena debe estar lubricada
preferentemente con grasa, evitando así el desgaste de dichas superficies.
Pernos de retención.
• Estos son elementos que al ser habilitados obstruyen el paso del pallet,
deteniéndolo para una operación posterior; existen dos tipos de pernos de
retención los de entrada que se encuentran localizados siempre al inicio de una
estación y sirven para evitar que se junten dos piezas en caso de que se
encuentren próximos; los pernos de salida se localizan al final de la estación y
sirven para detener la pieza mientras es transportado.
Sensores.
• Son las terminales del sistema nervioso de esta máquina, los sensores son
interruptores de paso o de límite, según sea su utilidad. Estos sensores envían señales
cuando el producto pasa o se coloca sobre ellos, por lo que se denominan señales de
entrada, con estas señales se activa alguno de los dispositivos según estén
programados.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
33
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Cableado.
• Por medio de esta vía se difunden las señales y las operaciones ordenadas por el
programa hacia las terminales para que actúen o realicen las operaciones destinadas,
así como el monitorear en la computadora o en el tablero del Controlador Lógico
Programable las operaciones que se están realizando.
Tubería de distribución.
• Por medio de estos conductos se alimentan la válvulas para el funcionamiento de los
topes de retención y los elevadores de sujeción.
Computadora.
• Es una alternativa para la programación pero no es indispensable, ya que de manera
similar se puede realizar con la caja de enseñanza (Teach Pendant). Además de que el
monitoreo se puede realizar por medio del tablero del Controlador Lógico
Programable. De tal manera que la computadora es un equipo auxiliar más no
indispensable que se puede sustituir por otros equipos de menor costo.
2.5 Motores de Corriente Directa (CD).
Los motores de corriente directa son insuperables para aplicaciones en las que debe ajustarse la
velocidad, así como para aplicaciones en las que requiere un par grande. En la actualidad se utilizan
millones de motores de C.D. cuya potencia es de una fracción de caballo en la industria del
transporte como: automóviles, trenes y aviones, donde impulsan ventiladores, de diferentes tipos
para aparatos de a/c, calentadores y descongeladores: también mueven los limpiadores de parabrisas
y acción de levantamiento de asiento y ventanas. También son muy útiles para arrancar motores de
gasolina y diesel en autos, camiones, autobuses tractores y lanchas.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES
34
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
El motor de C.D. tiene un estator y un rotor (ARMADURA). El estator contiene uno no más
devanados por cada polo, los cuales están diseñados para llevar intensidades de corriente directas
que establecen un campo magnético.
La ARMADURA, y su devanado están ubicados en la trayectoria de este campo magnético y
cuando el devanado lleva Intensidades de Corriente, se desarrolla un par-motor que hace girar el
motor. Hay un CONMUTADOR conectado al devanado de la armadura, si no se utilizara un
conmutador, el motor solo podría dar una fracción de vuelta y luego se detendría.
Para que un motor de C.D. pueda funcionar, es necesario que pase una Intensidad de Corriente por el
devanado de Armadura. El estator debe de producir un campo (flujo) magnético con un devanado de
derivación o serie (o bien, una combinación de ambos).
El par que se produce en un motor de C.D. es directamente proporcional a la Intensidad de Corriente
de la armadura y al campo del estado. Por otro lado, la velocidad de motor la determinara
principalmente la Tensión de la Armadura y el campo del Estator. La velocidad del motor también
aumenta cuando se reduce el campo del estator. En realidad, la velocidad puede aumentar en forma
peligrosa cuando, por accidente, se anula el campo del estator. Como ya sabemos los motores de CD
pueden explotar cuando trabajan a velocidades muy altas. El motor de C.D. que se usa aquí, ha sido
diseñado para soportar posibles condiciones de exceso de velocidad.
Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o
energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este dispositivo se utiliza para convertir energía
mecánica en energía eléctrica se denomina generador, cuando convierte energía eléctrica en energía
mecánica se llama motor.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
35
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
36
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
3.1 Introducción.
Los siguientes elementos a calcular constituyen la parte mecánica del proyecto. Dentro de este
capítulo se encuentran los cálculos de dichos elementos para determinar si el material que se utiliza
es el adecuado y cumple con las necesidades mecánicas del proyecto.
El cálculo de los elementos se realizo de acuerdo al orden en que esta constituido el manipulador, es
decir, desde la base hasta el efector final (ventosas).
3.2 Cálculo de columnas.
El proyecto requiere calcular cuatro columnas, las cuales tienen la misma longitud y están
soportando una misma carga. Estas columnas estarán soportando el peso completo del manipulador,
dos guías y un eje. El peso a soportar es de 196.2N, por seguridad se multiplicara este peso por un
factor de seguridad de 3(de acuerdo a nuestro criterio se tomo un factor de seguridad de 3 (este valor
puede ser mayor o menor dependiendo del criterio de la persona que realice el proyecto), quedando:
N6.588N(3)2.196 ==P
Esto quiere decir que las 4 columnas tendrán que soportar 588.6N, por lo que este valor se divide
entre cuatro para determinar el peso (P) que soportara cada columna:
147.15N4
588.6N==P
Sabiendo que la columna tendrá ambos apoyos empotrados y tiene una longitud l=1m, se
multiplicara la longitud por un factor de 0.5 para conocer la longitud efectiva ( ) de dicha columna: El
( ) m 0.5m15.0(3.1) 5.0
==⋅=
E
E
lll
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
37
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Este valor sirve para posteriormente determinar si la columna es larga o intermedia. Esto se
analizara mas adelante.
El siguiente cálculo es calcular el radio de giro de la sección transversal (K), el cálculo se determina
con la siguiente formula:
AIK = (3.2)
Donde:
I = Momento de inercia.
A = Área.
Para obtener el momento de inercia ( ) con respecto al eje X, tenemos: Ix
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
38
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Donde:
h = Longitud por lado de la base de la columna
Y y X = ejes
x = Centroide
( )
28-
4
4
mx1075.612
m03.0
(3.3) 12
m03.0
==
==
==
=
IyIx
IyIx
hIyIx
h
Para el área (A) tenemos:
( ) 24-2
2
m9x10m03.0
(3.4)
==
=
A
hA
Para el centroide (x):
m015.02
m03.0
(3.5) 2
==
=
x
hx
Con el valor obtenido del momento de inercia y el área, se puede determinar el radio de giro de la
sección transversal (K):
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
39
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
m0086.0
m10x5.7m10x9
m10x75.6
(3.6)
2524
48
=
==
=
−−
−
K
K
AIK
Para determinar si la columna es larga ò intermedia se tienen dos relaciones.
(3.8) .intermedia columna una Es Si
(3.7) larga columna una Es Si
CcKl
CcKl
≤⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
>⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
Kl obtenemos: Determinando el factor de relación de esbeltez
13.58m0086.0
m5.0==
Kl
Para determinar la relación de esbeltez que indica el límite entre columnas intermedias y largas (Cc),
se calcula de la siguiente forma:
CED
ECcσπ 22
= (3.9)
Sabemos que el modulo de elasticidad (E) para un acero estructural A-36 es de GPa y el
esfuerzo de cedencia
910210×
)( CEDσ vale 250 MPa, teniendo estos valores, se puede determinar la relación
de esbeltez Cc:
( )
76.128Pa10250
Pa1021026
92
=××
=
Cc
Cc π
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
40
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Obteniendo así:
76.128 y 13.58 == CcKl
Haciendo la relación tenemos que:
76.12813.58 <
Esto quiere decir que la columna es intermedia.
El siguiente cálculo es el factor de seguridad (F. S.) recomendado por A. I. S. C. (American Institute
of Steel Construction), que es:
El limite del factor de seguridad (F. S.) recomendado por A. I. S. C. va de 1.67 a 1.92.
88
3
35.. 3
3
CcKl
CcKl
SF⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+= (3.10)
Calculando:
( )( )
( )( )
818.1..
76.128813.58
76.128813.583
35.. 3
3
=
−+=
SF
SF
Este factor de seguridad sirve para determinar el esfuerzo admisible ( ADMσ ) del material el cual
indica la carga máxima que puede soportar la columna, y se calcula de la siguiente manera.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
41
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
CEDADM SF
CcKl
σσ..
21 2
2
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
−
= (3.11)
( )( ) ( ) .MPa .49123250
818.176.1282
13.581 2
2
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−
=ADMσ
Conociendo el esfuerzo admisible, podemos determinar la carga admisible (P ) como sigue: ADM
( )( ) kN .411111000
1091049.123
(3.12) 46
=××
=
⋅=−
ADM
ADMADM
P
AP σ
Lo cual nos indica que este tipo de perfil es recomendable, ya que la máxima carga a soportar es de
588.6N y tenemos una carga admisible de 111.41 kN.
Dados los resultados de los cálculos, observamos que el acero estructural A-36 es adecuado para lo
que se requiere en este proyecto ya que soporta la carga del manipulador, es un material comercial y
es económico.
3.3 Selección del motor para hacer girar el tornillo que produce el desplazamiento.
Para que se produzca el giro del husillo de bolas se requiere un motor que aporte una potencia de
1/16 HP y 1200 rpm, dicho motor tendrá que ser de Corriente Directa (C.D.).
El motor seleccionado, que cumple con dichas características, es el siguiente:
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
42
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Figura 3.1 Motor de imán
permanente modelo 6034
3.4 Cálculo de guías
El manipulador cuenta con dos guías que son las que soportan el peso del manipulador para que el
eje de rotación que se encuentra en el centro no tenga que soportar mucha carga. Tomamos las guías
como vigas para realizar el cálculo de flexión. El peso del manipulador es de 196.2 N pero por fines
de seguridad aumentamos la carga a 392.4N, por lo que cada apoyo soportara una carga de 98 N por
que se trata de 2 guías con 2 apoyos cada una.
El primer paso es calcular el peso de la carga repartida, esto se logra sacando la densidad del
material que es un acero inoxidable.
Marca: Bodine Electric Company Número de modelo 6034 Categoría 90V/130V Velocidad (rpm) 1200 Amperaje (A). 0.78 / 1.0 Caballos de fuerza (HP) 1/16 / 1/8 Carga radial (kg) 24.9 Longitud (m) 0.13 Peso (kg) 2.3
Especificaciones:
Tabla 1
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
43
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Donde: φ = diámetro de la viga.
M = masa de la viga. δ = densidad del material. = volumen. V w = peso. g = gravedad q = carga repartida a lo largo de la viga.
( )( ) ( )( )
( )( )( )
N/m2.24m2
N4.48wq
N4.48sm81.9kg93.4gMw
kg93.4m1028.6kg/m7860Mkg/m7860
m1028.6201.0M
2m0.0
2
343
3
3422
===
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⋅=
=×=
=
×===
⋅==
−
−
l
lrVVδ
δ
ππ
φ
La carga repartida en la viga será de 24.2N/m
El siguiente paso es calcular las reacciones en A y B que en este caso son iguales por ser simétrica la
viga.
Donde:
RA = RB = Reacciones. B
( ) ( ) ( ) N2.1222m
1m48.4N2m0.92m98N
2m1.08m98N
=++== BA RR
Ahora se calculan los momentos para cada uno de los puntos en que se tienen apoyos o fuerzas.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
44
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
00
=Σ=Σ
B
A
MM
MA,B,C,D,E = Momentos
[ ] ( )( )
[ ] ( )( )
[ ] ( )( )
[ ] ( )( ) mN0122.2N99.936N0.098m21m84N.108V"" Area
mN84.1081.136N122.2N0.08m21m9N8.108V"" Area
mN89.1081.136N0.08m21m84N.108V"" Area
mN84.10899.936N122.2N0.92m210V"" Area
⋅=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +−+⋅=+=
⋅=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +−+⋅=+=
⋅=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡+⋅=+=
⋅=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ++=+=
DBDB
EDED
CECE
ACAC
MM
MM
MM
MM
Por lo que el diagrama de cortantes y de momentos queda de la siguiente manera:
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
45
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Quedando un momento máximo de 108.89 mN ⋅ en el punto más critico. El siguiente paso es
calcular la flexión máxima (y ) en el punto más crítico. max
Donde:
E = Módulo de Young o Módulo de Elasticidad del Acero. Acero
Mmax = Momento máximo
( )( ) 42
2
Acero
m64.12m4.93kg121
M121
193GPa
==
=
=
y
y
I
lI
E
( )( ) m1044.31.64mPa10193
m108.89N
(3.13)
1049max
maxmax
−×=×
⋅=
=
y
EIM
y
La flexión que presenta este material es muy pequeña así que se opta por utilizarlo, porque lo que se
requiere es que la viga no se deforme ya que transporta al manipulador, así que es factible utilizar
este material
El último paso es calcular el diámetro del material.
