DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE CENTRO DE MECANIZADO VERTICAL CNC DE 5 EJES PARA EL LABORATORIO CNC DE LA ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA.
1
Pág. INTRODUCCION
4
RESUMEN
5
GLOSARIO
6
OBJETIVOS
7
CONTENIDO
!. DISEÑO DISEÑO DEL SISTEM SISTEMA A MECANICO MECANICO !.!. !.!. P"# P"#á$%& á$%&#' #'(( )% )*(% )*(%+ +'. !.,.. D%( !., D%(-#* -#*-* -*/0 /0 )%1 (*( (*(&%$ &%$"" $%-á0 $%-á0*-' *-' "#" "#" %1 %1 $'2*$* $'2*$*%0& %0&' ' )%1 )%1 %3% Y. Y. !... D%( !. D%(-#* -#*-* -*/0 /0 )%1 (*( (*(&%$ &%$"" $%-á0* $%-á0*-' -' "#" "#" %1 $'2*$* $'2*$*%0& %0&' ' )%1 %3% X. X. !8 !.4.. D*( !.4 D*(%+' %+' )%1 (*( (*(&%$ &%$"" $%-á0* $%-á0*-' -' "#" "#" %1 $'2*$* $'2*$*%0& %0&' ' )%1 %3% Z. Z. !8 !.4.!.. Cá1-91' !.4.! Cá1-91' )%1 :9(*11' :9(*11' #'(-")' #'(-")' )% ;'1"(. !! !.4.,.. Cá1-91' !.4., Cá1-91' )%1 &'#<9% &'#<9% "#" 1" %( -&9#" %( -&9#" )%1 %3% Z. !! !.5.. D*( !.5 D*(%+' %+' )%1 (*( (*(&%$ &%$"" $%-á0* $%-á0*-' -' "#" "#" %1 $'2* $'2*$*%0 $*%0&' &' )%1 )%1 %3% %3% #'&" #'&"&*2 &*2' ' A. A. !, !.5.!.. Cá1-91' !.5.! Cá1-91' )% 1" %( -&9#" %( -&9#" )%1 %3% A =C90">. =C90">. ! !.5.,.. Cá1-91' !.5., Cá1-91' )% 1" &#"0($*(* &#"0($*(*/0 /0 )% $'2*$*%0&' $'2*$*%0&' #'&"&*2' #'&"&*2' (*0 ?*0 @ -'#'0" "#" %1 %3% A. ! !.5... D*(%+' )%1 !.5. )%1 (*(&%$" (*(&%$" $%-á0*-' $%-á0*-' "#" "#" %1 $'2*$* $'2*$*%0&' %0&' )%1 %3% #'&"&*2 #'&"&*2' ' C. !4 !.5.4.. Cá1-91' !.5.4 Cá1-91' )% 1" &#"0($*(* &#"0($*(*/0 /0 )% $'2*$*%0&' $'2*$*%0&' #'&"&*2' #'&"&*2' (*0 ?*0 @ -'#'0" "#" %1 %3% C. !5 !.6.. D%( !.6 D%(-#* -#*-* -*/0 /0 )%1 (*( (*(&%$ &%$"" $%-á0* $%-á0*-' -' )%1 -";%"1 -";%"1 ?#%(") ?#%(")'# '#.. !5 !.7. !. 7. D% D%((-#* #*-*/ */0 0 )% $'&' $'&'#% #%(( "#" "#" %1 #'& #'&'& '&* *'. '. !6 ,. DISEÑO DISEÑO Y SELECCIÓN SELECCIÓN DEL SISTEMA SISTEMA DE CONTROL CONTROL !7 ,.!. ,.!. P"# P"#á$%& á$%&#' #'(( )% )*(% )*(%+ +'. !7 ,.!.!.. D*(%+' )%1 (*(&%$" ,.!.! (*(&%$" %1%-&#/0*%1%-&#/0*-' ' @ %1-&#*-' %1-&#*-' )% -'0&#'1. -'0&#'1. !7 ,.!.,.. D*(%+' )%1 ('?&"#% ,.!., ('?&"#% )% -'0&#'1. -'0&#'1. ! ,.!... D*(%+' )% 1" "0&"11" ,.!. "0&"11" "#" %1 MI. ! ,.!.4. ,.! .4. D*( D*(%+' %+' )% -'$90* -'$90*-"-"-*/0 */0.. ! . IMPLEMENTA IMPLEMENTACIÓN CIÓ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á0* $%-á0*-' -' -'$ -'$1%& 1%&' ' " 1" 1" ;"0-")" ;"0-")" #*0-*"1. ,, .7. . 7. I$1 I$1%$ %$%0 %0&" &"-* -*/0 /0 )%1 )%1 (* (*(& (&%$ %$"" )% -'0& -'0&#' #'1. 1. , .7.!. .7 .!. *0"1% *0"1%(( )% -"##%# -"##%#". ". , .7.,.. P1"-"( )%1 :'$% -'0 (%0('#%( .7., (%0('#%( &*' :%##")9#". :%##")9#". , 2
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OBJETIVOS
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CONTENIDO
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.7.. C"3" #*0-*"1 )% -'0&#'1 "#" %1 (*(&%$" (*(&%$" "9&'$á&*-' )% 1" ?#%(")'#" ?#%(")'#" 2%#&*-"1 )% 5 %3%( CNC. , ... 90-*' . 90-*'0"$ 0"$*%0 *%0&' &' )%1 (*( (*(&%$ &%$"" "9&'$ "9&'$á&* á&*-' -' )%1 #'&'& #'&'&*' *'.. ,4 ..!.. 90-*'0"$*% ..! 90-*'0"$*%0&' 0&' )%1 (*(&%$" (*(&%$" $%-á0*-' $%-á0*-' F )% -'0&#'1. -'0&#'1. ,4 ..,.. P#9%;"( .., P#9%;"( "#" %1 ?#%(")' ?#%(")' '(*-*'0"1 '(*-*'0"1 %0 4 %3%(. ,4 .... P#9%;"( .. P#9%;"( )% &"1")#")' &"1")#")' '(*-*'0"1 '(*-*'0"1 %0 5 %3%(. ,5 ..4.. P#9%;"( ..4 P#9%;"( )% ?#%(")' ?#%(")' (*$91&á0%' (*$91&á0%' %0 5 %3%(. ,5 .. . . R% R%(91 (91&" &")' )'(( F "0á1 "0á1*( *(*( *( )% #%(9 #%(91& 1&")' ")'(. (. ,6 ..!.. Cá1-91' ..! Cá1-91' )% 1" #%('19-*/0 #%('19-*/0 )% 1" $á<9*0". $á<9*0". ,6 ..,.. Cá1-91' .., Cá1-91' )% 1" #%-*(*/0 #%-*(*/0 )% 1" $á<9*0". $á<9*0". ,6 .... R%(91&")'( .. R%(91&")'( F "0á1*(*( "0á1*(*( )% #%(91&")'( #%(91&")'( "#" %1 ?#%(")' ?#%(")' '(*-*'0 '(*-*'0"1 "1 )% 4 %3%(. ,7 ..4.. R%(91&")'( ..4 R%(91&")'( F "0á1*(*( "0á1*(*( )%1 &"1")#")' &"1")#")' '(*-*'0"1 '(*-*'0"1 %0 5 %3%(. , ..5.. R%(91&")'( ..5 R%(91&")'( F "0á1*(*( "0á1*(*( )% #%(91&")'( #%(91&")'( )%1 ?#%(")' (%-9%0-*"1 (%-9%0-*"1 -'0 5 %3%(. 8 CONCLUSION
