Automatización del proceso de galvanizado 1.15.pptx

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE GALVANIZADO TESIS CURRICULAR QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL

P R E S E N T A N:

Bahena Gómez Alberto Alonso Hernández Lara Derlis Jiménez Hernández Raúl

DIRIGIDO POR: Dr. Ricardo Gustavo Rodríguez Cañizo Dr. Luis Armando Flores Herrera MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE DEL 2011

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010

Índice General Índice de Figuras ................................................................................................................................. vi Índice de Tablas .................................................................................................................................. ix Resumen ............................................................................................................................................. xii Abstract .............................................................................................................................................. xii Objetivo General ............................................................................................................................... xiii Objetivos particulares .................................................................................................................... xiii Justificación ..................................................................................................................................... xivv 1.1 Estado del arte ................................................................................................................................ 2 1.2 Tipos de procesos de galvanizado .............................................................................................. 2 1.2.1 Galvanizado en frío ................................................................................................................. 2 1.2.2 Galvanizado en caliente .......................................................................................................... 3 1.2.3 Recubrimientos electrolíticos .................................................................................................. 5 1.2.4 Galvanizado continuo .............................................................................................................. 9 1.3 Tipos de instalaciones para el proceso de galvanizado ........................................................... 10 1.4 Galvanoplastia .......................................................................................................................... 11 1.5 El Zinc como materia prima ..................................................................................................... 13 1.6 Proceso de galvanizado en la actualidad .................................................................................. 14 1.7 Trabajos sobre el proceso automático de galvanizado ............................................................. 19 1.8 Planteamiento del problema ..................................................................................................... 20 2. Marco teórico ................................................................................................................................. 24 2.1 Galvanizado .............................................................................................................................. 24 2.2 Corrosión .................................................................................................................................. 24 2.3 Galvanizado por electrólisis ..................................................................................................... 26 2.3.1 Calor generado por la electrólisis .......................................................................................... 27 2.3.2 Espesor del recubrimiento .................................................................................................... 28 2.3.3 Ley de Faraday de la electrólisis ........................................................................................... 29 2.4 Automatización Industrial ........................................................................................................ 30 2.4.1 Principio de automatización y estrategias ............................................................................. 31 2.5 Controladores Lógicos Programables (PLC) ........................................................................... 34 2.6 Sistemas de manejo de material ............................................................................................... 36 2.6.1 Elementos para el manejo de material................................................................................... 37 2.7 Transmisión de potencia........................................................................................................... 39 2.7.1 Tipos de engrane ................................................................................................................... 39 Ingeniería en robótica industrial

ii

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 2.7.2 Engranes rectos ..................................................................................................................... 40 2.8 Esfuerzo cortante ...................................................................................................................... 44 2.9 Energía de deformación unitaria .............................................................................................. 45 2.9.1 Teorema de CASTIGLIANO ................................................................................................ 46 2.10 Dinámica de la rotación.......................................................................................................... 47 2.10.1 Momento de inercia ............................................................................................................. 48 2.11 Fuerzas hidrostáticas sobre las superficies ............................................................................. 50 2.11.1 Tensión circunferencial o tangencial................................................................................... 51 2.11.2 Viscosidad ........................................................................................................................... 51 2.12 Métodos de análisis de movimientos de material y energía ................................................... 52 2.12.1Flujogramas del Proceso ...................................................................................................... 52 2.12.2 Ruta crítica .......................................................................................................................... 54 2.12.3 Análisis de Valor ................................................................................................................. 55 2.12.4 Balance de energía .............................................................................................................. 56 2.12.4 Programación lineal............................................................................................................. 58 2.13 Sumario .................................................................................................................................. 60 3.1 Diseño conceptual ........................................................................................................................ 62 3.2 Despliegue de la función de calidad (QFD) ............................................................................. 62 3.3 Metodología QFD aplicada al diseño en ingeniería ................................................................. 63 3.3.1 Determinación de las expectativas y requerimientos del cliente........................................... 63 3.3.1.1 Descripción del proceso actual ........................................................................................... 63 3.3.1.2 Descripción del proceso propuesto .................................................................................... 66 3.4 Determinación de los requerimientos del cliente ..................................................................... 67 3.4.1 Clasificación de los requerimientos ...................................................................................... 68 3.4.1 Clasificación de los requerimientos en obligatorios y deseables .......................................... 70 3.4.2 Ponderación de los requerimientos deseables ....................................................................... 71 3.4.3 Traducción de los requerimientos a términos mensurables de ingeniería ............................. 72 3.4.4 Metas de diseño ..................................................................................................................... 74 3.4.5 Casa de la calidad .................................................................................................................. 74 3.4.6 Análisis funcional .................................................................................................................. 75 3.4.6.1 Función global de servicio ................................................................................................. 76 3.4.7 Generación y evaluación de conceptos ................................................................................. 79 3.4.8 Concepto ganador .................................................................................................................. 84 3.5 Sumario .................................................................................................................................... 87 4.1 Diseño a detalle mecánico ............................................................................................................... 89 Ingeniería en robótica industrial

iii

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 4.2 Subsistemas del proceso automatizado de galvanizado ........................................................... 89 4.3 Módulo de soporte .................................................................................................................... 92 4.3.1 Diseño del manipulador ........................................................................................................ 92 4.3.2 Cálculo del tornillo de potencia .......................................................................................... 101 4.3.3 Cálculo de la guía del tornillo de potencia .......................................................................... 103 4.3.4 Cálculo del riel .................................................................................................................... 104 4.3.5 Cálculo del torque para el desplazamiento sobre el riel ...................................................... 106 4.4 Módulo de transporte.............................................................................................................. 111 4.5 Módulo de manejo de material ............................................................................................... 112 4.5.1 Diseño de mecanismo para vaciar piezas metálicas ............................................................ 112 4.6 Módulo de galvanizado .......................................................................................................... 116 4.6.1 Cálculo del torque necesario para dar movimiento al barril................................................ 117 4.6.2 Cálculo de la transmisión por cadena para dar movimiento al barril .................................. 123 4.6.3 Cálculo de la transmisión de engranes para dar movimiento al barril ................................ 127 4.6.4 Cálculo del eje para el barril hexagonal .............................................................................. 130 4.7 Sumario .................................................................................................................................. 132 5.1 Diseño eléctrico-electrónico ....................................................................................................... 134 5.2 Módulo de control .................................................................................................................. 134 5.3 Sistema electrónico ................................................................................................................ 134 5.3.1 Selección de PLC, Sensores, Contactores y Botones pulsadores ........................................ 135 5.4 Sistema eléctrico .................................................................................................................... 138 5.4.1 Cálculo para la selección de motores .................................................................................. 138 5.5 Corriente eléctrica necesaria para la electrodeposición ......................................................... 143 5.6 Selección de conductor........................................................................................................... 145 5.7 Análisis del proceso mediante programación lineal ............................................................... 151 5.8 Grafcet .................................................................................................................................... 154 5.8.1 Descripción del proceso ...................................................................................................... 155 5.10 Sumario ................................................................................................................................ 168 6.1 Análisis del valor ........................................................................................................................ 170 6.2 Introducción ........................................................................................................................... 170 6.3 Funciones ............................................................................................................................... 171 6.3.1 Funciones/ Elementos ......................................................................................................... 171 6.3.2 Cálculo del costo de las funciones ...................................................................................... 172 6.3.3 Análisis crítico..................................................................................................................... 175 6.3.4 Costos de ingeniería ............................................................................................................ 176 Ingeniería en robótica industrial

iv

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 6.3.5 Precio de venta .................................................................................................................... 177 6.4 Periodo de recuperación de la inversión ................................................................................ 180 6.5 Sumario .................................................................................................................................. 182 Conclusiones .................................................................................................................................... 183 Trabajos Futuros ........................................................................................................................... 184 Referencias ................................................................................................................................... 185 Anexos .............................................................................................................................................. 187 Anexo 1 Diferencias entre los diferentes tipos de galvanizado. .............................................. 188 Anexo 2 Propiedades de materiales seleccionados usados en ingeniería, Johnston, (2004). .. 189 Anexo 3 Propiedades de perfiles laminados de acero unidades SI, Johnston, (2004). ............ 190 Anexo 4 Selección de motoreductor ........................................................................................ 191 Anexo 5 Factores de servicio para transmisión de cadena ....................................................... 191 Anexo 6 Normas venezolanas para el galvanizado. ................................................................ 192 Anexo 7 Factor de forma para la ecuación de resistencia de Lewis. ....................................... 192 Anexo 8 Tensiones admisibles para engranes plásticos. .......................................................... 193 Anexo 9 Casa de la calidad ...................................................................................................... 193 Planos ....................................................................................................................................... 194

Ingeniería en robótica industrial

v


Índice de Figuras Figura 1.1Esquema que muestra la parte final del proceso de galvanizado (LATIZA, 2004).

9

Figura 1.2 Esquema de una instalación de galvanización en continuo de chapa(LATIZA, 2004).

10

Figura 1.3 Diagrama simplificado del proceso de electrólisis (Miguel B, 2007).

12

Figura 1.4 Destino final en la producción del Zinc (ILZSG, 2007).

13

Figura 1.5 Operario de Tennessee galvanizing manipulando mecanismo para galvanizado (TG, 2010).

14

Figura 1.6 (a) Piezas grandes colocadas en ganchos. (b) Piezas pequeñas colocadas en canastos, (GALVASA, 2010).

15

Figura 1.7 Las piezas son sumergidas en la solución de hierro-zinc en la etapa de fluxado(GALVASA, 2010).

16

Figura 1.8 Inmersión de las piezas en el zinc fundido para galvanizarlas(GALVASA, 2010).

16

Figura 1.9 Verificación del espesor en micras del recubrimiento para emitir protocolo de calidad(GALVASA, 2010).

17

Figura 1.10 Piezas metálicas que galvaniza la empresa Recubrimientos Metálicos(RM, 2009).

17

Figura 1.11 Proceso de galvanizado en caliente llevado a cabo por RM(RM, 2009).

18

Figura 1.12 Grúas usadas por RM para el proceso de galvanizado(RM, 2009).

18

Figura 1.13 Línea automática de galvanizado, “vista detallada”(Maldonado et al., 2009).

19

Figura 1.14 Línea automática de galvanizado “vista general(Maldonado et al., 2009).

20

Figura 2.1 Daños en un barco ocasionados por la corrosión (Chang and College, 2002).

25

Figura 2.2 Recubrimiento de un metal mediante la electrólisis (Chang and College, 2002).

27

Figura 2.3 Tecnologías empleadas en la comunicación (García, 2005).

33

Figura 2.4 Controladores lógicos programables (Bolton, 2001).

34

Figura 2.5 Arquitectura de un PLC (Bolton, 2001).

35

Figura 2.6 Diagrama tipo escalera(Bolton, 2001).

36

Figura 2.7 Vista de un Spreaders (Directindustry, 2010).

38

Figura 2.8 Esquema de cálculo de estructura de spreader (Larrodé and Miravete, 1996).

39

Fig. 2.9 Perfil de evolvente (Shigley and D., 1985).

40

Figura 2.10 Nomenclatura de los dientes de engranes (Shigley and D., 1985).

41

Figura 2.11 Ley General del Engrane (Shigley and D., 1985).

42

Figura 2.12 Engranes conectados (Shigley and D., 1985).

42

Figura 2.13 Cargas en un diente (Hall et al., 1971).

43

Figura. 2.14 Cilindro macizo (Meriam and J. L. Kraige, 2000)

49

Figura. 2.15 Cilindro hueco (Meriam and J. L. Kraige, 2000)

49

Figura 2.16 Prisma hexagonal.

50

Figura 2.17 Perfil de velocidades (Serway et al., 2008).

51


vi

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Figura 2.18 Relación de potencias (HARPER, 1994).

57

Figura 3.1 Tolva, banda transportadora y cubeta (diseño propio).

84

Figura 3.2 Manipulador montado sobre un riel (diseño propio).

85

Figura 3.3 Manipulador para cambiar las piezas a galvanizar de un contenedor a otro (diseño propio).

85

Figura 3.4 Manipulador montado sobre un riel aéreo que moverá al barril (diseño propio).

86

Figura 3.5 Barril sumergido en la solución electrolítica (diseño propio).

86

Figura 4.1 Diagrama de bloques para el proceso de galvanizado por electrólisis (diseño propio).

90

Figura 4.2 Diagrama del proceso de galvanizado por electrólisis (diseño propio).

91

Figura 4.3 Placa del manipulador.

92

Figura 4.4 Diagrama de cuerpo libre de la placa que soporta el barril.

92

Figura 4.5 Diagrama de Momento Flector.

93

Figura 4.6 Diagrama de esfuerzo cortante y momento máximo.

93

Figura 4.7Barril unido a la placa.

95

Figura 4.8 Diagrama para determinar el momento de inercia de masa.

97

Figura 4.9 Diagrama del tornillo.

98

Figura 4.10 Diagrama de las dimensiones del barril.

99

Figura 4.11 Diagrama de cuerpo libre de la guía del tornillo de potencia.

103

Figura 4.12 Momentos flexionantes y esfuerzos cortantes de la viga.

105

Figura 4.13 DCL de la llanta.

107

Figura 4.14 Distribución de las llantas.

107

Figura 4.15 DCL.

108

Figura 4.16 Análisis de la rueda.

109

Figura 4.17 Canasta.

111

Figura 4.18 Barril.

111

Figura 4.19 Mecanismo para vaciar piezas metálicas dentro del contenedor hexagonal.

112

Figura 4.20 Mecanismo para sujetar cubeta.

113

Figura 4.21 Mitad del mecanismo para sujetar cubeta.

114

Figura 4.22 DCL Barra A.

114

Figura 4.23 DCL Barra C.

115

Figura 4.24 Diagrama de cuerpo libre (DCL) del barril.

117

Figura 4.25 Volumen del fluido.

118

Figura 4.26 Barrenos en el barril.

120


122

Figura 4.28 Diseño obtenido.

126


vii

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Figura 4.29 DCL del barril.

130

Figura 4.30 Análisis del eje.

131

Figura 5.2 PLC Micrologix 1000 Allen Bradley.

135

Figura 5.1 Sensor modelo S18CC BANNER.

136

Figura 5.3 Contactor tripolar TECNOJAR.

136

Figura 5.4 Elemento de accionamiento y contacto NA Siemens.

137

Figura 5.6 Torque para girar cubeta.

140

Figura 5.7 Principales factores que se deben considerar al calcular el calibre mínimo, Condumex, 2008. 145 Figura 5.8 Gráfica de tiempo contra kilogramos de cada ciclo.

152

Figura 5.9 Diagrama de fuerza motor desplazamiento vertical.

167

Figura 5.10 Diagrama de fuerza para motor desplazamiento horizontal.

167

Figura 6.1 Función-Costo porcentual.

175

Figura 6.2 Comparación de precios entre distintos elementos que cumplen con la misma función. 176 Figura 6.3 Línea del tiempo de FNE vs Meses.

182


viii


Índice de Tablas Tabla 1.1 Soluciones desengrasantes (MRI, 2009). ............................................................................. 6 Tabla 1.2 Composición de las soluciones de decapado químico (MRI, 2009). ................................... 7 Tabla 1.3 Composición de baños electrolíticos(MRI, 2009). .............................................................. 8 Tabla 2.1 Espesores de recubrimiento mínimos(AGA, 2009). .......................................................... 28 Tabla 2.2 Energía de deformación unitaria ........................................................................................ 46 Tabla 2.3 Símbolos de la norma ASME (ASME, 2010). ................................................................... 53 Tabla 2.4 Símbolos de la norma ANSI (ANSI, 2010). ...................................................................... 53 Tabla 3.1 Tiempos en el proceso de galvanizado por electrodeposición. .......................................... 64 Tabla 3.2 Clasificación de los requerimientos en obligatorios y deseables. ...................................... 70 Tabla 3.3 Ponderación de los Requerimientos Deseables. ................................................................. 71 Tabla 3.4 Orden de importancia de los requerimientos deseables. .................................................... 72 Tabla 3.5 Términos mensurables de ingeniería. ................................................................................. 73 Tabla 3.6 Valores de relación para la casa de la calidad. ................................................................... 75 Tabla 3.7 Funciones de servicio. ........................................................................................................ 77 Tabla 3.8Generación de conceptos..................................................................................................... 79 Tabla 3.9 Concepto ganador............................................................................................................... 84 Tabla 3.10 Elementos necesarios para el concepto ganador. ............................................................. 87 Tabla 4.1 Selección de tornillo cuerda Acme. ................................................................................. 102 Tabla 5.1 Factores de corrección por temperatura. Condumex, 2008.............................................. 148 Tabla 5.2 Factores de corrección por agrupamiento para Tubo Conduit. Condumex, 2008. .......... 148 Tabla 5.3 Calibres línea Vinanel Nylon. Condumex, 2008. ............................................................ 149 Tabla 5.4 Parámetros para la programación lineal y resultados. ...................................................... 151 Tabla 5.5 Resultados de la programación lineal para cada ciclo. .................................................... 153 Tabla 5.6 Elementos y símbolos que constituyen el GRAFCET. .................................................... 154 Tabla 6.1 Formas para aumentar el valor de un producto o servicio. .............................................. 171 Tabla 6.2 de funciones/descripción. ................................................................................................. 171 Tabla 6.3 Funciones-Elementos del sistema. ................................................................................... 172 Tabla 6.4 Transporte de piezas. ........................................................................................................ 173 Tabla 6.5 Limpieza de piezas. .......................................................................................................... 173 Tabla 6.6 Secado de piezas. ............................................................................................................. 174 Tabla 6.7 Programación y Control. .................................................................................................. 174 Tabla 6.8 Recubrir piezas. ................................................................................................................ 174 Tabla 6.10 Costo total después de cambiar la banda transportadora por la rampa. ......................... 176 Tabla 6.11 Factores de tipo de cliente. ............................................................................................. 178 Ingeniería en robótica industrial

ix

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Tabla 6.12 Factores de Prestigio. ..................................................................................................... 178 Tabla 6.13 Factores del impacto del proyecto.................................................................................. 179 Tabla 6.14 Factores de competencia. ............................................................................................... 179 Tabla 6.15 Análisis de costo unitario ............................................................................................... 181


x


Resumen En México existen empresas dedicadas al acabado de piezas metálicas que pretenden aumentar su producción total, uno de sus procesos fuertes es el galvanizado, que es un proceso de recubrimiento de metales para evitar la corrosión de estos. En éste proyecto se propone el diseño de un sistema automatizado para realizar el proceso de galvanizado por electrólisis, con la finalidad de mejorar las condiciones laborales de los trabajadores, homogenizar la calidad del galvanizado y aumentar la producción.

En el desarrollo de éste trabajo se presentan el estado del arte, los sistemas automáticos que existen para el galvanizado, las generalidades necesarias para desarrollar el proyecto, el diseño conceptual en donde se hace uso de las herramientas QFD, análisis funcional y filtros para obtener un concepto final. Éste fue mejorado en el diseño a detalle en donde se realizaron los cálculos mecánicos del riel, los manipuladores, la selección de los componentes eléctrico-electrónicos como los sensores y PLC y la programación del sistema con base en la herramienta Grafcet y en la metodología de la programación lineal, con la cual se obtuvo una solución factible para aumentar la producción. Por último, se presenta el análisis de costos con base en la metodología del análisis del valor donde se estableció el costo total del sistema, los costos de ingeniería y el tiempo en que se recupera la inversión.


xi


Abstract In Mexico there are companies dedicated to the finishing of metal parts that pretends to increase its total production, one of its strengths is the galvanizing process, which is a metal coating process to prevent corrosion of these ones. In this project, the proposal is the design of an automated system for the electrolytic galvanizing process, in order to improve the working conditions of workers, to homogenize galvanized quality and to increase production.

In the development of this work, it presents the state of the art, the automated systems that exist for galvanizing, the general need to develop the project, the conceptual design using the QFD tools, functional analysis and filters to obtain a final concept. This was improved in the detail design where were made mechanical calculations

of the rail,

handlers, the selection of electrical /

electronic components such as sensors and PLCs, the programming of the system based on the GRACET tool and linear programming methodology, which was obtained with a feasible solution to increase production. Finally it presents the analysis of costs based on the value analysis methodology which was established the total system cost, engineering costs and the time to recover investment.


xii


Objetivo General Diseñar un sistema automatizado para realizar el proceso de galvanizado por electrólisis de piezas metálicas con dimensiones de un máximo de 10 x 30 x 10 cm, de cualquier forma geométrica. Se realizará el diseño mecánico, la selección de los componentes eléctrico-electrónicos y la programación de dicho sistema cumpliendo con los requerimientos deseados.

Objetivos particulares Determinar las variables que influyen en el proceso de galvanizado. Establecer las normas de calidad y medio ambiente que rigen el proceso de galvanizado. Realizar el diseño mecánico de la estructura y los manipuladores. Seleccionar equipos y/o elementos del sistema de acuerdo a los cálculos obtenidos. Realizar la programación del sistema. Efectuar la simulación del diseño final a través de un montaje óptimo. Disminuir en medida de lo posible los insumos requeridos para llevar a cabo el proceso. Eficientar el proceso en términos de tiempos y movimientos. Mejorar la producción en la relación costo-beneficio.


xiii


Justificación Al automatizar el proceso de galvanizado las empresas especializadas en el acabado de piezas se beneficiarán aumentando su producción y ganando terreno en este rubro. Además, de que se aportará nueva tecnología al mercado mexicano y se disminuirán los factores afectados por este proceso, como el desperdicio de agua y el uso de energía eléctrica por largos periodos de tiempo.

En Estados Unidos y en Europa existen procesos de galvanizado automatizados, pero los costos para incorporarlos son muy elevados. En México sólo existe una empresa que cuenta con un sistema automatizado para este proceso (Recubrimientos metálicos de México SA. de CV.), la cual produce cantidades grandes de galvanizado y cuenta además, con un amplio espacio de trabajo, que le permite contener la maquinaria del proceso. Por tal motivo, resulta factible diseñar un sistema eficiente, que ocupe un espacio de trabajo reducido y a un costo accesible, cumpliendo con las características que el mercado mexicano demanda(RM, 2009). Automatizando el proceso de galvanizado se mejorarán las condiciones ambientales, porque se tendrá un control sobre el proceso basándose en las normas que lo rigen (UNE EN ISO 1461:1999, UNE-EN 10336, ASTM 456, ASTM B 633), las condiciones laborales y la seguridad de los operarios aumentará, al no estar en contacto directo con las sustancias toxicas del proceso, como cianuro de sodio (NaCN), sosa caustica (NaOH) y óxido de zinc (ZnO). Se podrá eficientar el proceso en términos de ahorro de energía y agua, por lo que habrá una reducción de costos, además de aumentar y homogenizar la calidad del acabado y la cantidad de piezas galvanizadas, lo cual conlleva a una mejor relación costo-beneficio y por consecuencia a una mayor rentabilidad.


xiv

“Automatización del proceso de galvanizado”

ESTADO DEL ARTE

Actualmente, la corrosión es evitada mediante diversos tratamientos de recubrimiento, uno de ellos es el galvanizado de piezas metálicas. En este capítulo se integran los contextos y antecedentes más significativos sobre el proceso de galvanizado, y se realiza el planteamiento del problema.


1

Capítulo 1 Estado del arte

1.1

Introducción

El galvanizado es un proceso de recubrimiento de metales para prevenir la corrosión de estos. En la actualidad la mayoría de las empresas que se dedican al galvanizado de metales, lo hacen de forma manual, en empresas grandes se realiza de forma semiautomática o automática, como es el caso de Recubrimientos metálicos de México S.A. de C.V., Tennessee Galvanizing y Galvasa S.A. que son las empresas más importantes de Latinoamérica dedicadas al acabado de metales(RM, 2009).

1.2 Tipos de procesos de galvanizado El proceso de galvanizado puede ser continuo o general, pero en ambos casos el principio es el mismo. En primer lugar se realiza un pretratamiento de la superficie del acero para eliminar grasas y óxidos provenientes del proceso de fabricación, a fin de disponer de una superficie completamente limpia donde el zinc (Zn) y el hierro (Fe) puedan reaccionar y formar una capa protectora (LATIZA, 2004). El proceso general es el que se abordará a continuación y que la mayoría de las empresas realizan, existen varias formas de realizar dicho proceso, como lo son el galvanizado en caliente, galvanizado en frío y el galvanizado a través de la electrólisis (ver anexos).

1.2.1 Galvanizado en frío El galvanizado en frío es un proceso de recubrimiento de zinc sobre metales mediante una pistola, un rodillo o una brocha. Para que el producto sea resistente a la corrosión, se necesita que la película seca tenga un mínimo de 95 % de zinc, y que además sea conductora eléctricamente, solamente así es capaz de proteger el metal galvánicamente. Las aplicaciones del galvanizado en frío se utilizan

en estructuras de acero, reparación de

galvanizado dañado, regeneración de superficies galvanizadas y protección de soldaduras. En el caso de estructuras de acero, se aplica el galvanizado en una capa de 75 micras para lograr el mismo recubrimiento que si se hiciera mediante la galvanización en caliente. La reparación de galvanizado dañado, se utiliza para contrarrestar el daño ocasionado por cizallamiento, quemadura o soldadura. En la regeneración de superficies galvanizadas en caliente, se utiliza para restaurar las superficies erosionadas por el tiempo. Y para la protección de soldaduras, se aplica el galvanizado en frío sobre las costuras de soldaduras y a sus proximidades, inhibiendo la corrosión de estas mediante protección galvánica, ya que las soldaduras son susceptibles a corroerse porque el área soldada tiene Ingeniería en robótica industrial

2


un potencial eléctrico distinto al del metal base. Como requisito para llevar a cabo este tipo de proceso, se requiere que el metal esté libre de óxidos y de aceite. Lográndose esto mediante una limpieza mecánica, ya sea utilizando cepillado o arenado, Infante (ASIMET, 2010).

1.2.2 Galvanizado en caliente El galvanizado en caliente es el proceso para proteger metales de la corrosión mediante un recubrimiento protector, el cual se produce al sumergir productos metálicos en un baño de zinc fundido. La capa de zinc protege al metal en dos formas, de protección de barrera y protección galvánica (catódica).La protección catódica permite al metal permanecer durante décadas sin corrosión, debido a que en presencia de humedad el zinc actúa como ánodo y el metal como cátodo, de modo que el zinc se corroe en una acción de sacrificio y así evita que el metal se oxide. La protección de barrera tienen la desventaja de que si la pintura se rompe, el metal se oxidará en esa área y la pintura permitirá que la corrosión avance por debajo de ésta. Por lo contrario, si en la protección galvánica se presenta un daño en la capa protectora, el zinc contiguo al metal formará una sal insoluble de zinc sobre el metal expuesto. Entonces, se recubre la ruptura y la superficie del metal continúa protegiéndose de la corrosión. Sus principales aplicaciones se encuentran en áreas químicas, de construcción, tratamiento de aguas, transporte, etc. El galvanizado presenta ciertas ventajas respecto a otros procesos de recubrimiento. Presenta bajo nivel de corrosión, gran resistencia a daños mecánicos, bajo costo contra vida útil, fácil de inspeccionar y que el recubrimiento es adherido metalúrgicamente al metal (ASIMET, 2010).

A continuación se describen los pasos o etapas que se llevan a cabo en el proceso de galvanizado en caliente: Proceso de galvanizado en caliente Paso 1. Desengrase o limpieza cáustica: Se remueven aceites ligeros, grasa, barnices, lacas y pinturas. Comúnmente se usa una solución ácida o alcalina. Aunque existen soluciones ácidas, las alcalinas son ampliamente preferidas por ser de menor costo y más eficientes.

Paso 2. Enjuague: Se enjuaga el metal con agua reciclada para remover la solución usada en desengrasado, evitando el arrastre de líquido de la limpieza cáustica al decapado.


3

Capítulo 1 Estado del arte Paso 3. Limpieza/ Decapado: Se remueven pequeñas escamas de óxido, regularmente, con ácido clorhídrico a temperatura ambiental. Suele usarse ácido sulfúrico pero los decapados en base al ácido clorhídrico son los más usados debido a que operan en temperatura ambiente y que tienen un menor impacto de contaminación en los pasos posteriores. Cabe mencionar que se necesita aplicar un aditivo que incluya un inhibidor para que el ácido no disuelva al metal, que en este caso son los óxidos, que evitan la irradiación de bruma ácida y en consecuencia ayudar en la limpieza adicional del metal.

Paso 4. Enjuague: Nuevamente, se enjuaga el acero con agua reciclada para remover rastros del ácido clorhídrico que pueden interferir en el siguiente paso del proceso.

Paso 5. Prefluxado: Se realiza la limpieza final que ayuda a humedecer la superficie del acero. Para la limpieza es usada una solución de cloruro de amonio y zinc. Esta solución ayuda a quitar los restos de fluidos que hayan quedado de los pasos de enjuague y limpieza. El metal es sumergido en un crisol de galvanizado. La película de zinc recubre la superficie del metal para asegurar que no vuelva a oxidarse. Las piezas deben estar secas y hay que someterlas a un precalentamiento antes de ser sumergidas en el crisol. Es importante que en esta etapa estén presentes la menor cantidad de contaminantes provenientes de etapas anteriores, ya que esto influye en la calidad del galvanizado, las pérdidas de zinc y la generación de subproductos tales como cenizas y humos. Otro contaminante crítico es el hierro en forma de sales, que es arrastrado desde la etapa del decapado, ocasionando la formación de escoria en la fundición de zinc, que crea capas de zinc más gruesas y por ende capas inter metálicas desiguales. El hierro soluble debe mantenerse por debajo de un 0,5%. Es factible mantener una baja concentración de hierro en el prefluxado ajustando el PH alrededor de 5 y filtrando la solución. Si no existe un horno para el precalentamiento, es conveniente operar la etapa de prefluxado en una temperatura de 55 a 75 °C.

Paso 6. Secado: Este paso es opcional. El acero es secado de la solución de cloruro de sodio y zinc.