El limite de cedencia ( ) del acero inoxidable que se utilizara (Acero Austenitico) es: cσ
MPa276=cσ
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
46
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Por seguridad, el material se trabajara a un tercio de su límite de cedencia por lo que quedara de la
siguiente forma:
MPa92=cσ
La formula para determinar el diámetro (d) de la guía es:
( )( ) m1029.2
Pa1092πmN108.8932
32
23
6
3 max
−×=×
⋅=
=
d
Md
cπσ
El diámetro mínimo requerido para la guía es de 2.29x10-2m, por lo que se seleccionara una barra de
Acero Austenitico de 2.3x10-2m ya que esta medida es más comercial y el material soportara los
requerimientos.
3.5 Diámetro del eje.
Para motor de 1/16 Hp y 1200 rpm seleccionado anteriormente.
En este eje solamente actúan esfuerzos de torsión y el valor teórico del factor de concentración de
esfuerzos (Kt) para un eje en rotación, en este caso con una carga repentina (choque menor)
equivalente a:
Kt = 1.0 a 1.5
NOTA: El valor de Kt se obtiene de tablas, en este caso del libro Diseño de Elementos, Autor
Hollowenko.
Y el esfuerzo de torsión permisible (Ss) = 8000 psi según el código ASME para un eje de acero
comercial sin cuñero.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
47
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Si:
(3.14) )()(16 223ttbb MKMK
Ssd +=
π
Como no se tienen esfuerzos de flexión la formula quedara:
( )
(3.15) 16
16
3
23
SsMKd
MKSs
d
tt
tt
π
π
=
=
Para determinar el momento flexionante (M ) se aplica la siguiente ecuación: t
( ) pulglb 281.3rpm1200
Hp16/163000
(3.16) rpm
63000
⋅==
×=
t
t
M
HpM
Sustituyendo estos datos para determinar el diámetro:
Para Kt = 1.0
( )( ) 332
3 pulg 10088.2lb/pulg 8000
pulglb 28.30.116 −×=⋅
=π
d
Entonces:
pulg127.0pulg 10088.23 33 =∴×= − dd
El diámetro del eje para K = 1.0 es de 0.127 pulg. t
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
48
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Para Kt = 1.5
( )( ) 332
3 pulg 10132.3lb/pulg 8000
pulglb 28.35.116 −×=⋅
=π
d
Entonces:
pulg146.0pulg 10132.33 33 =∴×= − dd
El diámetro del eje para K = 1.5 es de 0.146 pulg. t
Para cualquiera de estos dos resultados, según las dimensiones normales de los ejes el más cercano
es según datos del fabricante del motor. "16/15
3.5.1 Husillo de precisión con rigidez óptima.
De acuerdo con los datos de los cálculos para determinar el diámetro del eje para poder lograr que el
manipulador se desplace derecha-izquierda se tomo la decisión de seleccionar un husillo de bolas de
marca SKF, el cual contiene los siguientes datos técnicos.
Diámetro nominal
Paso derecha
Longitud Coeficiente carga
dinámica
Par de carga “T”
Peso de la tuerca
Referencia
0.2 m 0.5 m 2 m 8.2kN 0.14Nm 2.0kg/m PN20X5R
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
49
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
3.5.2 Unidad de soporte con rodamientos.
En cada extremo del husillo de bolas de colocaran dos apoyos para su soporte.
De acuerdo con el manual de SKF los extremos mas adecuados para el soporte del tornillo son:
Pasador roscado
(endurecido) o pasador
cilíndrico (DIN6325)
Referencia de unidad
de rodamiento (de apoyo)
Tuerca autoblocante
llave de gancho
Referencia de
rodamiento SKF
Tuerca autoblocante
referencia
Medida “C”
0.02m PLBU20 13.3kN 7201BEGA2 CN7012 HN1 8x40
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
50
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
3.6 Selección del motor para la base.
El motor seleccionado para el giro de la base es de ¼ de HP, 1200 rpm y sus especificaciones son
las siguientes:
Figura 3.2 Motor de imán permanente modelo 6435 (Corriente Directa)
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
51
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Especificaciones:
Marca: Bodine Electric Company
Número de modelo 6435
Categoría 90V / 130V
Velocidad (rpm) 1200
Amperaje (A) 1.4/1.8
Caballos de fuerza (HP) 1/8 / 1/4
Longitud (m) 0.15
Carga radial (kg) 24.9
Peso (kg) 3.1
Tabla 2
3.7 Cálculo de engranes para reductor de velocidad.
Los siguientes cálculos fueron realizados para diseñar el engrane y el piñón el cual reducirá la
velocidad en el giro del manipulador.
3.7.1 Giro del manipulador (Sección A).
NOTA: Los cálculos para el giro del manipulador (sección A y B) se realizaron en Sistema Inglés
puesto que las fórmulas están hechas para este Sistema.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
52
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Datos:
C = 5”
A
Donde: C = Distancia entre centros. Pd = Paso diametral. Dp = Diámetro primitivo. Rv = Relación de velocidad Np = Número de dientes del piñón. Ng = Número de dientes del engrane. Dg = Diámetro del engrane
Dp = 2”
Dg = (Dp) (Rv) = (2”) (4) = 8” (3.17)
Np = (Dp) (Pd) = (2”) (14”) = 28 dientes piñón (3.18)
Ng = (Dg) (Pd) = (8) (14) = 112 dientes en el engrane
"52
822
=+
=+
=DgDpC (3.19)
8”
2” ¼ HP 1200 rpm rpm=1200
¼ HP
Profundidad total = 20°
Pd = 14
Rv = 4 Dp = 2”
Rv = 4
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
53
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
(
3.20)
(3.21) 3.22)
(3.23)
(3.24)
Radio de la circ. base = Radio primitivo (cos20°) (3.25)
112 dientes, esto reducirá 4
3.7.2 Giro del manipulador (Sección B).
"0826.014157.1157.1
"834.7)154.02(142.8
"834.1)154.02(142.2
)Pr2(
"142.8)71.0*2(8)(2"142.2
"142.2)071.0*2(8)(2
"0112.014157.0157.0lg
"154.014157.2157.2Pr
"071.01411
2
2
===
=×−=
=×−=
×−=
=+=+==
=+=+=
===
===
===
PdAlturaPie
otalofundidadTpieDiámetrode
zaAlturaCabeDgnteriorpiñóDiámetroex
zaAlturaCabeDpPd
oClaroHue
PdotalofundidadT
PdzaAlturaCabe
eng
piñón
D
eng
D
pie
pie
ext
ext
pext
φ
φ
φ
φ
φ
(
Radio de la circ. piñón = (1) (cos20°) = 0.939”
Radio de la circ. engrane = (4) (cos20°) = 3.758”
Para la sección A se selecciono un piñón de 28 dientes y un engrane de
veces las revoluciones por minuto (rpm).
Datos: rpm=1200
total = 20°
¼ HP ProfundidadPd = 14Dp = 2” Rv = 4
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
54
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
8”
2”
B
¼ HP 1200 rpm
C = 5
Rv = 4
Dp = 2”
Dg = (Dp) (Rv) = (2”) (4) = 8”
Np = (Dp) (Pd) = (2”) (14”) = 28 dientes piñón
Ng = (Dg) (Pd) = (8) (14) = 112 dientes engrane
"52
822
=+
=+
=DgDpC
"142.2)071.0*2(8)(2
"0112.014157.0157.0lg
"154.014157.2157.2Pr
"071.01411
2=+=+=
===
===
===
zaAlturaCabeDpPd
oClaroHue
PdotalofundidadT
PdzaAlturaCabe
pextDφ
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
55
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
"0826.014157.1157.1
"834.7)154.02(142.8
"834.1)154.02(142.2
)Pr2(
"142.8)71.0*2(8)(2"142.2
2
===
=×−=
=×−=
×−=
=+=+==
PdAlturaPie
otalofundidadTpieDiámetrode
zaAlturaCabeDgnteriorpiñóDiámetroex
eng
piñón
D
eng
pie
pie
ext
ext
φ
φ
φ
φ
Radio de la circ. base = Radio primitivo (cos20°)
Radio de la circ. piñón = (1) (cos20°) = 0.939”
Radio de la circ. engrane = (4) (cos20°) = 3.758”
Para la sección B se selecciono un piñón de 28 dientes y un engrande de 112 dientes, y esto reducirá
4 veces más las revoluciones por minuto (rpm) de la sección A que era de 300 rpm, quedando en 75
rpm.
3.7.2.1 Diseño de ruedas dentadas (engranes rectos)
NOTA: Algunos cálculos se realizaron en Sistema Inglés ya que las fórmulas están hechas para este Sistema.
Diseño por resistencia (dientes)
Donde:
S = Esfuerzo.
M = Momento de torsión t
k = Factor de esfuerzo por fatiga
N = Número de dientes
y = Factor de forma.
Vm = Velocidad tangencial en el diámetro primitivo
S = Esfuerzo admisible o
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
56
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
NOTA: Para el cálculo del esfuerzo “S” los cálculos se realizaron en Sistema Inglés debido a que
las fórmulas así lo requieren.
(3.26)
( )
pulglb 31.13rpm 1200
HP 35.035.6305rpm
35.63025600
60022
3
⋅=
==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=<=
t
t
om
pdt
M
HPM
SV
SyNkPMS
π
Para 28 dientes
131114.0
14
===
kyPd
Los valores para “y” y “K” son tomados de la tabla I y III respectivamente, dichas tablas se
encuentran en el anexo 1.
( )
( )(( )
)2
2
3
2
3
lb/pulg 17.459 28114.0)131(14pulg13.13lb22
=
⋅==
SyNkPM
S dt
ππ
NOTA: EL resultado del esfuerzo “S” se da en unidades de Sistema Inglés, a continuación se da el
resultado en unidades del Sistema Internacional:
S = 120 kPa=120x103 N/m2
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
57
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
( )( )
26
26
mN 7x10137.1 MPa 137.17MPa 137.9
m/s 19.3600600
m/s 3.1912
rpm 1200m0508.012
m0508.0"21428
N/m x10137.9 MPa 137.93MPa 413.7MPa 7.413
600600
==⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+=
===
====
===
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=
p
pn
dp
o
u
om
p
S
NDV
PND
S
SV
S
ππ
σ
(3.27)
Diseño por desgaste
Donde:
F = Fuerza dinámica en libras d
F = Fuerza tangencial t
b = Ancho de la rueda
C = Constante que depende de la forma del diente del material utilizado y del grado de exactitud en la talla.