!
RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAIA
4
INTRODUCCIÓN
En el sigu siguie ient nte e trab trabaj ajo o abor aborda dare remo mos s el cont conten enid ido o del del artí artícu culo lo “Dis “Diseñ eño o y Construcción de un Prototipo de Centro de Mecanizado Vertical CNC de Ejes! "ue es un a#ance de mecanizado importante$ debido a la posible #ersatilidad y rendimiento din%mico de los procesos& 3
'a m%"uina opera a #elocidades de corte y a#ance muy superiores a las (resadoras con#encionales por lo "ue se utilizan )erramientas de metal duro para disminuir la (atiga de materiales& *dem%s se encuentra aplicaciones en el mecanizado de moldes y matrices tanto en el diseño y las partes mec%nicas como en los mecanizados aeron%uticos& +u (uncionamiento se basa en la t,cnica C*D-C*M "ue consiste en dibujar la pieza a mecanizar mediante so(t.are C*D y luego programar la trayectoria de la )erramienta con so(t.are C*M$ para (inalmente simular y mecanizar$ todo ello en (orma autom%tica& * continuación mencionaremos todo lo relacionado con el diseño y construcción del prototipo de centro de mecanizado #ertical CNC de ejes&
RESUMEN
'as )erramientas CNC$ se )an destacado en la industria por su precisión y corrección de los errores )umanos$ en la operación realizadas&
4
El artículo nos e/presa el “diseño y construcción de un prototipo de centro de mecanizado #ertical CNC de ejes para el laboratorio CNC de la E+PE E/tensión 'atacunga!$ partiendo de la mejora de la )erramienta (resadora #ertical de 0 ejes& El prototipo trata la implementación de ejes de giros adicionales$ para una mejor elaboración de la pieza$ por medio de un so(t.are$ "ue permita la relación )ombre m%"uina para el ingreso de los códigos& +u (uncionamiento se basa en la t,cnica C*D-C*M "ue consiste en dibujar la pieza a mecanizar mediante so(t.are C*D y luego programar la trayectoria de la )erramienta con so(t.are C*M$ para (inalmente simular y mecanizar$ todo ello en (orma autom%tica 1 El diseño de este prototipo$ es una de las mejoras "ue ayudara a un progreso ideal tanto para el operario como la pieza en si$ por el control y precisión de esta& Palabras cla#es2 precisión$ diseño y construcción$ ejes$ t,cnica C*D-C*M&
GLOSARIO
1 Articulo Diseño y construcción de un prototipo de centro de mecanizado vertical
CNC de 5 ejes para el laboratorio CNC de la ESPE Extensión Latacuna
5
•
C'0&#'1 09$#*-' '# -'$9&")'#" un sistema "ue permite controlar en todo momento la posición de un elemento (ísico$ normalmente una )erramienta "ue est% montada en una m%"uina&
•
M%-"0*")' '(*-*'0"1 Este tipo de ma"uinado )a estado )abilitado por largo tiempo$ y consiste en trabajar con el cabezal orientado en una serie de posiciones y ma"uinados lle#ados a cabo como un conjunto de operaciones discretas&
•
M%-"0*")' (*$91&á0%' Este tipo de ma"uinado$ permite al usuario crear rutas de ma"uinado simultaneas en 3 eje a tra#,s de super(icies complejas$ sólidos y modelos triangulados&
•
C'0%-&'#
DB,5 conector analógico de 4 cla#ijas de la (amilia de
conectores D5+ubminiature 6D5+ub o +ub5D7& •
9(*11' tornillo largo y de gran di%metro$ utilizado para accionar los elementos de apriete tales como prensas o mordazas$ así como para producir el desplazamiento lineal de los di(erentes carros de (resadoras y tornos&