Paso 7. Galvanizado: Se proporciona revestimiento único sobre el acero. Las piezas deben sumergirse lo más rápido posible y retiradas lentamente del crisol. El tiempo de inmersión dependerá del espesor del acero, la temperatura de precalentado y el espesor deseado. La reacción de Ingeniería en robótica industrial

4


formación de la capa de zinc es rápida, los primeros 1 a 2 minutos y luego decae. Mientras más gruesa la capa, más quebradiza es. En los primeros 30 segundos se forman las 3 capas inter metálicas. Una composición típica de la masa de metal fundido es: 98,76% Zinc, 1,2% Plomo, 0,002%Aluminio.Es conveniente que las piezas no se sumerjan a más de 30 cm del fondo, ya que en el fondo se acumula escoria. La temperatura óptima es 454°C. No se deben superar los 480°C porque el hierro del crisol reacciona con el zinc formando escoria y ocasionando la falla prematura del crisol.

Paso 8. Enfriamiento: Se enfría el acero con agua para quitar los sedimentos del galvanizado, este es el último paso del proceso de galvanizado en caliente (AGA, 2009).

1.2.3 Recubrimientos electrolíticos El principio básico de los procesos de recubrimientos electrolíticos consiste en la conversión del metal del ánodo en iones metálicos que se distribuyen en la solución. Estos iones se depositan en el cátodo (pieza que será recubierta) formando una capa metálica en su superficie. En ambos procesos la capa depositada forma cristales metálicos. En función del tipo de estructura cristalina se derivan las diferentes propiedades del recubrimiento y así los campos de aplicación más adecuados. El recubrimiento electrolítico de las piezas se produce casi exclusivamente por inmersión en un baño. Para ello se introducen las piezas en las cubas donde se encuentra el electrolito, se les aplica la corriente eléctrica como cátodo, se recubren y se secan. Al extraer las piezas del baño arrastran una cantidad del electrolito sobre la superficie de las piezas. Esa película superficial arrastrada se elimina en un proceso de lavado posterior para que no interfiera en las siguientes operaciones o presente las condiciones de acabado exigidas.

Una línea de recubrimientos electrolíticos está compuesta por numerosas operaciones que, en función de las exigencias de calidad y el campo de aplicación seleccionado pueden agruparse del siguiente modo:

a) Pretratamientos mecánicos El pretratamiento mecánico arranca de la superficie de la pieza una fina capa. Incluye procesos como el cepillado, pulido y rectificado, que permiten eliminar asperezas o defectos de las superficies. En menor medida se aplica la técnica del chorreado que permite eliminar junto con las Ingeniería en robótica industrial

5

Capítulo 1 Estado del arte asperezas y defectos de la superficie, los aceites, óxidos y restos de mecanizado. Tras estas operaciones es necesario someter a las piezas a un proceso de lavado, puesto que durante el mismo se deposita sobre la superficie de las piezas una parte de la grasa y del abrasivo utilizado, así como polvo metálico.

b) Desengrase En la fabricación de piezas se emplean grasas, aceites y sustancias similares como refrigerantes y lubricantes. A menudo también se engrasan las piezas como protección anticorrosiva temporal. El desengrase puede efectuarse básicamente de dos formas: con disolventes orgánicos o en soluciones acuosas alcalinas con poder emulsificador.

c) Decapado El contacto entre atmósfera y piezas metálicas provoca la formación de capas de óxido. El objeto del decapado es su eliminación. El baño de decapado contendrá diversos tipos de metal en solución en función del tipo de material base y del grado de mantenimiento y desmetalizado de los contactos de bombos y bastidores. El decapado se hace por inmersión en ácidos orgánicos, principalmente en sulfúrico, nítrico o clorhídrico, generalmente inhibidos para evitar que ataquen el metal base. La concentración varía entre 5 y 20%. La remoción de los óxidos origina lodos que se acumulan en los tanques de decapado. La composición de las soluciones de decapado químico se presenta en las tablas 1.1 y 1.2. Tabla 1.1 Soluciones desengrasantes (MRI, 2009).

Aleaciones ferrosas y

Zinc y sus

de cobre

aleaciones

Cianuro de sodio

40

40

Hidróxido de sodio

40

20

Fosfato trisódico

40

Metal base (g/l)

Carbonato de sodio

40

Fosfato de sodio Agente humectante

Aluminio y sus aleaciones

50 20

0.75

0.75

0.75

Voltaje (V)

6

6

6

Temperatura ( °C)

50

50

50

Densidad de corriente (A m2)

12

12

10


6


Tabla 1.2 Composición de las soluciones de decapado químico (MRI, 2009).

Ácidos (mg/l) Metal base

Aditivos Clorhídrico

Sulfúrico

150-600

50-100

Hierro y aceros no aleados Aceros inoxidables Cobre y sus aleaciones

Nítrico

Crómico

Glicerina 40-70

3

250

Fluorhídrico

10-50

350

Aluminio y sus aleaciones 75-100 Zinc y sus aleaciones

50

Ácido fosfórico

250

Sulfuro sódico

d) Neutralizado El proceso de activado, también llamado neutralizado o decapado suave, se utiliza para eliminar esa pequeña capa de óxido que se ha formado sobre la superficie del metal una vez que la superficie ha sido tratada o lavada en sucesivas etapas. Esa pequeña capa de óxido hace que la superficie sea pasiva y por lo tanto mala conductora de corriente eléctrica. Las soluciones empleadas son, por lo general, ácidos muy diluidos. Los activados permiten asimismo eliminar velos y manchas generados por compuestos orgánicos y/o inorgánicos.

e) Electrólisis La pieza es colocada como ánodo o como cátodo, dependiendo del tipo de proceso, conectada a un generador de corriente y sumergida en el electrolito en donde los iones metálicos se depositaran sobre ella. Como electrodo complementario se utiliza un electrodo del metal que se desea depositar. La temperatura del electrolito, la densidad de corriente, la agitación, etc. Dependen del metal base y del metal a depositar, la tabla 1.3 muestra la composición de distintas soluciones para baños electrolíticos.

f) Desmetalización La operación de desmetalizado va dirigida a eliminar los recubrimientos de piezas rechazadas o de los contactos de los bastidores sin producir daños en el metal base. Los primeros tienen una composición similar a un electrolito y los segundos suelen contener complejantes fuertes que pueden generar problemas en los tratamientos de aguas residuales.


7

Capítulo 1 Estado del arte Tabla 1.3 Composición de baños electrolíticos(MRI, 2009).

Metal depositado

Tipo de baño

Composición (g/l)

Ánodos

Temperatura

PH

Cadmio

ambiente

13

Cobre

50

12-13

Cobre

ambiente

Ácido sulfúrico: 2.5

Cromo 93%,

40-50

Ácido crómico: 250

Antimonio 7%

Oxido de cadmio: 37.3 Cadmio

Alcalino

Cianuro de sodio: 100 Sulfato de níquel: 2 Cianuro de sodio: 37.5

Cobre

Alcalino

Cianuro de cobre: 30 Sal de Rochelle: 50 Carbonato de sodio: 38

Cobre

Ácido

Cromo

Ácido

Sulfato de cobre: 200 Ácido sulfúrico: 27.5

Sulfato estañoso: 60 Estaño

Ácido

Ácido sulfúrico: 75

Estaño

ambiente

Sulfato de sodio: 100 Cianuro de cobre: 30 Óxido de zinc: 7.7 Latón

Alcalino

Oxido d cadmio: 0.8 Hidróxido de amonio: 3

Cobre 70%

ambiente

10.5-11.5

Níquel

40-50

4.2-4.8

Zinc

ambiente

13

Zinc 30%

Cianuro de sodio: 11 Sulfato de níquel: 300 Cloruro de níquel: 60 Níquel

Ácido

Ácido bórico: 5 Sacarina: 1.5 Tiourea: 0.1 Óxido de zinc: 50 Cianuro de sodio: 22.5

Zinc

Alcalino

Hidróxido de sodio: 52.2 Trióxido de molibdeno: 0.5 Sulfato de sodio: 3.5 Gelatina: 2


8


1.2.4 Galvanizado continuo Este proceso se aplica a bobinas de acero laminado, de bajo, medio y alto carbono, que son alimentadas de manera continua a una línea de producción automatizada. El pretratamiento de limpieza se realiza en un baño cáustico que elimina la grasa proveniente del proceso de laminación; sin embargo, en lugar del decapado químico, el óxido y la herrumbre son removidos en un horno de recocido que se mantiene con una atmósfera reductora (con exceso de CO).

El control de la temperatura en el horno permite modificar la resistencia del acero, de acuerdo con los requerimientos de conformado posterior de la lámina. La temperatura del acero se controla a la salida del horno, justo antes de entrar al baño de Zn, con el fin de evitar el choque térmico. Esto permite también que la lámina alcance rápidamente la temperatura del baño de zinc fundido, a la velocidad típica de alimentación que es del orden de 200 m/min, y se formen las aleaciones Fe-Zn en su superficie. Como se muestra en el esquema de la figura 1.1, a la salida del baño existen unas cuchillas de aire que escurren el exceso de zinc y controlan el espesor del recubrimiento.

Figura 1.1Esquema que muestra la parte final del proceso de galvanizado (LATIZA, 2004).

La lámina es enfriada posteriormente con agua para detener el crecimiento del recubrimiento con el fin de asegurar que la lámina pueda ser sometida a procesos posteriores de conformado, según el uso final del producto.


9


1.3 Tipos de instalaciones para el proceso de galvanizado Desde el punto de vista industrial se distinguen tres tipos principales de instalaciones o procedimientos de galvanización: procedimiento discontinuo, procedimientos automáticos o semiautomáticos y procedimientos continuos (LATIZA, 2004). A continuación se mencionarán las características más importantes de cada uno de estos tipos de instalación:

Instalaciones discontinuas o de galvanización general Son aquellas en las que se galvanizan piezas y productos de peso y tamaños muy diversos (desde tornillería hasta elementos estructurales de gran tamaño), por lo que no es fácil la automatización del proceso. En este tipo de instalaciones la preparación superficial se realiza por vía química.

Instalaciones automáticas o semiautomáticas Permiten la galvanización de productos en serie, tales como tubos, perfiles, accesorios de tuberías, etc. En estas instalaciones la preparación superficial se realiza también por vía química (en algunos casos por chorreo abrasivo), y el movimiento de los materiales a través de las distintas etapas del proceso es total o parcialmente automatizado.

Instalaciones continuas La galvanización del alambre (en carretes), de la banda y fleje (en bobinas) se efectúa en líneas de galvanización que trabajan en continuo, y en las que la preparación superficial previa a la inmersión en el baño de zinc puede realizarse por vía química (como es el caso más frecuente en el alambre) o por vía termoquímica en hornos de atmósfera apropiada, sistema ampliamente empleado para el fleje y la banda. Un ejemplo de este tipo de instalación continua de galvanizado se muestra en la figura 1.2.Donde se observa que desde que se inicia el proceso, no hay una interrupción en los pasos, es decir el procedimiento es constante de aquí que se le llame proceso de galvanizado continuo.

Figura 1.2 Esquema de una instalación de galvanización en continuo de chapa(LATIZA, 2004). Ingeniería en robótica industrial

10


1.4 Galvanoplastia La galvanoplastia es el proceso basado en el traslado de iones metálicos desde un ánodo a un cátodo en un medio líquido, compuesto fundamentalmente por sales metálicas y ligeramente acidulado. Desde el punto de vista de la física, es la electrodeposición de un metal sobre una superficie para mejorar sus características. Con ello se consigue proporcionar dureza, duración, o ambas. Otra de las importantes aplicaciones de la galvanoplastia es la de reproducir por medios electroquímicos objetos de muy finos detalles y en muy diversos metales. Consiste en la deposición electrolítica de capas metálicas sobre objetos no metálicos (principalmente plásticos) revestidos de capas conductoras o sobre matrices negativas de las que se separan posteriormente las capas metálicas. El primer proceso se emplea principalmente con fines decorativos, mientras que con el segundo se obtienen piezas moldeadas como discos fonográficos, monedas y objetos de plástico, así como cilindros para impresión, instrumentos de precisión y otros; en este los moldes de plástico, cera o parafina se hacen conductores utilizando grafito o zinc en polvo y recubriéndolos electrolíticamente con un metal (Arcos C, 2005). En algunos casos las partes del plástico se metalizan directamente para lograr objetos con acabado metálico, como es el caso de la bisutería, tapas de recipientes para perfumes, algunas autopartes, placas para circuitos impresos, artículos para el hogar, grifería, etc.

Proceso Electroquímico El proceso puede resumirse en el traslado de iones metálicos desde un ánodo (carga negativa) a un cátodo (carga positiva) en un medio líquido (electrolito), compuesto fundamentalmente por sales metálicas. Esencialmente es el proceso electroquímico para pintar por medio de la corriente piezas metálicas que no contienen carbono tales como bronce, aluminio y cobre, etc.

Electrólisis La palabra Electrólisis viene de las raíces electro que significa electricidad y lisis que significa separación. Por lo tanto la Electrólisis es un proceso para separar un compuesto en los elementos que lo conforman, usando para ello la electricidad.

El proceso de electrólisis se da a través de las etapas que se mencionan a continuación (ver figura 1.3):


11

Capítulo 1 Estado del arte a) Se funde o se disuelve el electrólito en un determinado solvente, con el fin de que dicha sustancia se separe en iones (ionización).

b) Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y son sumergidos en la disolución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como cátodo, y el conectado al negativo como ánodo.

c) Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo, mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo.

d) La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica.

En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre éstos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (-) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (+).

Figura 1.3 Diagrama simplificado del proceso de electrólisis (Miguel B, 2007).

El proceso de galvanización también se presenta en uno de los pasos para la grabación y fabricación de CDs, dicho paso se llama galvano. Ingeniería en robótica industrial

12


Galvano: Es la etapa de galvanización, en la cual se da obtención de los estampadores que más tarde se usarán en los moldes de plástico para dar forma a los CDs y DVDs. El Glass-master se sitúa en un baño electrolítico de bolas de níquel, este actúa como cátodo negativo en el baño, de manera que los iones del metal se van sedimentando sobre la superficie. Una vez finalizada la galvanización, se obtendrá un disco padre negativo, que es exactamente igual a como deberá ser el estampador. De este disco padre se tendrá que hacer primero un molde positivo que se denomina disco madre para poder obtener de él cuantos estampadores sean necesarios.

1.5 El Zinc como materia prima Como era previsible hace unos años, en casi todos los sectores se han producido cambios debido al crecimiento económico de estos países, sobre todo por parte de China. En el sector del metal no iba a ser menor, y desde el año 2005 se pueden apreciar cambios significativos. La Bolsa de Metales de Londres es un buen indicador de lo que está ocurriendo con los diferentes metales básicos. Con respecto a los metales ligeros, el Zinc, el Aluminio, el Titanio y el Magnesio serán los principales elementos para conseguir unas buenas propiedades mecánicas a bajas densidades. Sectores como el galvanizado, o entidades que trabajan con materiales tan usados como el Latón, están muy atentos a los cambios que se producen en el mundo, y que puedan afectar al coste del Zinc. La mayor parte del Zinc mundial es destinado al sector del galvanizado, impulsado en gran medida por el gigante asiático, con un 47%, mientras que para la producción de aleaciones derivadas del Zinc es un 14% (ver figura 1.4).

Galvanizado (47%) Productos quimicos (9%) Metales y bronce (19%) Aleaciones de zn (14%) Manufactura (8%)

Figura 1.4 Destino final en la producción del Zinc (ILZSG, 2007).

El zinc es el principal elemento en el proceso de galvanizado y es uno de los metales más usados en el mundo, el propósito de este subtema es hacer notar el impacto económico que el galvanizado tiene a nivel mundial. Ingeniería en robótica industrial

13


1.6 Proceso de galvanizado en la actualidad La empresa Tennessee Galvanizing ubicada en Estados Unidos se especializa en el galvanizado de acero. Esta empresa realiza el proceso de galvanizado en caliente, proceso en donde el acero se sumerge en una solución que contiene primordialmente zinc fundido. El proceso que realizan es de forma manual. Donde las piezas son colocadas en contenedores tipo malla, los cuales son sumergidos en una solución rica en zinc. Los trabajadores encargados operan los mecanismos sujetando una cuerda proveniente de una polea. Después de la inmersión de los metales, el operador jala de la cuerda y las piezas son colocadas mediante la acción del plano inclinado en un contenedor como se observa en la figura 1.5.

Figura 1.5 Operario de Tennessee galvanizing manipulando mecanismo para galvanizado (TG, 2010).

Otra empresa importante en este rubro es Galvasa que participa desde hace treinta años en el mercado del galvanizado por inmersión en caliente. La compañía posee un sistema de galvanización para piezas pequeñas y roscadas, por sistema de centrifugado. Además, cuenta con seis puentes grúas, incorporando recientemente una nueva cuba con tecnología de última generación, de 7,5 m de largo, 1,10 m de ancho y 2 m de profundidad, permitiendo el tratamiento de estructuras y piezas de gran porte.

Mediante el cumplimiento de las normas utilizadas por Galvasa se garantiza el estricto control de calidad de los procesos y de todos sus productos (Normas utilizadas: UDE, ASTM, DIN e IRAM, ver anexos). El método que lleva a cabo ésta empresa actualmente es de forma semiautomática, donde las grúas soportan el material para transportarlo a través de todo el proceso, y los trabajadores van realizando cada uno de los pasos que se describen a continuación:


14


Recepción: Los materiales que recibe Galvasa son controlados para verificar que estén bien preparados. Deben tener los agujeros de drenaje, enganche y respiración, limpios de pinturas y lacas, soldaduras limpias y diseños adecuados. Si el material no cumple con alguno de estos requisitos se coordina con el cliente la solución al problema.

Colgado: Todas las piezas que ingresan son colgadas en gancheras que servirán para transportar dichas piezas a lo largo de todo el proceso como se observa en la figura 1.6 (a). Aquellas piezas pequeñas como tornillos o rondanas que no puedan colgarse debido a sus características físicas, se colocan en canastos, que como las gancheras, sirven para transportar las piezas a lo largo de todo el proceso como se muestra en la figura 1.6 (b).

(a)

(b)

Figura 1.6 (a) Piezas grandes colocadas en ganchos. (b) Piezas pequeñas colocadas en canastos, (GALVASA, 2010).

Desengrase: Se sumergen las piezas en una solución acida a temperatura ambiente que disuelve las grasas y los aceites de las piezas a galvanizar, separándolas de las mismas.

Enjuague caliente: Dicho enjuague sirve para lavar las sustancias desengrasantes de la pieza, y así evitar que contaminen los baños de decapado.

Decapado: Se sumergen los materiales en una solución de ácido clorhídrico diluido (HCl), el cual disuelve el óxido del material. Los ácidos contienen inhibidores que evitan que los metales sean atacados, y además, retienen los vapores en la solución, protegiendo así el medio ambiente. Los tiempos y concentraciones de estas soluciones se miden constantemente. Ingeniería en robótica industrial

15

Capítulo 1 Estado del arte Enjuague frío: En esta etapa se produce una disolución completa del ácido y las sales de óxido de hierro producidas en la etapa de decapado mediante la inmersión de la pieza en un baño que comúnmente es de agua fría.

Fluxado: Las piezas se sumergen en una solución de flux que las protege de la oxidación y favorece la formación de la aleación hierro – zinc como se muestra en la figura 1.7.

Figura 1.7 Las piezas son sumergidas en la solución de hierro-zinc en la etapa de fluxado(GALVASA, 2010).

Secado: Se seca la pieza con aire caliente para evitar que las evaporaciones bruscas en el horno de zinc fundido, produzcan explosiones.

Galvanizado: Se sumerge la pieza en un baño de zinc fundido a 450ºC formándose la aleación hierro – zinc como podemos observar en la figura 1.8 en donde se está realizando la etapa del galvanizado a través de la inmersión en zinc fundido.

Figura 1.8 Inmersión de las piezas en el zinc fundido para galvanizarlas(GALVASA, 2010). Ingeniería en robótica industrial

16


Enfriado o apagado: Una vez extraída la pieza del baño de galvanizado, se procede a un enfriamiento, para el cual existen

dos métodos para hacerlo, estos métodos se describen a

continuación: Enfriamiento rápido, por inmersión en una cuba de agua, utilizado en piezas que no son susceptibles de sufrir deformaciones. Enfriamiento lento, controlando que el aire se encuentre a temperatura ambiente, para el resto de las piezas que no pasan por la cuba de agua.

Limpieza y Cuarentena: Una vez que los productos están fríos se someten a limpieza de las posibles imperfecciones que puedan aparecer y al armado del paquete de cada cliente. Se deja el material en el sector de cuarentena donde aseguramiento de calidad verifica el espesor y uniformidad de la capa de zinc así como su adherencia y su aspecto final como se muestra en la figura 1.9. Luego emite un protocolo de calidad con la aprobación del proceso, y el producto queda a disposición del cliente para su retiro.

Figura 1.9 Verificación del espesor en micras del recubrimiento para emitir protocolo de calidad(GALVASA, 2010).

Una empresa mexicana donde se lleva a cabo el terminado de piezas metálicas es Recubrimientos Metálicos de México (RM), y uno de sus procesos fuertes es el galvanizado. Esta empresa fue la primera en automatizar sus procesos en toda Latinoamérica. La empresa cuenta con líneas de producción manuales y automáticas para procesar diversas piezas de diferentes formas y tamaños (ver figura 1.10).

Figura 1.10 Piezas metálicas que galvaniza la empresa Recubrimientos Metálicos(RM, 2009). Ingeniería en robótica industrial

17

Capítulo 1 Estado del arte Su desempeño comenzó desde 1954 como operadora de recubrimiento con zinc. Durante sus años de operación, han sido instalados más de 17 procesos distintos para satisfacer

las crecientes

necesidades del mercado. La planta cuenta con una superficie de 6000 m2, con una de las mayores instalaciones de producción de acabados, tanto a granel como en suspensión, permitiendo procesar piezas de diversas formas y tamaños en líneas automáticas y manuales. También cuentan con espacio para desarrollo de nuevos procesos que sus clientes pudieran requerir en el futuro. El procedimiento que a seguir para galvanizar los metales es el galvanizado en caliente que tiene una serie de pasos que se muestran en la figura 1.11.

Figura 1.11 Proceso de galvanizado en caliente llevado a cabo por RM(RM, 2009).

Se utilizan grúas para el enganchado y transporte de las piezas a galvanizar como se observa en la figura 1.12. Estas llevan a las piezas por cada uno de las tinas o crisoles donde están las soluciones. La primera es el desengrase, después el decapado, lavado, flujo, secado, baño de zinc y por último a la inspección de las piezas.

Figura 1.12 Grúas usadas por RM para el proceso de galvanizado(RM, 2009). Ingeniería en robótica industrial

18


El Departamento de Control de Calidad y el Laboratorio de Recubrimientos Metálicos cuentan con todos los instrumentos necesarios para dar la garantía absoluta y emitir certificados de calidad cuando sea requerido. Cuentan con los equipos más sofisticados y completos en el ramo para cumplir con las normas ambientales actuales y futuras de prevención de la contaminación y recuperación de aguas.

1.7 Trabajos sobre el proceso automático de galvanizado Existe poca información que se puede consultar sobre sistemas automatizados de este tipo de procesos, debido a que las empresas que cuentan con este tipo de tecnología restringen la divulgación acerca de la operación detallada de sus procesos. Se han realizado algunos trabajos para automatizar el proceso de galvanizado (Arcos C., et al., (2005), Diseño del sistema de automatizado para el manejo de una cadena de galvanización de piezas de un peso máximo de 10 Kg. Tesis de Ingeniería. Colombia, Facultad de ingeniería de diseño y automatización electrónica, Universidad de la Salle – Bogotá), pero estos sólo se enfocan a la parte de control por medio de PLC´S. En la figuras 1.13 y 1.14 se muestra la representación del diseño final de una línea automática de galvanizado de zinc realizada por las empresas SIASA (sistemas industriales automatizados) y Plating Solutions que son empresas que se dedican al diseño de sistemas automatizados para las industrias. Este diseño servirá de apoyo para tener una referencia de lo que se quiere realizar y así poder cumplir con el objetivo de este trabajo que es el diseño de un sistema automatizado para el proceso de galvanizado que cumpla con los requerimientos establecidos por cliente.

Figura 1.13 Línea automática de galvanizado, “vista detallada”(Maldonado et al., 2009). Ingeniería en robótica industrial

19


Figura 1.14 Línea automática de galvanizado “vista general(Maldonado et al., 2009).

1.8 Planteamiento del problema Hoy en día la empresa con la cual se está trabajando realiza sus procesos en tres talleres ubicados en diferentes lugares cuya área total de trabajo es de

. Se pretende a mediano plazo mejorar el

proceso de galvanizado, aumentando la calidad y el número de piezas galvanizadas. Actualmente, la empresa tiene una producción aproximada de 40 toneladas de piezas galvanizadas al mes, trabajando 8 horas al día, 6 días a la semana con 3 operarios. Se pretende aumentar la producción al doble que sería de aproximadamente 80 toneladas al mes. Con el objetivo de que el operario realice menor esfuerzo, se disminuyan costos y aumente la producción y calidad del galvanizado. Además la empresa argumenta que si no aceptan más piezas para galvanizar en este momento es porque no cuentan con las condiciones necesarias para satisfacer al cliente debido a que los tiempos de entrega van de 3 a 5 días, y ellos trabajando a su máximo pueden galvanizar 1.6 toneladas por día, y en tres días solo pueden producir 4.8 toneladas cuando hay clientes que les ofrecen de 8 a 10 toneladas de piezas que necesitan en 3 días. Ingeniería en robótica industrial

20


Entonces si la empresa fuese capaz de galvanizar más piezas en menor tiempo sin aumentar las horas de trabajo ni el número de operarios, tendría la posibilidad de aceptar mayor demanda de trabajo por parte de sus clientes, aumentando la producción, las ganancias y ganando mercado respecto a la competencia. Por tal motivo se estableció que el diseño de un sistema automatizado para llevar a cabo el proceso de galvanizado que cumpla con los requerimientos que el cliente establece es la solución óptima al problema y simultáneamente a la necesidad específica de galvanizar piezas metálicas con mayor seguridad, calidad y en mayor cantidad.

Para cumplir con los objetivos particulares del proyecto, los cuales darán la pauta para alcanzar el objetivo general, se desarrollarán los siguientes capítulos; los cuales permitirán resolver la necesidad de una forma coherente y óptima, además de que le darán forma a la estructura de esté trabajo:

Capítulo 2 Marco teórico. Se desarrollarán los temas y consideraciones teóricas que permitan conocer el proceso de galvanizado de forma precisa, así como todas las variables que influyen en esté, para diseñar el sistema automático que cumpla con los requerimientos establecidos.

Capítulo 3 Diseño conceptual. Se seguirá una metodología de diseño para que, en base a los requerimientos establecidos, se obtenga un concepto ganador y optimo que resuelva la necesidad planteada.

Capítulo 4 Diseño a detalle mecánico. Una vez establecido el concepto ganador, se procederá a realizar todos los cálculos correspondientes a la parte mecánica del proyecto, con los cuales se podrá rediseñar dicho concepto y así llegar a la solución óptima.

Capítulo 5 Diseño a detalle eléctrico-electrónico. Una vez establecido el concepto ganador y el diseño mecánico del proyecto, se procederá a realizar el diseño de los circuitos eléctricos, electrónicos y la programación con la cual se controlara la parte mecánica ya diseñada, con la finalidad de satisfacer la necesidad planteada para esté trabajo.


21

Capítulo 1 Estado del arte Capítulo 6 Análisis del valor. Se determinarán los costos, beneficios y perjuicios de la implementación del sistema obtenido, así como las mejoras que se establecen después de realizar un estudio a través de la técnica del análisis del valor.

Conclusiones y anexos. Se expresaran los juicios derivados de la realización de este trabajo, así como los planos del sistema y subsistemas que integran el proyecto, y demás información relevante para el estudio y comprensión del diseño de un sistema automatizado para el proceso de galvanizado de piezas metálicas.


22


MARCO TEÓRICO

Es importante abordar cada uno de los temas que conciernen a la automatización del proceso

de

galvanizado,

así

como

los

elementos que permitan diseñar un sistema óptimo, por lo que se desarrolla el presente capitulo.


23

Capítulo 2 Marco teórico

2. Introducción Para llevar a cabo el diseño de un sistema automático para realizar el proceso de galvanizado de piezas metálicas con dimensiones máximas de 10x30x10 cm, es necesario tener una amplia gama de conocimientos en diversas áreas de la ingeniería como la mecánica, eléctrica, electrónica y control. Por tal motivo, se desarrollarán los temas más relevantes e importantes que proporcionen las herramientas necesarias para dar solución a la necesidad planteada y así cumplir con el objetivo de este proyecto.

2.1 Galvanizado El galvanizado es la acción de galvanizar, que implica dar un baño de zinc fundido a una superficie metálica(Real Academia Española., 1992). Galvanizar también consiste en aplicar una capa de metal sobre otro mediante corriente eléctrica. El acero galvanizado es un componente clave en las principales industrias como la construcción, el transporte, la energía y la agricultura. La galvanización proporciona durabilidad a largo plazo del acero en una carga ambiental relativamente baja(Becker and Wentworth, 1977).

2.2 Corrosión La corrosión es la palabra usada para referirse al deterioro de los metales por un proceso electroquímico. Es ocasionada por la lenta reacción del oxígeno contenido en la atmósfera con los átomos de hierro en la superficie del metal, formándose una mezcla de óxidos. La reacción no es uniforme, es decir, la capa de óxido que se forma en la superficie del metal contiene varios agujeros, por los cuales, los átomos de oxígeno se filtran hacia la superficie metálica debajo de la capa de óxido. Continuando así la oxidación de todo el metal (Spencer et al., 2000). La corrosión causa severos daños en los objetos metálicos, tales como puentes, vehículos, edificios, entre otros (Ver figura 2.1).

Existen distintas formas de evitar la corrosión, tales como recubrimientos metálicos, recubrimientos no metálicos, adición de inhibidores y protección catódica(Becker and Wentworth, 1977). A continuación se explica cada uno de ellos.


24


Figura 2.1 Daños en un barco ocasionados por la corrosión (Chang and College, 2002).