(3.28) ( )
ds
c
tm
tmt
FFSbyPFs
FbCVFbCVFFd
>=
++
+=05.005.0
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
58
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
( )
( )
( )( )
( ) ( ) kN 53.m/s 3.19
HP 1/43300033000
m/s .19312
rpm 1200m 0.050812
N 8.265m 0.0508mN 1.4822
m1.48Npulglb 13.13rpm 0012
HP 1/435.6302535.63025
2
2
===
===
=⋅
==
⋅=⋅===
mt
pm
p
tt
t
VHPF
nDV
DM
F
nHPM
ππ
NOTA: La ecuación para determinar b se dan los cálculos en Sistema Inglés, pero el resultado
también se da en unidades de Sistema Internacional.
m 0.0142 pulg 615.014
5.25.2
41
==⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
=
ππ
d
d
Pb
P
=dPPara un error “e” de acuerdo con un 14 no se encuentra una gráfica en la cual se aclare cual es
el error. Por lo tanto tomamos el valor más cercano, en este caso para un 11 ya que a partir del
6 la gráfica se mantiene horizontal. Los valores para “e” se tomaron de la gráfica 1 que se
encuentra en el anexo 1. El valor de “C” se toma de la tabla II en el anexo 1.
=dP
=dP
( ) 6.640" pulgada de milésima 640623320 ===C = 0.1686 m
( )[ ]
( )
N 65.89
N 58.26m 0.1686m 0.0142sm 3.19 0.05
N 26.85m 0.1686m 0.0142sm 3.19 0.05
N 26.58
=
+×⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+×⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+=
d
d
F
F
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
59
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Acero 1040
( )( )(
N .57752
m 0.00560.112m 0.0142mN104x7.82
112.0
0056.0"2244.014
mN82.74x10MPa 82.74
pulglb12000
26
26
2
=
=
=
====
===
s
s
dc
F
F
y
mP
P
S
ππ
)
De acuerdo con el cálculo de diseño por desgaste tenemos que y si cumple el requerimiento
de diseño y el material soportara la carga y condiciones de trabajo.
dS FF >
3.7.3 Cálculo del eje de transmisión.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
60
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Diagrama de Cuerpo Libre (eje de transmisión).
nHPM t
35.63025= Momento de Torsión
n = 300 rpm HP = ¼
300)¼)(35.63025(
=tM
tM = 52.52 lb⋅ pulg = 5.93 N⋅m
( )( ) m/s .19312
rpm 1200m 0.050812
===ππ nD
V pm
kN 3.53.1916m/s
P)33000(1/4H33000===
mt V
HPF
kN 7.8)0.5kN)(tan23(20tan =°=°= tFFr Cálculo de reacciones plano xy.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
61
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
N 18.2m 0.0762
m) N)(0.0508 (26.10m 0.0762
m) N)(0.0254 (2.44
N 10.3m 0.0762
m) N)(0.0254 (26.10m 0.0762
m) N)(0.0508 (2.44
=+=
=+=
D
A
R
R
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
62
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Cálculo de reacciones plano xz.
N 38.93m 0.0762
m) N)(0.0508 (58.40
N 19.46m 0.0762
m) N)(0.0254 (58.40
==
==
D
A
R
R
Cálculo del momento flexionante en el engrane de 0.127 m.
mN 1.090)mN 898.0()mN 624.0(
mN 558.0)mN 944.0()mN .2610(
22
22
⋅=⋅+⋅=
⋅=⋅+⋅=
c
b
R
R
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
63
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Cálculo del diámetro
Ss = Esfuerzo permisible eje con cuñero = 6000 psi = 41.37 MPa = 41.37x106 N/m2
k = Factor combinado de choque y fatiga aplicada Mb f
k = Factor combinado de choque y fatiga aplicada Mt t
m 01.0
m 011
)mN 93.55.1()mN 900.12() 7x103.41(
16
)()(16
63
22
mN6
3
223
2
=
=
⋅•+⋅•=
+=
−
d
xd
d
MkMkS
d ttbbs
π
π
3.8 Cálculos para cuñero. HP = ¼ V=250 rpm δ = Acero 1020
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
64
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Donde:
b = ancho
t = altura
l = longitud
D = diámetro
σ y = esfuerzo en el eje y.
δ = esfuerzo cortante
m 02570.0)N/m m(62.05x10 0.0047
N 749.53)(m 4700.0
N .53749MPä 62.05
N .53749m 9500.0mN 21.7
m7.12N pulglb 02.63rpm 250
)HP 4/1(25.63025
N/m62.05x10MPa 05.262
MPa 124.112
N/m 124.11x1011MPa.124
m 0.00474
m 0.0194
26
26
26
==
===
=⋅
=
⋅=⋅==
====
==
====
l
lAF
F
M
Dtb
t
V
y
δ
σδ
σ
Esfuerzo de compresión
;AF
=σ
2
9.53N7411MPa.124 tl •=
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
65
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
m00251.0
2m 0.0047MPa 11.124
N 35.749=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=l
3.9 Cálculo de viga base del manipulador.
( )
( )N/m 59.53
m 0.2N 10.791
N 791.10m/s81.9kg .11kg .11
kg/m 5027m104m104
kg/m 0275
2
334
34
3
==
==
=×=
×=
=
=
−
−
q
WmmV
Vmδ
δ
( ) ( )( ) N 39.53m0.2
m 0.1m 0.2N/m 53.95m 0.2
m 0.1N 96=+== BA RR
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
66
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
[ ] ( )( )
[ ] ( )( ) 047.99N53.39N0.1m21m9N06.5""
mN069.50.1m47.99N53.39N210""
0
=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +−+⋅=+=
⋅=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ++=+=
=
CBCB
ACAC
A
VAreaMM
VAreaMM
M
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
67
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
( )( )
( )( )m 108.6
m106.3N/m 01207mN 906.5
m106.3
m 0.2kg 1.1121
121
GPa 720
9max
4329max
max
43
2
2
−
−
−
×=
××⋅
==
×=
=
=
=
yEI
My
I
I
mbI
E
z
z
z
3.10 Cálculos estáticos.
( ) ( )m131.020m0655.0)N62.2( NM C −−=
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
68
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
N .6222
0mN 79.2
=Σ=Σ
⋅−=
Y
X
C
FF
M
( )( )
090N4
m73N.5m2.79N0.4m7.36N
=Σ=Σ
⋅−=⋅−−=
Y
X
B
B
FF
MM
9.2N0
=Σ=Σ
Y
X
FF
3.11 Cálculo de cilindros neumáticos.
En este trabajo se realiza el cálculo para el diseño de uno de los actuadores neumáticos que
componen el manipulador. Las aplicaciones óptimas exigen el uso de actuadores modernos. Los
cilindros son utilizados en muchas ramas industriales. Los cilindros neumáticos son seleccionados
en función de la fuerza necesaria y de la presión de trabajo. Al hacerlo, deberán aplicarse diversos
criterios, tales como la fuerza de pandeo admisible del vástago y el consumo de aire. En neumática
se trabaja con la energía almacenada por la presión y el caudal de un fluido.
A continuación se harán los cálculos correspondientes para el diseño de un cilindro neumático,
determinando así el diámetro del émbolo, del vástago y el espesor de la pared de dicho cilindro.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
69
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
3.11.1 Cálculo del cilindro en posición vertical
Conociendo la presión con la que se va a trabajar, el cilindro en posición vertical se calcula de la
misma forma en que se calculo el cilindro en posición horizontal. Para este caso el peso que va a
cargar es mayor que la carga a la que va a estar sometido el pistón horizontal, por lo tanto la fuerza
tendrá que ser mayor.
Sabiendo que la presión de operación es de:
P = 10 bar = 1 MPa = 1x106 N/m2
Determinamos la presión de trabajo con la que en realidad va a trabajar el pistón:
26 N/m 1.2x10.2MPa1MPa 0.20MPa 1
MPa 02.0MPa 06.2 Si
==
+=+=≤
PP
PoPPo
Diámetro del émbolo.
2m000157.0MPa 1
N 156.96
N 96.156kg16MPa 10bar1
=
=
=
=
====
A
A
PFA
AFP
FP
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
70
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
( )
m 0.007R
m 007.02
m 140.0
14m0.0
m 700015.04
44
2
2
=
==∴
=
=
=∴•
=
R
D
D
ADDA
π
ππ
Con los resultados obtenidos por cálculos se sabe que el émbolo tendrá un diámetro de 0.014 m, lo
cual es confiable este diámetro pero no seguro (confiable) a la vista del usuario, por lo que en tablas
de cilindros neumáticos podemos determinar un diámetro para el émbolo de 0.035 m y 0.02 m de
diámetro para el vástago.
D = 0.035 m Diámetro interior.
t = Espesor mínimo requerido………………… (m)
P = 1.20 MPa = 1.2x106 N/m2
Po = 1 MPa = 1x106 N/m2
R = Radio interior del diseño = 0.0175 m
E = Eficiencia de las soldaduras.
S = Esfuerzo máximo permisible a tensión del material seleccionado para fabricar el recipiente a la
temperatura de diseño = SAE 1010 = 413.7 MPa = 413.7x106 N/m2
L = Radio de abombado de la tapa…………….. (m)
R = Radio de esquina o de nudillos……………. (m)
L1= Longitud entre líneas de tangencia del recipiente.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
71
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
T = Temperatura de diseño.
E = Para unión simple por un solo lado sin solera de respaldo: SIN = 0.60
t
RECIPIENTE R
D.I.
2..ID
Material del cuerpo: Acero de baja aleación SAE 1010
Presión de operación: 1 MPa
Presión de diseño: 1.20 MPa
Esfuerzo de trabajo: (S) = 413.7 MPa
Eficiencia (E) = 0.60
Diámetro inferior (D. I.) = 0.035 m
Corrosión permisible (C) = 0.0m
El siguiente cálculo nos muestra el radio que tendrá el cilindro:
( ) m .01750m 0.02
m 350.02
..==+=+ RCID
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
72
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Para determinar el espesor de la pared del cilindro, tomaremos una eficiencia (E) de 0.60, la cual es
usada para soldaduras de unión simple por un solo lado sin solera de respaldo:
E = 0.60
Cálculo del espesor de la pared
( )( ) ( )
m 10 x 8.5
MPa 1.20 0.60.60 MPa 413.7m 0.0175MPa 1.20
6.0
5−=
−=
−=
t
PSEPRt
Conociendo que el espesor t es igual a 8.5x10-5m, lo sumaremos con el diámetro interior y así
conocer el diámetro exterior:
(3.29)
( )m 0.03517..
105.82035.0)(2.... 5
=+=+= −
EDmxmtIDED e
Esfuerzos generados en la pared del cilindro
trPi
r =σtrPi
L 2=σ
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
73
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
( )
( )( )
26
26
N/m 102.94x10 MPa 102.94m 0.0000852m 0.0175MPa 1
N/m 205.88x10MPa 205.88m 0.000085
m 0.0175MPa 1
===
===
L
r
σ
σ
( )( )( )( )( )( )0,MPa 14.154
0,0,MPa 49.102
,0,MPa 88.205
,
===
==
=
CaC
A
AB
B
xyx
yxy
ϑσ
ϑσ
.41MPa1542
205.88MPa102.94MPa2
=
+=
+=
a
a yx σσ
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
74
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
MPa 51.47
2MPa 205.88MPa 49.102
2
max
min
2
22
max
±==
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
±=
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −±==
ϑϑ
ϑσσ
ϑ
r
r
r yx
(3.30)
Para º45=α
MPa 1.34813
)45(2cos2
MPa 205.88MPa .941022
MPa 205.88MPa 49.102
22cos22
=
°⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
−+
=
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
+=
a
a
yxyxyx
a sen
σ
σ
αϑασσσσ
σ
(3.31)
MPa 014.46
2cos2sen2
−=
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
a
yxyx
a
ϑ
αϑασσ
ϑ (3.32)
Fuerza del émbolo.
La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del diámetro del
cilindro y del rozamiento entre juntas. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente
formula:
Fteor = A P (3.33)
Donde:
o Fteor = Fuerza teórica del émbolo ……………….….….[N]
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
75
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
2mo A = Superficie útil del émbolo………………………..... [ ]
o P = Presión de trabajo …………………………...…….. [kPa, ] 25 N/m10
( )
2
22
m000962.0
4
m035.04
=
==
A
DA ππ (3.34)
( ) N 296N/m1010m000962.0 252 =×=teorF
En la práctica es necesario conocer la fuerza real. Para determinarla se tiene que tener en cuenta los
rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones de 1 MPa) se puede suponer que las
fuerzas de rozamiento representan de 3% a 20% de la fuerza calculada.