•
T'#0*11' )% ;'1"( Estos tornillos sir#en para e#itar la (ricción&
•
R%1'3 -'$"#")'# El reloj comparador es un instrumento de medición "ue se utiliza en los talleres e industrias para la #eri(icación de piezas y "ue por sus propios medios no da lectura directa$ pero es 8til para comparar las di(erencias "ue e/isten en la cota de #arias piezas "ue se "uieran #eri(icar
OBJETIVOS
O;3%&*2' G%0%#"1 6
Presentar el diseño y construcción del prototipo de centro de mecanizado #ertical CNC de ejes como un a#ance de mecanizado$ "ue contribuye a la mejora de los procesos de las industrias manu(actureras&
O;3%&*2'( E(%-H?*-'( 9denti(icar las #entajas y des#entajas de la construcción del prototipo de centro de mecanizado #ertical CNC de ejes para las industrias& conocer el proceso "ue tiene centro de mecanizado #ertical CNC de ejes en las industrias& Detallar el diseño$ preparación$ pruebas e implementación del mecanizado #ertical CNC de ejes&
CONTENIDO !. DISEÑO DEL SISTEMA MECNICO
7
!.!.
P"#á$%&#'( )% )*(%+'
+e parte de la estructura de la (resadora #ertical de 0 ejes CNC e/istente en el laboratorio$ :ig&4&
:igura 4& Prototipo de (resadora #ertical de 0 ejes CNC& Debido a "ue el recorrido de los ejes principales del prototipo est% limitado por su geometría original$ se mantendr%n los recorridos de los ejes ;$ <$ =$ mientras "ue el recorrido de los ejes * y C se basaran en prototipos e/istentes& • • • • •
>ecorrido en el eje “;!2 1?@ mm& >ecorrido en el eje “ecorrido en el eje “=!2 41 mm& >ecorrido en el eje “*!2 @3& >ecorrido en el eje “C!2 0B@3& 69n(inito7&
El prototipo de (resadora #ertical de ejes tendr% como aplicación las di(erentes operaciones de (resado descritas en la en materiales de baja dureza como m%/imo el aluminio teniendo una #elocidad de corte igual a 1B@ m-minF& 'as )erramientas a usarse ser%n (resas de #%stago$ el di%metro m%/imo de la (resa ser% de Bmm& Dentro del diseño y selección de materiales para la elaboración del prototipo$ tor"ue necesario para mo#er las estructuras de cada eje$ potencia de los actuadoresG es de suma necesidad calcular la (uerza de corte 6:c7$ las cargas "ue soportaran los ejes 6' z$ 'a$ 'c7 y la potencia de corte 6Pc7&
8
'a m%/ima (uerza de corte #iene dada por la siguiente e/presión2 F C = K S∗ A C
Dónde Hs es la presión especí(ica de corte dependiendo del material en este caso aluminio y su #alor es igual a 1@@ N-mm4 F 0F& El %rea de corte 6*c7 se lo calcula con el producto de un a#ance de corte 6s7 igual a @&A mmF y una pro(undidad de corte 6a7 igual a mmF estos #alores son recomendados para el mecanizado de aluminio ?F& Por lo "ue se tiene :c I 0J NF& 'as cargas "ue soportan los ejes son la sumatoria de pesos estructurales m%s la (uerza de corte calculada$ para el eje “=! se tiene '= I &B NF$ para el eje “*! '*I ?B4 NF$ y para el eje “C! 'C I 0JA& NF& 'a potencia de corte es el producto la (uerza de corte por la #elocidad de corte$ por lo "ue se tiene2 PC = F C ∗V C
PC =1000 W ≈ 1.33 HP
!.,.
D%(-#*-*/0 )%1 (*(&%$" $%-á0*-' "#" %1 $'2*$*%0&' )%1 %3% Y
Este eje mantiene el mecanismo de mo#imiento original y "ue consta de guías cola de milano$ transmisión de mo#imiento por )usillo de bolas K tuerca& Como se muestra en la :ig& 0&
9
!..
D%(-#*-*/ 0 )%1 (*(&%$" $%-á0*-' "#" %1 $'2*$*%0&' )%1 %3% X.
Este eje mantiene el mecanismo de mo#imiento original y "ue consta de guías cola de milano$ transmisión de mo#imiento por )usillo de bolas K tuerca& Como se muestra en la :ig& ?&
!.4.
D*(%+' )%1 (*(&%$" $%-á0*-' "#" %1 $'2*$*%0&' )%1 %3% Z.