Recubrimientos metálicos Los recubrimientos metálicos se realizan con elementos como el zinc, oro, plata, estaño y cromo, sobre una superficie metálica por electrólisis, pulverización, condensación desde una fase de vapor o inmersión en el metal fundido.

En el caso del acero suele aplicarse una capa de zinc para protegerlo de la humedad del medio ambiente. El hierro así tratado es llamado hierro galvanizado. Otro método para proteger el acero de la corrosión es mediante la aplicación de una capa delgada de estaño. Se debe tener cuidado de que la capa protectora no se raye o presente poros, ya que ello conduciría a una rápida y extensa corrosión del acero.

Recubrimientos no metálicos Los recubrimientos no metálicos, tales como las pinturas y las grasas, se pueden utilizar también para la protección frente a la corrosión, pero son más sensibles a la abrasión que los recubrimientos metálicos. Un recubrimiento no metálico bastante eficaz en el caso de algunos metales es el óxido del mismo metal, como en el caso del aluminio.

El aluminio forma un óxido muy estable, Al2O3, que se adhiere al aluminio no metálico e impide su corrosión ulterior. Esta capa es un aislante eléctrico, por lo que si se utiliza un electrólito que contenga iones fosfato y ácido fosfórico se puede lograr la formación de una capa de fosfatos frecuentemente adheridos sobre el hierro, acero, zinc y cadmio. Estos fosfatos protegen al metal de la corrosión. Ingeniería en robótica industrial

25

Capítulo 2 Marco teórico Adición de inhibidores La corrosión se puede prevenir o frenar mediante la adición de inhibidores apropiados al metal. Los inhibidores usados son el minio (Pb3O4) y el cromato de zinc (ZnCrO4), que se añaden a pinturas para recubrir los metales.

Protección catódica Uno de los métodos más eficaces para prevenir la corrosión de los metales en las estructuras metálicas subterráneas, tales como tuberías o postes, se denomina protección catódica. Esta protección la proporciona un metal que tiende a oxidarse más fácilmente que el que se quiere proteger. Cuando ambos metales se ponen en contacto debajo del suelo, se establece una pila electroquímica en que el material más oxidable se transforma en ánodo forzando al otro metal a convertirse en cátodo. Las substancias que se usan comúnmente para proteger al hierro son el zinc y el magnesio.

2.3 Galvanizado por electrólisis El galvanizado por electrólisis es un proceso electroquímico por el cual se deposita una capa fina de metal sobre una base generalmente metálica. Los metales utilizados normalmente para recubrir piezas metálicas son el cadmio, cromo, cobre, oro, zinc, níquel, plata y estaño.

En este proceso, el objeto que va a ser recubierto se coloca en un electrólito y se conecta a un terminal negativo de una fuente de electricidad externa. Otro conductor, compuesto a menudo por el metal que recubre, se conecta al terminal positivo de la fuente de electricidad.

En la figura 2.2 se muestra un proceso de recubrimiento electrolítico para el cual es necesaria una corriente continua de bajo voltaje, normalmente de 1 a 6 V. Cuando se pasa la corriente a través de la disolución, los átomos del metal que recubre se depositan en el cátodo o electrodo negativo. Esos átomos son sustituidos en el baño por los del ánodo (electrodo positivo), si está compuesto por el mismo metal, como es el caso del cobre y la plata, sin embargo este es un caso didáctico, en la industria que se dedica al galvanizado de metales a través de la electrolisis, se consumen grandes cantidades de corriente eléctrica dependiendo del espesor del recubrimiento que se requiera.


26


Figura 2.2 Recubrimiento de un metal mediante la electrólisis (Chang and College, 2002).

2.3.1 Calor generado por la electrólisis En una celda ideal galvánica, con procesos sin desprendimiento de hidrógeno ni de oxígeno y sin polarización, toda la energía consumida por el paso de corriente se convertirá en calor. (2.1) Donde: = voltaje aplicado (V) = corriente aplicada (A) = tiempo llevado en el proceso electrolítico (s) Puesto que: (2.2) (2.3) Como 1 Joule equivale a 0.239 calorías, el calor producido en calorías es igual a: (2.4)

Es así como la tasa de calentamiento, el calor producido por segundo, es proporcional a la resistencia del electrólito y al cuadrado de la corriente. Esta relación permite calcular las cantidades relativas de calor producidas bajo condiciones específicas.


27

Capítulo 2 Marco teórico Si se disminuye la resistencia del electrólito, lo cual se consigue, por ejemplo, agregándole ácido sulfúrico a una solución cúprica, se aumenta el desprendimiento térmico en el caso de aplicarse el mismo voltaje, pero se disminuye el calentamiento si se pasa la misma corriente.

2.3.2 Espesor del recubrimiento La importancia del espesor de los recubrimientos de metales como el zinc y el cadmio es evidente, en vista de que el valor de los recubrimientos se basa en que muestran tendencia a corroerse más fácilmente que el metal de base (Blum and Hogabum, 1992). El espesor mínimo requerido en cada pieza es de hasta 7.11 µm según la tabla 2.1.

Tabla 2.1 Espesores de recubrimiento mínimos(AGA, 2009).

MÉTODO

PROCESO

NORMA

Electro galvanizado

Electrólisis

ASTM A 879

1

ASTM B 633

2

Recubrimiento con zinc Pulverización de Zinc

Electrólisis Pulverización

Espesor recubrimiento

AWS C2.2

Hasta 7.11 µm

2

5.1 - 25.4 µm

83.8 - 210.8 µm

1 total de los dos lados de la hoja. 2 Rango basado en norma ASTM, espesores mínimos para todos los grados, clases, etc.,

El método para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar el peso de la misma a partir de una muestra cuya área se conozca. El espesor se calcula a partir del peso, del área y del peso específico del metal que recubre al metal base, utilizando la fórmula 2.5

(2.5) Donde: Espesor de la capa (pulg.; m). Peso del material que recubre al metal base (Kgf; N). Área del material que recubre al metal base (pulg2; m2). Peso específico que recubre al metal base (kp/plg3; kN/m2). Constante que depende de las unidades métricas utilizadas, y

utilizando el SI

si se utiliza el sistema inglés.


28


2.3.3 Ley de Faraday de la electrólisis La magnitud de la descomposición producida por la corriente eléctrica continua, esto es la cantidad desustancia depositada o disuelta, es proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado. La primera ley de Faraday expresa que "La masa depositada por electrolisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad utilizada", por lo que la relación de carga/masa para cada elemento es constante:

(2.6) Es la cantidad de corriente eléctrica transportada en la unidad de tiempo, que deposita o libera un equivalente electroquímico de un elemento:

(2.7) La masa depositada en un electrodo es:

(2.8) La masa en gramos de una sustancia depositada al paso de un coulomb (equivalente electroquímico) es:

(2.9) Con lo que resulta: (2.10) Deduciendo unidades:

La constante de Faraday es la carga eléctrica necesaria para depositar o liberar un equivalente electroquímico de un elemento y es igual a 96 485 c/mol. El equivalente gramo, es la masa del elemento depositado o liberado en un electrodo por el paso de una corriente de 1 Faraday. (2.11)


29

Capítulo 2 Marco teórico Donde: es la masa atómica del elemento depositado es la valencia del elemento

Para la determinación del espesor estará definida por: (2.12) Donde: es el espesor. es la densidad del metal. es la constante de Faraday. es la corriente que varia con respecto al tiempo que será suministrada.

2.4 Automatización Industrial La automatización es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos. En un contexto industrial, se puede definir también como una tecnología que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos, electrónicos y basados en computadoras para la operación y control de la producción.

Operación y conceptos básicos En el contexto actual, la automática se define como la ciencia y técnica de la automatización, que agrupa el conjunto de las disciplinas teóricas y tecnológicas que intervienen en la concepción, la construcción y el empleo de los sistemas automáticos. La automática constituye el aspecto teórico de la cibernética. Está estrechamente vinculada con las matemáticas, la estadística, la teoría de la información, la informática y técnicas de la ingeniería. El funcionamiento de todo sistema automático se asienta en la confrontación de una información de mando, que describe el programa deseado, con una información de estado, confrontación de la que se derivan las ordenes de mando que han de darse a los accionadores que actúan sobre el sistema, modificando así si estado. Esta sucesión de operaciones se suceden en una estructura de bucle cerrado, donde un centro de operaciones de mando y de control, asegura el buen comportamiento de Ingeniería en robótica industrial

30


la instalación. Basado en el concepto matemático de autómata, es decir, el ente constituido por un conjunto de reglas que definen estados y condiciones de cambio de estado, constituye uno de los ejemplos clásicos, de información de estado viene proporcionada generalmente por captadores binarios, y tratamiento de la información es naturaleza lógica. El programa está constituido por una sucesión, o secuencia, de fases operatorias enlazadas unas con otras según un conjunto de reglas lógicas. Esos sistemas constituyen la inmensa mayoría de los automatismos industriales, especialmente dedicados a la automatización de la fabricación. Los ordenadores constituyen sin duda una de las formas más sofisticadas de los automatismos secuenciales.

2.4.1 Principio de automatización y estrategias La automatización de la producción y de los procesos industriales puede ser analizada dependiendo del nivel al que se produce:

Nivel 1. Elemental - Nivel de Máquina: a este nivel se automatizan operaciones específicas a realizar por dispositivos mecánicos.

Nivel 2. Máquinas simples: a este nivel se automatizan las tareas a realizar por máquinas destinadas a la realización de operaciones específicas como tornos o fresadoras.

Nivel 3. Proceso: a este nivel se automatizan las tareas combinadas de los diferentes dispositivos que participan en un determinado paso en la elaboración del producto.

Nivel 4. Nivel de Gestión Integrada: a este nivel se combinan a todos los elementos implicados en el proceso de fabricación de diferentes productos en una planta industrial.

Las tecnologías en la automatización de procesos industriales con lo que se cuenta hoy en día que pueden ser empleadas en la automatización son diferentes, una posible clasificación de estas tecnologías son (ver figura 2.3):

Técnicas Cableadas: esta denominación agrupa a aquellos sistemas diseñados a medidas que utilizan diferentes componentes conectados entre sí para realizar determinadas operaciones. Ingeniería en robótica industrial

31


Técnicas Programadas: comprenden el uso de sistemas más complejos y genéricos de procesado de información. Estas se pueden clasificar en microprocesadores: computadores de propósito general que pueden ser conectados al proceso de forma similar a como se hizo para la lógica cableada y sustituyendo partes complejas de ésta y PC industrial: utilización de un ordenador personal para el control industrial.

Autómata programable: sistemas específicos de control de dispositivos especialmente diseñado para la gestión del movimiento en dispositivos robotizados.

Control Numérico: adaptación de un sistema de control computarizado para el manejo de una máquina de funcionamiento complejo.

Control del Robot: controlador diseñado para la gestión del movimiento en dispositivos robotizados.

Bus de control: sistema de comunicación entre diferentes partes del proceso que se controlan básicamente por separado pero cuyo funcionamiento requiere de una gran coordinación de forma que las condiciones de funcionamiento de unos equipos pueden influir en la operación de los demás. Estos buses pueden ser de diferente tipo dependiendo si:

a) Se encuentran conectando únicamente dispositivos informáticos de control; en cuyo caso se utilizaran redes de comunicaciones que, por lo general, ofrecen grandes prestaciones.

b) Se encarga de conectar los elementos físicos de captación de datos y accionamiento con los dispositivos de control; en cuyo caso se utilizarán los llamados buses de campo.


32


Figura 2.3 Tecnologías empleadas en la comunicación (García, 2005).

Las técnicas, al basarse en el uso de herramientas informáticas, pueden agrupar diferentes tecnologías para ayudar en la resolución de problemas como son:

Informática industrial: disciplina que conjuga las teorías de la automática y los medios de la informática con el fin de resolver problemas de naturaleza industrial.

Autómata Programable Industrial: máquina electrónica programable por un personal no informático y destinado a pilotar o gobernar procedimientos lógicos secuenciales en ambiente industrial y en tiempo real.

Entre otras formas de clasificar las tecnologías utilizadas en la automatización industrial es por el tipo de lógica utilizada, por la que pueden clasificarse en:

Lógica combinatoria: analiza el estado en que se encuentra el sistema basándose en la reproductibilidad de las situaciones.

Lógica secuencial: que permite realizar el gobierno del sistema en función de situaciones anteriores y que se puede clasificar en lógica secuencial Asíncrona: propagación atemporal y Lógica secuencial Síncrona: propagación periódica. Ingeniería en robótica industrial

33

Capítulo 2 Marco teórico También se pueden clasificar según el tratamiento que se realiza de las señales procedentes del sistema:

Tratamiento Paralelo: todas las señales concernidas en un instante dado son tomadas en cuenta simultánea por el órgano de tratamiento.

Tratamiento Secuencial: todas las señales concernidas en un instante dado son tratadas sucesivamente, en un orden previamente definido.

2.5 Controladores Lógicos Programables (PLC) Un controlador lógico programable se define como un dispositivo electrónico digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas, de configuración de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas, para el control de maquinaria y procesos (figura 2.4).

Figura 2.4 Controladores lógicos programables (Bolton, 2001).

Este tipo de procesadores se denomina lógico debido a que su programación básicamente tiene que ver con la ejecución de operaciones lógicas y de conmutación. Los dispositivos de entrada (por ejemplo un interruptor), que están bajo control, se conectan al PLC; de esta manera el controlador monitorea las entradas y salidas, de acuerdo con el programa diseñado por el operador para el PLC y que éste conserva en memoria, y de esta manera se controlan máquinas o procesos. En un principio, el propósito de estos controladores fue sustituir la conexión física de relevadores de los sistemas de control lógicos y de sincronización. Los PLCs tienen la gran ventaja de que permiten modificar un sistema de control sin tener que volver a alambrar las conexiones de los dispositivos de entrada y salida.


34


La figura 2.5 muestra la estructura interna básica de un PLC que, en esencia consta de una unidad central de procesamiento (CPU), memoria y circuitos de entrada/salida. La CPU controla y procesa todas las operaciones dentro del PLC. Cuenta con un temporizador cuya frecuencia típica es entre 1 y 8 MHz. Esta frecuencia determina la velocidad de operación del PLC y es la fuente de temporización y sincronización de todos los elementos del sistema. A través del sistema de bus se lleva información y datos desde y hacia la CPU, la memoria y las unidades de entrada/salida. Los elementos de la memoria son: una ROM para guardar en forma permanente la información del sistema operativo y datos corregidos; una RAM para el programa del usuario y memoria buffer temporal para los canales de entrada/salida.

Figura 2.5 Arquitectura de un PLC (Bolton, 2001).

La forma básica de programación más común en los PLC es la programación de escalera (figura 2.6). Ésta especifica cada una de las tareas de un programa como si fueran los peldaños de una escalera. En cada peldaño se especifica, por ejemplo, la revisión de los interruptores A y B (las entradas); si ambos están cerrados, se proporciona energía a un solenoide (la salida).


35

Capítulo 2 Marco teórico La secuencia que sigue un PLC para realizar un programa se resume de la siguiente manera:

1. Explora las entradas asociadas a un peldaño del programa de escalera. 2. Solución de la operación lógica de cada una de las entradas. 3. Encendido/apagado de las salidas del peldaño. 4. Continúa con el siguiente peldaño y repite los pasos 1, 2, 3.

Y así sucesivamente, hasta finalizar el programa.

Figura 2.6 Diagrama tipo escalera(Bolton, 2001).

2.6 Sistemas de manejo de material El sistema de manejo de materiales es la totalidad de una red de transportación que recibe los materiales, los almacena en inventarios, los mueve de un sitio a otro entre puntos de procesamiento dentro y entre edificios, y finalmente deposita los productos terminados en transportadores, que los entregaran a los clientes. El diseño y la disposición física de los edificios deben integrarse al diseño del sistema de manejo de materiales.

Dispositivos para el manejo de materiales El equipo para el transporte horizontal o vertical de materiales en masa puede clasificarse en las tres categorías siguientes:


36


1. Grúas. Que manejan el material en el aire, arriba del nivel del suelo, a fin de dejar libre el piso para otros dispositivos de manejo. Los objetos pesados, voluminosos y problemáticos son candidatos lógicos para el movimiento en el aire. La principal ventaja de usar grúas se encuentra en el hecho de que no requieren de espacio en el piso. 2. Transportadores. Es un aparato relativamente fijo diseñado para mover materiales, pueden tener la forma de bandas móviles: rodillos operados externamente o por medio de gravedad o los ductos utilizados para el flujo de líquidos, gases o material en polvo a presión: Los ductos por lo general no interfieren en la producción, ya que se colocan en el interior de las paredes, o debajo del piso o en tendido aéreo. 3. Carros. Entre los que se incluyen vehículos operados manualmente o con motor. Los carros operados en forma manual (carretillas o patines), las plataformas y los camiones de volteo son adecuados para cargas ligeras, viajes cortos y lugares pequeños: para mover objetos pesados y voluminosos, se utilizan entre otros los tractores. La seguridad, la visibilidad y el espacio de maniobra son las principales limitaciones.

2.6.1 Elementos para el manejo de material 

Elementos de suspensión

Los elementos de suspensión tienen como misión fundamental enclavar la carga a elevar con el aparato de elevación. Si la carga a elevar puede amarrarse a cables o eslingas (es un tramo relativamente corto de un material flexible y resistente, típicamente cable de acero), éstos se sujetarán a un gancho que forma parte del aparato de elevación. Cuando se trata de manipular carga a granel, el elemento de suspensión será una cuchara. En caso de transportar contenedores, el elemento de suspensión será un spreader figura 2.7 (estructura metálica que está unidad al aparato de elevación mediante cables y que se enclavará al contenedor mediante cuatro puntos de sujeción dispuestos en cada una de los vértices superiores del contenedor).


37


Figura 2.7 Vista de un Spreaders (Directindustry, 2010).



Spreaders

Los contenedores y cajas móviles presentan como únicos puntos hábiles para su manutención los ocho vértices. Los sistemas de suspensión especiales realizan los movimientos de elevación y traslación con rapidez y estabilidad.

El cálculo de los spreaders se enfoca al peso más que a las dimensiones. Para determinar con exactitud qué carga debe ser suspendida por el spreader hay que conocer el peso del contenedor, ya que la carga suspendida es obviamente el peso de la carga más la del contenedor. Existen tres tipos de spreaders. Los spreader simples, son dispositivos para trabajar suspendidos del gancho de una grúa mediante cuatro poleas. Son muy útiles para servicios ocasionales de manutención de contenedores. Los spreaders para grúas portacontenedores, son dispositivos para su acoplamiento a sistemas de cuatro poleas. De esta forma se consigue un rectángulo de estabilidad que permite compensar en cierto grado las variaciones del centro de inercia de la carga sin la aparición de giros y movimientos desestabilizadores. Se utilizan en operaciones largas de transporte de carga. Los spreaders puntuales automáticos, es un sistema de suspensión novedoso que introduce en su concepto la sencillez del spreaders y la sofisticación de movimientos del spreaders para grúas porta contenedor. El sistema de enganche de cuatro cables, es sustituido por una torre en forma de pirámide aligerada de manera que el enclavamiento del spreader al gancho es inmediato. 

Cálculo de la estructura

Según el esquema de la figura 2.8, los largueros trabajan fundamentalmente a flexión y a cortadura. La fuerza vertical FA genera una tensión máxima de trabajo de en la sección BB de valor. Ingeniería en robótica industrial

38


(2.13)

Donde: WB: Módulo resistente a flexión vertical en la sección BB AB: área a cortadura vertical en la sección BB

Figura 2.8 Esquema de cálculo de estructura de spreader (Larrodé and Miravete, 1996).

2.7 Transmisión de potencia Los mecanismos encargados de trasmitir potencia entre dos o más elementos dentro de una máquina, son la parte fundamental de los elementos u órganos de una máquina. La potencia puede transmitirse desde un árbol a otro por engranajes o cadenas. Cuando la razón entre las velocidades tiene que ser constante se aplica ruedas de engrane. El movimiento transmitido por un par de ruedas dentadas bien diseñadas es idéntico al de las curvas o superficies básicas rodando una sobre otra. Para que un par de curvas puedan moverse una sobre otra con un movimiento de rodadura pura, el punto de tangencia de las curvas tiene que hallarse siempre sobre la recta que une los centros de rotación de las curvas.

2.7.1 Tipos de engrane Hay varios tipos de engranajes, y se pueden clasificar en:

Engranes cilíndricos. Se usa para velocidades medias su forma básico es un cilindro dentado. En este grupo entran los engranes interiores, helicoidales, doble helicoidales, helicoidales para ejes cruzados y cremallera.


39

Capítulo 2 Marco teórico Engranes cónicos. Se usa a velocidades elevadas y la transmisión de la potencia siempre es en algún ángulo. Entre estos se encuentran los engranes cónicos hipoides, cónico helicoidales, cónicos rectos, cónicos espirales.

Tornillo sin fin. Generalmente son cilíndricos. El tornillo se puede considerar un derivado de los helicoidales para ejes cruzados siendo una rueda helicoidal de un solo diente y la rueda dentada puede ser helicoidal simple o especial para el tornillo. Generalmente el ángulo que forma con la rueda dentada o engrane es 90º.

Fig. 2.9 Perfil de evolvente (Shigley and D., 1985).

La evolvente es una curva tal que el lugar geométrico de los centros de curvatura de todos sus puntos forma una circunferencia, es posible generarla al desarrollar un hilo de una circunferencia y dibujar la trayectoria de uno de sus puntos. La circunferencia sobre la que se desarrolla se le denomina circunferencia base o evoluta.

2.7.2 Engranes rectos Los engranes rectos (o de espuela) se emplean para transmitir movimiento de rotación entre ejes paralelos. Su contorno es de forma cilíndrica circular y sus dientes son paralelos al eje de rotación. La nomenclatura de los engranes se observa en la figura 2.10.


40


Figura 2.10 Nomenclatura de los dientes de engranes (Shigley and D., 1985).

La circunferencia de paso es el elemento geométrico en que generalmente se basan todos los cálculos. Las circunferencias de paso de un par de engranes conectados son tangentes entre sí. El paso circular es igual a la suma del grueso del diente y el ancho del espacio entre dos consecutivos. El Módulo m es la relación del diámetro de paso al número de dientes. El Módulo es el índice del tamaño de los dientes.

(2.14) El paso diametral P es la relación del número de dientes al diámetro de paso.

(2.15) Cuando los perfiles de los dientes (o levas) se diseñan de modo que produzcan una relación constante de velocidades angulares durante su funcionamiento de contacto, se dice que tiene acción conjugada. Para transmitir movimiento con relación constante de velocidades angulares el punto de paso debe permanecer fijo, es decir, todas las líneas de acción para todo punto de contacto instantáneo deben pasar por el mismo punto P.


41


Figura 2.11 Ley General del Engrane (Shigley and D., 1985).

Principios fundamentales para el diseño de dientes Para analizar la acción de los dientes se procederá a trazar los dientes de un par de engranes. Cuando embonan dos ruedas dentadas, sus circunferencias de paso ruedan una sobre otra sin resbalar. Se designan los radios de paso por r1 y r2 y las velocidades angulares como

,

respectivamente. Entonces, la velocidad tangencial común en la línea de paso será: (2.16) Por lo tanto, la relación existente entre los radios y las velocidades angulares es:

(2.17)

Figura 2.12 Engranes conectados (Shigley and D., 1985). Ingeniería en robótica industrial

42


Al dibujar la los dientes de los engranes se acostumbra trazar como recta radial el perfil situado debajo de la circunferencia de base. Sin embargo la forma real dependerá de la clase de máquina – herramienta empleada para fabricar los dientes, es decir, de cómo se genera el perfil. La parte del diente que queda entre la circunferencia de holgura y la de dedendo es filete o entalle. En este caso, la holgura es: (2.18)

Resistencia de los dientes de un engranaje

Ecuación de Lewis. Al comenzar la acción entre un par de dientes que engranan, el flanco del diente motor hace contacto con la punta del diente accionado. Despreciando el rozamiento, la carga total Wn es normal al perfil del diente y se supone que es conducida por este dienta. W, la carga componente Wn perpendicular a la línea media del diente, produce un esfuerzo de flexión en la base del diente. La componente radial Wr se desprecia. La parábola que se muestra en la figura 2.13 bosqueja una viga de resistencia constante. Por lo que la sección más débil del diente es la sección A-A, donde la parábola es tangente al contorno del diente. Se supone que la carga esta uniformemente distribuida a través de toda la cara del diente.

Figura 2.13 Cargas en un diente (Hall et al., 1971).

El esfuerzo de flexión producido es: (2.19)


43

Capítulo 2 Marco teórico Donde:

Despejando W de la ecuación: (2.20) La relación

es una cantidad adimensional denominada el factor de forma y. Este factor de forma

y es una función de la forma del diente, la cual a su vez depende del sistema de dientes utilizado y el número de dientes del engranaje. Por consecuencia W se aproxima a la fuerza transmitida F, la cual se define como el momento de torsión dividido por el radio primitivo. Por consiguiente, remplazando F por W y y por obtenemos la forma usual de la ecuación de Lewis: (2.21) Para condiciones de diseño ordinaria, la longitud del diente, b, se limita a un máximo de 4 veces el paso circular. Haciendo b = kPc, donde k ≤ 4. Si se desconoce el diámetro primitivo, se puede utilizar la siguiente forma de la ecuación de Lewis: (2.22) Donde: = esfuerzo ≤ esfuerzo permisible = momento de torsión en el engranaje menos resistente = 4, límite superior = número de dientes del engranaje menos resistente

2.8 Esfuerzo cortante Las cargas aplicadas a una estructura o maquina general se transmiten a los miembros individuales a través de conexiones que emplean remaches, pernos, seguros, clavos o soldadura. En todas estas conexiones, uno de los esfuerzos inducidos más significativos es el esfuerzo cortante. El método por Ingeniería en robótica industrial

44


el cual se transfiere cargas de un miembro de la conexión a otro es por medio de una distribución de fuerza cortante (interna) es una sección transversal del perno o seguro empleados para efectuar la conexión. Una conexión que falla por cortante puede fallar por los siguientes modos de falla: Cortante simple: donde el esfuerzo por cortante promedio será τ, siendo: (2.23) Donde: = carga que actúa sobre un sujetador individual = área de la sección transversal del sujetador. 

Cortante doble: donde la carga que afecta a la sección transversal del sujetador, se puede escribir como: (2.24)

2.9 Energía de deformación unitaria Para un diseño seguro es importante conocer el esfuerzo del diseño y asegurarse de que sea menor que el esfuerzo de fluencia para materiales dúctiles y menor que el esfuerzo a la rotura para materiales frágiles. Si tenemos un sólido elástico lineal al cual aplicamos un sistema de fuerzas (causa) se producirán distintos efectos, como por ejemplo: reacciones de apoyo, tensiones y deformaciones. Si se piensa en una estructura se puede decir: “El efecto que produce un conjunto de fuerzas que actúan en forma simultánea es igual a la suma de los efectos que produce cada una de las fuerzas por separado”.

Las vigas estáticamente indeterminadas y las vigas con propiedades del material o secciones transversales variantes no se pueden analizar de forma adecuada. Cuando la carga está relacionada con la energía los métodos de energía resultan útiles. Cuando las cargas se aplican a un elemento de máquina, el material del elemento se deforma. Durante el proceso, el trabajo externo realizado por las cargas se convertirá, por la acción del esfuerzo normal o por el esfuerzo cortante, en trabajo interno llamado energía de deformación unitaria, con la condición de que se pierda energía en forma de calor. Esta energía de deformación unitaria se almacena en el cuerpo.


45


2.9.1 Teorema de CASTIGLIANO En el teorema de CASTIGLIANO se establece que cuando un cuerpo se deforma elásticamente por un sistema de cargas, la deflexión en cualquier punto p de cualquier dirección a equivale a la derivada parcial de la energía de deformación unitaria respecto a una carga en p en la dirección a, o (2.25) La carga

se aplica a un punto particular de la deformación y, por lo tanto, no constituye una

función de

. De esta forma se permite tomar la derivada respecto a

antes de integrar las

expresiones generales de la energía de deformación unitaria. En la tabla 2.2 se muestra la energía de deformación unitaria para los diversos tipos de carga.

Tabla 2.2 Energía de deformación unitaria

Tipo de carga

Factores implicados

Axial

P, E, A

Flexionante

M, E, I

Torsión

T, G, J

Cortante transversal

V, G, A

Energía de deformación unitaria para el caso especial en el que los tres factores son constantes con x

Expresión general para la energía de deformación unitaria

Procedimiento para el teorema de CASTIGLIANO:

1. Obtenga una expresión para la energía de deformación unitaria total incluyendo: 

Cargas (P, M, T, V) que actúen sobre el dispositivo.



Una fuerza ficticia

que actúa en el punto y en la dirección de la deflexión deseada.

2. Encuentre la deflexión por medio de

3. Si

es ficticia, haga =0 y resuelva la ecuación resultante.


46


2.10 Dinámica de la rotación Para simplificar mucho la explicación de la rotación en los cuerpos se toma siempre un modelo de cómo son estos cuerpos que se denomina cuerpo rígido. Este modelo consiste en considerar que los cuerpos, los sólidos tomados, son absolutamente indeformables, es decir, rígidos. Matemáticamente se puede expresar de una manera más rigurosa diciendo que la distancia entre sus partículas no cambia. Dada una partícula y otra del sistema que se considera, siempre se tendrá que siendo

una constante cualquiera. Para un cuerpo de este tipo, basta con saber donde está en un

momento determinado una partícula y el ángulo θ de rotación del cuerpo respecto a la posición original, se conocerá el resto de las posiciones de los puntos.

El momento angular de un cuerpo rígido que rota con respecto a uno de sus ejes principales de inercia (que por el momento se supondrá fijo con respecto a un sistema de referencia inercial) viene dado por:

(2.26) Donde: = momento de inercia del sólido. = velocidad angular. La variación del estado de rotación de un sólido viene determinada por la variación de su velocidad angular por lo que, si se quiere describir el movimiento de rotación, se debe encontrar una ecuación que permita calcular la aceleración angular del mismo.