Cilindro de doble efecto (fuerza en el avance):
Rn FPAF −⋅= (3.35)
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
76
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Cilindro de doble efecto (fuerza en el retorno):
Rn FpAF −⋅= ´ (3.36)
Donde:
o Fn = Fuerza efectiva o real del émbolo………………… [N] 2mo A = Superficie útil del émbolo…………….…………... [ ]
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅=
4
2DA π
o A’ = Superficie útil del anillo del émbolo…….……….. [ ] 2m
( )4
´ 22 π⋅−= dDA
o P = Presión de trabajo …………………………………. [kPa, ] 25 N/m10
o F = Fuerza de rozamiento (3% a 20%)……………….. [N] R
o D = Diámetro del émbolo ………………………………[m]
o d = Diámetro del vástago ……………………………….[m]
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
77
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
El diámetro del émbolo y del vástago, son los siguientes:
D = 0.035 m
d= 0.020 m
Superficie del émbolo:
( ) 22
2
m000962.04
035.0
(3.37) 4
==
=
π
π
mA
DA
Superficie anular del émbolo:
( )
( )2
22
22
m 0.000648'4
m) 200.0(m) 035.0(
(3.38) 4
'
=
−=
−=
A
A
dDA
π
π
Fuerza real de empuje del émbolo en el avance:
( )
N602.10
N178.1N/m1010m00001178.0178.1
(3.39) 252
=
−×=
−⋅=
n
n
Rn
F
F
FPAF
Fuerza teórica de tracción del émbolo en el retorno:
pAFteorica ⋅= '
( )4
' 22 πdDA −=
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
78
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
( ) 222 m 064800.04
)m 002.0()m 350.0(' =⋅−=πA
( ) N 47.95361010m 800064.0 252 =×= mNFteórica
Resistencia de rozamiento: N 178.1=RF
Fuerza real de tracción del émbolo en el retorno:
RFpAFn −⋅= '
N 817.110x10m 800064.0 252 −⎟⎠⎞⎜
⎝⎛= mNFn
N 6.77564=Fn
Consumo de aire
Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la
instalación. Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de embolo determinados, el
consumo de aire se calcula de la siguiente manera:
La relación de compresión se calcula de la siguiente forma:
3.101 trabajodePresión 3.101 + en kPa (referida a nivel del mar) (3.40)
Sustituyendo los datos para nuestro pistón:
Relación de compresión:
87.10kPa101.3kPa 1101.3
kPa101.3kPa 1000kPa 101.3
==+
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
79
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Formula para calcular el consumo de aire para un cilindro de doble efecto:
( ) compresión deRelación 44
222
⋅⋅⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −⋅+
⋅⋅= ndDSDSV ππ (3.41)
( )minlV= Cantidad de aire
S= Longitud de carrera ( )m
n= Ciclos por segundo
Teniendo, así:
( )min87.10min12
4)m 0.02()m 350.0(m .40
4)m 503.0(m 4.0
222lciclosV ⋅⋅⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡ ⋅−⋅+
⋅⋅=
ππ
[ ] min87.10min12m103m 1085.3 3634 lciclosxxV ⋅⋅+= −−
min6.50minm 0506.0
3 lV ==
Con estos cálculos, nos percatamos que la pared del cilindro es muy chica, por lo que tendremos que
adoptar medidas de diseño y seguridad, teniendo así un espesor de pared de 0.005 m, para tener un
diámetro de émbolo de 0.035 m y un diámetro para el vástago de 0.02 m, y el actuador tendrá una
carrera de 0.4 m.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
80
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
3.11.2 Cálculo de tapas.
( ) ( )( )( )( )
( )( )m 028830.0
115302.0m 502.060.0MPa 7.413
MPa 133.0m 250.0
pulg984.0m025.060.0
MPa .7413MPa 133.0'
(3.42) '
==
=
======
=
tt
t
dESPC
SEPCdt
Los datos del espesor de la pares del cilindro y de la tapa son muy pequeños para poder elaborar un
cilindro de esas características. Por lo que apoyándonos en factores de diseño, seguridad y la
confianza que debe proyectar el pistón tomaremos espesores de materiales comerciales.
De acuerdo con la norma internacional DIN ISO 9001 el espesor de la pared del material debe ser de
0.002 m para un diámetro interior de 0.025 m y una carrera de 0.4 m
El mismo criterio se aplica para el actuador neumático inferior que es el que realiza el movimiento
de elevación del manipulador.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
81
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
3.11.3 Cálculo del cilindro vertical como columna
El cilindro que esta en posición vertical va a ser el que cargue el cilindro en posición vertical y el
efector final, esto por lógica, tiene un peso determinado, por lo que se hará el análisis del cilindro,
visto como columna. Esto se hará con el fin de saber la carga admisible que soportara el material
con el cual se diseño.
El cilindro tiene una carrera (longitud) de 0.4 m, y un diámetro (ancho) de 0.02 m y soportara una
carga de 156.86 N, por razones de seguridad tomaremos un factor de seguridad de 2 (este valor
puede ser mayor o menor dependiendo del criterio de la persona que realice el proyecto), por lo que
se tiene que el cilindro soportara 313.72 N.
m4.0=l
m .20
)m .40(5.0
5.0
=
=
=
E
E
E
l
l
ll
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
82
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
De tablas se conocen los valores para el modulo de elasticidad y el esfuerzo a la cedencia, que son:
E=210 GPa
MPa 025=CEDσ
Para determinar el radio de giro de la sección transversal, se utiliza la siguiente fórmula:
Área
inercia de Momento
:donde
=
=
=
A
I
AIk
( )
49
4
4
24
2
2
m 10x85.764
)m 002.0(64
m 01x14.34
m 200.04
−
−
=
⋅=
⋅=
=
⋅=
⋅=
Ix
Ix
dIx
A
A
dA
π
π
π
π
m 005.0m5x10.2m 0114.3mx1085.7 25
24
49
==== −−
−
xAIk
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
83
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Conociendo el radio de giro y sabiendo la longitud de la columna, se hace la relación entre y k. l
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
klSi > CC Columna Larga
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
kl ≤ C Columna Intermedia Si C
08.40m4.99x10
0.2m3 == −k
λ
Ahora se determinara la relación de esbeltez (Cc), la cual se comparara con el radio de giro y se
sabrá si nuestra columna es larga o intermedia:
2
2
2
mN3
C
mN6
mN92
2
128.76x10kPa 128.76C
10250)10210(2
2
==
×
×=
=
π
σπ
C
CEDC
C
EC (3.43)
Haciendo la relación del radio de giro y la relación de esbeltez:
40.08 ≤ 128.76
Nos damos cuenta que es una COLUMNA INTERMEDIA, este resultado lo ocuparemos para
realizar los cálculos del factor de seguridad.
Calculando el factor de seguridad (F.S.):
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
84
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
38
3
8
3
35..
cCk
cCkSF
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
−+=
λλ
Según tablas el factor de seguridad va de 1.67 – 1.92
( ) ( )
77.1..
)76.128(808.40
)76.128(808.403
35.. 3
3
=
−+=
SF
SF
Nuestro factor de seguridad es de 1.77 por lo que estamos dentro del rango de seguridad.
Con los datos obtenidos anteriormente, podemos calcular el esfuerzo admisible ( ADMσ ) para el
material:
( )
2
2
2
mN6
mN6
2m
N3
2
2
2
134.4x10
250x101.77
)02(128.76x140.081
..
21
=
×⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−
=
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
−
=
ADM
ADM
CED
C
ADM SF
Ck
σ
σ
σ
λ
σ (3.44)
El esfuerzo admisible es de 134.4x106 N/m2
Conociendo el esfuerzo admisible, ahora determinaremos el peso admisible ( ) que podrá
soportar la columna:
ADMP
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
85
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
A = Área de la columna
kN 2.21742
1000m)10)(3.141510(134.40 3
mN6
2
=
××=
⋅=
−
ADM
ADM
ADMADM
P
P
AP σ (3.45)
El peso máximo admisible que podrá soportar la columna es de 422.217 kN.
3.11.4 Cálculo del cilindro en posición horizontal.
La primera condición es conocer la presión de trabajo con la que va a trabajar el cilindro neumático,
y ésta es:
Po = 10 bar = 1x106N/m2 esta presión es la necesaria para poder extender y contraer el brazo del actuador.
Conociendo la presión de trabajo, y con la siguiente relación, determinamos la presión de trabajo
con la que en realidad va a trabajar el pistón:
2
22
2
2
mN6
mN6
mN6
mN6
mN6
x1021.
x102.0x101
x102.0
x1006.2 Si
=
+=
+=
≤
P
P
PoP
Po
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
86
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
( )
m2.47x10R
m2.47x102
m4.94x10
m4.94x10
mx1092.14
44
mx1092.1
x101N22.19
N22.19
10x1
3
33
3
25
2
25mN6
mN6
2
2
−
−−
−
−
−
=
==∴
=
=
=∴•
=
=
=
=
=
=
=
R
D
D
ADDA
A
A
PoFA
AFPo
F
Po
π
ππ
Diámetro del émbolo:
D = Diámetro
R = Radio
F = Fuerza
P = Presión A = Área
Lo anterior nos indica que el émbolo tendrá por cálculos un diámetro de 4.94x10-3 m. Pero en
catálogos no existe tal diámetro, por lo que se tomara un diámetro normalizado para los
correspondientes cálculos. El diámetro ha tomar es de 0.025 m, el cual servirá para los 0.4 m de
carrera necesarios.
D = 0.025 m Diámetro interior.
t = Espesor mínimo requerido………………… (m)
P = 1.2 MPa = 1.2x106 N/m2
Po = 1 MPa = 1x106 N/m2
R = Radio interior del diseño = 0.0124 m
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
87
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
E = Eficiencia de las soldaduras.
S = Esfuerzo máximo permisible a tensión del material seleccionado para fabricar el recipiente a la
temperatura de diseño = SAE 1010 = 60000 = 414 MPa=414x1062lb/pulg N/m2
L = Radio de abombado de la tapa…………….. (m)
R = Radio de esquina o de nudillos……………. (m)
L1= Longitud entre líneas de tangencia del recipiente.
T = Temperatura de diseño.
E = Para unión simple por un solo lado sin solera de respaldo: SIN = 0.60
t
RECIPIENTE R
D.I.