En la :ig& se aprecia el sistema mec%nico para el mo#imiento del eje “=!$ el cual mantendr% las guías lineales cola de milano original del prototipo de (resadora #ertical de 0 ejes$ pero tendr% su #ariante en la transmisión del mo#imiento$ se implementara un )usillo de bolas Ktuerca&
10
:igura &
Mecanismo de mo#imiento del eje “=!&
!.4.!. Cá1-91' )%1 :9(*11' #'(-")' )% ;'1"( Para la selección del )usillo del eje “=! se utiliza la longitud del )usillo 60J@ mm7 y la (uerza de la carga '= 6&B N7& +i se considera un (actor de seguridad N I 0 y una resistencia a la (luencia en el acero plata 6*9+95?1@7 +< I 4JB MPa F$ de acuerdo a la ecuación 607 de diseño se tiene2 ´
<
d
< el es(uerzo de diseño m%/imo ser%2 S y d
=
N
El módulo de sección est% dado por la siguiente e/presión2 S=
M d
Donde M es el momento (lector m%/imo "ue se genera por la carga ' z e igual a 01B4&B N5mm&
11
+ I 4A mm0 El di%metro del )usillo est% dado por la siguiente e/presión2 D =
√
3
32∗5
π
D =15 mm
+e seleccionó el Lusillo de olas para el Eje “=! de un di%metro de 4@ mm y de paso mm$ debido a "ue en el mercado nacional este di%metro es el m%s manu(acturado en material acero plata&
!.4.,. Cá1-91' )%1 &'#<9% "#" 1" %( -&9#" )%1 %3% Z. 'a distribución de (uerzas e inercias en una mesa de mecanizado se obser#an en la siguiente :ig& B&
:igura B& :uerzas e 9nercias en un ejemplo de mesa de mecanizado& El tor"ue necesario para mo#er cada estructura en los ejes se lo calcula con la siguiente e/presión2 T TOD=r ∗T E + T D
Donde 6r7 es la relación de poleas$ E NmF el tor"ue est%tico de las estructuras$ D NmF es el tor"ue din%mico de la estructura& E I @&1A0 NmF
D I @&@@ NmF
r I 1 6sin poleas7
12
Por lo "ue el tor"ue total
T TOD
es2
T TOD=0,273 [ Nm]
!.5.
D*(%+' )%1 (*(&%$" $%-á0*-' "#" %1 $'2*$*%0&' )%1 %3% #'&"&*2' A.
En la :ig& J se aprecia el diseño mec%nico para el mo#imiento rotati#o del eje “*!$ el principal sistema mec%nico "ue permite acoger el mo#imiento rotatorio de un actuador y transmitir mo#imiento rotatorio a la estructura es el de sin (in 5 corona 6mesa rotati#a7&
!.5.!. 1" )%1
Cá1-91' )% %( -&9#" %3% A =C90">.
En este procedimiento inter#iene la carga "ue soporta esta estructura '*& En la :ig& A se muestra el an%lisis est%tico realizado con +olidOors$ el cual muestra la escala de Von Mises con el m%/imo es(uerzo "ue soportara el material&
13
Como de(ormación m%/ima tenemos 1@$@A MPa& El material de la estructura es *leación de *luminio @45L0? 6+y I @ MPa7$ y un (actor de seguridad de 0 6Mott$ 1@7$ con lo "ue #eri(icamos "ue se cumple la ecuación 607 de diseño& Por lo "ue el espesor de la placa para esta estructura ser% de 10 mm$ #alor " se justi(ica por ser el ad"uirido por el laboratorio de la institución&
!.5.,. Cá1-91' )% 1" &#"0($*(*/0 )% $'2*$*%0&' #'&"&*2' (*0 ?*0 @ -'#'0" "#" %1 %3% A. 'a (uerza de corte en el (resado se genera con la punta de la (resa en la estructura$ y es considerada como puntual por lo "ue se analiza el m%/imo tor"ue "ue genera en la estructura * como se obser#a en :ig& &
:igura & Mo#imiento rotati#o sin (in& 'a (uerza puntual indicada es : I 0J N& El tor"ue generado o de salida del mecanismo se lo calcula con el producto de esta (uerza en Ne.ton por la distancia o radio en metros 64 m7 de la (uerza al eje de rotación y se tiene "ue2 T = R∗ F T =75 mm
Con este tor"ue de salida se calcula la relación de transmisión del mecanismo +in :in K Corona con la siguiente e/presión BF& i=
e1 Z 2
=
T i T 0
14
Donde i es la relación de transmisión$ e1 es el n8mero de dientes del sin (in e igual a uno para este mecanismo$ =4 es el n8mero de dientes de la corona$ o es el tor"ue de salida$ y 1 es el tor"ue de entrada al mecanismo e igual a 4 Nm "ue es un #alor de diseño por lo "ue se tiene2 i=
2 Nm 80 Nm
Z 2=
=0,027
1 0,027
=37 Dientes
El n8mero de dientes de la corona se selecciona de 0B dientes$ esto se justi(ica por la estandarización e/istente en el mercado para este mecanismo&
!.5.. D*(%+' )%1 (*(&%$" $%-á0*-' "#" %1 $'2*$*%0&' )%1 %3% #'&"&*2' C. *l igual "ue el mecanismo de mo#imiento del eje “*! este mecanismo constara de una transmisión sin (in K corona$ con la #ariante "ue la posición de trabajo ser% de (orma )orizontal como se muestra en la :ig& 1@&
:igura 1@& :uerzas puntual para calcular el tor"ue est%tico en el eje “*!&
!.5.4. Cá1-91' )% 1" &#"0($*(*/0 )% $'2*$*%0&' #'&"&*2' (*0 ?*0 @ -'#'0" "#" %1 %3% C.