Puesto que en la expresión del momento angular aparece la velocidad angular, derivándola se obtiene la aceleración angular: (2.27) La variación del momento angular de un sistema de partículas (y, por tanto, de un sólido) es igual al momento de las fuerzas externas que actúan sobre el sistema: (2.28)


47

Capítulo 2 Marco teórico Igualando ambas expresiones, (2.29) La segunda ley de Newton permite calcular la aceleración de una partícula (o del centro de masas de un sistema de partículas) conociendo las fuerzas que actúan sobre ella. La ecuación del movimiento de rotación de un sólido

permite determinar su aceleración angular calculando

el momento de las fuerzas externas que actúan sobre él.

Para que un cuerpo rote (para que tenga aceleración angular) no basta con que actúen fuerzas externas sobre él, sino que estas fuerzas han de tener momento resultante no nulo. El papel que juega la masa de una partícula en la segunda ley de Newton (su inercia, es decir, la resistencia que opone a cambiar su estado de movimiento), lo desempeña ahora el momento de inercia. Despejando , se obtiene: (2.30)

Es decir, para un momento de fuerzas dado, cuanto mayor sea el momento de inercia del sólido menor será su aceleración angular, por lo que la velocidad angular del mismo variará lentamente. El momento de inercia mide la resistencia que opone un cuerpo a variar su estado de movimiento de rotación. De la ecuación anterior se deduce que el vector aceleración angular es paralelo a la resultante de los momentos de las fuerzas externas, del mismo modo que la aceleración de una partícula es paralela a la resultante de las fuerzas que actúan sobre ella. Cuanto mayor sea el módulo de esta resultante, mayor será el módulo de la aceleración angular.

2.10.1 Momento de inercia Es la oposición de un cuerpo a los cambios de aceleraciones angulares

, de la misma

forma que refleja la distribución de masas de un cuerpo o un sistema de partículas en rotación respecto al eje de giro, por tanto el momento de inercia sólo depende de la geometría del cuerpo y de la posición del eje de giro. (2.31) Ingeniería en robótica industrial

48


Donde: = momento de inercia = integración en todo el volumen = distancia del eje de giro = elemento de masa sólido

Para el análisis del sistema a diseñar se tomarán en cuenta las siguientes figuras geométricas y sus respectivos momentos de inercia:

Figura. 2.14 Cilindro macizo (Meriam and J. L. Kraige, 2000)

(2.32)

Figura. 2.15 Cilindro hueco (Meriam and J. L. Kraige, 2000)

(2.33)

Un prisma hexagonal, largo y rígido, tiene una masa m que está uniformemente distribuida. El lado del hexágono es l.


49



El momento de inercia del prisma hexagonal respecto del eje que pasa por el centro de las bases es . El momento de inercia respecto de un eje paralelo al anterior que pasa por la arista del prisma es

.

2.11 Fuerzas hidrostáticas sobre las superficies Fuerza ejercida por un líquido sobre un área plana La fuerza P ejercida por un líquido sobre un área plana A es igual al producto del pero especifico del líquido por la unidad

del centro de gravedad de la superficie y por el área de la misma ecuación: (2.34)

Se observa que el producto del peso especifico w por la profundidad del centro de gravedad de la superficie es igual a la presión en el centro de gravedad del área. La línea de acción de la fuerza pasa por el centro de presión, que se localiza mediante la fórmula: (2.35) Donde

es el momento de inercia del área respecto de un eje que pasa por su centro de gravedad.

La distancia y se miden a lo largo del plano y a partir de un eje determinado por la intersección del plano que contiene la superficie y de la superficie libre del líquido.

La componente horizontal de la fuerza hidrostática sobre una superficie cualquiera (plana o irregular) es igual a la fuerza normal sobre la proyección vertical de la superficie. La componente pasa por el centro de presión de la proyección vertical. La componente vertical de la fuerza hidrostática sobre cualquier superficie (plana o irregular) igual al peso del liquido situado sobre el área, real o imaginario. La fuerza pasa por el centro de gravedad del volumen.


50


2.11.1 Tensión circunferencial o tangencial La tensión circunferencial o tangencial se origina en las paredes de un cilindro sometido a presión interna. Para cilindros de pared delgada (

) (2.36)

Donde: es la tensión (kg/cm2) es la presión (kg/cm2) es el radio (cm) es el espesor (cm) La tensión longitudinal (kg/cm2) es un cilindro de pared delgada cerrado por los extremos es igual a la mitad de la tensión circunferencial.

2.11.2 Viscosidad Un fluido no soporta esfuerzos de corte, sin embargo, los fluidos presentan cierto grado de resistencia al movimiento de corte. Esta resistencia es una forma de fricción interna llamada viscosidad. Ésta existe debido a una fuerza de fricción entre capas adyacentes del fluido conforme se deslizan una sobre la otra. En la figura 2.17 la velocidad de capas sucesivas de fluido aumenta linealmente desde 0 hasta v conforme se observa desde una capa adyacente a la placa fija a una capa adyacente a la placa móvil.

Figura 2.17 Perfil de velocidades (Serway et al., 2008).


51

Capítulo 2 Marco teórico En un sólido, un esfuerzo de corte origina un desplazamiento entre las capas adyacentes. De un modo análogo, las capas adyacentes de un fluido bajo esfuerzo de corte se ponen en movimiento relativo entre ellas. Considerando dos placas paralelas, una fija y una moviéndose hacia la derecha bajo la acción de una fuerza externa F (figura 2.26). Debido a este movimiento, una parte del fluido se distorsiona de su forma original, ABCD, en un instante a la forma AEFD, después de un corto intervalo de tiempo. El esfuerzo de corte sobre el fluido es igual a la razón F/A, en tanto que la deformación de corte se define a partir de la razón

.

La placa superior se mueve con una velocidad v, y el fluido adyacente a esta placa tiene la misma velocidad. Así, en un tiempo

el fluido en la placa móvil recorre una distancia

y

podemos expresar la deformación de corte por unidad de tiempo como: (2.37) Esta ecuación establece que la tasa de cambio de la deformación de corte es

.

El coeficiente de viscosidad, η, para el fluido se define como la proporción entre el esfuerzo de corte y la tasa de cambio de la deformación de corte: (2.38) Si el gradiente de velocidad v/l no es uniforme, debemos expresar η en la forma general:

(2.39)

2.12 Métodos de análisis de movimientos de material y energía 2.12.1Flujogramas del Proceso

La herramienta más apropiada para el diseño gráfico de procesos es el flujograma matricial que es una representación de la secuencias de pasos que se usan para alcanzar un resultado. Símbolos usados en los flujogramas según:


52


American Society of Mechanical Engineers (ASME) American National Standard Institute (ANSI) International Organization for Standardization (ISO)

A partir de estos símbolos se pueden diseñar mapas de procesos que facilitan la identificación de todas las partes intervinientes y la forma en que participan. Los flujogramas son una de las principales herramientas de esquematización, análisis y mejora de procedimientos.

Tabla 2.3 Símbolos de la norma ASME (ASME, 2010). Símbolo

Representa Operación: indica las principales fases del proceso, método o procedimiento Inspección: indica que se verifica la calidad y/o cantidad de algo. Desplazamiento o transporte: indica el movimiento de los empleados, material y equipo de un lugar a otro. Depósito provisional o espera: indica demora en el desarrollo de los hechos. Almacenamiento permanente: indica el depósito de un documento o información dentro de un archivo, o de un objeto cualquiera en un almacén. Origen de una forma o documento: indica el hecho de formular una forma o producir un informe. Decisión o automatización de un documento: representa el acto de tomar una decisión o bien de efectuar una automatización.

Tabla 2.4 Símbolos de la norma ANSI (ANSI, 2010). Símbolo

Representa Inicio o termino. Indica el principio o el fin del flujo, puede se acción o lugar, además se usa para indicar una unidad administrativa o persona que recibe o proporciona información. Actividad. Describe las funciones que desempeñan las personas involucradas en el procedimiento. Documento. Representa un documento en general que entre, se utilice, se genere o salga del procedimiento. Decisión o alternativa. Indica un punto dentro del flujo en donde se debe tomar una decisión entre dos o más alternativas. Archivo. Indica que se guarda un documento en forma temporal o permanente Conector. Representa una conexión o enlace de una parte del diagrama de flujo con otra parte lejana del mismo.


53

Capítulo 2 Marco teórico Ventajas que ofrece la técnica del flujograma: De uso: Permite la correcta identificación de actividades De comprensión e interpretación: Simplifica su comprensión De interacción: Permite el acercamiento y coordinación De simbología: Disminuye la complejidad y accesibilidad De diagramación: Se elabora con rapidez y no requiere de recursos sofisticados

2.12.2 Ruta crítica El método de ruta crítica es un proceso administrativo (planeación, organización, dirección y control) de todas y cada una de las actividades componentes de un proyecto que debe desarrollarse durante un tiempo crítico y al costo óptimo. La aplicación potencial del método de la ruta crítica, debido a su gran flexibilidad y adaptación, abarca desde los estudios iniciales para un proyecto determinado, hasta la planeación y operación de sus instalaciones.

El valor de la técnica resulta más cuando se aplica en forma dinámica. A medida que se presentan hechos o circunstancias imprevistas, el método de la ruta crítica proporciona el medio ideal para identificar y analizar la necesidad de replantear o reprogramar el proyecto, reduciendo al mínimo el resultado adverso de dichas contingencias. Del mismo modo, cuando se presenta una oportunidad para mejorar la programación del proyecto, la técnica permite determinar fácilmente que actividades deben ser aceleradas para que se logre dicha mejoría.

El método de la ruta crítica consta básicamente de dos ciclos: Planeación y programación Ejecución y Control

El primer ciclo termina hasta que todas las personas directoras o responsables de los diversos procesos que intervienen en el proyecto están plenamente de acuerdo con el desarrollo, tiempos, costos, elementos utilizados, coordinación, etc., tomando como base la red de camino crítico diseñada al efecto. El segundo ciclo termina al tiempo de hacer la última actividad del proyecto y entre tanto existen ajustes constantes debido a las diferencias que se presentan entre el trabajo programado y el realizado. Ingeniería en robótica industrial

54


2.12.3 Análisis de Valor El Análisis del Valor (AV) es una técnica que trata de concebir un nuevo producto, proceso o sistema∗ o bien de volver a concebir un producto ya existente de modo que, con el mínimo coste, asegure todas las funciones que el cliente desee y esté dispuesto a pagar. En otras palabras, el Análisis del Valor trata de extraer los costes inútiles o baldíos de un producto al mismo tiempo que intenta mejorar su calidad, cuestionándose acerca del producto mismo en su concepción.

Las ventajas que proporciona la utilización de esta técnica son: Permite realizar una reducción de los costes de un producto sin reducir la calidad del mismo. El análisis sistemático de las funciones del producto permite, en la mayoría de los casos, no sólo la reducción de costes mencionada, sino además mejorar el producto potenciando las funciones que más valora el cliente, así como reducir las quejas.

El método del Análisis del Valor se basa en tres conceptos principales, a partir de los cuales se construye el resto del proceso. Estos conceptos son los de necesidad, función y valor.

Las necesidades de los consumidores son las que, en última instancia, llevan a los individuos a adquirir un producto y, por lo tanto, constituyen la referencia básica de concepción del producto. Las funciones de un producto son las características que reúne y que permiten al usuario ver satisfechas sus necesidades; en otras palabras, definen el porqué ese elemento ha sido realizado o comprado.

Dentro de un mismo producto se pueden distinguir distintos tipos de funciones: o Las funciones de servicio del producto (aquéllas que satisfacen las necesidades del consumidor). Se pueden dividir en: 

Funciones de uso



Funciones de estima

o Las funciones técnicas de los componentes del producto (órganos, conjuntos y subconjuntos funcionales, piezas...)

El último concepto básico para entender el Análisis del Valor es el de valor. Se define valor como la medida de las funciones en relación a su coste o, expresado en términos matemáticos: Ingeniería en robótica industrial

55


(2.40) 2.12.4 Balance de energía El balance de energía eléctrica es la identificación y cuantificación de los consumos de cada área de la empresa. A partir del balance se analiza cómo se está utilizando la energía y se proponen medidas de ahorro con el objetivo de incrementar la eficiencia del uso de la energía de la empresa. En el balance de energía eléctrica se muestra el flujo del energético desde que se genera, transmite, y se distribuye; incluyendo las pérdidas y los consumos propios.

El modelo general del balance de energía, está dado por la siguiente expresión matemática: (2.41)

Donde:

ED es la energía disponible EF es la energía registrada, EAP es la energía consumida en alumbrado público EPe es la energía de pérdidas totales

Siendo, (2.42)

Donde:

EPT es la energía pérdidas técnicas, y EPNT es la energía pérdidas no técnicas o comerciales.

Si bien la energía es la medición del consumo eléctrico, la demanda máxima es la suma de las potencias de los equipos eléctricos registrada en cualquier periodo del tiempo de facturación, cabe mencionar que el medidor registra cada 15 minutos la demanda de la empresa en ese instante y al final del mes se cobra la factura en base a la de mayor demanda de potencia registrada.

Factor de potencia: El factor de potencia es la diferencia entre el total de la potencia entregada por la compañía eléctrica a una fábrica y la parte de este total que realmente genera trabajo. Ingeniería en robótica industrial

56


La potencia real, dada en Kilowatts (kw), mide el trabajo efectivo. La potencia reactiva, dada en KiloVARS (kVAR), mide la necesidad que posee el sistema para permitir el consumo de energía real.

Potencia aparente (S) Potencia reactiva (Q) φ Potencia activa (P) Figura 2.18 Relación de potencias (HARPER, 1994).

Por lo que la expresión matemática es: (2.43) Problemas por bajo factor de potencia -

Mayor consumo de corriente

-

Aumento de las perdidas en conductores

-

Sobrecarga de transformadores, generadores y líneas de distribución

-

Incremento de las caídas de voltaje

-

Incremento a la facturación eléctrica por mayor consumo de corriente

-

Incremento de la facturación eléctrica producto de las multas

Beneficios por corregir el factor de potencia -

Reducir las pérdidas debido al excesivo consumo de corriente.

-

Aumento de la disponibilidad de potencia de transformadores, líneas y generadores.

-

Reducción de las caídas de tensión.

-

Incremento de la vida útil de las instalaciones.

-

Reducción de los costos por facturación eléctrica.

-

Eliminar los cargos adicionales por penalización de factor de potencia.


57

Capítulo 2 Marco teórico 2.12.4 Programación lineal La programación lineal es una técnica matemática relativamente reciente (siglo XX), que consiste en una serie de métodos y procedimientos que permiten resolver problemas de optimización en el ámbito, sobre todo, de las Ciencias. Este tema se centra en aquellos problemas simples de programación lineal, los que tienen solamente 2 variables, problemas bidimensionales. Para sistemas de más variables, el procedimiento no es tan sencillo y se resuelven por el llamado método Simplex.

La programación lineal utiliza un modelo matemático para describir el problema. El adjetivo lineal significa que todas las funciones matemáticas del modelo deber ser funciones lineales. En este caso, la palabra programación no se refiere a programación en computadoras; en esencia es un sinónimo de planeación. Así, la programación lineal trata la planeación de las actividades para obtener un resultado óptimo, esto es, el resultado que mejor alcance la meta especificada (según el modelo matemático) entre todas las alternativas de solución. Modelo de programación lineal En cualquier aplicación de programación lineal, puede ser que todas las actividades sean de un tipo general, y entonces cada una correspondería en forma individual a las alternativas específicas dentro de esta categoría general. El tipo más usual de aplicación de programación lineal involucra la asignación de recursos a ciertas actividades. La cantidad disponible de cada recurso está limitada, de forma que deben asignarse con todo cuidado. La determinación de esta asignación incluye elegir los niveles de las actividades que lograrán el mejor valor posible de la medida global de efectividad, también llamado la función objetivo.

En conclusión la programación lineal se puede resumir en cuatro puntos básicos y concretos.

La programación lineal (PL) es una técnica de modelado (construcción de modelos). La programación lineal (PL) es una técnica matemática de optimización, es decir, un método que trata de maximizar o minimizar un objetivo. Su interés principal es tomar decisiones óptimas. Se usa mucho en la industria militar y en la petrolera. Si bien esos sectores han sido quizá los principales usuarios de ella, el sector servicios y el sector público de la economía también la han aprovechado ampliamente. Ingeniería en robótica industrial

58


Metodología de resolución: algoritmo branch and bound Un primer paso para la resolución de un modelo de programación lineal entera es resolver, mediante el método simplex, el problema lineal asociado. Se trata de un problema lineal con la misma función objetivo y restricciones que el modelo original, pero al que se han relajado la condición de que todas o algunas de las variables de decisión sean enteras. Si la solución así obtenida es entera, se habrá encontrado la solución del modelo de programación lineal entera. En caso contrario (el más frecuente), la solución así obtenida es una primera aproximación a la solución del modelo.

Ciertos símbolos se usan de manera convencional para denotar las distintas componentes de un modelo de programación lineal. Estos símbolos se enumeran a continuación, junto con su interpretación para el problema general de asignación de recursos a actividades.

Z = valor de la medida global de efectividad (la función objetivo) xj = nivel de la actividad j (para j = 1,2,...,n) cj = incremento en Z que resulta al aumentar una unidad en el nivel de la actividad j bi = cantidad de recurso i disponible para asignar a las actividades (para i = 1,2,...,m) aij = cantidad del recurso i consumido por cada unidad de la actividad j El modelo establece el problema en términos de tomar decisiones sobre los niveles de las actividades, por lo que x1, x2,....,xn se llaman variables de decisión. Los valores de cj, bi y aij (para i= 1,2,...., m y j = 1,2,...., n) son las constantes de entrada al modelo. Las cj, bi y aij también se conocen como parámetros del modelo. Forma estándar del modelo Ahora se puede formular al modelo matemático para este problema general de asignación de recursos a actividades. Este modelo consiste en elegir valores de x1, x2,...., xn para optimizar (maximizar o minimizar la función objetivo). Z = c1·x1 + c2·x2 +....+ cn·xn, Sujeta a las restricciones: a11·x1 + a12·x2 +....+ a1n·xn < b1 a21·x1 + a22·x2 +....+ a2n·xn < b2 am1·x1 + am2·x2 +....+ amn·xn < bm x1≥ 0, x2≥ 0,..., xn≥ 0. Ingeniería en robótica industrial

59


2.13 Sumario Para este capítulo se abordaron los temas pertinentes con la finalidad de obtener las herramientas necesarias que permitan desarrollar un diseño óptimo de una línea automática para el proceso de galvanizado, que cumpla con los requerimientos establecidos por el cliente. Para lo cual es importante tener conocimiento de cómo manejar y transportar las piezas que se van a galvanizar, debido a que el sistema tendrá que manejar piezas de diversos tamaños y formas geométricas. Para poder manipular todo el sistema será necesario establecer un control y por ende un controlador industrial, además el proceso será automatizado por lo que es necesario tener bien claro el termino automatización y todo lo que este conlleva. Claro está que si se pretende automatizar el proceso de galvanizado, hay que tener total conocimiento de dicho proceso, para así poder resolver todos los problemas de diseño, derivados de aquellos factores que influyen directa o indirectamente en el proceso de galvanizado por electrólisis de piezas metálicas.


60


DISEÑO CONCEPTUAL

Con base en la metodología QFD, se obtendrá un diseño conceptual para la automatización del proceso de galvanizado de piezas metálicas, describiendo, analizando y aplicando los pasos de dicha metodología para dar solución al problema planteado.


61

Capítulo 3 Diseño conceptual

3.1 Introducción Dentro del proceso de diseño es imperativo el uso e implementación de un método formal y ordenado para el desarrollo de las posibles soluciones a las necesidades específicas del proyecto. Los capítulos anteriores establecen claramente el problema, lo delimitan y lo posicionan en un marco donde podemos ubicar el por qué y el cómo de éste, para conocer más específicamente la causa que lo genera y en que estará apoyada la solución. Motivo por lo que es pertinente desarrollar una metodología que ayude a determinar esta parte del diseño en ingeniería. Se utilizará la metodología QFD, que significa despliegue de la función de la calidad, dicha metodología permite obtener y plantear las metas de diseño para el proyecto, con lo cual y apoyándose de otras herramientas como el análisis funcional, filtros, matrices de decisión, etc., se obtendrá un diseño conceptual.

3.2 Despliegue de la función de calidad (QFD) El QFD es un sistema que busca focalizar el diseño de los productos y servicios en dar respuesta a las necesidades de los clientes. Esto significa alinear lo que el cliente requiere con lo que la organización produce. El QFD permite a una organización entender la prioridad de las necesidades de sus clientes y encontrar respuestas innovadoras a esas necesidades, a través de la mejora continua de los productos y servicios en búsqueda de maximizar la oferta de valor.

QFD (QualityFunctionDeployment) significa Despliegue de la Función de Calidad. Esto es, "transmitir" los atributos de calidad que el cliente demanda a través de los procesos organizacionales, para que cada proceso pueda contribuir al aseguramiento de estas características(QFDLAT, 2010). Stephen (R., 2010), define al Despliegue de la Función de Calidad (QFD) como: “Una práctica para diseñar los procesos en respuesta a las necesidades de los clientes. QFD traduce lo que el cliente quiere en lo que la organización produce. Le permite a una organización priorizar las necesidades de los clientes, encontrar respuestas de innovación a esas necesidades, y mejorar procesos hasta una efectividad máxima. QFD es una práctica que conduce a mejoras del proceso que le permiten a una organización sobrepasar las expectativas del cliente.” Ingeniería en robótica industrial

62


3.3 Metodología QFD aplicada al diseño en ingeniería El QFD es una metodología que consta de una serie de pasos para llegar al objetivo planteado, a lo largo de este capítulo se desarrollara cada uno de los pasos de dicha metodología aplicada al diseño en ingeniería, para obtener un diseño que cumpla con los requerimientos que el cliente desea y satisfaga la necesidad planteada, en este caso el desarrollo de un sistema automatizado para el galvanizado de piezas metálicas con la calidad requerida.

3.3.1 Determinación de las expectativas y requerimientos del cliente Necesidad: Galvanizar piezas metálicas con mayor seguridad, calidad y cantidad requeridas.

Objetivo: Diseñar un sistema automatizado para realizar el proceso de galvanizado de piezas metálicas con dimensiones de un máximo de 10 x 30 x 10 cm, de cualquier forma geométrica. Se realizará el diseño mecánico, eléctrico, electrónico y de control de dicho sistema que cumpla con los requerimientos deseados.

Definición del problema Se retoma el planteamiento establecido en la página 20 del capítulo 1, y se realiza el siguiente análisis.

3.3.1.1 Descripción del proceso actual Actualmente el proceso de galvanizado de piezas metálicas en pequeñas empresas es de forma totalmente mecánica y manual. Este proceso en la empresa con la cual se está trabajando se lleva acabo de la siguiente manera:

Las piezas llegan y se vacían en barriles de plástico, donde permanecen almacenados hasta la iniciación del proceso. Una vez iniciado el proceso, un operario llena una cubeta de acero con aproximadamente 40 Kg de piezas y la lleva a la tina de desengrase donde permanece por 10 minutos, para después llevarla a la tina de enjuague donde estará entre 20 y 40 segundos, después la cubeta pasa al decapado que dura 5 minutos aproximadamente, posteriormente se somete a la etapa de neutralizado que también dura 5 minutos, durante estos pasos el operario carga la cubeta de una tina a otra. Ingeniería en robótica industrial

63

Capítulo 3 Diseño conceptual Después interviene otro operario para que entre los dos vacíen las piezas de la cubeta a un barril de plástico, el cual es tomado mediante un gancho unido a una cadena que se enrolla en la flecha de un motor que se encuentra en un riel aéreo, el operario tiene que colocar el gancho y encender el motor, para así poder elevar el barril, después el operario tiene que colocar el barril en posición e introducirlo en la tina que contiene al electrolito para realizar el proceso de recubrimiento. Una vez colocado el barril el operario energiza un motor que transmite movimiento al barril para lograr un recubrimiento uniforme en las piezas. EL tiempo que el barril permanece sumergido varía según el espesor deseado de 15 a 25 minutos, después de esto los operarios elevan el barril para llevarlo a un punto donde puedan enjuagarlo junto con las piezas por alrededor de 30 segundos.

Una vez enjuagadas las piezas los operarios las vacían de nuevo a la cubeta del principio, para introducirla en la cuba de acabado durante 2 minutos aproximadamente, después un operario la lleva al último enjuague que de igual forma dura como 30 segundos generalmente, y por último el operario introduce la cubeta en una centrifuga para la etapa de secado por alrededor de 1 minuto, y las piezas listas son colocadas en costales para su entrega (ver tabla 3.1 para los tiempos del proceso).

El proceso descrito es simultáneo, porque se realizan 4 procesos iguales a la vez, en donde los operarios se coordinan para intervenir en los 4 procesos al ayudarse unos a otros en la etapa electrolítica. Tabla 3.1 Tiempos en el proceso de galvanizado por electrodeposición.

Pasos del proceso de galvanizado electrolítico

Tiempo aproximado

Desengrase.

10 minutos

Enjuague 1.

30 segundos

Decapado.

5 minutos

Neutralizado.

5 minutos

Galvanizado (proceso electrolítico).

20 minutos

Enjuague 2.

30 segundos

Acabado.

2 minutos

Enjuague 3.

30 segundos

Secado.

1 minutos Tiempo total:


44.5 minutos

64


Componentes del proceso actual: 4 Barriles de plástico para almacenamiento de las piezas. 4 Cubetas de acero inoxidable para contener las piezas a lo largo del proceso, con capacidad de aproximada de 40 Kg. 4 Barriles de plástico para el proceso electrolítico, los cuales tienen una transmisión de engranes para dar movimiento al barril. 4 Tinas de acero para las etapas de desengrase, decapado, neutralizado y acabado (una tina para cada etapa). 4 Tinas de acero inoxidable para la electrodeposición. 1 Centrifuga para la etapa de secado. 1 Riel aéreo para trasladar el barril. 1 Motor trifásico para el traslado del barril, en el cual se enrolla una cadena unida a un gancho.

Debido a que en el proceso intervienen operarios la calidad y rapidez del proceso depende directamente de ellos. A continuación se enuncian las ventajas y desventajas del proceso actual:

Ventajas: El proceso en apariencia es económico. La tecnología utilizada es fácil de entender por cualquier persona, no se necesita personal especializado para su puesta en marcha. El mantenimiento es relativamente sencillo y barato.

Desventajas: El proceso es lento. No tiene paros de seguridad, para situaciones de riesgo. Calidad baja. Poca producción y productividad. No existe sistema de monitoreo del estado en que se encuentra la producción. Riesgo para los operarios al estar en contacto directo con sustancias químicas. Demasiado trabajo para los operarios que se tienen que estar coordinando entre sí. Etc. Ingeniería en robótica industrial

65

Capítulo 3 Diseño conceptual Como se puede apreciar existen ventajas y desventajas en el proceso, pero son más las desventajas, debido a la poca tecnología utilizada lo cual provoca muchas deficiencias en el proceso y poca productividad.

El proceso para un lote de 40 kg dura aproximadamente 45 minutos, si se realizan cuatro procesos simultáneos, se galvaniza 160 kg en 48 minutos. Si la jornada laboral es de 480 minutos, se puede repetir el proceso 10 veces, dando un total de 1600 kg de piezas galvanizadas por día, 9600 kg por semana, y 38400 kg al mes.

Cabe mencionar que de este proceso se pueden retomar algunos principios de funcionamiento, y reutilizar algunos elementos con los que ya se cuenta, y con lo cual se tiene una idea para diseñar el sistema automático del proceso de galvanizado de piezas metálicas.

3.3.1.2 Descripción del proceso propuesto El proceso en si no puede cambiar, debido a que ya están bien establecidos los tiempos y las etapas que intervienen en este, lo que se cambiara es el modo de realizarlo, ya no será manual si no automático, seguirán estando los mismos módulos y en el mismo orden, solo que en lugar de que un operario este cargando y trasladando las piezas de una etapa a otra, lo hará un manipulador montado sobre un riel aéreo, y el operario solo se encargara de supervisar que el proceso se esté realizando correctamente.

Se decidió que serán 2 líneas de galvanizado paralelas, debido al requerimiento de longitud que es de 15 m, por lo que no se pueden aumentar recipientes para cada etapa del proceso en la misma línea de galvanizado, con lo que cada línea tendrá una longitud de 15 m y una altura máxima de 4 m. Con lo cual la producción incrementara al doble, de 38400 kg al mes que se galvanizan actualmente se galvanizaran 76800 kg, casi 77 toneladas.

Del proceso actual se reutilizaran y agregaran los siguientes elementos: 4 Cubetas de acero inoxidable para contener las piezas a lo largo del proceso, con capacidad aproximada de 40 Kg. Se agregarán 4 cubetas más.


66


4 Barriles de plástico para el proceso electrolítico, los cuales tienen una transmisión de engranes para dar movimiento al barril. Se agregarán 4 barriles más. 4 Tinas de acero inoxidable para las etapas de desengrase, decapado, neutralizado y acabado (una tina para cada etapa). Se agregarán 10 tinas más (3 para los enjuagues de una línea de galvanizado y 7 para la segunda línea). 4 Tinas de acero inoxidable para la electrodeposición. Se agregarán 4 tinas más. 1 Centrifuga para la etapa de secado. Se agregará otra centrifuga. 1 Riel aéreo para trasladar el barril. Se agregará otro riel para la segunda línea de galvanizado.

Para el proceso automático se propone: 2 manipuladores montados sobre un riel cada uno, que trasladen a las piezas a lo largo de dos líneas de producción paralelas y simultaneas. 2 manipuladores que cambien las piezas de la cubeta al barril, uno para cada línea de galvanizado. Rediseñar la transmisión de movimiento al barril de plástico para un recubrimiento más uniforme. Una tolva que contenga todas las piezas, en lugar de los barriles de plástico. Una banda transportadora que lleve a las piezas al inicio del proceso.

Una vez establecido el análisis y realizado la propuesta se continúa con la metodología para establecer la mejor forma de realizar las funciones del sistema que permitan cumplir con el objetivo y la función principal.