2..ID
Material del cuerpo: Acero de baja aleación SAE 1010
6 Presión de operación: 145.037 (Po) = 1 MPa = 1x102lb/pulg N/m2
Presión de diseño: 175.037 (P) = 1.2 MPa = 1.2x106 2lb/pulg N/m2
Esfuerzo de trabajo: (S) = 60000 = 414 MPa = 414x1062lb/pulg N/m2
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
88
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Eficiencia (E) = 0.60
Diámetro inferior (D. I.) = 0.0249 m
Corrosión permisible (C) = 0.0
El siguiente cálculo nos muestra el radio que tendrá el cilindro:
( ) m0124.00.02
m0249.02
..==+=+ RCID
Para determinar el espesor de la pared del cilindro, tomaremos una eficiencia (E) de 0.60, la cual es
usada para soldaduras de unión simple por un solo lado sin solera de respaldo:
E = 0.60
Cálculo del espesor de la pared
( )( ) ( )
m 6x10
1.2x106.060.0414x10m 0.01241.2x10
6.0
5
mN6
mN6
mN6
22
2
−=
−=
−=
t
PSEPRt
Conociendo que el espesor (t) es igual a 6x10-5m, lo sumaremos con el diámetro interior y así
conocer el diámetro exterior:
( )m 250.0..
m10620249m.0)(2.... 5
=+=+= −
EDxtIDED e
Lo anterior indica que el espesor de pared para el cilindro es muy pequeño por lo que por razones de
seguridad para su operación se tomara un espesor de 0.003 m. Entonces se tendría lo siguiente:
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
89
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
( )m 031.0..
m 0.0032m 0249.0)(2....m003.0
=+=+=
=
EDtIDED
t
e
Esfuerzos generados en la pared del cilindro
iP = Presión de operación r = Radio interior t = Espesor de pared
trPi
r =σ trPi
L 2=σ
( )
( )2
2
2
2
mN6
5-m
N6
mN6
5-m
N6
103.3x10m)2(6x10
0.0124m1x10
206.6x10m 6x10
0.0124m1x10
==
==
L
r
σ
σ
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
90
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
= Esfuerzos en “x” xσ= Esfuerzos en “y” yσ= Esfuerzo cortante “yx” yxϑ= Esfuerzo cortante “xy” xyϑ
a = abscisa del centro maxϑ = Esfuerzo máximo
( )( )( )( )( )( )0,x1095.154
0,0,x103.103
,0.x106.206
,
2
2
2
N6
mN6
mN6
=
=
=
=
=
=
CaC
A
AB
B
xyx
yxy
ϑσ
m
ϑσ
2
22
mN6
mN6
mN6
x1095.1542
x106.206x103.1032
=
+=
+=
a
a yx σσ
2
22
mN6
min
max
2
mN6
mN6
22
max
x1065.51
2x106.206x103.103
(3.46) 2
±==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −±=
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −±==
ϑϑ
ϑσσ
ϑ
r
r
r yx
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
91
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Para º45=α
( )
2
2222
mN6
mN6
mN6
mN6
mN6
154.95x10
º452cos2
x106.206x103.1032
x106.206x103.103
(3.47) 2sen2cos22
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
+=
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +−
+=
a
a
yxyxyx
a
σ
σ
αϑασσσσ
σ
2mN651.65x10
(3.48) 2cos2sen2
−=
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
a
yxyx
a
ϑ
αϑασσ
ϑ
Con estos cálculos nos damos cuenta de cual es la presión con la que trabaja el cilindro.
Fuerza del émbolo.
La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del diámetro del
cilindro y del rozamiento entre juntas. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente
formula:
Fteor = A P (3.49)
Donde:
o Fteor = Fuerza teórica del émbolo ……………..….…….[N] 2mo A = Superficie útil del émbolo……………………….... [ ]
o P = Presión de trabajo …………………………...……. [kPa, bar, ] 25 N/m10
( )
2
22
m 49000.0
(3.50) 4
m 502.04
=
==
A
DA ππ
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
92
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
( ) N490N/m 1010m 49000.0N/m1010
252
25
=×=
×=
teorFP
En la práctica es necesario conocer la fuerza real, para determinarla se tiene que tener en cuenta los
rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones de ) se puede suponer
que las fuerzas de rozamiento (F
25 N/m1010×
R) representan de 3% a 20% de la fuerza calculada.
CILINDRO DE DOBLE EFECTO (FUERZA EN EL AVANCE):
Rn FPAF −⋅= (3.51)
CILINDRO DE DOBLE EFECTO (FUERZA EN EL RETORNO):
Rn FPAF −⋅= ´ (3.52)
Donde:
o Fn = Fuerza efectiva o real del émbolo………………… [N] 2mo A = Superficie útil del émbolo…………….…………..... [ ]
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
93
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅=
4
2DA π
2mo A’ = Superficie útil del anillo del émbolo…….…….….. [ ]
( )4
´ 22 π⋅−= dDA
o P = Presión de trabajo …………………………………………. [kPa, bar, ] 25 N/m10
o FR = Fuerza de rozamiento (3% a 20% de fuerza efectiva)……. [N]
o D = Diámetro del émbolo ………………………………………[m]
o d = Diámetro del vástago …………………………………….…[m]
El diámetro del émbolo y del vástago, son los siguientes:
D = 0.025 m
d= 0.01 m
Superficie del émbolo:
( ) 242
2
m10x9.44m025.0
(3.53) 4
−==
=
π
π
A
DA
Superficie anular del émbolo (superficie útil del anillo del émbolo):
( )
( )24-
22
22
m4.12x10'4
m).01.0(m)025.0(´
(3.54) 4
'
=
−=
−=
A
A
dDA
π
π
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
94
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
teórica)fuerza la de (10% N49N490
==
R
teor
FF
Fuerza real de empuje del émbolo en el avance:
( )
N441
N49N/m1010m00049.0
(3.55)
252
=
−×=
−⋅=
n
n
Rn
F
F
FPAF
Fuerza teórica de tracción del émbolo en el retorno:
pAFteorica ⋅= '
( )4
' 22 πdDA −=
( ) 24-22 m4.12x104π(0.01m)(0.025m)' =⋅−=A
( ) 412.3N1010m4.12x10 2mN524 =×= −
teóricaF
Resistencia de rozamiento: N178.1=RF
Fuerza real de tracción del émbolo en el retorno:
RFpAFn −⋅= '
( ) 1.178N10x10m4.12x10 2mN524 −= −Fn
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
95
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
410.8N=Fn
Consumo de aire
Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la
instalación. Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de embolo determinados, el
consumo de aire se calcula de la siguiente manera:
La relación de compresión se calcula de la siguiente forma:
2
2
mN6
mN6
x103.101 trabajodePresion x103.101 +
en kPa (referida a nivel del mar) (3.56)
Sustituyendo los datos para nuestro pistón:
Relación de compresión:
87.10x103.101x103.1101
x103.101x101000x103.101
2
2
2
22
mN6
mN6
mN6
mN6
mN6
==+
Formula para calcular el consumo de aire para un cilindro de doble efecto:
( ) compresión deRelación 44
222
⋅⋅⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −⋅+
⋅⋅= ndDSDSV ππ (3.57)
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minl V= Cantidad de aire
S= Longitud de carrera ( )m
n= Ciclos por minuto
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
96
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Teniendo, así:
( ) min87.10min124
π(0.01m)(0.025m)0.4m4
π(0.025m)0.4m222
lciclosV ⋅⋅⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ⋅−⋅+
⋅⋅=
[ ] min87.10min12m1.6x10m1.9x10 3434 lciclosV ⋅⋅+= −−
min65.45minm04565.
3 lV ==
Con todos estos cálculos, nos podemos percatar que la pared del cilindro es muy chica, por lo que
tendremos que adoptar medidas estándar, teniendo así un espesor de pared de 5x10-3 m, para tener
un diámetro de émbolo de 0.025 m y un diámetro para el vástago de 0.01 m, y el actuador tendrá una
carrera de 0.4 m.
3.12 Cálculo de la guía del pistón horizontal
El manipulador cuenta con una guía para realizar la extensión del brazo de forma horizontal. La
guía se calcula en su posición crítica es decir en la máxima extensión del pistón horizontal. El
material de la guía es acero inoxidable que cuenta con E=193 GPa =193x109 N/m2, una densidad
de 3mkg 6078=P y un límite de cedencia 2m
N6276x10MPa 276 ==Cσ .
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
97
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
El cálculo del volumen de la guía se realiza de la siguiente manera.
Donde:
V = Volumen de la guía
L = Longitud
A = Área
d = Diámetro
(3.58)
( ) 342
2
m2x10.14.04
m02.0
4
−=⋅=
⋅⋅
=⋅=
π
π
V
LdALV
La masa (m) y el peso (W) de la guía se calculan de la siguiente forma:
N 25.99.81kg 3294.0
kg 3294.07860m102.1
2
3
sm
mkg34
=
⋅=⋅=
=
⋅=⋅= −
WW
gmWm
xPVm
Por tanto tenemos que:
q= carga repartida
mN12.23
0.4mN25.9==
=
q
lWq
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
98
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
El peso que soportara la guía en su extremo es el peso del gripper (sujetador) el cual es:
N 272.1981.9kg96.1 2sm =⋅=
⋅=
gripper
grippergripper
W
gmW
Para la guía se calculara primero el momento de torsión que se genera en esta y las reacciones
producidas
( )( )( )( ) ( )( )
( )( )N 19.28
N 722.19m 0.4 322.240mN 862.9
m 0.4N 19.227m 0.2m 0.4 232.240
mN
mN
=
−−==
⋅−=
−−==
∑
∑
A
A
A
A
RRFy
MM
Para 4.00 ≤≤ x
2223.24N91.28mN628.9
223.2491.282
mN xxM
xv
−+⋅−=
−=
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
99
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Si Si mN628.9
N91.28⋅−=
=Mv
0=x 4.0=x 0
N22.19=
=Mv
Para calcular el diámetro de la guía es necesario conocer momento de inercia en “y” ( ) por tanto
tenemos que
Iy
( )( )527.0
m 0.4kg 0.987121
121
2
2
==
=
Iy
mlIy (3.59)
( )( )
11max
mN9
maxmax
1046.9
527.010193mN628.9
2
−=
⋅==
xy
xEIM
y
2mN610x276MPa 762 ==CσEl límite de cedencia del material es de pero por seguridad los
cálculos se realizan a 31 de esto es decir:
2mN6x10923
1 =Cσ
Entonces se tiene que el diámetro (d) es
( )( )
mx1002.1
x1092mN 866.932
32
2
3
mN6
3 max
2
−=
⋅⋅
=
⋅=
d
d
MdC
π
σπ
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
100
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Por lo anterior se puede entender que por cálculo de este elemento el diámetro de la guía debe ser de
1.02x10-2m. La guía que se empleara tendrá un diámetro de 0.02m por razones de medidas estándar.
3.13 Selección del motor-reductor para el giro del efector final.
Para el giro del efector final se necesita un motor de corriente directa de 0.02 de HP. El motor
seleccionado tiene las siguientes especificaciones:
Caballos de fuerza (HP) 1/50
Torque (kg–m) 111
Peso aproximado (kg) 3.85
Amperaje (A) 0.62
Voltaje (V) 24
Velocidad (rpm) 36 Figura 3.3 Motor-reductor para gripper
(sujetador) Tabla 3
3.13.1 Placa para sujeción del motor-reductor.
El motor seleccionado va a estar fijo a una placa de aluminio con dimensiones de 0.1m x 0.2m x
0.01m.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
101
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
3.14 Selección de ventosas
El efector final del manipulador no contiene un gripper (sujetador) de pinzas sino que consta de una
serie de ventosas que funcionan al crearse una fuerza de vació en ellas para lograr sostener el
producto.
3.14.1 Cálculo del diámetro de ventosas necesario.
[mm10003.1
7604=•••
••= t
nw
PvD
π] (3.60)
Donde:
n = Numero de ventosas.
w = Peso de la pieza. ……………………………..kgf.
t = Coeficiente de seguridad.
Pv = Presión de vacío. ……………………………mmHg.
Las unidades de medida de estas formulas se dan en kilogramos fuerza y milímetros de mercurio
dado que así lo requiere la formula.
El número de ventosas que se va a utilizar para este manipulador son 3.
El peso de la cubeta es de 250gr que convertidos a kgf nos dan .250 kgf.
Para conocer el coeficiente de seguridad tenemos:
t = Coeficiente de seguridad.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
102
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Dinámico ≥ 4
Elevación horizontal
Estático ≥ 2
Dinámico ≥ 8
Elevación vertical
Estático ≥ 4
Como la cubeta será elevada verticalmente tendrá que realizar el mismo movimiento; por lo cual se
toma el coeficiente de seguridad para una elevación vertical y en forma dinámica por lo cual nos da:
t = 8
En tablas se encuentra que un cabezal aspirador tipo VAK-1/4 que trabaja a 6 bar., crea una
depresión (vacio) en función de la presión de funcionamiento.
Presión de vació: 0.86 bar.
Pv = 0.86 bar. = 645.053 mmHg.