15
'a (uerza puntual es de : I 0J N$ el tor"ue generado o de salida del mecanismo se lo calcula con el producto de esta (uerza en Ne.ton por la distancia o radio en metros de la (uerza al eje de rotación en este caso rI@&@? mm 6radio de la mesa eje “C!7 y aplicando la ecuación 6A7& T =r∗ F = 0,04 m∗375 N =14 Nm
or"ue de salida de la transmisión& 'a relación de transmisión y el n8mero de dientes de la corona para este eje se lo calcula con la ecuación 67 y dando un #alor de @& Nm como tor"ue de entrada& i=
T i T o
Z 2=
=
e1 i
0,9 Nm
=0,06
15 Nm
=
1 0,06
=17 Di entes
El n8mero de dientes de la corona se selecciona de 0B dientes$ esto se justi(ica por la estandarización e/istente en el mercado para este mecanismo$ por lo "ue se tiene un sobredimensionamiento para el tor"ue de salida del mecanismo apro/imadamente del doble del tor"ue calculado&
!.6.
D%(-#*-*/0 )%1 (*(&%$" $%-á0*-' )%1 -";%"1 ?#%(")'#.
En la :ig& 11 se obser#a el sistema mec%nico del cabezal (resador el cual est% constituido de una transmisión de engranes K banda síncrona$ para el mo#imiento del )usillo "ue se mantiene original del prototipo de partida&
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:igura 11& +istema mec%nico del cabezal (resador&
!.7.
D%(-#*-*/0 )% $'&'#%( "#" %1 #'&'&*'.
'os motores pera los ejes del prototipo son de la marca Quic+il#er Controls de denominación QC95H050 ya "ue satis(acen las características mec%nicas re"ueridas como el tor"ue calculado para mo#er las estructuras de cada eje principal ;$ <$ =$ y como tor"ue de entrada a los mecanismos reductores de los ejes rotati#os “*!$ “C! a continuación se muestra sus características t,cnicas2
,. DISEÑO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL ,.!.
P"#á$%&#'( )% )*(%+'
En la :ig& 14$ se muestra el es"uema general de control en m%"uinas CNC$ "ue consiste2 en programar el elemento mec%nico a mecanizar en C*D-C*M$ para "ue luego el sistema de control pueda acondicionar y ampli(icar las señales digitales generadas por los programas y proporcionar señales analógicas "ue gobernaran al sistema electromec%nico controlando posición$ y #elocidad en los actuadores 6motores a pasos7$ todo esto con la (inalidad de obtener el mecanizado pre#isto de manera autom%tica&
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,.!.!. D*(%+' )%1 (*(&%$" %1%-&#/0*-' @ %1-&#*-' )% -'0&#'1 En la :ig& 10 se aprecia un diagrama de blo"ues "ue indica "ue el diseño del sistema de control del prototipo ser% a lazo abierto&
Parta controlar el mo#imiento de cinco ejes es necesario utilizar dos tarjetas controladoras CNC& Rna tarjeta principal la cual deber% comunicarse con el ordenador$ con los tres dri#ers de los motores de los ejes “;!$ “
18
,.!.,. D*(%+' )%1 ('?&"#% )% -'0&#'1. El diseño del so(t.are de control debe satis(acer las siguientes necesidades de compatibilidad2 primero con las tarjetas electrónicas de control$ luego con el sistema operati#o del ordenador 6Oindo.s ;P$ de 04 bits con procesador como mínimo de 1SLz7& iene "ue permitir la comunicación de dos puertos paralelos para el control de ejes$ tiene "ue permitir el control de #elocidad de la )erramienta$ debe leer y procesar los códigos S de programación CNC$ debe permitir el uso manual y autom%tico de la m%"uina$ tiene "ue ser de (%cil con(iguración$ debe tener seguridades manuales y autom%ticas como por ejemplo límites de recorrido y paros de emergencia&
,.!.. D*(%+' )% 1" "0&"11" "#" %1 MI. Para la con(iguración$ super#isión y control del mo#imiento de cada eje es necesario implementar un conjunto de pantallas "ue de manera general cumplan los siguientes par%metros2 Rna pantalla principal "ue muestre el recorrido de los ejes y la acti#ación del )usillo$ una pantalla de con(iguración general$ una pantalla para cargar y modi(icar los códigos S$ una pantallas para #isualización y control del progreso del programa CNC$ una pantalla para recorrido de los ejes$ una pantalla para mo#imiento y posición de la )erramienta$ una pantalla con de diagnóstico&
,.!.4. D*(%+' )% -'$90*-"-*/0. Para la comunicación entre el ordenador y el sistema el,ctrico5electrónico se debe tener una inter(az de comunicación bidireccional$ es decir "ue permita comunicar datos de entrada y datos de salida& Lay "ue tomar en cuenta "ue las tarjetas electrónicas de control tienen la característica (ísica de un con conector D4& Por lo "ue se deber% tener un cable de datos RP conectado a cada e/tremo un terminal D4 mac)o& 'a cone/ión entre los terminales D4 debe ser con(orme se muestra la :ig& 1?&
19
. IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS DEL SISTEMA Posterior al diseño y selección de todos los elementos mec%nicos y del sistema de control para el prototipo se precede a implementarlos&
.!.
I$1%$%0&"-*/0 )%1 $%-"0*($' )% $'2*$*%0&' )%1 %3% X.