3.4 Determinación de los requerimientos del cliente Se establecen los requerimientos de viva voz del cliente: Fácil instalación. El espesor del galvanizado no debe variar demasiado. Flexibilidad para cambiar tiempos de inmersión de las piezas en la solución electrolítica, dependiendo del acabado que se desea dar. La cantidad de piezas galvanizadas al mes debe ser de aproximadamente 80 toneladas. Ingeniería en robótica industrial

67

Capítulo 3 Diseño conceptual Refacciones de bajo costo Galvanizar piezas metálicas de diferentes formas geométricas y con pequeñas dimensiones. Las unidades de medida de la máquina estén dadas en el sistema internacional. Optimizar los insumos para realizar el galvanizado. El calor generado por la máquina y/o el proceso de galvanización sea disipado. Facilidad de mantenimiento en general. La altura de la máquina debe ser inferior a 4 m. La longitud máxima del sistema deberá ser de 15 m. El área donde sea ubicada la máquina debe ser de un máximo de 150 m2. Que la máquina tenga buen aspecto visual. Interfaz máquina-usuario visual. Facilidad de mantenimiento en general. Refacciones baratas. El sistema debe apegarse a las normas ambientales. Costo total de la máquina o sistema alrededor de los $300 000. Optimizar los insumos para realizar el galvanizado. Tenga 4 botones de paro distribuidos en la máquina o área de trabajo. Fácil instalación. Refacciones fáciles de conseguir.

3.4.1 Clasificación de los requerimientos La clasificación permite identificar los requerimientos deseables, esto con la finalidad de determinar su importancia relativa y tomarlos en cuenta durante el diseño, esperando como resultado, un grado de satisfacción mayor en el cliente.

A) Requerimientos funcionales. A1.-La precisión del espesor del acabado deberá ser ±5micras. A2.-Flexibilidad para cambiar tiempos de inmersión de las piezas en la solución electrolítica, los cuales dependen del espesor que se desea dar al recubrimiento. A3.- Galvanizar aproximadamente 80 ton de piezas al mes.


68


A4.- Galvanizar piezas metálicas de diferentes formas geométricas y con dimensiones máximas de 10x30x10 cm. A5.- Que pese las piezas galvanizadas (lotes de un máximo de 40 Kg). A6.-Las unidades de medida de la máquina estén dadas en el sistema internacional. A7.-Optimizar los insumos para realizar el galvanizado. A8.-Buena disipación de calor.

B) Requerimientos físicos. B1.-La altura máxima del sistema deberá ser de 4m. B2.-La longitud máxima del sistema deberá ser de 15m. B3.- Cubrir un área de ubicación de todo el sistema no mayor a 150 m2. B4.-Que el sistema sea estético. B5.-Interfaz máquina-usuario visual. B6.-Tenga 4 botones de paro, distribuidos en la máquina o área de trabajo.

C) Requerimientos de instalación. C1.- Fácil instalación.

D) Requerimientos de mantenimiento. D1.- Fácil mantenimiento en general. D2.-Bajo costo de mantenimiento. D3.- Refacciones fáciles de conseguir. D4.-Refacciones de bajo costo.

E) Requerimientos económicos. E1.-Que sea de bajo costo, el sistema debe tener un costo alrededor de los $200 000.000.

F) Requerimiento de adaptación. F1.-El sistema debe apegarse a las normas ambientales.


69


3.4.1 Clasificación de los requerimientos en obligatorios y deseables En la tabla 3.2 se muestra la clasificación de los requerimientos establecidos por el cliente en obligatorios y deseables, con el fin de diseñar tomando en cuenta todos los requerimientos obligatorios, y ver cuáles de los deseables se pueden establecer en el diseño, teniendo en cuenta el no afectar con el cumplimiento de los obligatorios, este paso es importante para poder determinar desde un principio con lo que se debe cumplir obligatoriamente. Tabla 3.2 Clasificación de los requerimientos en obligatorios y deseables. REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS

DESEABLES

A1.- La precisión del espesor deberá ser de ±5 micras.

A6.-Las unidades de medida de la máquina estén dadas en el sistema internacional.

A2.- Flexibilidad para cambiar tiempos de inmersión de las piezas en la solución electrolítica dependiendo del acabado que se desea dar.

A7.- Optimizar los insumos para realizar el galvanizado.

A3.- Galvanizar aproximadamente 80 ton de piezas al mes.

A8.- Buena disipación de calor.

A4.-Galvanizar piezas metálicas de diferentes formas geométricas y con dimensiones máximas de 10x30x10 cm.

B4.-Que el sistema sea estético.

A5.-Que pese las piezas galvanizadas (lotes de un máximo de 40 Kg).

B5.- Interfaz máquina-usuario visual.

B1.- La altura de la máquina debe ser inferior a 4 m.

C1.- Fácil instalación.

B2.- La longitud máxima del sistema deberá ser de 15 m.

D1.- Facilidad de mantenimiento en general.

B3.- Cubrir un área total del sistema no mayor a 150 m2.

D2.- Bajo costo de mantenimiento.

B6 .Tenga 4 botones de paro distribuidos en la máquina o área de trabajo.

D4.- Refacciones de bajo costo.

D3. Refacciones fáciles de conseguir. E1. Costo total de la máquina sea alrededor de 300 000 pesos. F1.- El sistema debe apegarse a las normas ambientales.


70


3.4.2 Ponderación de los requerimientos deseables Una vez identificados los requerimientos deseables se ponderan para saber su orden de importancia en el diseño y establecer cuales podrán ser incluidos en el diseño como se muestra en la tabla 3.3, lo ideal es que se pudieran incluir todos, pero esto dependerá de que no interfieran en el cumplimiento de los requerimientos obligatorios.

Tabla 3.3 Ponderación de los Requerimientos Deseables.

A

A6

A6

A7

A8

B4

B5

C1

D1

D2

D4

∑(+)

Ir (%)

Orden de importancia

0

0

1

0

0

0

0

0

1

2.778

8

1

1

1

1

1

1

1

8

22.222

1

1

1

0

0

0

0

3

8.333

6

0

0

0

0

0

0

0

9

0

0

0

0

2

5.555

7

1

1

1

7

19.444

2

0

1

5

13.888

4

1

6

16.666

3

4

11.111

5

36

100%

A7

1

A8

1

0

B4

0

0

0

B5

1

0

0

1

C1

1

0

1

1

1

D1

1

0

1

1

1

0

D2

1

0

1

1

1

0

1

D4

1

0

1

1

1

0

0

0

(2.62)

(2.63)

Para tener el cálculo se utilizan dos valores de comparación.

(1). Significa que el requerimiento de comparación es más importante que los demás. (0). Significa que el requerimiento de comparación no es más importante que los demás.

Se procede a realizar la tabla 3.4, en la cual se colocan los requerimientos deseables según el orden de importancia obtenido en la ponderación anterior. Ingeniería en robótica industrial

71


Tabla 3.4 Orden de importancia de los requerimientos deseables.

REQUERIMIENTOS DESEABLES

1

A7. Optimizar los insumos para realizar el galvanizado

8

22.222

2

C1. Fácil instalación

7

19.444

3

D2. Bajo costo de mantenimiento

6

16.666

4

D1. Facilidad de mantenimiento en general

5

13.888

5

D4. Refacciones de bajo costo

4

11.111

6

A8. Buena disipación de calor

3

8.333

7

B5. Interfaz máquina-usuario visual

2

5.555

8

A6.Las unidades de medida estén dadas en Sistema Internacional

1

2.778

9

B4. Que el sistema sea estético

0

0

36

100%

Total

3.4.3 Traducción de los requerimientos a términos mensurables de ingeniería Los requerimientos, se tienen que llevar a un nivel de traducción cuantificable, es decir, todos aquellos requerimientos hechos por el cliente hay que definirlos en términos mensurables de ingeniería, de manera que se asociarán directamente con una unidad de medición, como se muestra en la tabla 3.5; Aquellos que no puedan ser asociados directamente a una unidad de medición, lo harán con un significado explícito, donde se referirá a la actividad que ésta implica. En esta traducción todavía no se ponen cantidades a menos que desde un principio el cliente las haya dado, de lo contrario estas se establecerán en las metas de diseño.


72


Tabla 3.5 Términos mensurables de ingeniería. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

TERMINOS MENSURABLESDE INGENIERÍA

A1.- El espesor del galvanizado no debe variar demasiado.

Tolerancia de recubrimiento sobre la pieza.

A2.- Flexibilidad para cambiar tiempos de inmersión de las piezas en la solución electrolítica dependiendo del acabado que se desea dar.

Ajuste de tiempos en el proceso electrolítico.

A3.- La cantidad de piezas galvanizadas al mes debe ser de aproximadamente 80 toneladas.

Galvanizar 80 ton de piezas al mes.

A4.-Galvanizar piezas metálicas de diferentes formas geométricas y con pequeñas dimensiones.

Volumen máximo de piezas.

A5.- La máquina debe de galvanizar piezas por lotes de liviano peso.

Pesar las piezas a galvanizar

A6.-Las unidades de medida de la máquina estén dadas en el sistema internacional.

Utilizar el sistema internacional de unidades.

A7.- Optimizar los insumos para realizar el galvanizado.

Reducir el consumo de agua, energía eléctrica y el desperdicio de las sustancias químicas utilizadas.

A8.- El calor generado por la máquina y/o el proceso de galvanización sea disipado.

El lugar donde este el sistema debe estar a temperatura ambiente.

B1.- La altura de la máquina debe ser inferior a 4 m.

Altura máxima del sistema de 4m.

B2.- La longitud máxima del sistema deberá ser de 15 m.

Longitud máxima del sistema de 15m.

B3.- El área donde sea ubicada la máquina debe ser de un máximo de 150 m2.

Área total del sistema no mayor a 150 m2.

B4. Que la máquina tenga buen aspecto visual

Que el sistema sea estético

B5.- Interfaz máquina-usuario visual.

La máquina debe tener una interfaz visual.

B6 .Tenga 4 botones de paro distribuidos en la máquina o área de trabajo.

Existan 4 botones de paro en el sistema.

C1.- Fácil instalación.

Sencillo de instalar.

D1.- Facilidad de mantenimiento en general.

Mantenimiento sencillo.

D2.- Que el costo de mantenimiento sea barato

Bajo costo de mantenimiento preventivo.

D3. Refacciones fáciles de conseguir.

Refacciones fáciles de conseguir.

D4.- Refacciones baratas.

Refacciones de bajo costo.

E1. Costo total de la máquina sea menor a $300 000.

El costo total de la máquina inferior al que pide el cliente La máquina debe de cumplir con las normas ambientales.

F1.- El sistema debe apegarse a las normas ambientales.


73


3.4.4 Metas de diseño Una vez establecidos los términos mensurables de ingeniería, se establecen las metas de diseño en donde se establecen cantidades específicas que se pretenden lograr con el diseño. Para el caso de este proyecto se tienen las metas de diseño cuantificables que a continuación se mencionan, aclarando que algunas de las cantidades fueron establecidas por el cliente desde un principio y otras fueron determinadas durante el desarrollo de la metodología. Tolerancia de galvanizado de las piezas de ± 5 micras. Ajuste de tiempos en el proceso electrolítico. Galvanizar un aproximado de 80 ton de piezas al mes. Volumen máximo de piezas de 3000 cm3. Pesar las piezas a galvanizar (lotes de un máximo de 40 Kg). Utilizar el sistema internacional de unidades. Reducir el agua utilizada en un 20%, la energía eléctrica en un 10% y el desperdicio de las substancias usadas en un 5%. Temperatura ambiental en el lugar donde se instalara el sistema, de 25- 35 ° C. Altura máxima del sistema de 4m. Longitud máxima del sistema de 15m. Área total del sistema no mayor a 150 m2. Que el sistema sea estético La máquina debe tener una interfaz con el usuario mediante una pantalla. Existan 4 botones de paro en el sistema. Sencillo de instalar. Mantenimiento sencillo. Costo de mantenimiento preventivo menor a $5000. Que las refacciones se consigan en México. Refacciones de bajo costo. El costo total de la máquina debe ser de un máximo de $300 000. La máquina debe de cumplir con las normas ambientales.

3.4.5 Casa de la calidad La casa de la calidad, se construye tomando los puntos más importantes de cada paso desarrollado del QFD, arrojando como resultado una dirección en busca de la mejora, esto es, la viabilidad del producto en cuanto a diseño y satisfacción hacia el cliente. Este gráfico de la calidad es muy fácil de entender y de relacionar que se pretende conseguir, asimismo permite identificar en qué punto es necesario hacer correcciones y aportar mejoras a la planeación del producto. Esto abre paso de Ingeniería en robótica industrial

74


continuar con la construcción del modelo funcional, analizando cada requerimiento, generando conceptos y evaluando estos con detalle. En la siguiente tabla se muestran el tipo de relaciones que se consideran en la casa de la calidad y la puntuación que reciben dichas relaciones. Tabla 3.6 Valores de relación para la casa de la calidad. CALIFICACIÓN 9 3 1

SIGNIFICADO Excelente relación Mediana relación Mínima relación

0

Nada de relación

Para este caso se utilizó el formato de la casa de la calidad de la asociación latinoamericana de QFD, en donde además existe una parte para que el cliente evalué el diseño que se está desarrollando, en dicha evaluación se pudieron identificar algunos aspectos que nos permitieron mejorar el diseño, puntualizando mayor énfasis en cuanto al espesor de las piezas metálicas a galvanizar y los tiempos de inmersión de estas en la solución electrolítica y sobre el calor disipado por el sistema en algunos pasos del proceso de galvanizado (ver la casa en anexos).

3.4.6 Análisis funcional El análisis funcional detalla todas las funciones que el sistema o la máquina a diseñar deberá realizar para cumplir con la función principal, se desglosa en la función global, funciones primarias, secundarias, terciarias, etc., hasta llegar a los “¿con que?” para dar solución a cada función que se debe realizar para cumplir con el objetivo deseado.

Se tiene como función global galvanizar piezas metálicas de un tamaño máximo de 30 x 10 x 10 cm, entre las funciones primarias que el sistema realizará está depositar, recubrir, secar y almacenar las piezas a galvanizar. Cada una de estas funciones cumple con el propósito del galvanizado. Así como la función primaria cumple con la función global de igual forma se debe de hacer para cada una de las subfunciones que realizara el sistema hasta el punto de llegar al ¿con que se llevara a cabo?, cada una de estas subfunciones.

Para la función de depositar se debe de pesar y contener las piezas.


75

Capítulo 3 Diseño conceptual Para la función recubrir se deben limpiar las piezas con soluciones y ácidos para remover sustancias que estén impregnadas en estas, posteriormente vaciarlas a un contenedor1 (que para este caso se le denotara como contenedor uno o dos para no confundirse dado que en el proceso se hará uso de varios contenedores), preparar el proceso de electrólisis, es decir se le aplicara una corriente para que se lleve a cabo el proceso de electrodeposición, por lo cual hay que controlar el tiempo que tardara el proceso y finalmente hay que colocar al contenedor2 en la zona 3.

Para la función de secar piezas primero se deben vaciar las piezas del contenedor2 al contenedor3 y colocarlo en la zona4 donde se encuentra la secadora (tina centrifuga que quitara los líquidos excedentes de las piezas).

Para concluir con el proceso de galvanizado se colocan las piezas en el almacén, para este caso el contenedor3 se posicionara en la zona 5.

3.4.6.1 Función global de servicio La función global de servicio del sistema en el proceso de diseño, describe el papel a desempeñar del mismo, la cual queda definida de la siguiente manera:


76


Funciones de servicio: Son todas aquellas funciones que serán realizadas por la máquina o el sistema que se va a diseñar para dar solución a la necesidad planteada, y que pueden ser globales o de uso, las funciones para el presente proyecto se muestran en la tabla 3.7. Tabla 3.7 Funciones de servicio.

Función

Tipo de función

Pesar piezas.

Función global

Suministrar piezas (llenar contenedores).

Función global

Limpiar piezas.

Función global

Recubrir piezas.

Función global

Secar piezas.

Función global

Tomar piezas.

Función de uso

Pesar piezas.

Función de uso

Sujetar/soltar contenedor.

Función de uso

Elevar/bajar contenedor.

Función de uso

Desplazar Contenedor Horizontalmente.

Función de uso

Detener contenedor.

Función de uso

Suministrar electrolito.

Función de uso

Colocar cátodo (Zinc).

Función de uso


77


Depositar piezas

Pesar piezas

Elevar

Contener piezas

Desplazar Detener

Colocar contenedor1 en zona 1

Sumergir contenedor1 en soluciones alcalinas

Bajar Soltar

Limpiar piezas

Elevar Desplazar Detener


Sumergir contenedor1 en ácido clorhídrico

Bajar Soltar

Recubrir piezas

Vaciar piezas del contenedor1

Soltar piezas en contenedor2 Sacar piezas contenedor1

Preparar proceso de electrólisis

Alimentar con corriente eléctrica Contabilizar los minutos

Controlar tiempo

Galvanizar piezas metálicas de un máximo de 30 x 10 x 10 cm

Delimitar tiempo de inmersión Comparar tiempos Elevar Desplazar Detener


Sumergir contenedor2 en electrolito

Bajar Soltar

Vaciar piezas del contenedor2

Soltar piezas en contenedor3 Elevar

Secar piezas

Desplazar Colocar contenedor3 en zona 4

Detener Sumergir contenedor3 en tina centrífuga

Bajar Soltar

Elevar Desplazar

Almacenar piezas

Colocar contenedor3 en zona 5 (Almacén)

Detener Bajar

Colocar piezas en el almacén

Soltar


78


3.4.7 Generación y evaluación de conceptos Una vez establecido el análisis funcional se proponen soluciones para resolver cada función, esto mediante una tormenta de ideas y así se generan los conceptos que darán forma al sistema o máquina a diseñar, los conceptos para este proyecto se muestran en la tabla 3.8.

Tabla 3.8Generación de conceptos.

FUNCIONES

A

B

C

D

Suministrar piezas

Cuchara

Dispensador

Electroimán

Banda transportadora

Pesar piezas

Dinamómetro

Bascula electrónica

Por volumen ocupado de piezas

Desplazamiento de volumen de agua

Sujetar/soltar contenedor

Gancho

Spreaders

Twist Lock

Gripper

Elevar/bajar contenedor

Cadenas(Catarinas)

Tornillo Sinfín

Cables (poleas)

Cables (poleas)

Grúa

Desplazar Contenedor Horizontalmente

Cadenas(Catarinas)

Bandas (poleas)

Tornillo Sin fin

Riel

Engranecremallera

Detener contenedor

Rodillo abatible

Sensor capacitivo

Sensor réflex

Determinación por tiempos

Interruptor de límite

Suministrar electrolito

Electroválvula

Bomba

Válvula dosificadora

Secar piezas

Horno eléctrico

Ventilador

Tina centrifuga

Aire Caliente

E

El resultado de ideas generadas es un total de combinaciones correspondientes: (2.64) Evaluación de conceptos: Los conceptos obtenidos se pasan por filtros para descartar los que no sean viables para el diseño y así obtener la solución óptima que resuelva la necesidad planteada, los filtros son de factibilidad, disponibilidad tecnológica, en base a los requerimientos del cliente y a través de matrices de decisión (matriz de Pugh). Ingeniería en robótica industrial

79

Capítulo 3 Diseño conceptual Primer filtro. Evaluación por factibilidad.

FUNCIONES

A

1.-Llenar recipientes.

X

X

-

X

2.-Pesar piezas.

X

-

X

X

3. Sujetar/soltar contenedor

X

X

X

X

4. Elevar/bajar contenedor.

X

X

X

X

X

5. Desplazar contenedor.

X

X

X

X

-

6. Detener contenedor.

X

X

X

X

X

7. Suministrar electrolito.

X

X

X

8. Secar piezas

X

X

X

X

SI

NO

NO

SI

¿FACTIBLE?

B

C

D

E

NO

Soluciones eliminadas: Electroimán, báscula electrónica y engrane-cremallera. El resultado de ideas generadas después del primer filtro queda en un total de combinaciones correspondientes:

(2.65)

Se eliminó electroimán debido a que se trabajará por lotes de piezas, y a través de este concepto sería muy difícil controlar y suministrar las piezas, ya que manejar campos magnéticos implica tener un control sobre la corriente de alimentación del electroimán, pero no sobre la cantidad de piezas a manipular, además de que se consumiría mayor energía eléctrica dentro del sistema. La báscula electrónica se descartó por que no existe una báscula digital para pesar grandes masas (70 Kg), por lo general estas se usan para masas pequeñas, y si existiera sería muy costosa comparada con un sistema analógico para determinar el peso, además de que la precisión en esta parte del proceso no es fundamental. El sistema de engrane-cremallera no paso el filtro debido a que es muy lento al momento de realizar un desplazamiento relativamente largo y el sistema tiene que ser lo suficientemente rápido para desplazarse en ambas direcciones.


80


Segundo filtro. Evaluación por disponibilidad tecnológica.

FUNCIONES

A

B

C

D

E


X

-

-

X

2.-Pesar piezas.

X

-

X

X


X

X

X

X


X

X

X

X

X


X

X

X

X

-


X

X

X

X

X


X

X

X

8. Secar piezas

X

X

X

X

SI

NO

NO

SI

¿DISPONIBILIDAD?

NO

Solución eliminada: Dispensador. El resultado de ideas generadas después del segundo filtro queda en un total de combinaciones correspondientes:

(2.66)

Se eliminó el dispensador porque no existe uno tal que cuente con las características que se requieren de suministrar lotes de piezas, los que existen son neumáticos y suministran pieza por pieza, lo cual no es factible para este caso, además de que su costo es relativamente elevado.


81

Capítulo 3 Diseño conceptual Tercer filtro. Evaluación basada en los requerimientos del cliente.

FUNCIONES

A

B

C

D

E


X

-

-

X

2.-Pesar piezas.

X

-

X

-


X

X

X

X


X

X

X

-

X


X

X

X

X

-


X

X

X

X

X


X

-

X

8. Secar piezas

-

X

X

X

NO

NO

NO

NO

¿VIABLE?

NO

Solución eliminada: Horno eléctrico y bomba.

El resultado de ideas generadas después del tercer filtro queda en un total de combinaciones correspondientes: (2.67)

Se descartó horno eléctrico debido a que el cliente no lo considera una solución aceptable para su proceso por que gasta más energía eléctrica que una tina centrifuga. La Bomba no pasó el filtro porque es demasiado robusta y el control de la exactitud en el suministro de fluidos no existe en este elemento y se tendría que establecer aparte. Sin embargo, la válvula dosificadora ya cuenta con este sistema de exactitud. Los conceptos que cumplen pasan a la siguiente evaluación y los que no, son desechados o bien, mejorados (en este caso se combinaron los conceptos positivos de AB, BC, AC y AD). Cabe mencionar que al combinar los conceptos, por ejemplo AB, se puede tomar cualquiera de las soluciones ya sea la del concepto A o la de B, esto será decidido con base en los criterios de evaluación establecidos. Ingeniería en robótica industrial

82


Cuarto filtro. Evaluación basada en matrices de decisión o matriz de Pugh. En esta última evaluación se comparan los conceptos entre sí, para determinar cuál es el mejor concepto. REQUERIMIENTO DESEABLE

CONCEPTOS CALIFICACION RELATIVA

A7. Optimizar los insumos para realizar el galvanizado.

AB

BC

AC

AD

*

+

+

+

Reducir el consumo de agua, energía eléctrica y el desperdicio de las substancias químicas utilizadas.

*

-

0

+

No requerir varias personas para su instalación.

*

-

-

+

Bajo costo de mantenimiento preventivo.

*

-

-

+

Poco tiempo para realizar el mantenimiento.

*

-

+

+

Refacciones comerciales.

*

0

+

+

El lugar donde este el sistema debe estar a temperatura ambiente.

*

+

+

+

La máquina debe tener una interfaz visual.

*

+

+

+

Utilizar el sistema internacional de unidades.

22.22

C1. Fácil instalación. D2. Bajo costo de mantenimiento. D1. Facilidad de mantenimiento en general.

19.44 16.66

13.88

D4. Refacciones de bajo costo.

CRITERIO DE EVALUACIÓN

11.11 A8. Buena disipación de calor. 8.33 B5. Interfaz máquina-usuario visual. A6.Las unidades de medida estén dadas en Sistema Internacional.

5.55

2.77

∑

+

0

3

5

8

∑ Diferencia

-

0 0

4 -1

2 3

0 8

Peso total

0

-30.5

19.6

100

Mejor concepto (Ranking)

3

4

2

1


83

Capítulo 3 Diseño conceptual Tabla 3.9 Concepto ganador

FUNCIONES 1.-Llenar recipientes. 2.-Pesar piezas. 3. Sujetar/soltar contenedor 4. Elevar/bajar contenedor. 5. Desplazar contenedor. 6. Detener contenedor. 7. Suministrar electrolito. 8. Secar piezas

Concepto ganador AD Banda transportadora. Dinamómetro. Gripper. Cables (poleas). Riel. Determinación por tiempos. Válvula dosificadora. Tina centrifuga.

3.4.8 Concepto ganador Después de realizar los filtros se obtiene un concepto ganador, que en este caso es la combinación de los conceptos AD, al combinar estos dos conceptos se obtuvieron dos soluciones adecuadas, de las cuales se optó por una basándose en el costo y facilidad de construcción.

El diseño del sistema estará conformado por un contenedor dentro del cual se acoplara un dinamómetro para el pesado de las piezas a galvanizar, el suministro de las piezas en las cubetas correspondientes será por medio de una banda transportadora que dirigirá las piezas hacia las cubetas (ver figura 3.1).

Figura 3.1 Tolva, banda transportadora y cubeta (diseño propio). Ingeniería en robótica industrial

84


Después un manipulador montado sobre un riel tomara la cubeta y la desplazara vertical u horizontalmente según los pasos (desengrase, decapado, enjuague) del proceso de galvanizado de piezas metálicas (ver figura 3.2).

Figura 3.2 Manipulador montado sobre un riel (diseño propio).

Para esto el manipulador matricial colocara la cubeta en un mecanismo que la sujetara y girara para colocarla sobre un embudo que dirigirá las piezas hacia el interior de un barril de forma hexagonal (ver figura 3.3).

Figura 3.3 Manipulador para cambiar las piezas a galvanizar de un contenedor a otro (diseño propio).


85

Capítulo 3 Diseño conceptual Una vez concluidos los pasos del pretratamiento se procederá a la inmersión de las piezas en la cuba con el electrolito para el galvanizado (ver figura 3.4).

Figura 3.4 Manipulador montado sobre un riel aéreo que moverá al barril (diseño propio).

El barril será tomado por una especie de gancho montado sobre un riel que lo transportara y sumergirá en la cuba electrolítica (ver figura 3.5).

Figura 3.5 Barril sumergido en la solución electrolítica (diseño propio).


86


Una vez terminado el proceso electrolítico el manipulador tomara el barril, lo elevara y lo transportara a un mecanismo que sujetara el barril y lo girara de tal modo que las piezas caigan en un embudo que las dirigirá nuevamente hacia una cubeta para pasar por los siguientes pasos (enjuague, fluxado, enjuague, secado), en esta etapa final el mecanismo que manipule la cubeta a lo largo del proceso será igual que el primero.

Recordando que serán dos líneas automáticas las necesarias para poder cumplir con la necesidad de galvanizar piezas metálicas con mayor seguridad, calidad y en mayor cantidad. Se establece que el concepto ganador es el mismo para ambas líneas y los elementos necesarios se describen en la tabla 3.10. Tabla 3.10 Elementos necesarios para el concepto ganador. Elemento:

Cantidad:

Cubeta de acero inoxidable.

8

Barril de polímero.

8

Tina de acero inoxidable para pretratamiento y postratamiento.

14

Tina de acero inoxidable para la electrodeposición.

8

Centrifuga.

2

Riel aéreo.

2

Manipuladores para riel.

2

Manipuladores para cambiar de contenedor.

2

Tolva.

1

Banda transportadora.

2

3.5 Sumario En este capítulo se desarrolló la metodología QFD, con el objetivo de obtener un diseño conceptual que cumpla con todos los requerimientos obligatorios del cliente y la mayoría de los deseables. Esta metodología

conlleva

identificar la necesidad del cliente y sus requerimientos. Después, se

clasifican los requerimientos en obligatorios y deseables, luego se procede a la traducción de los requerimientos a términos mensurables de ingeniería a fin de establecer metas de diseño, generar y evaluar conceptos adecuados para resolver la necesidad, esto a través de filtros de factibilidad, disponibilidad tecnológica, las necesidades del cliente y matrices de decisión, culminando con

la

determinación del concepto ganador, el cual debe dar solución a la necesidad planteada desde un principio, en este caso galvanizar piezas metálicas a través de la electrolisis con la calidad y cantidad requerida. Además dicho concepto ganador podrá ser evaluado y de ser necesario mejorado en el diseño a detalle.


87


DISEÑO A DETALLE MECÁNICO

Este capítulo presenta el diseño de ingeniería mecánico. Además, se muestra la selección de los componentes requeridos para el diseño, considerando los requerimientos establecidos por el cliente.


88

Capítulo 4 Diseño mecánico

4.1

Introducción

El diseño mecánico es el primer paso en la etapa de diseño a detalle, porque para poder iniciar la etapa eléctrico-electrónica y de control primero debe de existir algo que controlar; por lo que se realiza el diseño mecánico de la estructura y todos los elementos que conformarán el sistema automatizado para el galvanizado de piezas metálicas obtenido en el diseño conceptual, dándose por hecho que van incluidos todos los requerimientos y características de diseño que el cliente necesita.

Para el diseño del sistema automatizado del proceso de galvanizado se requiere de los subsistemas mostrados en la figura 4.1.

4.2

Subsistemas del proceso automatizado de galvanizado

Módulo de soporte: En esta parte del sistema se analiza toda la parte estructural que se encargará de soportar los elementos necesarios sobre la cual se montará el manipulador utilizado en el proceso, como lo son el riel y la estructura general.

Módulo de transporte: Parte en la que se consideran los elementos que permiten contener y transportar las piezas por las diferentes etapas del proceso, que en este caso son las cubetas (canastas) y los barriles.

Módulo de manejo de material: Este módulo considera la forma de como transportar las piezas, a través del diseño de un manipulador robótico.