Sustituyendo los valores anteriores en la ec. (3.60) se tiene:
( ) 10083
kgf250.003.1mmHg053.645
7604••••=
πD (3.61)
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
103
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Como resultado tenemos un diámetro para la ventosa de:
D = 15 mm = 0.015m
De acuerdo con los datos obtenidos se seleccionara una ventosa tipo: VAS-15-1/8-NBR marca
FESTO.
3.14.2 Cálculo de la fuerza de elevación (FT).
81.9033.11004760
2
••••
•=DPvFT
π (3.62)
Donde:
Pv = Presión de vació…………………………… mmHg.
D = Diámetro de la ventosa……………………... mm.
FT = Fuerza teórica……………………………..... N
Sustituyendo los valores conocidos, se obtiene:
( ) ( )(
N19.15
81.9033.11004mm15
760mmHg053.645 2
=
••
•=
T
T
F
F π )
3.14.3 Cálculo de la fuerza real de elevación.
Para este cálculo se tiene que tomar en cuenta los siguientes parámetros.
o Posición horizontal o vertical del peso a levar.
o Velocidad lineal o angular de traslación.
o Frenado.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
104
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
La fuerza real de elevación (FR) será:
N899.181N19.15
(3.63). 1
=•=
=•=
R
TR
F
tFF
Este valor es solo para el trabajo de una ventosa pero en este proyecto se utilizaran 3 ventosas por lo
que el resultado obtenido será:
( )( ) N69.53N899.1 ==RF
Por lo que 5.69N es la fuerza total real de elevación que aportan 3 ventosas.
6P = 10 bar = 145.037 lb/pulg = 1 MPa= 1x10 N/m2
F = 19.229 N
25
mN6 m10x9.1
1x1019.229N
2
−==
=
=
=
A
PFA
FPAAFP
3.14.4 Placa para fijación de ventosas.
Las ventosas calculadas anteriormente van a estar fijas a una placa de aluminio de dimensiones:
0.05m x 0.2m x 0.01m.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
105
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
3.15 Selección del compresor.
Para la selección del compresor que se va a utilizar se toma en cuenta la el consumo de corriente
eléctrica, la potencia de salida, presión de operación, la capacidad del tanque, entre otras cuestiones.
De acuerdo al estudio se selecciono un compresor marca EVANS el cual tiene las siguientes
características
Hp: ½ Hp
Uso: Profesional.
No. de fases: Monofasico 110/220v
Modelo cabeza: CE040
Capacidad del tanque: 40 l
Presión máxima: 8x105N/m2
Gasto PCM: 4.5kg.
No. de cilindros: 1
3.16 Selección de la unidad de mantenimiento para el área neumática.
La unidad de mantenimiento que se selecciono para suministrar aire a los pistones y a las ventosas
tiene las siguientes características:
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
106
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
FRC – 1/8 – S – B FRCS – 1/8 – S – B
Referencia Unidad de mantenimiento Con llave Funda metálica de protección FRS – 1/8 – S Fluido Aire comprimido Función Filtro sinterizado con depósito de condensación;
regulador de émbolo; lubricador directamente proporcional.
Conexiones G 1/8 Caudal nominal 840 l/min Presión máxima 1.4x106N/m2 Presión de trabajo máximo 7 x105N/m2
Funcionamiento del lubricador A partir de 2.4 l/min min. 1x10-6 m3Caudal de
aceite máx. 18 x10-6 m3
Capacidad de filtraje Normal : 40 μm: cartucho tipo LPF: 5 μm de porosidad media
Peso 3.6 N Tabla 4. Características de la unidad de mantenimiento.
Esta unidad se compone de los siguientes elementos:
Filtro sinterizado, con separador de agua, purifica el aire comprimido de suciedad, óxidos y agua
condensada. El regulador de presión mantiene el valor constante en la salida, compensando las
oscilaciones de la entrada. El cabezal de regulación puede bloquearse por medio de un tornillo.
El manómetro está incluido en el suministro. El lubricador proporcional enriquece el aire purificado
con una niebla de aceite dosificable.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
107
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
3.17 Modelado cinemático para un manipulador de 5 grados de libertad.
CAPÍTULO 3 DISEÑO MECÁNICO
108
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
y0
x0
z0
x1
y1
z1
x2
y2
θ3
z2 y3
x3
z3
x4
y4
z4
x5
z5
y5
θ5
d1
d2
d4 d5
Parámetros de coordenadas de los elementos de un manipulador
i ai θi αi di 1 180º 90º 0 d1 2 90º 0 0 d2
θ3 90 0 0 3 4 -90º 0 0 d4
L5 θ5 0 0 5 θ3 = 90º θ5 = 0 d1 = 2 m d2 = 0.4 m d4 = 0.4 m L5 = 0.15 m
CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO
109
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO
110
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
4.1 Introducción.
En este capítulo se tratan todos los aspectos electrónicos que comprende el manipulador como son:
transistores, relevadores, microcontrolador, etc. Se definirán los requerimientos eléctricos
necesarios.
4.2 Requerimientos eléctricos:
VOLTAJE:
• Una máquina inyectora de plástico consume: 440 VCA
• La máquina etiquetadora consume: 12VCD
• La banda transportadora consume: 110 VCA
• Manipulador:
o Motor para la base: 24 VCD
o Motoreductor para efector final: 24 VCD
• Controlador Logico Programable (PLC)
VARIABLES A CONTROLAR:
NÚMERO DE ENTRADAS: 15
NÚMERO DE SALIDAS: 19
ELEMENTOS DE ELECTRÓNICA:
Transistores para amplificar la señal del sensor del encoder,
Para la etapa de potencia del microcontrolador: transistores, diodos, relevadores, drivers,
optoacopladores.
CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO
111
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ELEMENTOS DE CONTROL:
Encoder, sensor infrarrojo, microcontrolador, sensores de límite.
PROGRAMACIÓN:
Micrologix 5000 Allen Bradley (diagramas de escalera).
4.3Transistores de potencia.
Los transistores de potencia son utilizados comúnmente en las aplicaciones de control de maquinaria
para encender o apagar la corriente (figura 4.1). Los transistores generalmente se utilizan como
interruptores en aplicaciones de control de maquinaria en este caso será utilizado como interruptor
para amplificar la señal que reciba del microcontrolador ATMEL8515 puesto que esta no es la
suficiente grande como para energizar las bobinas de los relevadores y las electro válvulas que
utiliza el manipulador.
Figura 4.1 TIP 41
CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO
112
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
4.4 Driver L293
El L293 es un driver que se puede utilizar para el control simultáneo, bidireccional de dos motores
pequeños.
Diagrama de conexión
Figura 4.2 Driver L293
Diagrama de conexión para 2 motores (figura 4.3).
Figura 4.3 Conexión de dos motores
CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO
113
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
4.5 Fuente de alimentación.
Todo circuito requiere para su funcionamiento de una fuente de alimentación eléctrica de energía,
puesto que la corriente y voltaje que proporciona la línea comercial no es la adecuada para que su
funcionamiento sea el correcto.
La fuente de alimentación regulada para su correcto funcionamiento se constituye a base de 4 etapas
de funcionamiento que en el siguiente diagrama a bloques se muestra (figura 4.4).
Figura 4.4 Fuente de alimentación
4.5.1 Diagrama y funcionamiento de la fuente de alimentación regulada
Figura 4.5 Diagrama de alimentación regulada
CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO
114
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Primera etapa: transformador.
Como puede notarse la primera etapa de la fuente corresponde al transformador.
Existen un sin fin de tipos de transformador de poder, entre ellos tenemos:
• Transformador elevador: nos eleva la corriente
• Transformador de baja potencia
El transformador es un dispositivo que permite obtener voltajes mayores o menores en este caso
utilizaremos un reductor de voltaje
Un transformador se compone de dos embobinados eléctricamente aislados entre sí, devanados
sobre el mismo núcleo de hierro o de aire.
Segunda etapa: rectificación.
La segunda etapa de nuestra fuente de alimentación es la que queda constituida por la rectificación,
en este punto, la señal inducida al secundario, será nuevamente inducida pero ahora a una señal
directa.
La rectificación es a base de 4 diodos, por lo que su rectificación será de onda completa y esta
conectado en "tipo puente".
El funcionamiento de este rectificado es el siguiente:
Cuando la tensión V es positiva quedan polarizados en directa los diodos y D2 circulando la
corriente desde D1 pasando por la resistencia de carga y cerrándose por D2, en el próximo
semiciclo se cortan los diodos D1 y D2 pero se ponen en directa los diodos D3 y D4
estableciéndose una corriente que sale de D3 pasa por la resistencia y se cierra a través de D4
circulando por la resistencia la corriente en una sola dirección. Esto provocara que los
semiciclos de la corriente alterna se induzcan para formar una onda muy similar a la de la
figura de abajo, lo que provoca que nuestra C.A de entrada quede más parecida a la de C.D
(figura 4.6).
CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO
115
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Figura 4.6 Rectificado
Ahora bien, la corriente proporcionada no es la requerida para alimentar un dispositivo eléctrico,
puesto que aun es pulsante. Ahora bien para ello existe la tercera etapa de la fuente la cual nos
alisara mas las crestas.
Tercera Etapa: Filtro
Esta etapa, tiene como función, "alisar" o "reducir" a un mínimo la componente de rizo y elevar el
valor promedio de tensión directa.
El filtro es a base de elementos pasivos como es el capacitor.
El funcionamiento es el siguiente:
Por cada ciclo de la señal rectificada, el capacitor, se carga al valor pico, cuando la amplitud del
voltaje rectificado comienza a disminuir, el capacito empieza a descargarse.
Su eficiencia depende de la constante de tiempo, puesto que un carga de bajo valor pide más
corriente haciendo que el capacitor se descargue mas rápidamente y el filtraje sea menor.
CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO
116
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Cuarta Etapa: Regulador de Voltaje.
Para la etapa de regulación de voltaje utilizaremos el transistor 7805 que estará entregando 5volts
La función de este transistor de potencia consiste en asumir el hecho de soportar la alta corriente que
necesitamos.
4.6 Relevador
El Relevador es un interruptor operado magnéticamente. Este se activa o desactiva dependiendo de
la conexión cuando el electroimán es energizado es decir lo alimentamos los contactos del relevador
cambiaran de estado. Esta operación causa que exista conexión o no.
Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño brazo, llamado armadura, por el
electroimán. Este pequeño brazo conecta o desconecta las terminales antes mencionadas.
4.6.1 Ventajas del Relevador
- Permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al dispositivo para
hacerlo funcionar.
- El Relevador es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas que
consumen gran cantidad de corriente.
- Con una sola señal de control, puedo controlar varios relevadores a la vez.
Figura 4.7 Relevador
CAPÍTULO 4 DISEÑO ELECTRÓNICO
117
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
4.7 Electroválvulas
Estas válvulas se utilizan cuando la señal proviene de un temporizador eléctrico, un final de carrera
eléctrico, presostatos o mandos electrónicos. En general, se elige el accionamiento eléctrico para
mandos con distancias extremamente largas y cortos tiempos de conexión.
Las electroválvulas o válvulas electromagnéticas se dividen en válvulas de mando directo o
indirecto. Las de mando directo solamente se utilizan para un diámetro luz pequeño, puesto que para
diámetros mayores los electroimanes necesarios resultarían demasiado grandes.
4.8 Diagrama estado – fase
El diagrama estado – fase para el proceso de fabricación de cubetas se encuentra en el Anexo 3.
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
118
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
119
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
5.1 Costo de la guía del pistón horizontal
El material de fabricación de la guía del pistón horizontal es de acero inoxidable que cuenta con un
diámetro de 20mm, modulo de elasticidad de E=193GPa, densidad de 37860 mKg=δ y un limite
de cedencia MPC 276=σ . De acuerdo con o anterior el costo de la guía es:
Material: Acero inoxidable.
Diámetro: 20mm.
Longitud: 400mm
Peso: .9877.0 Kg
Costo de material por Kg.: $70.