El mecanismo de mo#imiento del eje “;! consta de su carro trans#ersal con guías cola de milano$ el mo#imiento se realiza con la ayuda del )usillo de bolas con su respecti#a tuerca acoplado al carro trans#ersal del eje “
20
.,.
I$1%$%0&"-*/0 )%1 $%-"0*($' )% $'2*$*%0&' )%1 %3% Y
El mecanismo de la estructura del eje “
:igura 1B& 9mplementación del mecanismo de mo#imiento del eje “
..
I$1%$%0&"-*/0 )%1 $%-"0*($' )% $'2*$*%0&' )%1 %3% Z.
El soporte del cabezal del )usillo #a ensamblado en el eje “=! por medio de las guías cola de milanoG el mo#imiento se realiza con el )usillo de bolas con su respecti#a tuerca acoplada en el cabezal del )usillo "ue no es #isible por encontrarse instalada en la parte interior del soporte del cabezalG mientras "ue el )usillo de bolas se encuentra instalado en la columna principal del eje “=! mediante soportes de rodamientos tanto en su e/tremo superior como en el e/tremo in(erior$ y la transmisión de mo#imiento del motor se da por un acople (le/ible como se muestra en la :ig& 1J&
21
.4.
I$1%$%0&"-*/0 )%1 $%-"0*($' )% $'2*$*%0&' )%1 %3% A.
'a mesa rotati#a del eje “*! #a montado en la estructura del eje “;! en una base de aluminio sólida "ue est% empotrada en el carro principal del eje “;!$ adem%s en la mesa rotati#a se encuentra ensamblada una cuna de aluminio con un soporte de apoyo en su otro e/tremo "ue sir#e como base para el eje “C!G la transmisión del mo#imiento del motor se da por un acople (le/ible$ como se muestra en la :ig& 1A&
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.5.
I$1%$%0&"-*/0 )%1 $%-"0*($' )% $'2*$*%0&' )%1 %3% C
'a mesa rotati#a del eje “C! se encuentra montada en una base de metal en conjunto con su sistema de transmisión en la cuna de aluminio de la estructura del eje “*! sujeta con tres pernos MAG la transmisión del mo#imiento del motor se da por un acople (le/ible como se muestra en la :ig& 1&
.6.
I$1%$ %0&"-*/ 0 )%1 (*(&%$" $%-á0*-' -'$1%&' " 1" ;"0-")" #*0-*"1.
odo el sistema mec%nico "ue contiene los ejes ;$ <$ * y C est%n acoplados a la bancada principalG mientras "ue el eje “=! se encuentra ensamblado en la columna de este ejeG estos dos mecanismos en conjunto est%n empotrados en una estructura de metal con seis pernos y tuercas MA$ se implementa una carcasa de tol al prototipo como protección con B pernos y tuercas MA$ en la :ig& 4@ se aprecia toda la implementación mec%nica&
23
.7.
I$1%$%0&"-*/0 )%1 (*(&%$" )% -'0&#'1. .7.!. *0"1%( )% -"##%#" 'os límites de recorrido en las coordenadas ;$ <$ =$ *$ C est%n controlados mediante so(t.are y s.itc)es limitadores de carrera$ los cuales usan los contactos normalmente cerrados$ los mismos "ue en#ían una señal en bajo a las tarjetas principales para "ue detengan el programa$ una #ez "ue las plata(ormas salen de los límites de trabajo&
.7.,. P1"-"( )%1 :'$% -'0 (%0('#%( &*' :%##")9#". Estos dispositi#os electrónicos detectan la posición de la plata(orma en las coordenadas cero de los ejes ;$ <$ =$ *$ C se detiene el mo#imiento de los actuadores y permite encerar la posición de la )erramienta en el punto de re(erencia o Lome de la m%"uina&
.7.. C"3" #*0-*"1 )% -'0&#'1 "#" %1 (*(&%$" "9&'$á&*-' )% 1" ?#%(")'#" 2%#&*-"1 )% 5 %3%( CNC. En la caja principal en la parte in(erior 6:ig& 417 se implementan los siguientes elementos2 rans(ormador 617$ (uentes de alimentación de ?@VDC514* 647 0BVDC5 14* 607 y de VDC 6?7$ cinco tarjetas controladoras para los motores 67$ (usibles 6B7$ rel,s de 11@ V*C 6J7$ pulsador de paro de emergencia 6A7$ +elector TN-T:: para el encendido de la m%"uina 67$ en la parte superior tenemos los siguientes elementos2 tarjetas principales 61@7$ dos adaptadores D4 )embra para la
24
inter(ace de la PC con las tarjetas principales 6117$ luces pilotos 6147$ tarjeta de #ariación de #elocidad del mandril 6107
..
90-*'0" $*%0&' )%1 (*(&%$"
"9&'$á&*-' )%1 #'&'&*'. ..!. 90-*'0"$*%0&' )%1 (*(&%$" $%-á0*-' F )% -'0&#'1. Para comprobar el (uncionamiento en conjunto del sistema mec%nico y el sistema de control del prototipo se realizó pruebas b%sicas de (uncionamiento tales como mo#imiento de cada eje$ encendido y apagado del )usillo$ posicionamiento de cada eje seg8n #alores insertados en el so(t.are$ #ariación de #elocidad del )usillo$ puesta a )ome de todos los ejes& Tbteniendo resultados (a#orables y aceptables&
..,. P#9%;"( "#" %1 ?#%(")' '(*-*'0"1 %0 4 %3%(. +e procedió a realizar cinco )e/%gonos en un eje de duralon de 4Jmm de di%metro$ la longitud de los lados del )e/%gono ser% de 10mm y una altura de 1@mm para poder determinar la resolución y precisión de la m%"uina se realiza la medición de cada uno de los lados de los cinco )e/%gonos$ como se obser#a en la :ig& 44
25
...