Módulo de galvanizado: Es la parte del proceso donde se preparan las piezas (pretratamiento), se galvanizan y se les da un acabado (postratamiento) mediante las tinas de desengrase, enjuague, decapado, neutralizado, electrólisis, enjuague, acabado, enjuague, secado.

Módulo de control: Se realiza el control mediante la selección y programación de un PLC, botones pulsadores, y sensores réflex.


89


Sistema automático para el proceso de galvanizado

Módulo de soporte.

Riel y estructura del manipulador.

Acero estructural.

Módulo de transporte.

Canasta (cubeta), barril.

Acero inoxidable, polímero.

*Módulo de manejo de material.

Manipulador, manual.

Acero estructural.

Módulo de galvanizado.

Módulo de control.

Tina desengrase.

Acero inoxidable.

Tina enjuague.

Acero inoxidable.

Tina decapado.

Acero inoxidable.

Tina neutralización.

Acero inoxidable.

*Cuba electrolítica.

Acero inoxidable.

Tina enjuague.

Acero inoxidable.

Tina acabado.

Acero inoxidable.

Tina enjuague.

Acero inoxidable.

Centrifuga.

Seleccionada.

Sistema eléctrico – electrónico.

Tablero de control

PLC

B.I.

Sensores réflex.

Figura 4.1 Diagrama de bloques para el proceso de galvanizado por electrólisis (diseño propio). *En este paso tiene que haber un cambio en el transporte del material.


90

Capítulo 4 Diseño mecánico Diagrama de proceso: En este diagrama se muestran todos los pasos del proceso de galvanizado a automatizar, en donde se empieza por el suministro de las piezas, posteriormente se realiza un pretratamiento de las mismas para así empezar la electrodeposición (galvanizado) y concluir con un postratamiento y secado, como se observa en la figura 4.2.

Tolva

Llenado de las canastas Enjuague Manipulador Acabado Desengrase Enjuague Enjuague Secado

Decapado

Piezas listas

Neutralización

Electrólisis No Si

Figura 4.2 Diagrama del proceso de galvanizado por electrólisis (diseño propio).


91


4.3 Módulo de soporte En este módulo se realiza el diseño mecánico de la estructura que soportará el sistema, en este caso un riel aéreo, así como la estructura del manipulador, los cuales se determinó que serán de acero estructural. El módulo debe soportar el peso de las canastas, piezas, barril, manipulador y todos los elementos necesarios para el correcto funcionamiento del sistema.

4.3.1 Diseño del manipulador El manipulador cuenta con varias partes que hay que tomar en cuenta, por lo que es necesario hacer un análisis separado de cada pieza. Se comenzará por analizar el extremo o punto final del manipulador, el cual es la placa que levantará o soportará al barril con las piezas.

IPN.ESIME.AZC.

MEMORIA DE CÁLCULOS

UNIDADES: Sistema Internacional

CLIENTE: ESIME AZACAPOTZALCO

ASUNTO:

REALIZÓ: Raúl Jiménez Hernández

Diseño de Manipulador

FECHA:

PRODUCTO: Automatización del proceso de galvanizado RESULTADOS:

Análisis de la placa. De la figura 4.3 se realiza un diagrama de cuerpo libre, para simplificar el análisis:

Figura 4.3 Placa del manipulador.

Figura 4.4 Diagrama de cuerpo libre de la placa que soporta el barril.


92

Capítulo 4 Diseño mecánico Los datos que se tienen son: l = 100mm, F=981N Del diagrama de cuerpo libre de la placa se tiene que el esfuerzo está dado por:

Donde: Esfuerzo a flexión Momento flexionante Módulo de sección Para una viga en voladizo su momento máximo a flexión es:

Figura 4.5 Diagrama de Momento Flector.

Figura 4.6 Diagrama de esfuerzo cortante y momento máximo.


93


Donde: es la fuerza o carga (para este caso 100 kg). Longitud o distancia de la carga (100 mm). Teniendo un momento de:

Para una sección transversal cuadrada su Módulo de sección es:

Donde:

= 100 mm = 25.4 mm

Por lo que el esfuerzo es: Si para un acero AISI 1025 su comparación

permisible, realizando la , se observa que se cumple la condición.

La deflexión máxima generada con una carga de 981 N es:

Donde: es la deflexión máxima. es la carga que se aplica (490.5 N para cada una de las placas). es la longitud a la cual se encuentra la carga (100mm). es el Módulo de elasticidad (210 000 N/mm2). es el momento de inercia.

Para una sección rectangular su momento de inercia es igual a:


94

Capítulo 4 Diseño mecánico Donde:

es la base. es el espesor del elemento. Por lo que se tiene un momento de inercia:

Obteniendo así una deflexión máxima:

Ahora se analizará la fuerza que se aplica a la unión entre la placa y el elemento que eleva al barril. Para esto es necesario calcular la fuerza estática y dinámica de dicho elemento.

Figura 4.7Barril unido a la placa.

La fuerza aplicada estáticamente es igual al peso que soportará al levantar el barril.

Donde: es la masa que se levanta (la masa del barril con carga es de 100 kg) es la gravedad que en este caso es de 9.81 m/s2 Ingeniería en robótica industrial

95


La fuerza dinámica es la generada al realizar del desplazamiento del barril (movimiento horizontal), que está dada por:

Donde: es la fuerza que se produce al tratar de mover un cuerpo que está en reposo es la fuerza producida al desplazar el cuerpo y vencer su momento de inercia de masa es la aceleración con la que se efectúa el desplazamiento que es de 0.16 m/s2 es la distancia a la que se encuentra aplicada la fuerza es el momento que se produce al desplazar al barril y es igual a

es el momento de inercia de masa es la aceleración angular que para este caso es de 0.4 rad/s2 Por lo que

es:

El momento de inercia de masa está dado por:

A su vez el momento de inercia de masa para este tipo de cuerpo es:


96


Figura 4.8 Diagrama para determinar el momento de inercia de masa.

Donde:

es la distancia del centro de masa al punto de giro es la distancia exterior de 30.016 cm es la distancia interna de 27.476 cm es la masa del cuerpo de 70 kg Sustituyendo valores se tiene:

Ahora se obtiene el momento de inercia de masa:

Por lo que el

es:

Conociendo el momento se calcula

Teniendo

y

que es:

se obtiene la fuerza resultante es:

Sumando las dos fuerzas estática y dinámica se obtiene la fuerza total que soportaran los tornillos de unión que es:

(4.23) Ingeniería en robótica industrial

97

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Para el análisis del tornillo, se hará respecto a un tornillo ½” de grado 2 SAE el cual tiene un módulo de elasticidad de E=206.8 GPa y número de hilos por pulgada de n=13

Figura 4.9 Diagrama del tornillo.

La longitud mínima que debe de tener el tornillo es de 38.1 mm. Para roscas estandarizadas L≤125mm.

La longitud de un tornillo esta expresado en función del diámetro de cuerpo dc por lo que: (4.24) La longitud comercial es 1 ¼” La rigidez de la junta está dado por:

(4.25) Donde:

es la longitud de unión de las placas es el diámetro de la cabeza del tornillo que es E módulo de elasticidad es el ángulo generado por el esfuerzo que es de 30° di

t

d


p d t

i

q

d ½”

98


Figura 4.10 Diagrama de las dimensiones del barril.

Sustituyendo los valores tenemos una rigidez de:

Para la carga de prueba:

Donde:

es la resistencia de prueba para un grado 2 SAE es de 55 ksi es el área de esfuerzo que es es el número de hilos por pulgada que es de 13 di

t

d

p q

Para conexiones reutilizables

d ½” que es la precarga es de

Por lo que la precarga máxima será: (4.28) La rigidez del perno es:

Donde:

es la longitud del tornillo que es de 31.75mm. Las demás variables ya fueron mencionadas.


99


El parámetro adimensional es:

Teniendo así un parámetro de:

La carga máxima para la separación es:

Donde: es el factor de seguridad de 2.5

Por lo tanto la carga máxima es:

Ahora la carga máxima que soportará es:

Por lo que si se compara la carga que se obtuvo en

se observa

que la carga o fuerza que se aplica es menor a la carga máxima.


100


4.3.2 Cálculo del tornillo de potencia Para bajar y elevar el barril hexagonal se usa un brazo manipulador, el cual tendrá un tornillo de potencia como efector para realizar el movimiento lineal. La masa es de 100 kg, que es el total del barril y el brazo.

IPN.ESIME.AZC.


UNIDADES: Sistema Inglés


ASUNTO: Cálculo del tornillo de potencia

REALIZÓ: Bahena Gómez Alberto FECHA:


Se utiliza el sistema inglés de unidades debido a que así se encuentra comercialmente.

Para realizar un cálculo más exacto se usa el área al esfuerzo de tensión, que se calcula de la siguiente manera.

Dónde:

= área al esfuerzo de tensión (plg2) = fuerza total a mover (lb) Resistencia a la tensión (PSI) Datos: m= 100kg F = 220.4 lb = 10000 PSI

De la tabla siguiente se selecciona un tornillo de cuerda Acme de ¼ pulgada de diámetro, 16 roscas por pulgada y su


= 0.02632

.

101

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Tabla 4.1 Selección de tornillo cuerda Acme. Diámetros preferidos para roscas Acme Roscas por pulgada (n)

Paso p=1/n (plg)

¼

16

0.0625

0.1618

0.2043

0.02632

0.3355

5/16

14

0.0714

0.2140

0.2614

0.04438

0.4344

3/8 7/16

12 12

0.0833 0.0833

0.2632 0.3253

0.3161 0.3783

0.06589 0.09720

0.5276 0.6396

½

10

0.1000

0.3594

0.4306

0.1225

0.7278

5/8

8

0.1250

0.4570

0.5408

0.1955

0.9180

¾

6

0.1667

0.5371

0.6424

0.2732

1.084

7/8

6

0.1667

0.6615

0.7663

0.4003

1.313

1

5

0.2000

0.7509

0.8726

0.5175

1.493

1 1/8

5

0.2000

0.8753

0.9967

0.6881

1.722

1¼

5

0.2000

0.9998

1.1210

0.8831

1.952

1 3/8

4

0.2500

1.0719

1.2188

1.030

2.110

1½

4

0.2500

1.1965

1.3429

1.266

2.341

1¾

4

0.2500

1.4456

1.5916

1.811

2.803

2

4

0.2500

1.6948

1.8402

2.454

3.262

2¼

3

0.3333

1.8572

2.0450

2.982

3.610

2½

3

0.3333

2.1065

2.2939

3.802

4.075

2¾

3

0.3333

2.3558

2.5427

4.711

4.538

3

2

0.5000

2.4326

2.7044

5.181

4.757

3½

2

0.5000

2.9314

3.2026

7.388

5.700

4

2

0.5000

3.4302

3.7008

9.985

6.640

4½

2

0.5000

3.9291

4.1991

12.972

7.577

5

2

0.5000

4.4281

4.6973

16.351

8.511

Diámetro mayor nominal, D(plg)

Diámetro menor mínimo

Diámetro mínimo de paso

Área al esfuerzo de tensión

Área al esfuerzo cortante

Se calcula el ángulo de avance:

Dónde:

= paso Roscas por pulgada Datos

16

p Ingeniería en robótica industrial

102


4.3.3 Cálculo de la guía del tornillo de potencia La guía del tornillo sinfín será un cilindro hueco, donde la longitud es de 70 cm y tiene un diámetro externo de 3 pulgadas. Se necesita determinar cuál es el espesor mínimo que se necesita para que no se genere una flexión excesiva. IPN.ESIME.AZC.




ASUNTO: Cálculo de la guía del tornillo sinfín

REALIZÓ: Jiménez Hernández Raúl FECHA:


Para el esfuerzo máximo por flexión es:

Donde:

es el diámetro exterior es el diámetro interno es el momento que se genera El momento es:

Figura 4.11 Diagrama de cuerpo libre de la guía del tornillo de potencia.

La fuerza aplicada que se obtuvo es igual a

y la distancia es de

0.7 m, teniendo un momento:


103


Despejando

y sustituyendo los valores, para un esfuerzo de 440 GPa de un

acero AISI 1025 se obtiene:

Por lo que el espesor mínimo debe ser:

Se utilizará un espesor de 9mm.

4.3.4 Cálculo del riel IPN.ESIME.AZC. UNIDADES: Sistema Internacional REALIZÓ: Jiménez Hernández Raúl



ASUNTO:

Cálculo de la viga que soporta al manipulador

FECHA:


El riel se comporta como una viga que estará doblemente apoyada en cada uno de los extremos por lo que tendrá que soportar un peso máximo de 120 kg del manipulador observando las gráficas generados por esta carga es:


104


Figura 4.12 Momentos flexionantes y esfuerzos cortantes de la viga.

Para la viga de sección transversal uniforme las reacciones generados en los apoyos A y B está dado por:

Donde

es la carga total aplicada a la viga que es la suma de P1 y la P viga

Por lo que la reacción en A es:


105

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 La deflexión máxima generada por esta carga es:

Donde:

es la longitud de la viga es el módulo de elasticidad que es de 200 GPa es el momento de inercia que es de 5082 cm4 W es la carga uniformemente distribuida 37.8 kg/m por la distancia de la viga de 6 m Por lo que la deformación generada con una carga de 1177.2 N es:

4.3.5 Cálculo del torque para el desplazamiento sobre el riel IPN.ESIME.AZC.


UNIDADES: Sistema Internacional REALIZÓ: Jiménez Hernández Raúl


ASUNTO:

Cálculo del torque para el desplazamiento sobre

FECHA:


el riel


106


Torque del motor para el desplazamiento sobre el riel Para determinar el torque del motor se tiene que analizar la rueda que dará movimiento. Realizando el diagrama de cuerpo libre

Figura 4.13 DCL de la llanta.

Para el movimiento de traslación, la ecuación está dada por:

Para el movimiento de rotación, la ecuación está dada por: ∗ Su momento de inercia es:

Para determinar la fuerza de fricción se analiza el peso que soporta cada llanta, se sabe que hay dos llantas de cada lado (figura 4.14).

Figura 4.14 Distribución de las llantas.

Para determinar la reacción en las llantas se realizara un diagrama de cuerpo libre:


107


Figura 4.15 DCL.

Realizando sumatoria de fuerzas en el plano “y” se tiene:

Realizando suma de momentos se tiene:

Despejando

de la sumatoria de momentos se tiene:

Despejando

de la sumatoria de fuerzas y sustituyendo

se tiene:

Para el análisis de la rueda se tiene que ésta sufre una deformación en la parte de contacto con el riel figura 4.16.


108


Figura 4.16 Análisis de la rueda.

Para el momento de rodadura:

Para el momento aplicado

El coeficiente de resistencia a la rodadura esta dado por

El coeficiente de rodadura para este caso es de 0.005

En las condiciones críticas cuando comienza la rodadura, el momento aplicado será mayor que el de rodadura.

Sustituyendo las ecuaciones de momento aplicado y momento de rodadura se tiene:

N es la normal al plano que es: N = mg.

Realizando sumatoria de fuerzas, se tiene que


109


Sustituyendo el valor

en la ecuación del movimiento de traslación se

obtiene:

Para el torque se obtiene:

Obteniendo la aceleración angular de la ecuación de rotación:

La velocidad angular para un tiempo de medio segundo es: t

d


d

110


4.4 Módulo de transporte En este módulo se realiza el diseño de la canasta (cubeta) y el barril, los cuales permiten contener las piezas durante el proceso de galvanizado. El material de la canasta será acero inoxidable, mientras que el del barril será un polímero, debido a que este será el que se sumergirá en el proceso electrolítico en el cual es necesario tener un material que no se esté galvanizando al igual que las piezas. En las figuras 4.17 y 4.18 se observa los contenedores diseñados especialmente para que se acople de mejor manera al manipulador, que irá cambiándolo de módulo según correspondan los pasos a seguir en el proceso de galvanizado. Los contenedores tienen un mango con forma de esfera para evitar esfuerzos excesivos en la base y punto de apoyo del manipulador, permitiendo así absorber gran parte de dichos esfuerzos, además de minimizar los balanceos en los cambios de módulos, también cuenta con barrenos en su periferia para permitir el ingreso y el desalojo de las sustancias involucradas en el proceso.

Figura 4.17 Canasta.

Figura 4.18 Barril. Ingeniería en robótica industrial

111


4.5 Módulo de manejo de material En este módulo se realiza el diseño mecánico del manipulador encargado de cambiar las piezas contenidas en una canasta a un barril, para que se efectúe el proceso de electrólisis. De igual forma la estructura de este manipulador será de acero estructural.

4.5.1 Diseño de mecanismo para vaciar piezas metálicas Para comenzar el proceso de galvanizado, las piezas contenidas en la cubeta, se tienen que vaciar en un contenedor de forma hexagonal. Por lo cual, se diseñará un mecanismo que sujetará la cubeta y posteriormente girará para vaciar las piezas hacia un embudo que las dirigirá hacia el contenedor hexagonal. Para el diseño del mecanismo se toma en cuenta que es un tipo de efector final, ya que éste tiene la función de sostener y de girar. Por lo tanto, el tipo adecuado de efector final para realizar la tarea de sujeción es el de tipo pinza. IPN.ESIME.AZC.




ASUNTO: Diseño de mecanismo para vaciar piezas metálicas

REALIZÓ: Bahena Gómez Alberto FECHA:


La forma de los dedos de la pinza es cilíndrica y cubren casi en su totalidad a la canasta para asegurar mayor agarre y la unión entre estas dos partes es del tipo bisagra. Usa un mecanismo como el de la figura 4.19.

Figura 4.19 Mecanismo para vaciar piezas metálicas dentro del contenedor hexagonal.


112

Capítulo 4 Diseño mecánico Cálculo de la fuerza que necesita aplicar la pinza a la cubeta (4.57) Donde:

Coeficiente de rozamiento de la superficie de contacto de los dedos contra la superficie del objeto. Número de dedos en contacto Fuerza de la pinza Peso de la pieza sujetada por la pinza Datos: 0.15 2 (46 Kg)(9.81 m/s2) = 451.26 N

Fuerza de la pinza (4.58)

Una vez obtenida la fuerza necesaria que ejerce la pinza sobre la canasta (Fg), se necesita saber la fuerza de actuación (Fa) que se requiere para producir la fuerza de la pinza.

Figura 4.20 Mecanismo para sujetar cubeta.

Aprovechando la simetría que existe en la pinza, se considera sólo la mitad del mecanismo.


113


Figura 4.21 Mitad del mecanismo para sujetar cubeta.

Se representan las fuerzas que actúan sobre la barra A, que está en contacto con la cubeta y se realiza la sumatoria de momentos sobre el punto O para encontrar F. Las dimensiones de las barras del mecanismo son proporcionadas de acuerdo a las dimensiones de la canasta.

Figura 4.22 DCL Barra A.

i

Ya que se tiene la fuerza ejercida por la barra B sobre la barra A, se procede a encontrar la fuerza de actuación Fa aplicada a esta barra. La barra B es impulsada por una barra C, que es en donde se aplica la fuerza de impulsión Fa. Ingeniería en robótica industrial

114


Figura 4.23 DCL Barra C.

Se realiza una sumatoria de fuerzas en x para encontrar Fa.

(4.62)

(4.63) Para producir esa cantidad de fuerza, se utiliza un pistón hidráulico, por lo cual se calculará para encontrar el diámetro del vástago. Cálculo del pistón hidráulico Datos

Coeficiente del rozamiento de rodamientos, juntas y partes móviles del cilindro = 0.9 Factor de carga = 70 % (para una velocidad de 1 a 100 mm/s) P = 10 MPa Carga= 7459.942 N FS= 10657 N

=

=

/ = 10657 N

∗


115


Fuerza de extensión

Se propone un diámetro de vástago = 28 mm Fuerza de retracción

D=

=

= 47.871 mm

(4.58)

Finalmente se tiene un pistón con los siguientes diámetros:

Comercial=

50 mm

Vástago = 28

mm

Comercial=

50 mm

Vástago = 28

mm

4.6 Módulo de galvanizado En este módulo se encuentran las cubas o tinas para el proceso de galvanizado. Serán 13 tinas, cada tina cumplirá con un paso distinto a lo largo del proceso, la primera será para el desengrase, la segunda para un enjuague, la tercera para el decapado, la cuarta para el neutralizado, las siguientes seis para el proceso de electrolisis, la once para un enjuague, la doce para el acabado, la trece para el enjuague final, y por último una centrifuga. Estas tinas tienen que soportar los ácidos utilizados en el proceso (NaCN, NaOH, ZnO, etc.). El material seleccionado para la construcción de las tinas es acero inoxidable, por su resistencia a la corrosión y por su buen desempeño en altas temperaturas.


116


4.6.1 Cálculo del torque necesario para dar movimiento al barril Se realizó el diseño del barril que será introducido en la solución electrolítica, porque esta es la parte más crítica del proyecto debido a que es donde se lleva a cabo el galvanizado de las piezas. Es necesario dar movimiento a las piezas dentro del barril para que el recubrimiento de estas sea lo más uniforme posible, dicho movimiento debe ser lo suficientemente lento para que no se maltrate el recubrimiento y por supuesto tampoco las piezas. Por lo cual, primero hay que determinar cuál será el torque necesario que debe suministrar un motor para hacer que el barril se mueva dentro del electrolito como es requerido. Se utilizará un barril de forma hexagonal hecho de algún polímero para que al estar en el proceso electrolítico este no se recubra también como lo harán las piezas. Además el barril tendrá varios barrenos que permitirán que el electrolito se escurra una vez que se tenga a esté fuera de la cuba.

IPN.ESIME.AZC. UNIDADES: Sistema Internacional

MEMORIA DE CÁLCULOS ASUNTO:

Cálculo del torque necesario para dar REALIZÓ: Hernández Lara Derlis


movimiento al barril

FECHA:


Figura 4.24 Diagrama de cuerpo libre (DCL) del barril.


117


Primero habrá que obtener la fuerza que el fluido (el electrolito) ejerce sobre las paredes del barril, que para este caso son tres, F1, F2, Y F3, porque sólo estará sumergida la mitad del barril. Ff es la fuerza de fricción que se opone al movimiento, la cual está dada por la viscosidad del electrolito y F2, para este análisis se determinará la fuerza mínima necesaria para romper esa fuerza de fricción e iniciar el movimiento. En el DCL se observa que las componentes en Y de F1 y F3 se eliminan, por lo que la fuerza más critica a considerar es F2, la cual será obtenida para el cálculo correspondiente.

Aplicando la ecuación para calcular la fuerza que un fluido ejerce sobre la pared de un cuerpo: (4.77) Donde: = Peso especifico del fluido. =Área de la superficie en contacto con el fluido. =Profundidad del centro de gravedad.

Para el cálculo del peso específico del fluido: Como el fluido es un electrolito, el cual está compuesto de cianuro de sodio (NaCN) y cloruro de zinc (ZnCl2), la densidad total del fluido será la suma de las densidades parciales.

Figura 4.25 Volumen del fluido.


118


El volumen total del fluido es: (4.78) Se sabe que: Del 100% del volumen el 75% será NaCN y el 25% ZnCl2 Por cada 750ml de agua (H2O), se diluyen 120gr de NaCN Por cada 250ml de agua (H2O), se diluyen 20gr de ZnCl2, por lo tanto: (0.63m3)(75%)=0.4725m3=472.5L (0.63m3)(25%)=0.1575m3=157.5L

Realizando una regla de tres se obtiene las masas de las sustancias:

(4.79)

∗

∗

(4.80)

Si:

Donde: =Densidad. Masa. =Volumen.


119


Sabiendo que: (4.85)

Donde:

=Peso especifico. =Peso. =Volumen. =Masa. =gravedad. Se obtiene el peso específico total del fluido para este caso:

(4.86)

Para el cálculo del área total de contacto:

Figura 4.26 Barrenos en el barril.

Diámetro del barreno=10mm (son 351 barrenos). ∗

(4.87)

(4.88)


120

Capítulo 4 Diseño mecánico (4.89)

La altura del fluido respecto al centro de gravedad de la cara en donde se ejerce F2 es de 0.26m como se observa en el DCL. Si se sabe que

, entonces:

Sustituyendo los valores encontrados en la ecuación, obtenemos F2: (4.90)

Una vez obtenida F2, se procede a:

Realizando una suma de momentos con respecto al punto medio del barril en base al DCL de la figura 4.22: (4.91) Usando la ecuación de Newton para fluidos se tiene que: (4.92)

Si:

Si

Pa s, y l= 0.34m, se sustituyen valores en la

ecuación 4.16: (4.95)

Despejando el torque T de la suma de momentos se tiene que: = 158.25N

= (4.96) 158.25N

Si (4.97)


121


Ahora obteniendo el torque de acuerdo a la forma geométrica del barril y sumándolo con el obtenido debido al empuje del electrolito sobre el barril, se determinará el torque necesario para mover al barril.

Para calcular el torque respecto a la forma geométrica del barril se tiene un prisma hexagonal, largo y rígido, con una masa “m” que está uniformemente distribuida. El lado del hexágono es “a”.


El momento de inercia del prisma hexagonal respecto del eje que pasa por el centro de las bases es

. El momento de inercia respecto de un eje

paralelo al anterior que pasa por la arista del prisma es

.

Pasos a seguir para el cálculo: 1.- Cálculo de volumen (en el caso de no tener la masa de los elementos). 2.- Cálculo de la masa mediante el despeje en la fórmula 3.- Cálculo de momento de inercia (depende del eje de giro y de la forma geométrica del elemento). 4.- Cálculo del torque. 5.- Selección de motor. Datos: Masa total = 100 Kg = 0.30 m Ingeniería en robótica industrial

122

Capítulo 4 Diseño mecánico = 1.05 m = 0.23382 = 1.7117 (4.98)

Si se sabe qué

y se propone que

= 0.733 rad/s se tiene

lo siguiente: 0.733 rad/s = 0 rad/s + α (1s) α = 0.733 rad /s2

α = 0.733 rad /s2

El torque del contenedor, que depende de la forma geométrica es:

(4.102)

A ese torque se le suma el torque que necesita vencer cuando el contenedor está sumergido a la mitad en el fluido (electrolito):

T=

1+ 2=

+ 47.48 Nm = 50.22 Nm T=

50.22 Nm

4.6.2 Cálculo de la transmisión por cadena para dar movimiento al barril Se determinó que el movimiento que se le tiene que proporcionar al barril para que el recubrimiento de las piezas sea uniforme, sea mediante una transmisión combinada de cadena-engranes, porque es la forma más exacta y sencilla para controlar una velocidad relativamente baja, además de que su precio no es muy elevado. Se necesita que el sistema sea lento, que el barril hexagonal de 8 vueltas por minuto, debido que según lo visto en el proceso real en 8 segundos el barril da una vuelta.


123

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 IPN.ESIME.AZC.




ASUNTO:

Cálculo de la transmisión por cadena para dar REALIZÓ: Hernández Lara Derlis


FECHA:


Se propone en base al moto-reductor seleccionado: Datos: PT=0.5 HP

1.- Se obtiene la potencia de diseño: ∗

Para choque ligero y motor eléctrico SF= 1.0 ∗

∗

2.- Relación de velocidad: (4.110)

3.- Seleccionar una cadena: Para las tablas ver anexos. Se selecciona una cadena estándar de tramo único con rodamientos, # 40 P=0.5” Lubricación tipo 1 (manual o por goteo). , N1=17


N1=17

124

Capítulo 4 Diseño mecánico 4.- Se calcula el número de dientes de la Catarina grande: ∗

∗

(4.111)

5.-Se calcula la velocidad de salida de la transmisión:

(4.112)

(4.113) 6.-Se calculan los diámetros de paso de las catarinas: i

i

i

i

7.-Se calcula la distancia entre centros: La nominal es de entre 30 y 50 pasos Se propone: C=40 pasos

8.-Se calcula la longitud de la cadena:

(4.116)

(4.117)

L=106 pasos=(106)0.5”=53”


125


9.-Se calcula la distancia entre centros corregida:

(4.118)

(4.119)

C= 40.15 (0.5”)=20.08” i

i

Resumen de diseño:

Figura 4.28 Diseño obtenido.


126


4.6.3 Cálculo de la transmisión de engranes para dar movimiento al barril IPN.ESIME.AZC.




ASUNTO:

Cálculo de la transmisión de engranes para dar REALIZÓ: Hernández Lara Derlis


FECHA:


Método geométrico. Se necesita que el sistema sea lento, que el barril hexagonal de 8 vueltas por minuto, debido que según lo visto en el proceso real en 8 segundos el barril da una vuelta.

Se propone en base al moto-reductor seleccionado: Relación de velocidad (RV)= 1.14. Para RV sería entonces 1.14:1, debido a que: RV= 1.14

Entonces si

2=7 RPM y

RPM de allí se obtienen los radios de

paso de los engranes.

Datos:

paso diametral)= 1 diente por pulgada. Angulo de presión ( =20° Se propone para el piñón: # Dientes (

, entonces para el engrane seria

diámetros de paso están en la misma

por que los

.

18(1.14)

(4.123)

Se aproxima a


127


Sabiendo que:

Distancia entre centros: (4.127)

Circunferencia de base: (4.128)

(4.129)

(4.130)

Para el trazo de la envolvente: it d d

t d

(4.131)

Para dientes estándar:

Circunferencia “

(4.132)

Circunferencia de raíz “

(4.133) (4.40)


128


IPN.ESIME.AZC.




ASUNTO:

Cálculo de la transmisión de engranes para dar REALIZÓ: Hernández Lara Derlis

movimiento al barril. “Análisis por resistencia”

FECHA:


Análisis de los dientes del engrane por resistencia.

Usando la ecuación de Lewis para saber si el diseño del engrane es el correcto con los valores de paso diametral (Pd) de 1 diente/pulgada con un esfuerzo permisible (para el material nylamid combinado con fibra de vidrio) de s = 12000 psi, un factor de forma de y = 0.104 (para N = 22 dientes de profundidad total y forma de envolvente a 20°), la constante k=4 y F = 2Mt/D, se obtiene:

Mt= Mt =

lb pulg.

Mt =

/8.85=

Nm

Nm

Para los valores utilizados ver tablas en anexos.