Costo de la materia prima: $69.139
Costo por corte: $60
Costo de ingeniería: $1000
Costo total: $1129.139
5.2 Costo de las 2 guías paralelas al eje.
El material de fabricación de las guías paralelas al eje es de acero inoxidable que cuenta con un
diámetro de 20mm, modulo de elasticidad de E=193GPa, densidad de 37860 mKg=δ y un limite
de cedencia MPC 276=σ . De acuerdo con lo anterior el costo de las guías se multiplicara por 2:
Material: Acero inoxidable.
Diámetro: 20mm.
Longitud: 2000m
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
120
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Peso: 4.93Kg.
Costo de material por Kg.: $70
Costo de la materia prima: $345.1
Costo por corte: $60
Costo de ingeniería: $1000
Costo total: $2810.2
5.3 Costo de las columnas para la base.
Las columnas de la base en donde se encuentra apoyado el manipulador están diseñadas de acero
1010 el numero de columnas es 4 las cuales tienen las mismas características por tanto el costo total
se encuentra multiplicado por el numero de columnas.
Material: Acero 1010
Ancho de caras: 0.03x0.03m.
Longitud: 1m
Peso: 7.074Kg.
Costo de material por Kg.: $20
Costo de la materia prima: $141.48
Costo por corte: $15
Costo de ingeniería: $150
Costo total: $1225.92
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
121
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
5.4 Costo de placa de aluminio para las ventosas.
La placa para las ventosas puede ser adquirida a la medida necesaria, el único maquinado que se
realizara sobre ella consiste en las 3 perforaciones que servirán para sujeción de las ventosas.
Material: Duraluminio
Dimensiones de la placa: 10x5cm
Ancho de placa: 83 pulgadas. 0.9525cm.
Peso: 0.1375Kg.
Costo de material por Kg.: $45
Costo de la materia prima: $6.1875
Costo por maquinado: $60
Costo por ingeniería: $200
Costo total: $266.18
5.5 Costo de placa soporte de gripper
La placa de soporte del gripper es de Duraluminio que igualmente será adquirida a medida, el
maquinado que se le realizara es únicamente de 3 perforaciones para la sujeción de esta en e pistón y
su guía.
Material: Duraluminio
Dimensiones de la placa: 20x10cm
Ancho de la placa: 83 pulgadas. 0.9525cm.
Peso: 0 .55Kg.
Costo de material por Kg.: $45
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
122
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Costo de la materia prima: $24.75
Costo de maquinado: $60
Costo por ingeniería: $200
Costo total: $284.75
5.6 Costo de fabricación de piñón.
El costo total del piñón será multiplicado por 2, puesto que es el número de piezas que se requiere.
Material: Acero 1010.
Redondo: 2 41 pulgadas.
Costo de material por Kg.: $20
Espesor del piñón: 21 pulgada.
Costo por corte: $20
Costo de la materia prima: $5.11
Costo por maquinado: $1,250
Costo por tratamiento térmico: $850
Costo por ingeniería: $3,000
Costo total: $10,250.22
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
123
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
5.7 Costo de fabricación de engrane recto.
El costo total del engrane será multiplicado por 2, puesto que es el número de piezas que se requiere.
Material: Acero 1010
Redondo: 8 41 pulgadas.
Costo de material por Kg.: $20
Costo por corte: $60
Costo de materia prima: $20.44
Espesor del : 21 pulgada.
Costo por maquinado: $3,750
Costo por tratamiento térmico: $3,400
Costo por ingeniería: $3,000
Costo total: $20,460.88
5.8 Costo de la placa base de giro.
Material: Acero 1010
Dimensiones de la base: 20x20cm
Ancho de placa: 83 pulgadas.
Peso: 3.144Kg.
Costo de material por Kg.: $20
Costo de la materia prima: $62.88
Costo por maquinado: $120
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
124
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Costo por ingeniería: $300
Costo total: $502.88
5.9 Elementos neumáticos.
Costos de ventosas.
De acuerdo con los cálculos obtenidos del peso a manipular sujeto a las ventosas estas resultan de un
diámetro de 15mm, para una buena sujeción del producto se ocuparan 3 ventosas las cuales se
seleccionaron del catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con neumática), el diseño de
fuelle mejora la posibilidad de adaptación, con lo que es posible sujetar piezas que tienen superficies
desiguales. Las ventosas seleccionadas fueron
Referencia Ventosas: VAS-15- 81 -NBR.
Conexión: G 81 .
Paso nominal: 3mm.
Diámetro de sujeción aprovechable: 12mm.
Peso: 0.011Kg.
Costo por ventosa: $79.74
Costo total: $239.22
5.10 Costo de electroválvulas.
De acuerdo con las necesidades del proyecto las electroválvulas seleccionadas son de tipo MFH-
35 G 8
1 -B las cuales se seleccionaron del catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con
neumática).
Referencia Electroválvula: MFH- 35 G 8
1 -B
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
125
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Fluido: Aire comprimido filtrado sin lubricación
Presión de funcionamiento: de 3 a 10bar
Corriente continua: 12volts.
Conexión: G 81
Peso: 0.400Kg.
Costo por Electroválvula: $1,324
Costo total: $3,972
5.11 Costo de Racor múltiple.
El Racor múltiple fue seleccionado para la conexión de las tres ventosas es decir tomando en cuenta
los datos de las ventosas se selecciono un tipo QSLV3- 81 - 6, el racor fue seleccionado del
catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con neumática).
Referencia del racor: QSLV3- 81 - 6
Conexión: R 81
Paso nominal: 2mm.
Conexión para tubo de diámetro exterior: 6mm.
Peso: 0.039Kg.
Costo: $23.87
Costo total: $71.61
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
126
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
5.12 Costo del pistón horizontal.
De acuerdo a los cálculos realizados para el diseño del pistón horizontal se puede seleccionar un
pisto que cumpla con las características requeridas del catalogo de FESTO PNEUMATIC
(Automatizar con neumática).
Referencia del pistón: 32298-DSN-25-400-P
Embolo: 25mm.
Carrera: 400mm.
Fuerza de empuje min. a 6 bar: 267N.
Fuerza de retorno: 220N.
Conexiones: G 81
Costo: $1285
Costo total: $1285
5.13 Costo del pistón vertical.
La selección del pistón vertical se apoya en los cálculos realizados previamente, este es igualmente
seleccionado del catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con neumática). El pistón
seleccionado cuenta con la característica del vástago rectangular antigiro.
Referencia del pistón: 158011-DNGU-35-400-PPV-A
Embolo: 35mm.
Carrera: 400mm.
Fuerza de retorno min. a 6 bar: 415N
Conexiones: G 81
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
127
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Carrera de amortiguación: 19mm.
Costo: $1552
Costo total: $1552
5.14 Costo de manguera.
El tubo de plástico fue seleccionado por las características de conexión de las electroválvulas y el
racor de la misma manera fue seleccionado del catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con
neumática).
Referencia de la manguera: PAN-6x1
Diámetro en milímetros: 6mm.
Diámetro interior: 4mm.
Material: Poliamida.
Cantidad: 10m
Precio por metro: $22.55
Radio mínimo: 32mm.
Peso: 0.016 mKg .
Corto total: $225.5
5.15 Costo de Bridas para tubos
Son utilizadas para conducir ramales de tubos, las características de estas fueron tomadas del
catalogo de FESTO PNEUMATIC (Automatizar con neumática).
Referencia: PB-172.
Diámetro máximo de gancho: 45mm.
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
128
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Espesor: 1.2mm
Ancho: 4.6mm.
Longitud: 172mm.
Material: Poliamida
Peso: 0.003mm.
Costo: $2
Costo total: $40
5.16 Costo de motor de giro de manipulador.
Marca: Bodine Electric Company
Modelo: 6034
Velocidad: 1200RPM.
Amper: 0.78 a 1A.
Potencia: 1/16
Carga radial: 55lbs.
Costo: $1300
5.17 Costo de motor de base.
Marca: Bodine Electric Company
Modelo: 6435
Velocidad: 1200RPM.
Voltaje: 120Volts.
Amper: 1.4 a 1.8A.
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
129
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Potencia: 1/4HP.
Carga radial: 55lbs.
Costo: $1200
5.18 Costo de motor-reductor de gripper
Modelo: 6130
Velocidad: 18RPM.
Voltaje: 24Volts.
Amper: 1.4 a 1.8A.
Potencia: .02HP.
Torque: 111 lbs-pulgada
Costo: $2000
5.19 Costo de elementos electrónicos.
Elemento Referencia Costo unitario Cantidad Total
Transistor Tip 41 7805 $5.17 $4.348 7 1 $36.19 $4.348
Sensor 550500A $10 16pza. $160
Driver L2093 $30 2pza. $60
Relevadores RAS-0510 $12 3pza. $36
Transformador 24Volts
2Ampers $97 1pza. $97
Capacitor 30volts 220μ f $3.47 1pza. $3.47
Puente de
diodos 3Ampers $6 1pza.
$6
Tabla fenolica 30*30cm $79.13 1pza. $79.13
Termo fit GNP ¼ 6mm $5 2m. $10
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
130
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
La cotización de los elementos electrónicos se realizo en varias tiendas del Distrito Federal en
Noviembre del 2006 por esto los precios de dichos elementos pueden sufrir variación.
5.20 Evaluación económica total del proyecto:
Costos de los elementos diseñados y calculados.
Elemento Costo
Guía del pistón horizontal $1,129.13
Guías paralelas al eje $2,810.02
Columnas de la base $1,225.92
Placas de las ventosas $266.18
Placas de soporte de gripper $284.75
Piñones $10,250.22
Engranes $20,460.88
Placade base de giro $502.88
Total $36,929.98
Costo de los elementos calculados y seleccionados.
Elementos Costo
Ventosas $239.22
Electroválvulas $3,972.00
Racor múltiple $71.61
Pistón horizontal $1,285.00
Pistón vertical $1,552.00
Manguera $225.50
Bridas para tubos $40.00
Motor de giro de manipulador $1,300.00
Motor de base de manipulador $1,200.00
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
131
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Motor de gripper $2,000.00
Costo de ingeniería $45,000.00
Total $56,885.33
Elementos electrónicos
Elemento Total
Transistor $40.53
Sensor $160
Driver $60
Relevadores $36
Transformador $97
Capacitor $3.47
Puente de diodos $6
PLC (con accesorios) $37,506
Tabla fenolica $79.13
Termo fit $10
Costo de ingeniería $30,000
Total $67,998.13
Programación
Elemento Costo
Programación $30,000.00
Total $30,000.00
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
132
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Costos totales
Elementos Costos
Diseñados y calculados $36,929.98
Calculados y seleccionados $56,885.33
Electrónicos $67,998.13
Programación $30,000.00
Total $191,813.44
5.21 Estudio de gastos por accidente de trabajo
RIESGOS DE TRABAJO:
1. De conformidad al artículo 58 de la Ley del Seguro Social, el asegurado que sufra un riesgo
de trabajo tiene derecho a: Si el accidente lo incapacita para trabajar recibirá mientras dure la
inhabilitación al trabajo, el ciento por ciento del salario que estuviese cotizando al momento
del riesgo.
2. Recibir atención médica dentro del término de 52 semanas. Si se declara la incapacidad
permanente total del asegurado, éste recibirá una pensión mensual definitiva equivalente al
70% del salario base que estuviera cotizando.
3. En caso de incapacidad permanente total por enfermedad de trabajo, la pensión será del 70%
del salario promedio de las 52 cotizaciones últimas o de las que tuviera en caso de ser menor
el tiempo cotizado.
4. Si la incapacidad declarada es permanente parcial superior a 50%, el asegurado recibirá una
pensión que será otorgada por la institución de seguros que elija.
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS
133
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
De acuerdo con un estudio realizado en el banco HSBC, el pago de seguro por accidente va de
acuerdo al plan de seguro que se contrate. Según el pago mensual o anual que realice es la prima que
recibe el trabajador en caso de sufrir un accidente y estar incapacitado para trabajar.