P#9%;" ( )%
&"1")#")' '(*-*'0"1 %0 5 %3%(. Para un mayor an%lisis se realiza un ciclo de taladrado en cada una de las caras de cinco )e/%gonos di(erentes$ con las dimensiones "ue se obser#a en la :ig& 40$ con ayuda de un reloj comparador se determinara la precisión del eje “C!$ para ello el reloj comparador se encuentra (ijo al cabezal del eje “=! y ubicado siempre a una misma altura y posición dentro del agujero del ciclo de taladrado para cada uno de los seis agujeros$ si e/istiera una lectura en el reloj comparador se corrige esta lectura mediante el desplazamiento del eje “C! por so(t.are y se obtiene el error en grados del eje “C!&
..4. )% (*$91&á0%' %0 5 %3%(.
P#9%;"( ?#%(")'
26
'as mediciones de precisión y resolución en el eje rotati#o “*! se realizan en un mecanizado simult%neo y sus medidas se tomaron con un reloj comparador$ como se obser#a en la :ig& 4?$ para ello el reloj comparador se encuentra (ijo al cabezal del eje “=! y ubicado siempre a una misma altura y posición en los di(erentes puntos del mecanizado$ si e/istiera una lectura en el reloj comparador se corrige esta lectura mediante el desplazamiento del eje “*! por so(t.are y se obtiene el error en grados del eje “*!&
..
R%(91&")' ( F "0á1*(*( )%
#%(91&")'(. ..!. Cá1-91' )% 1" #%('19-*/0 )% 1" $á<9*0". El c%lculo de la resolución del prototipo de :resadora Vertical CNC de ejes$ se calcula independientemente para cada eje con la siguiente ecuación2 R=
p pp
En donde p es el paso del tornillo de bolas implementado en cada eje$ y ppu son los pasos por unidad de cada eje& El #alor del paso del tornillo es de y corresponde al )usillo seleccionado y el #alor de paso por unidad es ?@@ ppu este #alor asocia a los pasos "ue debe dar el motor para obtener una re#olución del eje& +e tiene "ue2 R=
5 400
=0,0125
..,. Cá1-91' )% 1" #%-*(*/0 )% 1" $á<9*0".
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'a precisión para cada uno de los ejes “;!$ “
Donde > es la precisión ya obtenida$ y U se re(iere al juego a/ial de los tornillos de bolas e igual a @$@1 mm #alor obtenido de los datos t,cnicos del )usillo seleccionado$ entonces tenemos el juego igual para los ejes principales “;!$ “
Mientras "ue para los ejes rotati#os “*! y “C! con un juego en la mesa rotati#a de @&@ se tiene una precisión de2 0
P2 e#es=( 0,05 + 0,05 )
=0,10
>esultados y an%lisis de resultados para el (resado posicional de ? ejes&
... R%(91&")'( F "0á1*(*( )% #%(91&")'( "#" %1 ?#%(")' '(*-*'0"1 )% 4 %3%(. *'* 99&
Muestras del (resado de ? ejes&
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'os resultados de esta medición dieron #alores críticos para el lado W B de nuestro elemento mecanizado y "ue lo obser#amos en la :ig& 4&
De la :ig& 4 se puede concluir "ue al comparar la medida real con las medidas de muestreo y la cur#a media$ el lado seis de la muestra 4 presenta una #ariación m%/ima& 'uego de realizar los c%lculos de los promedios y promedio total de la tabla 99 se puede determinar "ue la resolución y precisión son iguales y con un #alor de @&@040mm$ esto "uiere decir "ue la m%"uina est% dentro de los par%metros de diseño&
..4. R%(91&")'( F "0á1*(*( )%1 &"1")#")' '(*-*'0"1 %0 5 %3%(.