129


4.6.4 Cálculo del eje para el barril hexagonal Dentro del proceso de recubrimiento, cuando el barril está dentro de la tina electrolítica, tiene que haber un eje que atraviese al barril, teniendo en cuenta que este eje no va a cargar nada, solo servirá de conductor eléctrico, para así poder realizar el proceso de electrólisis.

Se consideró el latón como material debido a que el eje debe de ser buen conductor de corriente eléctrica, porque por medio de este se energizarán las piezas para que pueda darse el proceso de electrólisis, y el latón elegido tiene un 60% de conductividad de corriente eléctrica por ser una aleación de cobre-zinc.

IPN.ESIME.AZC.




ASUNTO:

REALIZÓ: Jiménez Hernández Raúl

Cálculo del eje para el barril hexagonal

FECHA:


Se requiere calcular el diámetro mínimo del eje que soportará la carga de un barril hexagonal con piezas a galvanizar, cuyo peso total aproximado es de 100kg.

Realizando el DCL del barril con una carga de 100 kg/m uniformemente distribuida, se tiene:

Figura 4.29 DCL del barril.

Nota: Se transformaron los 100 kg/m a Newton/m.


130

Capítulo 4 Diseño mecánico Realizando las sumatoria de fuerzas sobre el eje Y

Si RA = RB por lo tanto:

Para encontrar el diámetro mínimo de un eje de latón C-36000 requerido para soportar una carga de 100 Kg/m, se tienen los siguientes datos.

Figura 4.30 Análisis del eje.

Datos: (4.138) Sabiendo que

, El esfuerzo cortante es igual a:

Sabiendo que:

Despejando el área se tiene:

Si

por lo tanto:

Diámetro mínimo requerido para el eje de latón:


131


4.7 Sumario Se realizó el diseño a detalle de los elementos mecánicos, en el cual se mejoraron y rediseñaron algunos parámetros obtenidos en el diseño conceptual debido a las limitaciones físicas, mecánicas y económicas que involucra el proyecto.

En el diseño del efector final del manipulador se aseguró que no existieran esfuerzos excesivos en la base del manipulador en el momento de cargar las piezas y realizar un desplazamiento. La esfera ubicada en la parte superior de los contenedores y la cavidad situada en el efector final del manipulador, evitan que la inercia del contenedor se transmita a la base del brazo para absorber los esfuerzos. En el tornillo de potencia se aseguró que el diámetro cumpliera con las características necesarias para poder elevar la carga propuesta, sin que sobrepase las características mecánicas del tornillo.

Se cambiaron algunos elementos obtenidos en el diseño conceptual por otros que cumplen mejor con las características requeridas, por ejemplo, se omitió el pesado de las piezas, debido a que su implementación resulta muy costosa y compleja, quedando el suministro y pesado de estas de forma manual. Otro aspecto que cambio, fue el hecho de que existieran dos manipuladores, uno para la parte del pretratamiento y otro para el proceso electrolítico, quedando como solución final sólo un manipulador montado sobre un riel aéreo que se encargará de todo el proceso, recordando que serán dos líneas automáticas en paralelo para realizar el galvanizado por electrólisis.


132


DISEÑO A DETALLE ELÉCTRICO-ELECTRÓNICO

Este capítulo presenta el diseño de ingeniería eléctrico-electrónico y de control. Además, se muestra

la

selección

de

los

componentes

requeridos para el diseño, considerando los requerimientos establecidos por el cliente.


133

Capítulo 5 Diseño eléctrico-electrónico

5.1 Introducción Una vez determinado el diseño mecánico, la siguiente etapa es el diseño a detalle eléctricoelectrónico para poder controlar dicha parte mecánica. Por lo que se realiza la programación y selección de todos los elementos que conformarán el sistema automatizado para el galvanizado de piezas metálicas incluyendo todos los requerimientos y características de diseño que el cliente necesita.

Para el diseño del sistema automatizado del proceso de galvanizado se requiere de los subsistemas mostrados en la figura 4.1 del capítulo anterior.

5.2 Módulo de control Se realiza el control mediante la selección y programación de un PLC, botones pulsadores, y sensores réflex, además de la selección de los motores eléctricos y el cálculo de otros parámetros necesarios. Para el control del proceso se tienen los siguientes sistemas:

5.3 Sistema electrónico Para el sistema electrónico se cuenta con un PLC que es un dispositivo electrónico muy usado en la automatización industrial. Para este proyecto se necesita un PLC que controle las secuencias de movimientos realizada por los actuadores del manipulador, que se encargará de ir realizando paso a paso el proceso de galvanizado electrolítico. Las señales para el posicionamiento del manipulador serán enviadas o detectadas por sensores réflex.

Botones pulsadores: se utilizará un pulsador normalmente abierto para dar inicio al proceso automático de galvanizado, éste se colocará en el tablero de control junto con los paros de emergencia que serán pulsadores normalmente cerrados.

Sensores réflex: se utilizarán sensores réflex para controlar las posiciones del manipulador. Estos determinan los puntos en que debe parar el manipulador para realizar los distintos pasos del proceso.


134


5.3.1 Selección de PLC, Sensores, Contactores y Botones pulsadores Selección del PLC: Para la selección del PLC se necesitan considerar las entradas y salidas necesarias para la aplicación, así como el número de temporizadores que puede permitir éste y el máximo de memoria para el programa.

Para el control del proceso consta de un total de 28 entradas digitales, 4 salidas digitales y 7 temporizadores para cada línea de automática de galvanizado. Por lo cual esto se toma en cuenta para selección de esté, dando como resultado el siguiente dispositivo:

Micrologix 1100 Allen Bradley, con 32 entradas digitales, 12 salidas a relevador, 120 V CA de salida a 9.1 W, temperatura de operación entre 0 a 55°C, 737 palabras de instrucción, 40 temporizadores, 32 contactores y puerto de comunicación serial RS-232-C. Más especificaciones en el Anexo 3.

Figura 5.2 PLC Micrologix 1000 Allen Bradley.

Selección de los sensores a utilizar en el proceso automático de galvanizado: Se necesitan 56 sensores para detectar las posiciones de los manipuladores a lo largo del proceso, estos deben ser de tipo PNP, debido a que el PLC seleccionado es de esta configuración, los sensores se deben alimentar de 12-24 V C.D., además de ser pequeños y de fácil instalación sobre el riel y al interior del manipulador, no los afecta la temperatura a la que estarán expuestos.

Se seleccionaron sensores fotoeléctricos compactos marca BANNER, modelo S18CC con las siguientes características (especificaciones en el Anexo 3):


135

Capítulo 5 Diseño eléctrico-electrónico Ópticas y sistemas electrónicos estilo EZ-BEAM especialmente diseñados para una detección confiable sin ajustes. 10 a 30 V de CD con salidas PNP. Sensor de barril roscado de plástico de 18 mm. Disponible en modos de detección opuesta, retrorreflectivo polarizado y no polarizado, difuso y de campo fijo. Indicador marginal de ganancia con salida de alarma. Indicador multifunción de dos LED para monitorear el rendimiento del sensor.

Figura 5.1 Sensor modelo S18CC BANNER.

Selección de contactores: Se necesita de 8 contactores para la etapa de potencia de los motores dos por cada motor debido a que se necesita un auxiliar para la inversión de giro de estos, deben de tener una bobina de accionamiento a 120 V debido que ese es el voltaje de salida del PLC y soportar un voltaje de paso de 220 o 440 V y una corriente mínima de 1.9 A.

Dando como resultado los contactores tripolares serie A operados en C.A. de la marca TECNOJAR con las siguientes características: bobina de accionamiento de 110 a 127 V C.A., Potencia máxima a transmitir en Hp a 220V es de 3 Hp, corriente nominal a 220V 25 A, con el siguiente código de elemento 1SBL141001R2610 Tipo A9-30-10.

Figura 5.3 Contactor tripolar TECNOJAR. Ingeniería en robótica industrial

136

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Selección de botones: Se necesitan 4 botones pulsadores, 6 botones pulsadores de paro y un selector para seleccionar el modo de operación y serán de las siguientes características: 6 botones de paro de emergencia serán de tipo hongo color rojo y con leyenda “paro de emergencia”. La selectora será de dos posiciones. 4 botones para el modo manual y 1 para el arranque automático. 3 contactos normalmente cerrados de contacto momentáneo. 5 contactos normalmente abiertos de contacto momentáneo.

Los 10 pulsadores serán de la marca Siemens modelo 3SA1 con voltajes de operación de hasta 500V C.A y 10A, fijados sobre una placa siendo cinco de ellos normalmente abiertos con un botón de contacto momentáneo y tres normalmente cerrados con botón tipo Hongo de contacto momentáneo.

Elemento de conexión Tipo 3SA10 10, Catalogo 3000 4887, cinco normalmente abiertos y tres normalmente cerrados. Elemento de accionamiento Tipo 3SA11 00, Catalogo 3000 4888, dos elementos color negro. Elemento de accionamiento Tipo 3SA11 04, Catalogo 3000 4890, dos elementos color verde. Elemento de accionamiento Tipo 3SA11 01, Catalogo 3000 4889, tres elementos color rojo tipo hongo.

Figura 5.4 Elemento de accionamiento y contacto NA Siemens.


137


5.4 Sistema eléctrico Para ésta parte se necesitan motores, con los cuales transmitir el movimiento al tornillo de potencia, el manipulador sobre el riel y al barril. Es indispensable conocer torques, potencia y velocidades idóneas para los movimientos a realizar, y así poder hacer la elección adecuada de los motores.

5.4.1 Cálculo para la selección de motores IPN.ESIME.AZC.


UNIDADES: Sistema Internacional REALIZÓ: Bahena Gómez Alberto


ASUNTO: Cálculos del torque, potencia y velocidad del motor que moverá al tornillo de potencia.

FECHA:


Cálculo del par torsional necesario para subir la carga: (4.40)

Dónde:

Ángulo de rosca de los tornillos de rosca Acme = coeficiente de fricción Datos: = 14.5

t

(4.41) t

Para la Eficiencia del tornillo:


138


Par torsional para bajar la carga:

t t

Para calcular la potencia necesaria para impulsar el tornillo, se necesitan los datos de la distancia que va a recorrer y el tiempo en que lo va a hacer, o de lo contrario, saber qué velocidad lineal tendrá el tornillo.

Dónde:

= potencia necesaria para impulsar el tornillo Acme (HP) = par torsional para subir la carga (lb*plg) = velocidad de giro (RPM) Datos:

Entonces, la potencia es:

(4.47)


139

Capítulo 5 Diseño eléctrico-electrónico IPN.ESIME.AZC.




ASUNTO:

Cálculos del torque, potencia y velocidad del REALIZÓ: Bahena Gómez Alberto

motor que moverá al mecanismo para vaciar piezas metálicas.

FECHA:


Para impulsar el mecanismo se usa un motor que da el torque necesario para girarlo o rotarlo desde su orientación inicial hasta un giro de 135 grados para garantizar que se vacíen todas las piezas metálicas en el contenedor hexagonal.

Figura 5.5 Mecanismo usado para girar cubeta.

Para determinar el torque necesario para hacer girar la cubeta, se requiere conocer el momento de inercia de la cubeta y la aceleración angular que tiene ésta.

Figura 5.6 Torque para girar cubeta.


140


(4.70)

(4.71) (4.72)

El giro tiene que ser lento para que las piezas vayan cayendo poco a poco sobre el embudo. Por lo cual, con una velocidad angular W de 10 RPM las piezas caerán a un ritmo lento y poco a poco.

(4.73) 0.733 rad/s = 0 rad/s + α (1s) α = 1.04 rad /s2

(4.74) α = 1.04 rad /s2 (4.75)

El torque del que se necesita dar a la cubeta es:

(4.76)


141


IPN.ESIME.AZC.


UNIDADES: Sistema Internacional e ingles


ASUNTO:

Selección del motor para dar movimiento al REALIZÓ: Hernández Lara Derlis

barril.

FECHA:


Para elegir el motor, se necesita que las unidades del torque estén en el sistema inglés debido a que el manual se encuentra en ese sistema, si se sabe que: 1 Nm = 8.85 lb• in

Entonces: = 444.51 lb• in P= •W

(4.104) = 444.51 lb• in (4.105)

(4.106)

(4.107)

En el catálogo se escoge un motor de 0.5 HP, a una velocidad de salida de 16 RPM y un torque de 1230 lb• in (ver anexos).


142


5.5 Corriente eléctrica necesaria para la electrodeposición IPN.ESIME.AZC.




ASUNTO:

Corriente eléctrica necesaria para la REALIZÓ: Hernández Lara Derlis

electrodeposición.

FECHA:


Para determinar la cantidad de corriente a utilizar para llevar a cabo la electrodeposición usaremos la ecuación deducida de la primera ley de Faraday:

Despejando a

y realizando la integral, evaluando

con los tiempos de

galvanizado que son de 15 0 20 minutos, se obtiene:

Donde: espesor de 10x10-6 m masa atómica del metal depositado de 65.37 g/mol valencia del metal depositar en esta caso el zinc de 2 densidad del zinc de 7140 kg/m3 área sobre la que se deposita el material de 0.03 m2 o 0.09 m2 como un máximo tiempo que tardara, para un tiempo de 15 minutos constante de Faraday de 96485 c/mol

Dando valores y para un área de 10x30cm se obtiene una corriente de: Ingeniería en robótica industrial

143


Dando valores y para un área de 30x30cm se obtiene una corriente de:

Como la acometida es trifásica, el voltaje de entrada es de 440 volts, por lo que la potencia (W) es:

Donde: voltaje de 440 Volts corriente de 21.07 A

La potencia obtenida es:

Si el tiempo que están expuestas las piezas es de 15 minutos, la potencia que se necesita es:

kWh= (9.27kW) (0.25h)=2.3 kWh

kWh= 2.3 kWh

Si la cantidad de piezas, sumergidas es de 20 piezas los kWh será de:


144


5.6 Selección de conductor

Figura 5.7 Principales factores que se deben considerar al calcular el calibre mínimo, Condumex, 2008.

La norma a la que se hace referencia es NOM-001-SEMP, en su capítulo 4: Equipos de uso general, en la página 430 Motores, circuitos de motores y sus controles.

Es vital considerar los tres aspectos a la vez, porque en caso contrario se podrían ocasionar los siguientes problemas:

A. Si la sección de cobre es menor: • El conductor tendrá mayor resistencia eléctrica, aumentando las pérdidas de energía. •El conductor tendrá mayor temperatura de operación, aumentando la resistencia eléctrica y deteriorando el aislamiento. • La caída de tensión en la línea será mayor a la permitida, lo cual puede afectar la operación en el punto de carga y dañar los equipos.

B. Si no se protege el aislamiento: • El aislamiento sufrirá deterioro por alta temperatura, aumentando el riesgo de fugas de corriente y cortocircuitos. • Disminuirá la vida útil del conductor.

C. Si no se cuida que la caída de tensión sea correcta: • El circuito y los conductores trabajarán fuera de norma. • Pueden dañarse los equipos alimentados, o no dar el servicio requerido. Ingeniería en robótica industrial

145

Capítulo 5 Diseño eléctrico-electrónico IPN.ESIME.AZC.



UNIDADES: Sistema Internacional REALIZÓ: Hernández Lara Derlis

Cálculos para la selección del calibre del conductor.

FECHA:


1. Seleccionar el tipo de conductor adecuado de acuerdo con el uso específico (catálogo de Condumex).

Alambres y cables Vinanel Nylon (Cobre, con aislamiento de PVC y cubierta exterior de nylon.)

Características: Tensión máxima de operación: 600 Volts. Temperaturas máximas de operación en el conductor: 90°C en ambiente seco 80°C en ambiente húmedo 70°C en aceite.

La cubierta adicional de nylon otorga: Resistencia a la humedad, aceites, gasolinas, solventes, grasas y productos químicos, resistencia a la abrasión y el abuso mecánico. Resistencia a la propagación de la flama. Su aislamiento especial de PVC permite: Resistencia a sobrecargas frecuentes, en general.

Se eligió este tipo de conductor porque cumple con 2 condiciones básicas que se necesita: 

Resistencia a un ambiente húmedo y con gases químicos.



Resistencia a sobrecargas (larga duración).


146

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 2. Calcular la corriente que va a transportar el conductor. Es necesario aumentar a la corriente de plena carga en los motores un 25 por ciento adicional para cumplir con la norma NOM-001-SEMP; en el caso de dos o más motores, hay que sumar las corrientes nominales de éstos y aumentar solamente 25 por ciento del valor de la corriente del motor más grande.

De la placa de datos de los motores.

2 Motores Síncronos (trifásicos). Potencia: 3/4 HP Factor de potencia: 0.92 Eficiencia:

95%

Voltaje: 220V Corriente: 2.2 A

Se obtiene la

(corriente nominal).

In=4.4A

Aumentar 25 por ciento del motor más grande del circuito

según NOM-

001-SEMP. Ir= 4.95A

3. Es necesario afectar este valor de corriente por los factores de corrección por temperatura y agrupamiento. Este nuevo valor de corriente no circulará realmente por el conductor, su utilidad radica en simular las condiciones adversas en las que se estará trabajando.

Esta corriente se afectará enseguida por los factores de corrección debidos a la temperatura ambiente, según la Tabla 5.1.


147


Tabla 5.1 Factores de corrección por temperatura. Condumex, 2008. Temperatura

Para temperatura ambiente

Para

temperatura

ambiente (°C)

diferente de 30 °C

ambiente diferente de 30

ambiente diferente de

°C

30 °C

60°C

75°C

90°C

21 – 25

1.08

1.05

1.04

26 – 30

1.00

1.00

1.00

31 – 35

0.91

0.94

0.96

36- 40

0.82

0.88

0.91

41 – 45

0.71

0.82

0.87

46 – 50

0.58

0.75

0.82

51 – 55

0.41

0.67

0.76

56 – 60

0.58

0.71

61 – 70

0.33

0.58

71 - 80

Para

temperatura

0.41

Se toma el valor de 0.71 (Ft) de la Tabla 5.1, ya que se estima una condición crítica del conductor y además se tiene un conductor que maneja una Ft=0.71 temperatura máxima de conducción de 90°.

Tabla 5.2 Factores de corrección por agrupamiento para Tubo Conduit. Condumex, 2008.

Número de conductores Factores

de

corrección

que llevan corriente

por agrupamiento

1a3

1.00

4a6

0.80

7a9

0.70

10 a 20

0.50

21 a 30

0.45

31 a 40

0.40

41 y más

0.35

De la Tabla 5.2 se toma un factor de agrupamiento 1 (Fa), debido a que se Fa=1 pretende hacer el cableado por una canaleta, lo más cercano a esa condición es el tubo conduit y teniendo en cuenta que se tomará un conductor con Ingeniería en robótica industrial

148

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 corriente.

Calculando con estos factores, la nueva corriente

(corriente afectada): IΔ=6.97A

4. Con este nuevo valor de corriente afectada por los factores de corrección, se debe localizar el calibre adecuado, según el tipo de conductor y de instalación elegidos. Se consulta la Tabla 5.3 Vinanel Nylon

Tabla 5.3 Calibres línea Vinanel Nylon. Condumex, 2008. Calibre AWG/KC

exterior (r)

M

Cap.

de

conducció n

de

Cap.

de

conducción e

corriente

corriente

(A)

(A)

En

tubo

En

tubo

Cap.

de

Cap. de

conducción

conducción

de corriente

de

(A)

(A)

Al aire libre

Al aire libre

Conduit

Conduit

90°C

75°C

90°C

75°C

14

3.0

25

20

35

30

12

3.4

30

25

40

35

10

4.3

40

35

55

50

8

5.6

55

50

80

70

6

6.6

75

65

105

95

4

8.4

95

85

140

125

2

9.9

130

115

190

170

1/0

12.5

170

150

260

230

2/0

13.7

195

175

300

265

3/0

15.0

225

200

350

310

4/0

16.5

260

230

405

360

250

18.2

290

255

455

405

300

19.6

320

285

505

445

500

24.3

430

380

700

620


corriente

149

Capítulo 5 Diseño eléctrico-electrónico Calibre preliminar: 14 Calibre=14

Se llega a ese valor debido a que se tienen las siguientes condiciones: una corriente de 6.97A, un conductor que maneja una temperatura de conducción de 90°C y finalmente se considera como tubo conduit.

5. Una vez localizado el calibre del conductor, será necesario verificar la caída de tensión que sufrirá la instalación, utilizando para esto la fórmula de caída de tensión.

Donde:

Caída de tensión (porcentaje) Longitud del circuito (m) Corriente que circula (amper) Voltaje de alimentación Factor de caída de tensión unitaria Factor de caída de tensión unitario: (motores trifásicos)

%ΔV=0.63%

La caída de tensión NO sobrepasa el 3 por ciento que marca la norma NOM001-SEMP. Por lo tanto se puede mantener el calibre preliminar.

6. Si la caída de tensión es mayor a 3 por ciento para circuitos alimentadores o derivados, o de 5 por ciento para la suma de alimentador más derivado, es necesario calcular un calibre superior.


150


5.7 Análisis del proceso mediante programación lineal Considerando que se pretende galvanizar 40 kilogramos de piezas por lote, a continuación se comprobará el funcionamiento óptimo de esto en cuanto a carga por ciclo se refiere, debido a que dependiendo del peso es el tiempo que se debe mantener dentro de cada solución.

En la Tabla 5.4 se expresan los datos necesarios para el método de programación lineal utilizando la herramienta Solver embebida en el programa Microsoft Excel, que provee una solución mediante tres métodos para resolver la programación lineal, para este propósito el método utilizado es el método simplex, puesto que este resuelve el problema de manera global. En contraparte otro de los métodos utilizados es el GRG Nonlinear, que es utilizado para problemas no lineales, el problema al ser lineal, este no es factible para este problema. El último método es el Evolutionary que resuelve problemas que quedan fuera de los métodos anteriores, en general los problemas no suavizados.

Tabla 5.4 Parámetros para la programación lineal y resultados. Costo por Kg.

$ 4.00

Función Objetivo

$1,973.33

Minutos laborales

480

Mínimo

14

14 ciclos

Máximo

19

14 ciclos

Max Minutos laborados

480

480 minutos

Maximizar

Es necesario ajustar el problema a la programación lineal y no viceversa, por lo que a los datos se agrega el costo por kilogramo y los minutos laborales. Con esto se tiene que la función objetivo es en la que se expresa el valor de cada ciclo.

En donde: Z, es la función objetivo; C, es el precio por kilogramo; Q, es el precio de venta del ciclo.

Las restricciones se expresan en función de los ciclos mínimos y máximos a cumplir en una jornada laboral de 8 horas, y los minutos efectivos de trabajo dentro de la misma jornada. Las restricciones son: Ingeniería en robótica industrial

151

Capítulo 5 Diseño eléctrico-electrónico El tiempo utilizado en los ciclos no debe exceder los minutos laborales

El número de ciclos no debe exceder 19 ni ser menor que 14

En donde: T, es el tiempo utilizado en el ciclos, B, son los minutos laborales

El tiempo de cada uno de los ciclos se encuentra identificado en la Figura 5.7, de acuerdo al peso a

39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20

Tiempo en minutos

galvanizar, para esta se encontró la ecuación del proceso y se graficó con los tiempos conocidos.

60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 Kilogramos Figura 5.8 Gráfica de tiempo contra kilogramos de cada ciclo.

Conociendo los tiempos y el peso de los ciclos, el siguiente paso es introducir los datos a la herramienta Solver, para empezar a realizar las iteraciones que resuelvan el problema. El método simplex provee una única solución global, la cual satisface todas las restricciones dadas. La Tabla 5.2 muestra los resultados obtenidos de la programación lineal con el método simplex.


152

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Tabla 5.5 Resultados de la programación lineal para cada ciclo.

Programa en kg

Cantidad

Precio

20

3

$

80.00

22

0

$

88.00

24

0

$

96.00

26

0

$ 104.00

28

0

$ 112.00

30

0

$ 120.00

32

0

$ 128.00

34

0

$ 136.00

36

0

$ 144.00

38

0

$ 152.00

40

11

$ 160.00

42

0

$ 168.00

44

0

$

46

0

$ 184.00

48

0

$ 192.00

50

0

$ 200.00

52

0

$ 208.00

54

0

$ 216.00

56

0

$ 224.00

58

0

$ 232.00

60

0

$ 240.00

176.00

Esta tabla indica el número de ciclos que es necesario incluir para que el proceso sea lo más lucrativo posible, se aprecia que la tendencia es hacia 40 kilogramos, con 11 ciclos, esto se toma como referencia pues la programación lineal los ordena como ciclos consecutivos, es decir, uno detrás de otro. Esto es un punto de partida y base para el control que se aplicará, el resultado obtenido expresa que el mejor ciclo que se puede utilizar es de 40 kilogramos, sin embargo, esto aunque ofrece una ganancia no ofrece una ventaja en cuanto a producción se refiere y en adición se expresa en muchos tiempos muertos de la máquina. Para evitar esto, en el control se implementarán los ciclos solapados, para que en los tiempos muertos del manipulador se inicie un nuevo ciclo, reduciendo estos al mínimo. Ingeniería en robótica industrial

153


5.8 Grafcet Por sus siglas en inglés (gráfica de control de etapas de transición) es un grafo o diagrama funcional normalizado, que permite hacer un modelo del proceso a automatizar, contemplando entradas, acciones a realizar, y los procesos intermedios que provocan estas acciones. Inicialmente fue propuesto para documentar la etapa secuencial de los sistemas de control de procesos a eventos discretos. No fue concebido como un lenguaje de programación de autómatas, sino un tipo de Grafo para elaborar el modelo pensando en la ejecución directa del automatismo o programa de autómata. Varios fabricantes en sus autómatas de gama alta hacen este paso directo, lo que lo ha convertido en un potente lenguaje gráfico de programación para autómatas, adaptado a la resolución de sistemas secuenciales. En la actualidad no tiene una amplia difusión como lenguaje, puesto que la mayoría de los autómatas no pueden programarse directamente en este lenguaje, a diferencia del Lenguaje Escalera. Pero se ha universalizado como herramienta de modelado que permite el paso directo a programación, también con Escalera.

Tabla 5.6 Elementos y símbolos que constituyen el GRAFCET.

Símbolo

Nombre Etapa inicial

Descripción Indica el comienzo del esquema GRAFCET.

Etapa

Su activación lleva consigo una acción o una espera.

Unión

Las uniones se utilizan para unir entre sí varias etapas.

Transición

Condición para desactivarse la etapa en curso y activar la etapa siguiente.

Direccionamiento Indica la activación de una u otra etapa en función de la condición que se cumpla. Proceso simultaneo

Muestra la activación o desactivación de varias etapas a la vez.

Acciones asociadas

Acciones que se realizan al activarse la etapa a la que pertenecen.


154


5.8.1 Descripción del proceso Retomando el proceso propuesto en el capítulo 3, sobre el cual se realizo el diseño conceptual y que además fue mejorado en el diseño a detalle. Se describe el proceso obtenido, recordando que son dos líneas automáticas de galvanizado en paralelo, en donde cada una de ellas lleva cuatro procesos simultáneos, los cuales estarán desfasados entre sí por un minuto. Con lo que el primer lote de piezas saldrá aproximadamente a los 45 minutos, el segundo a los 46, el tercero a los 47 y el cuarto a los 48 minutos. Galvanizando así 320 Kg de piezas cada 48 minutos, 3200 Kg al día, 19200 Kg a la semana y 76800 Kg al mes, por las dos líneas automáticas.

A continuación se describe el proceso para un lote de 40 Kg de piezas, mencionando que es el mismo para los procesos simultáneos, las dos líneas automáticas de galvanizado y que existe un desfasamiento de un minuto entre procesos simultáneos.

El proceso inicia en el módulo de entrada, donde el brazo tomará el recipiente y lo trasladará al desengrase, en donde permanecerá por 10 minutos, después el manipulador pasará el recipiente al primer enjuague en donde estará por 30 segundos, y será trasladado a la cuba de decapado en donde permanecerá durante 5 minutos, después se pasara a la etapa de neutralización por 5 minutos, luego seguirá el proceso de electrodeposición donde dependiendo del espesor requerido, tardará de 15 a 20 minutos (antes de la electrodeposición existirá cambio de contenedor mediante el manipulador2 y después de la electrodeposición el cambio será manual), para proseguir con el segundo enjuague que dura 30 segundos, después el acabado que son 5 minutos, posteriormente la cubeta se depositará en la centrifuga para retirar el exceso de líquidos. Al dejar el contenedor en la centrifuga, el manipulador repetirá indefinidamente el ciclo para otra cubeta con piezas a galvanizar hasta que se presione el botón de paro, alguno de los paros de emergencia o termine la rutina programada. Los operarios tomaran la cubeta de la centrifuga, para así empacar las piezas terminadas y colocarlas en zona de entrega.


155

Capítulo 5 Diseño eléctrico-electrónico Se utilizarán 28 sensores réflex para cada línea automática de galvanizado, los cuales se distribuyen de la siguiente manera:  1 sensor para determinar la posición del brazo arriba (S0).  1 sensor para determinar la posición del brazo abajo (S1).  1 sensor en el módulo de entrada, (S2).  4 sensores en el módulo de desengrase, en donde existirán cuatro procesos simultáneos, cada sensor para uno de ellos (S3, S3.1, S3.2, S3.3).  1 sensor en el módulo de enjuague 1, (S4).  4 sensores en el módulo de decapado, en donde existirán cuatro procesos simultáneos, cada sensor para uno de ellos (S5, S5.1, S5.2, S5.3).  4 sensores en el módulo de neutralizado, en donde existirán cuatro procesos simultáneos, cada sensor para uno de ellos (S6, S6.1, S6.2, S6.3).  1 sensor en el cambio de contenedor #1, (S7).  1 sensor en el manipulador #2, (S8).  1 sensor en la posición del barril, (S9).  4 sensores en el módulo de electrodeposición, en donde existirán cuatro procesos simultáneos, cada sensor para uno de ellos (S10, S10.1, S10.2, S10.3).  1 sensor en el cambio de contenedor #2, (S11).  1 sensor en el módulo de enjuague 2, (S12).  1 sensor en el módulo de acabado, (S13).  1 sensor en el módulo de secado, (S14).  1 sensor en el módulo de salida, (S15).