5.22 Comparación del costo de la implementación del proyecto contra pago de accidente de
trabajo
Costo de implementación de proyecto: $191,813.44
Pago de prima por incapacidad y pérdida de alguna extremidad superior: $300,000.00
El resultado de esta comparación demuestra que la implementación del proyecto es viable, ya que es
más barato implementarlo que pagar el seguro por accidente de un trabajador, además de que se esta
cuidando la integridad del mismo.
ANEXO 1
134
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ANEXO 1
135
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ANEXO 1
136
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Número de dientes
Forma evolvente o compuesta a 14 ½° y profundidad total
Forma evolvente a 20° y profundidad total
Forma evolvente “stub” a 20°
12 0,067 0,078 0,099 13 0,071 0,083 0,103 14 0,075 0,088 0,108 15 0,078 0,092 0,111 16 0,081 0,094 0,115 17 0,084 0,096 0,117 18 0,086 0,098 0,120 19 0,090 0,100 0,123 20 0,092 0,102 0,125 21 0,094 0,104 0,127 23 0,097 0,106 0,130 25 0,099 0,108 0,133 27 0,101 0,111 0,136 30 0,104 0,114 0,139 34 0,106 0,118 0,142 38 0,108 0,122 0,145 43 0,110 0,126 0,147 50 0,113 0,130 0,151 60 0,115 0,134 0,154 75 0,117 0,138 0,158 100 0,119 0,142 0,161 150 0,122 0,146 0,165 300 0,122 0,150 0,170
Cremallera 0,124 0,154 0,175
Tabla I. Factor de forma y – para utilizar en la ecuación de resistencia de Lewis.
ANEXO 1
137
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Materiales Error del diente – pulgadas
Piñón Engranaje
Diente de forma evolvente
0,0005 0,0001 0,0002 0,003
hierro fundido hierro fundido 14 ½° 400 800 1600 2400
acero hierro fundido 14 ½° 550 1100 2200 3300
acero acero 14 ½° 800 1600 3200 4800
hierro fundido hierro fundido 20° y profun-didad total
415 830 1660 2490
acero hierro fundido 20° y profun-didad total
570 1140 2280 3420
acero acero 20° y profun-didad total
830 1660 3320 4980
hierro fundido hierro fundido 20° “stub” 430 860 1720 2580 acero hierro fundido 20° “stub” 590 1180 2360 3540 acero acero 20° “stub” 860 1720 3440 5160
Tabla II. Valores del factor de deformación C – para verificar cargas dinámicas.
ANEXO 1
138
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Factor del esfuerzo de
fatiga K Número de dureza Brinell promedio del
piñón de acero y el engranaje de acero
Límite de fátiga superficial ses
14 ½° 20°
150
200
250
300
400
Número de dureza Brinell, BHN
Piñón de acero Engranaje
50.000
70.000
90.000
110.000
150.000
30
58
96
144
268
41
79
131
196
366
150
200
250
150
200
Hierro fundidio
Hierro fundidio
Hierro fundidio
Bronce fosforado
Bronce fosforado
50.000
70.000
90.000
50.000
65.000
44
87
144
46
73
60
119
196
62
100
Piñón de hierro fundido Piñón de hierro fundido
Engranaje de hierro fundido Engranaje de hierro fundido
80.000
90.000
152
193
208
284
Tabla III. Valores de ses y K para algunos materiales.
ANEXO 2
139
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ANEXO 2
140
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
MATRICES DE TRANSFORMACIÓN DE COORDENADAS DEL MANIPULADOR (DENAVIT – HARTERBEG)
cos 180º -cos 90º • sen 180º sen 90º • sen 180º 0 sen 180º cos 90º • cos 180º -sen 90º • cos1 80º 0
0 sen 90º cos 90º d1 0 0 0 1
0A1=
cos 90º -cos 0 • sen 90º sen 0 • sen 90º 0 sen 90º cos 0 • cos 90º -sen 0 • cos 90º 0
0 sen 0 cos 0 d2 0 0 0 1
1A2=
cos θ3 -cos 90º • sen θ3 sen 90º • sen θ3 0 sen θ3 cos 90º • cos θ3 -sen 90º • cos θ3 º 0
0 sen 90º cos 90º 0 0 0 0 1
2A3=
cos(-90º) -cos 0 • sen(-90º) sen 0 • sen(-90º) 0 sen(-90º) cos 0 • cos(-90º) -sen 0 • cos(-90º) 0
0 sen 0 cos 0 d4 0 0 0 1
3A4=
cos θ5 -cos 0 • sen θ5 sen 0 • sen θ5 0 sen θ5 cos 0 • cos θ5 -sen 0 • cos θ5 0
0 sen 0 cos 0 L5 0 0 0 1
4A5=
ANEXO 2
141
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
0 1 0 0 0 0 1 d2 1 0 0 d1 0 0 0 1
sen θ3 0 -cos θ3 0 0 1 1 d2
cos θ3 0 sen θ3 d1 0 0 0 1
0 sen θ3 -cos θ3 -cos θ3 • d4 -1 0 0 d2 0 cos θ3 sen θ3 sen θ3 • d4 + d1 0 0 0 1
sen θ3 • sen θ5 sen θ3 • cos θ5 -cos θ3 -cos θ3 • L5 – cos θ3 • d4 - cos θ5 sen θ5 0 d2
cos θ3 • sen θ5 cos θ5 • cos θ3 sen θ3 sen θ3 • L5 + sen θ3 • d4 + d1 0 0 0 1
0 1 0 0 -1 0 0 700 0 0 1 1850 0 0 0 1
0A2=
0A3=
0A4=
0A5=
0A5=
ANEXO 3
142
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ANEXO 3
143
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Diagrama neumático
50%
50%
50%
50%
4 2
1 3S5
4 2
51
3
4 2
51
3
Marca Denominación del componente Cilindro doble efecto Fuente de aire comprimido Válvula antirretorno estranguladora Válvula antirretorno estranguladora Unidad de mantenimiento Cilindro doble efecto Válvula antirretorno estranguladora Válvula antirretorno estranguladora Válvula de 4/n vías Tobero de succión de vacío Tubo de aspiración Válvula de 5/n vías Válvula de 5/n vías Tubo de aspiración Tubo de aspiración
ANEXO 3
144
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ANEXO 3
144
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ANEXO 3
145
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Diagrama de flujo para el programa de control del manipulador
ANEXO 3
146
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
ANEXO 3
147
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
DIBUJOS
148
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
1 Lado de aspiración
2 Lado del tubo flexible
13
8.1
11
36
6.5
48.1 12
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 VÁLVULA DE RETENCIÓN PARA VACÍO
ACOT.: mm DIBUJO No. 1
149
8.1
20
28
16 13
8.1
25
10.6
30
8.1
1
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 VÁLVULA DE RETENCIÓN PARA VACÍO CON VENTOSA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 2
150
52
36
10.2
5.5
48
21.3
14.7
5.5
5.5
3.5
21
41.4
1.5
16
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 ESCUADRA DE FIJACIÓN DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 3
151
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 UNIDAD DE MANTENIMIENTO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 4
152
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 SOPORTE DE RODAMIENTO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 5
153
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 HUSILLO DE BOLAS DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 6
154
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 MANIPULADOR DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 7
155
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 VENTOSA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 8
156
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 CILINDRO NEUMÁTICO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No. 9
157
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 PLACA SOPORTE DEL GRIPPER DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No.10
158
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 PLACA DEL GRIPPER DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No.11
159
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 UNIÓN DE VENTOSAS DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No.12
160
Denominación del componente Cilindro doble efecto Fuente de aire comprimido Válvula antirretorno estranguladora Válvula antirretorno estranguladora Unidad de mantenimiento Cilindro doble efecto Válvula antirretorno estranguladora Válvula antirretorno estranguladora Válvula de 4/n vías Tobero de succión de vacío Tubo de aspiración Válvula de 5/n vías Válvula de 5/n vías Tubo de aspiración Tubo de aspiración
50%
50%
50%
50%
4 2
1 3S5
4 2
51
3
4 2
51
3
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Ingeniería en Robótica Industrial
ESIME U P A
ALUMNOS: Granados Bejarano Erik Christian, Ordaz Galván Argelia
FECHA: 17-04-08 DIAGRAMA NEUMÁTICO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL
PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO ACOT.: mm DIBUJO No.13
161
CONCLUSIONES 162
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Conclusiones:
La realización de este proyecto nos lleva a la conclusión de que es un proyecto viable puesto que al
realizar los cálculos de cada elemento y su funcionamiento hemos obtenido resultados favorables, ya
que las metas se han ido cumpliendo con buenos resultados; dichas metas que fueron propuestas al
principio de este proyecto son:
• Reutilizar de forma conveniente el número de botellas de plástico recicladas cada día.
• Lograr obtener la mejor calidad en el producto final.
• Reducir los accidentes en los trabajadores.
• Automatizar el proceso de inyección de plástico.
Las dos primeras metas se cumplen ya que la automatización del proceso ofrece un beneficio para la
sociedad y por consiguiente al medio ambiente al poder reutilizar las botellas de plástico que
muchos llaman basura, además de entregar productos con una excelente calidad.
Debido a que el proceso es de forma automática el obrero no pone en riesgo su integridad física y
solo se dedicara a poner en marcha el proceso y por consiguiente la empresa reducirá los gastos que
tendría que cubrir en caso de algún accidente hacia el operador.
El beneficio más grande que se obtiene al implementar este proyecto es que se automatiza el proceso
y la empresa se mantiene actualizada y como resultado de esto su producción aumentará y será
constante.
REFERENCIAS
163
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
Referencias: [Audí, D.; 1988] Audí Piera, Daniel. Cómo y cuándo aplicar un robot industrial.
Editorial: Marcombo Barcelona, España. 164 pp.
[Controlador; 2002] “Automatización” Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico_programable Accesado el 25 de septiembre de 2006
[Estrucplan; 1998] “Aplicaciones del plástico” Disponible en: http://www.estrucplan.com.ar/articulos/verarticulo.asp?idarticulo=305 Accesado el 27de agosto de 2006
[Estrucplan; 1998] “Reciclado del plástico” Disponible en: http://www.estrucplan.com.ar/articulos/verarticulo.asp?idarticulo=305 Accesado el 27de agosto de 2006
[Fu, K.S., Etal; 1990] Fu, K. S., Gonzáles, R. C. Robótica (control, detección, visión e inteligencia). Editorial: Mc. Graw Hill. España. 575 pp. [Farrando, R.; 1991] Farrando Boiv, Ramón. Circuitos Neumáticos, eléctricos e
hidráulicos. Editorial: Marcombo, Alfaomega. México. 129 pp. [Inyección Plástico; 2004] “Maquinaria para inyección de plástico”
Disponible en: http://www.maquinaria-para-inyeccion-de- plasticos.com.mx/historiainyeccionplastico.htm
Accesado el 16 de septiembre de 2006. [Lugo, M.; 2002] Lugo De Lille, Michelle. Ingeniería Plástica
Disponible en: http://www.ingenieriaplastica.com/novedades/nov/cipres.html
Accesado el 16 de septiembre de 2006
[Moreno, J.; 2002] Moreno, Julio José. Historia del Plástico Disponible en: http://www.arqhys.com/arquitectura/plastico- historia.html
Accesado el 16 de septiembre de 2006.
REFERENCIAS
164
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÉLULA PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO
[Morton – Jones; 1993] Morton – Jones. Procesamientote plásticos: inyección, moldeo, hule, PVC. Editorial: LIMUSA Noriega Editores Universidad Autónoma de Nuevo León, México. 302 pp. [FESTO PNEUMATIC; 2005] Catálogo FESTO PNEUMATIC “Automatizar con Neumática”. [Baldor; 1998] “Motores de Corriente Directa”
Disponible en: http://www.baldor.com.ar/motorescorrientedirecta Accesado el 30 de noviembre de 2006