29
*'* 999& Muestras del ciclo de taladrado&
Con los datos de la tabla 999 se realiza el siguiente gr%(ico estadístico2
De los datos obtenidos en la tabla 999$ luego de realizar los c%lculos del promedio y el promedio total se puede concluir "ue este prototipo presenta una resolución de @&?4$ y como podemos obser#ar en la :ig& 4B en las muestras 0 y se puede obser#ar "ue e/iste una mayor #ariación y si se toma esos #alores se obser#ar% "ue la precisión es de @&1?B3& Para mejorar la resolución del prototipo se debe sustituir la mesa rotati#a actual por otra de mejores características&
..5. R%(91&")'( F "0á1*(*( )% #%(91&")'( )%1 ?#%(")' (%-9%0-*"1 -'0 5 %3%(. 'a tabla 9V muestra los datos de las mediciones tomadas en los di(erentes puntos del mecanizado secuencial con cinco ejes&
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*'* 9V& Datos de las mediciones tomadas
Con los datos de la tabla 9V se realiza el siguiente gr%(ico estadístico2
De los datos obtenidos en la tabla 9V$ luego de realizar los c%lculos del promedio y promedio total se puede concluir "ue este prototipo presenta una resolución y precisión de @&@0?3 para el eje “*!& En la :ig& 4J se obser#a "ue en las muestras 1 y 4 e/iste una mayor #ariación y con(orme se aumenta el n8mero de muestras esta #ariación #a disminuyendo& Para mejorar la resolución del prototipo se debe sustituir la mesa rotati#a actual por otra de mejores características&
31
CONCLUSIÓN El mecanizado de cinco ejes )a estado ganando popularidad en las operaciones de (resado y de (resado-torneado combinado& Permitiendo mecanizados
32
multilaterales completos en un solo ciclo$ reduciendo el tiempo no producti#o y eliminando las imprecisiones "ue se deri#an de los m8ltiples amarres de la pieza& *dem%s$ la agilidad de la mec%nica de la m%"uina posibilita una mejor accesibilidad a las zonas restringidas de di(ícil alcance de la misma& 'os %ngulos de ajuste pueden tambi,n de(inirse libremente$ por lo "ue en muc)as ocasiones es posible utilizar )erramientas m%s cortas y m%s rígidas$ lo cual se traduce en una mejora del acabado super(icial& De acuerdo con lo anterior$ )ay numerosas (unciones especiales "ue se (acilitan con el mecanizado de cinco ejes$ como lo son2 *#ance manual$ Control del centro de la )erramienta$ Control del plano de la )erramienta y Compensación del radio de la )erramienta$ entre otros& En nuestro caso$ se diseñó y construyó un Prototipo de Centro de Mecanizado Vertical CNC de ejes para el laboratorio CNC de la Rni#ersidad de las :uerzas *rmadas5Espe E/tensión 'atacunga$ partiendo de un prototipo de (resadora #ertical de 0 ejes y con la ayuda de las m%"uinas CNC e/istentes en el laboratorio& Para desarrollar este proyecto se lle#ó a cabo un proceso "ue inicio con2 5
5
5
5 5
5
'a recopilación de in(ormación sobre el (uncionamiento y operación de (resadoras y prototipos de (resadoras de ejes de Control Num,rico Computarizado& +e diseñó del sistema mecatrónico con los par%metros de (uncionamiento planteados para el prototipo y con ayuda de so(t.are de diseño +olidOors 4@14& +e seleccionó los elementos para el sistema mecatrónico dependiendo de los #alores de c%lculo del diseño$ la manu(actura e/istente en el mercado y el costo de los elementos siendo estos muy ele#ados en el mercado nacional por lo "ue se optó por ad"uirirlos en el e/tranjero a un precio razonable& +e implementó el sistema de control para gobernar los actuadores acoplados a cada eje de mo#imiento del prototipo& +e controló la ma"uina mediante so(t.are 6Mac)07$ el mismo "ue trabaja conjuntamente con dos tarjetas principales 6Combo oard7 6D47G debido a sus bajos costos para satis(acer las necesidades del diseño del prototipo de (resadora #ertical CNC de ejes$ obteniendo a la (inal un LM& +e realizaron pruebas de (uncionamiento y mecanizado para analizar los resultados y encontrar #alores de resolución y precisión de prototipo&
En e(ecto$ con la implementación de este sistema autom%tico de :resadora #ertical CNC de ejes$ los docentes y estudiantes de las di(erentes carreras de la E+PE5'$ pueden )acer uso de la m%"uina en el 'aboratorio CNC$ para pr%cticas relacionadas con las asignaturas :M+ y C*D-C*M$ con el (in de "ue puedan lograr una mayor comprensión acerca de este tema& 33
RECOMENDACIONES
eniendo en cuenta las recomendaciones )ec)as por los autores del artículo en cuestión$ implementar un controlador por )ard.are de ejes para el presente 34
prototipo de (resadora #ertical CNC$ es una de las m%s rele#antes dado "ue se estaría cumpliendo con el principal objeti#o de este estudio "ue es desarrollar un prototipo con características particulares& 'a utilización de nue#os controles de CNC incorpora (unciones e/tendidas para el mecanizado de cinco ejes$ permitiendo lle#ar a cabo los m%s complejos procesos de mecanizado& Dic)as (unciones mejoradas soportan todo tipo de con(iguraciones de los cinco ejes de la m%"uina$ bien sea de cabezal giratorio$ de mesa giratoria de tipo muñón$ o bien construcciones )íbridas de ejes porta)erramientas y ejes de m%"uina giratorios& En cuanto a otros aspectos "ue se deben tener en cuenta para la puesta en marc)a del prototipo tenemos2 Veri(icar de (orma regular los par%metros de con(iguración o calibración del (resadora #ertical CNC de ejes dentro del so(t.are Mac)0$ con el (in de arreglar alg8n tipo de des con(iguración "ue se )aya dado$ adem%s para obtener los mejores resultados de mecanizado posibles& Para (inalizar$ antes de operar la m%"uina se deben conocer sus características t,cnicas$ tales como2 recorridos de los ejes$ #elocidades m%/imas del )usillo$ materiales "ue se pueden mecanizar$ etc& ambi,n$ se recomienda seguir las normas de seguridad tanto para la m%"uina como para el operario$ antes$ durante y despu,s del mecanizado$ ya "ue la m%"uina aun"ue es un prototipo puede causar lesiones por "uemaduras o corte$ adem%s ayuda al operario para "ue se acostumbre al momento de utilizar una m%"uina a ni#el industrial&
BIBLIOGRAIA
•
:austo *cuña$ Departamento de Energía y Mec%nica E+PE$ E/tensión 'atacunga 'atacunga$ Ecuador (#acuniaXespe&edu&ec &
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