Se observa que los procesos simultáneos sólo se encuentran en las etapas de desengrase, decapado, neutralizado y electrodeposición, esto es debido a que son las etapas en donde las piezas se mantienen por mayor tiempo, en el caso del enjuague no tiene caso que se realice simultáneamente porque sólo dura 30 segundos y el manipulador perdería más tiempo en ir por otra cubeta y llevarla a esa etapa. Motivo por el cual el enjuague, acabado y secado serán de un lote de piezas a la vez.

A continuación se presenta el GRACET del proceso:


156

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 0

INICIO

17

M1B

34

S1

BA, S0 1

M1B

T 18

NEUTRALIZADO

35

T=5 min.

S1 2

M1D

3

19

M1S

4

20

M1D

M2A

S8

S3 5

M1B

6

22

DESENGRASE

M1B

7

23

M1I

M2G

T

S0 8

M1D

25

M2R

T

10

40

M1D

41

M1B

ACABADO

M1D

43

M1S

44

M1D

45

M1B

S0 27

ENJUAGUE

M1S

42

S9

S1

39

T=5 min. 26

M1B

ENJUAGUE

S1

S4 9

38

S13 24

M1S

M1B

S0

S6, T

T=10 min.

37

T=30 seg.

S1

S1

M1D

S1 21

M1D

36 S12

S7

S0

M1S

S0 M1S

S0

S2

CAMBIO MANUAL

M1S

S0

S14

T=30 seg. 11

28

M1S

M1D

S10

S0 12

M1D

S1 29

13

30

M1B

ROTACIÓN

T=20 seg. 47

14

S0 31

DECAPADO

M1S

48

S0 32

M1S

M1D

S11 33

M1D

49

M1B S1

S0 16

M1D S15

T=5 min. 15

M1S

30 A T=25min

S1

SECADO

46

PROCESO ELECTROLÍTICO

S10

S5

M1B

M1B FIN

S1 S6


157

Capítulo 5 Diseño eléctrico-electrónico 5.9 Diagrama de escalera Es un lenguaje de programación para el PLC el cual consta de todos los contactos y salidas que tendrá la programación. Para realizar el diagrama escalera de este proceso se tomó como parámetro el Grafcet, el siguiente diagrama muestra el programa para la ruta en modo automático.


158



159



160



161



162



163



164



165



166

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 En la Figura 5.9 se muestra el diagrama de fuerza del motor que será el encargado de subir y bajar el brazo, en este diagrama se puede apreciar la conexión para la inversión de giro de este motor.

Figura 5.9 Diagrama de fuerza motor desplazamiento vertical.

En la Figura 5.10 se muestra el diagrama de fuerza del motor que será el encargado mover la llanta que trasladará el sistema a lo largo de la viga, en este diagrama se puede apreciar la conexión para la inversión de giro de este motor.

Figura 5.10 Diagrama de fuerza para motor desplazamiento horizontal. Ingeniería en robótica industrial

167


5.10 Sumario Se realizó la selección de componentes de la parte eléctrica, electrónica y programación del sistema, en el cual se mejoraron y rediseñaron algunos parámetros obtenidos en el diseño conceptual debido a las limitaciones físicas, mecánicas y económicas que involucra el proyecto.

Se llevó a cabo la selección de los elementos electrónicos y eléctricos necesarios para el control y programación del sistema, como es el PLC, los sensores, los motores, los contactores, etc., tomando en cuenta las características requeridas, los costos y la facilidad de su implementación.

Se describió el proceso de manera detallada para poder realizar el grafcet que cumple con el proceso, complementado con los tiempos necesarios para cada parte del proceso de galvanizado. Teniendo el Grafcet se pasó a realizar el diagrama escalera que será el que se ingrese al PLC para que realice la secuencia necesaria para controlar los actuadores del sistema.


168


ANÁLISIS DEL VALOR

En

el

siguiente

capítulo

se

hará

una

comparación de todos los elementos del sistema automático

para

realizar

el

proceso

de

galvanizado, con el fin de poder reducir el costo de los componentes y obtener un sistema con las mismas características y menor precio.


169

Capítulo 6 Análisis del valor

6.1 Introducción La práctica habitual en las empresas modernas es evitar costos innecesarios desde la primera etapa del proyecto. Para ello existen muchas técnicas que se presenta como una valiosa herramienta para lograr este objetivo, una de estas herramientas es el Análisis de Valor (Ecuación 2.62). Mediante esta técnica se puede lograr el objetivo propuesto de forma satisfactoria.

6.2 Análisis del valor El Análisis de Valor es una técnica que mediante el estudio de varios factores, como son materias primas, proceso de fabricación, montaje de las piezas, además de las diferentes funciones que realiza el producto, permiten la mejora del mismo y la reducción del costo, todo lo cual deriva en un incremento del valor del producto.

La metodología del análisis del valor se desarrolla a partir de las cinco siguientes preguntas: ¿En qué consiste el producto? Definición del producto. ¿Para qué sirve el producto? Funciones que realiza. ¿Cuánto cuesta el producto? Valor actual. ¿Qué opciones pueden realizar la misma función? Alternativas. ¿Cuánto costarían estas opciones? Valor comparativo. Ahorro.

El análisis del valor puede dividirse en seis fases, que son:

1. Identificación.

4. Evaluación.

2. Información.

5. Planificación y aplicación.

3. Especulación.

6. Registro y seguimiento.

El costo o coste es el precio que representa la fabricación de un producto o la prestación de un servicio. La función de un producto es la capacidad que tiene éste para satisfacer los deseos del cliente o cumplir una función determinada. El valor es el menor precio que uno debe pagar por una función o servicio fiable (Brown, 1992).Por lo tanto, para aumentar el valor de algún producto o servicio, existen diferentes caminos, como se muestra en la tabla 6.1.


170

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Tabla 6.1 Formas para aumentar el valor de un producto o servicio.

Funciones (utilidades)

Costos

Valor

= =

6.3 Funciones Con fin de realizar el análisis funcional del sistema automatizado para el proceso de galvanizado, se empleará la metodología de Análisis de Valor descrita en el capítulo 2 de éste proyecto. Primeramente se realizará la descripción, definición de las diferentes funciones del sistema en general, partiendo del análisis funcional realizado en el apartado 3.1.9, porque involucra las funciones principales, las cuales se analizan en la siguiente tabla.

Tabla 6.2 de funciones/descripción. FUNCIONES

DESCRIPCIÓN

Almacenar Piezas

Consiste en la retención de las piezas metálicas para el proceso de galvanizado.

Transportar Piezas

Consiste en llevar las piezas a través de todas las fases del proceso.

Recubrir Piezas Secar Piezas Programación y Control

Parte fundamental del proceso, donde se galvanizan las piezas mediante el proceso electrolítico. Etapa donde se elimina la humedad de las piezas. Manipulación del proceso de galvanizado.

6.3.1 Funciones/ Elementos Ya una vez que se tienen claras las funciones primarias del sistema y sus respectivas descripciones, se realiza una tabla donde se relacionan entre componentes y sus respectivas funciones. A cada función se le asignan todos los elementos que tengan para obtener posteriormente el precio de cada uno de estos. Ingeniería en robótica industrial

171

Capítulo 6 Análisis del valor Tabla 6.3 Funciones-Elementos del sistema. Funciones

Almacenar piezas

Elementos Contenedores (cubas) Substancias para desengrasar

Limpiar piezas

Substancias para decapado Electrodos de Zinc

Recubrir piezas

Electrolito Contenedor hexagonal Motores Tornillo de potencia Contenedor hexagonal Tolvas Manipulador 1

Transporte de piezas

Manipulador 2 Banda transportadora Cubeta Actuador hidráulico Tanque hidráulico Riel

Secado de piezas

Centrífuga Industrial PLC Sensores

Control del sistema

Contactores Botones

6.3.2 Cálculo del costo de las funciones Se realiza un estudio de mercado para obtener información sobre los costos de las funciones del sistema, y se calcula el costo tales funciones. Los costos por función se representan en las siguientes tablas (6.4 a 6.8).


172


Tabla 6.4 Transporte de piezas. Concepto

Descripción

Precio Unitario

Cantidad

Subtotal

Manipulador 1

Manipulador para vaciar piezas

$

5,500.00

2

$

11,000.00

Manipulador 2

Manipulador para transportar contenedores

$

6,600.00

2

$

13,000.00

Banda transportadora

Contenedores de substancias químicas

$

58,416.60

2

$

116,833.20

Tornillo de potencia

Tornillo ACME

$

1,045.00

2

$

2,090.00

Barril para galvanizado electrolítico

$

16,500.00

4

$

66,000.00

Contenedor tipo cubeta

$

330.00

4

$

1,320.00

Actuador hidráulico

$

1,100.00

2

$

2,200.00

Tanque hidráulico

Tanque hidráulico

$

990.00

2

$

1,980.00

Motores

Motores trifásicos

$

3,800.00

4

$

5,200.00

Motor con reductor de velocidad

$

5,390.00

2

$ 10,780.00

$

2,200.00

1

$

2,200.00

$

1,386.00

2

$

2,772.00

Contenedor Hexagonal Cubeta Actuador hidráulico

Motorreductor Riel

Tolvas

Estructura sobre la que se transporta el manipulador 1 Contenedores principales de las piezas metálicas a galvanizar

Total

$ 245,375.20

Tabla 6.5 Limpieza de piezas. Concepto

Descripción

Substancias para desengrasar

Sosa cáustica

$

10.45

2 Kg

$

20.90

Substancias para el decapado

Ácido Sulfúrico

$

16.50

2L

$

33.00

$

2750.00

Contenedores


Contenedores de substancias químicas

Precio Unitario

Cantidad

Subtotal

14 piezas

$ 38,500.00

Total

$ 38,553.90

173

Capítulo 6 Análisis del valor Tabla 6.6 Secado de piezas.

Concepto

Descripción

Precio unitario

Centrifuga Industrial

Centrifuga de proceso industrial 60 Hz

$

Cantidad

Subtotal

1

$ 12,075.80

Total

$ 12,075.80

12,075.80

Tabla 6.7 Programación y Control. Concepto PLC Sensores Contactores Botones

Descripción

Precio Unitario

Allan Bradley 12/24 VCD, 32 entradas digitales, 12

Cantidad

Subtotal

$

3,850.00

2

$ 7,700.00

Sensores fotoeléctricos (Réflex) 12-24 VCD

$

1,215.50

56

$ 8,068.00

120 VCA Bobina, 32 A, 3 contactos N.A.

$

275.00

8

$ 2,200.00

Botones NA

$

165.00

10

$ 1,650.00

Total

$ 79,618.00

salidas a relevador

Tabla 6.8 Recubrir piezas. Concepto Electrodos de zinc

Electrolito

Descripción

Precio Unitario

Cantidad (Kg)

Subtotal

Cátodos de zinc

$

46.20

2

$

92.40

NaCN

$

12.10

30

$

63.00

ZnCl2

$

14.30

2

$

28.60

Total

$

484.00

Tabla 6.9 Costo total. Funciones Transporte de piezas

$

245,375.20

Limpiar piezas

$

38,553.90

Recubrir piezas

$

484.00

Control del sistema

$

79,618.00

Secado de piezas

$

12,075.80

$

376,106.90

Total


Costo

174

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Se visualiza que el costo total del sistema rebasa lo acordado en los requerimientos obligatorios del cliente, que en este caso era el costo de producción menor de $ 300,000 pesos. Por lo tanto, como la finalidad es reducir costos, apoyándose con el método de análisis de valor, se analiza el costo porcentual de las funciones del sistema y se representa en el gráfico 6.1.

Control del sistema 21% Secado de piezas 4%

Funciones

Limpiar piezas 11% Recubrir piezas 0% Transporte de piezas 64%

Figura 6.1 Función-Costo porcentual.

6.3.3 Análisis crítico Tras observar la gráfica se deduce que la mayor parte de los costos se da en la función de transporte de piezas, debido principalmente a la banda transportadora usada en la parte inicial del proceso. Se puede apreciar que las demás funciones, como son el recubrimiento, limpieza y secado de las piezas y el control del sistema no influyen excesivamente en el costo total de las mismas, por lo que cualquier posible modificación en este factor tendrá poca influencia en el costo final e implicará un total rediseño del proyecto.

Con el fin de conseguir una reducción económica y por lo tanto un aumento del valor del sistema a estudio, se propone un cambio de la banda transportadora por otro elemento que lo sustituya, siempre y cuando cumpla la misma función, que es el transporte de las piezas metálicas hacia la canasta para comenzar el proceso de galvanizado. Entonces se propone una rampa como una solución más económica que la banda transportadora y que cumple con la misma función, ya que las piezas metálicas se desplazan desde la tolva hacia la canasta. El precio de la rampa es demasiado bajo en comparación con el precio de la banda transportadora, como se aprecia en la gráfica 6.2.


175

Capítulo 6 Análisis del valor $60,000

$58,416.60

$50,000 Precio

$40,000 $30,000 $20,000 $5,957.60

$10,000 $-

Banda transportadora Rampa Elementos

Figura 6.2 Comparación de precios entre distintos elementos que cumplen con la misma función.

Tabla 6.10 Costo total después de cambiar la banda transportadora por la rampa.

Funciones

Costo

Transporte de piezas

$

140,457.20

Limpiar piezas

$

38,553.90

Recubrir piezas

$

484.00

Control del sistema

$

79,618.00

Secado de piezas

$

12,075.80

Total

$ 271,188.90

6.3.4 Costos de ingeniería Los costos de ingeniería son los costos que representan los honorarios cobrados por los ingenieros a cargo del proyecto. Se calcularon con base a los sueldos promedio de un ingeniero en México, de acuerdo con la secretaría del trabajo.

Sueldo base = $10,000 mensuales Sueldo por semana = $10,000/4 = $2,500 Sueldo por hora = $2,500/40= $62.50


176

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Ya que se tienen los sueldos por hora, lo que se hace es calcular el costo de ingeniería por cada ingeniero de acuerdo al tiempo trabajado en el proyecto. En este caso, fueron 3 ingenieros a cargo del proyecto en un tiempo de 9 meses, trabajando 5 días a la semana y 4 horas por día.

Sueldo por día = $62.50 x 4 = $250 Sueldo por semana = $250 x 5 = $1,250 Sueldo por mes = $1,250 x 4 = $ 5,000 Sueldo total (1 ingeniero) = $5,000 x 9 = $ 45,000 Costos de ingeniería (3 ingenieros) = $45,000 x 3 = $135,000

6.3.5 Precio de venta Se tiene establecido el costo de materia prima, costos indirectos y el costo de ingeniería, pero es necesario determinar el precio de venta. La gran interrogante que se tiene al momento de pensar en ¿Cuánto sería bueno cobrar por un proyecto?, sobre todo cuando no se tiene experiencia o al menos no la suficiente para calcular sin mayor dificultad el precio dado a los clientes. Cabe aclarar que no existe una formula exacta para determinar el precio de venta, por lo que existe una fórmula aproximada (Fórmula 6.x) para determinar el precio final de un proyecto que depende de cinco factores. 

Costos de producción



Prestigio o credibilidad



Tipo de cliente



Impacto del resultado del proyecto



Competencia

(6.1)


177

Capítulo 6 Análisis del valor Donde:

Costo = Costos de producción más costos de ingeniería. Tipo de cliente = Factor que depende de la seriedad del proyecto (de tabla 6.11). Prestigio = Factor que depende de la experiencia en proyectos (de tabla 6.12). Impacto = Factor que depende de la importancia que tendrá el proyecto en los negocios del cliente (de tabla 6.13). Competencia = Factor que depende de la cantidad de competidores que pueden realizar el proyecto y qué tan accesibles son para este prospecto (de tabla 6.14).

Tabla 6.11 Factores de tipo de cliente.

Valor

Significado

1.00

Empresa pequeña, de pocos empleados, poco capital invertido

1.25

Empresa mediana a grande, buena solvencia económica, no es líder en su industria

1.50

Corporativo de mucho capital financiero, es reconocido como líder en su industria

2.00

Gran consorcio corporativo

Tabla 6.12 Factores de Prestigio.

Valor

Significado

1.00

El cliente no conoce el proyecto

1.30

El cliente tiene pequeñas referencias del proyecto

1.50

Se cuenta con un amplio respaldo de clientes

1.70

El cliente tiene recomendaciones por medios masivos de comunicación

2.00

El cliente percibe al proyecto como el mejor del mercado


178

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Tabla 6.13 Factores del impacto del proyecto.

Valor

Significado

1.00

Nulo impacto en la sociedad.

1.20

Proyecto discreto, principios de su divulgación.

1.30

Se difunde en la prensa escrita.

1.50

Se difunde en medios masivos de comunicación.

2.00

Mucho impacto en la sociedad, la prensa, internet, radio y TV.

Tabla 6.14 Factores de competencia.

Valor

Significado

1.00

Competencia Nula.

1.30

Competencia Baja.

1.40

Competencia Media.

1.70

Competencia Alta.

2.00

Competencia contra un monopolio.

De acuerdo con lo anterior, se obtiene el costo total (fórmula 6.3) y se eligen los factores de las tablas y se sustituyen en la fórmula 6.1 para finalmente obtener el precio de venta.

(6.2)

(6.3)

(6.4)

(6.5)


179

Capítulo 6 Análisis del valor Una vez obtenido el precio de venta se calcula la utilidad generada del proyecto, simplemente restando el costo total del precio de venta.

(6.6)

(6.7)

6.4 Periodo de recuperación de la inversión El periodo de recuperación de la inversión (PRI) es uno de los métodos que en el corto plazo puede tener el favoritismo de algunas personas a la hora de evaluar proyectos de inversión. Por su facilidad de cálculo y aplicación, el Periodo de Recuperación de la Inversión es considerado un indicador que mide tanto la liquidez del proyecto como también el riesgo relativo pues permite anticipar los eventos en el corto plazo.

El proyecto tiene un valor de inversión inicial de $468,679.50 y se necesita saber en cuanto tiempo se recuperará la inversión. Actualmente la empresa

cobra $5.00

por cada 1 Kg de piezas

galvanizadas, de las cuales gana $0.50 con la producción actual de 40 toneladas al mes. Con el proceso automatizado se aumenta la producción a 80 toneladas por mes lo que ocasionaría una ganancia de $1.16., lo cual se ve en la tabla 6.15.

La depreciación se refiere al cargo contable periódico que es necesario realizar con el propósito de establecer una reserva que permita reponer el valor del equipo. En el caso de maquinaria de producción, el porcentaje máximo autorizado para la depreciación es del 10 %. La depreciación es calculada para un periodo de 10 años al precio de venta del equipo.


180

“Automatización del proceso de galvanizado” 2010 Tabla 6.15 Análisis de costo unitario

Concepto

Costo Actual (MXN)

Costo Nuevo (MXN)

Tornillos

$ 0.62

-

Tuercas

$ 0.62

-

Substancias químicas

$ 0.5

-

Cátodos de Zinc

$ 0.5

-

Empleados

$ 0.26

$ 0.09

Mermas

$ 0.15

$ 0.02

Energía eléctrica

$ 0.03

$ 0.05

Renta

$ 0.30

$ 0.15

Personal administrativo

$ 0.40

$ 0.20

Impuestos

$ 0.80

$ 0.90

Otros costos indirectos

$ 0.26

$ 0.13

Depreciación

-

$ 0.05

Costo unitario

$ 4.50

$ 3.84

Precio de venta

$ 5.00

$ 5.00

Para la recuperación de la inversión se toma en cuenta que los FNE durante los próximos 6 meses son los siguientes: Meses

FNE

1

92800

2

92800

3

92800

4

92800

5

92800

6

92800

Para el cálculo del Periodo de Recuperación de la Inversión se van acumulando los flujos netos de efectivo uno a uno hasta llegar a cubrir el monto de la inversión. Se realiza una línea del tiempo (Figura 6.3) donde se observa el gráfico correspondiente a la tabla 6.16. Al hacer la sumatoria de los flujos netos de efectivo por cada mes (ecuación 6.8)


181

Capítulo 6 Análisis del valor

Se observa que existe un valor mayor al monto de la inversión inicial, por lo cual el periodo de recuperación se encuentra entre los meses 5 y 6.

Figura 6.3 Línea del tiempo de FNE vs Meses

Para analizar correctamente el tiempo exacto para la recuperación de la inversión, es importante identificar la unidad de tiempo utilizada en la proyección de los flujos netos de efectivo. Para el caso específico de este proyecto en donde la unidad de tiempo utilizada en la proyección son meses de 30 días, el periodo de recuperación equivale a la división del monto de la inversión entre el valor del FNE mensual, lo que equivale a para 5.05 meses, o también, a

5 meses con 2 días

aproximadamente.

6.5 Sumario En este proyecto se ha adoptado el Análisis del Valor como metodología para realizar una reducción de costos. Así, tras realizar la comparativa en la Figura 6.2, el costo de la rampa representa un 10.19% del costo de la banda transportadora. En consecuencia, el costo total que existía antes de la substitución de la rampa, se redujo en una cantidad de $ 95,480 pesos, que es equivalente a un 29.93% de reducción en el costo final. Además, el costo total que es de $271,188.90, ronda lo acordado con el cliente que era menor de $ 300,000 pesos en costos de producción. Que conlleva un aumento del doble de la producción de piezas metálicas galvanizadas. Cabe aclarar que aunque el costo que se especificó en el capítulo 3, que era de $300,000 pesos, fue sin tomar en cuenta costos de ingeniería ni factores como los que se aplicaron para determinar el precio de venta.


182

Conclusiones

Conclusiones Éste trabajo se enfocó al diseño de un sistema automático para el galvanizado por electrólisis de piezas metálicas donde se cumplió con el objetivo general al automatizar dicho proceso mediante la realización de los cálculos mecánicos del riel y los manipuladores, así como la selección y programación de los elementos necesarios para poder trasportar las piezas a lo largo del proceso con la mínima intervención de los operarios.

Se cumple con los objetivos específicos al determinar las variables que influyen en el proceso, como son el tiempo de inmersión de las piezas en el electrolito, el espesor del recubrimiento y las sustancias químicas para las diferentes etapas del proceso.

Se mencionaron algunas normas que rigen el proceso de galvanizado como lo son la unificación de normas españolas UNE EN ISO 1461:1999, UNE-EN 10336, la asociación americana de prueba de materiales ASTM 456, ASTM B 633 y las normas venezolanas CONVENIN 0565:80.

Se realizo el diseño mecánico de la parte estructural, los manipuladores, el tornillo de potencia para el desplazamiento vertical, el riel, los torques necesarios para realizar los movimientos y la transmisión por cadena y por engranes para dar movimiento al barril.

Se selecciono los elementos eléctrico-electrónicos adecuados para el sistema como el PLC, los sensores, contactores, botones pulsadores y el calibre del cable.

Se realizo la programación del sistema para controlar la parte mecánica diseñada, mediante la herramienta Grafcet del cual se obtuvo el diagrama de escalara para programar el PLC que controlara al sistema automático para el proceso de galvanizado por electrólisis.

Mediante la programación lineal se optimizo el proceso para eficientar el proceso en términos de tiempos y movimientos, con lo cual aumenta la producción de piezas galvanizadas y se tiene una mayor rentabilidad en relación al costo-beneficio.


183

Trabajos futuros

Trabajos Futuros Para complementar este proyecto es necesario diseñar y seleccionar elementos que no fueron contemplados en este trabajo como:

Como una parte que quedo pendiente, se plantea la incorporación de un sistema de pesado automático de los lotes de piezas.

Diseñar los contenedores que tendrán las sustancias de desengrase y oxidación, para que puedan soportar la corrosión y la temperatura a la que estarán sometidas directamente.

Diseñar un sistema de extracción de gases y filtros de tal forma que los gases que se expidan durante el enjuague y la oxidación no se dispersen dentro del área de trabajo y así garantizar la seguridad de los empleados.

Implementar una dosificación automática de las sustancias químicas y de los cátodos de zinc.

Hacer que el sistema sea flexible, en cuanto a que también pueda realizarse el proceso de tropicalizado.


184

Referencias

Referencias ARCOS C., et al., (2005), “Diseño del sistema de automatizado para el manejo de una cadena de galvanización de piezas de un peso máximo de 10 Kg.” Tesis de Ingeniería. Colombia, Facultad de ingeniería de diseño y automatización electrónica, Universidad de la Salle – Bogotá. AGA. 2009. "American Galvanizers Association". AGA [Online]. Available: http://www.galvanizeit.org/aga/inspection-course/galvanizing-process. ASIMET. 2010. "Galvanizado en caliente y en frio". Revista Metalindustria [Online]. Available: http://www.asimet.cl/galvanizado.htm. BECKER, R. S. & WENTWORTH, W. E. 1977. Química General, Barcelona, Reverte. BLUM, W. & HOGABUM, G. B. 1992. GALVANOTECNIA Y GALVANOPLASTIA, Continental. BOLTON, W. 2001. “Mecatrónica: Sistemas de Control electrónico en ingeniería mecánica y eléctrica”, Editorial ALFAOMEGA. CHANG, R. & COLLEGE, W. 2002. Química, Mc-GrawHill. DIRECTINDUSTRY. 2010. "teccontainer". [Online]. Available: www.directindustry.es/.../spreaderligero-para-manejo-de-contenedores-13078-386111.html. GALVASA. 2010. "Galvasa". [Online]. Available: http://www.galvasa.com.ar/galvanizacion.php. GARCÍA, H. A. 2005. “El control automático en la industria”, España, Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha. HALL, A. S., HOLOWENCO, A. R. & LAUGHLIN, H. G. 1971. "Diseño de máquinas", Serie Schaum. Ed. Mc. Graw-Hill. México. ILZSG. 2007. "Estado del arte de la aleaciones". [Online]. Available: http://www.aimme.es/archivosbd/observatorio_oportunidades/estado-del-arte-aleacionesligeras.pdf. LARRODÉ, E. & MIRAVETE, A. 1996. "Grúas", Editado por servicio de publicaciones, Centro Politécnico Superior Universidad de Zaragoza. 1a edición. LATIZA. 2004. Procedimientos y Propiedades de la galvanización en Promozinc – Promoviendo el consumo de zinc en Latinoamérica. [Online], Número 18. Available: http://www.latiza.com. MALDONADO, A. G., RODRÍGUEZ, A. M. & VÁZQUEZ, G. H. 2009. "Diseño y desarrollo de línea automática de galvanizado de zinc". [Online]. Available: http://www.cotacyt.gob.mx/congreso/memoria/fscommand/industrial/gabriel.pdf. MERIAM & J. L. KRAIGE, L. G. 2000. "Mecánica para ingenieros: Dinámica", d. Reverté, S. A. OGATA, K. 2003. “Ingeniería de control moderna”, Ed. Pearson Prentice Hall QFDLAT. 2010. "¿Qué es el QFD". [Online]. Available: http://www.qfdlat.com/_Que_es_el_QFD_/_que_es_el_qfd_.html. R., C. 2010. "QFD y logística integral,la voz del cliente es el primer eslabón de la cadena". [Online]. Available: http://ciruelo.uninorte.edu.co/pdf/ingenieria_desarrollo/11/qfd_y_logistica_integral.pdf REAL ACADEMIA ESPAÑOLA. 1992. "Diccionario de la lengua española", Madrid, Real Academia Española. RM. 2009. Recubrimientos. Available: http://www.recubrimientosmetalicos.com. SERWAY, A., R. & JETWETT, J. W. 2008. "Física para ciencias e ingenierías", Volumen 2, Editor Cengage Learning Latin America. SHIGLEY, J. E. & D., M. L. 1985. "Diseño en Ingeniería Mecánica", Cuarta edición. Ed. Mc. Graw-Hill. México. SPENCER, J. N., BODNER, G. M. & RICKARD, L. H. 2000. Química, estructura y dinámica, Cecsa. Ingeniería en robótica industrial

185

Referencias

TG.

2010. "Galvanizado respetando el medio ambiente". [Online]. Available: http://tennesseegalvanizing.com/content/view/5/6/. WIKIPEDIA. 2010. "Electrólisis". [Online]. Available: http://es.wikipedia.org/wiki/Electrólisis. ANDERSON, DAVID R. 2004 “Métodos cuantitativos para los negocios”, Novena edición. Ed. Thomson. Paginas 822 HARPER, ENRÍQUEZ. 1994 “Fundamentos de electricidad: circuitos de corriente alterna” Primera edición. Ed. Limusa ANSI. 2010. "Norma ANSI". [Online]. Available: http://www.ansi.org/standards_activities/iso_programs/ ANSI. 2010. "Norma ASME". [Online]. Available: http://www.asme.org/Publications/Journals/


186

Anexos

Anexos


187

Anexos

Anexo 1 Diferencias entre los diferentes tipos de galvanizado.


188

Anexos

Anexo 2 Propiedades de materiales seleccionados usados en ingeniería, Johnston, (2004).

Resistencia última Material

Densidad

Fluencia

Tensión

Compresión

Tensión

Cortante

Módulo de elasticidad

kg/m

MPa

MPa

MPa

MPa

GPa

7860

400

250

145

200

ASTM-A709 grado 345

7860

450

345

200

ASTM-A709 grado 450

7860

450

450

200

ASTM-A992 grado 345

7860

450

345

200

7860

760

690

200

Laminado en frío

7920

860

520

190

Recocido

7920

655

260

Resistencia media

7860

480

75

200

Alta resistencia

7860

620

415

200

7200

170

655

240

7300

345

620

330

3

Cortante

Acero Estructural (ASTM-A36) Alta resistencia aleación baja

Templado ASTM-A709 grado 690 inoxidable, AISI 302

150

190

Acero de refuerzo

Fundición Fundición gris 4.5% C,ASTM A-48

69

Hierro fundido 2% C,1% Si. ASTM A-47


230

165

189

Anexos

Anexo 3 Propiedades de perfiles laminados de acero unidades SI, Johnston, (2004).

Designación W310 x 143 107 74 60 52 44.5 38.7 32.7 23.8 W200 x 86 71 59 52 46.1 41.7 35.9 31.3 26.6 22.5 19.3 W150 x 37.1 29.8 24 18 13.5 W130 x 28.1 23.8 W100 x 19.3

Área 2 A, mm 18 200 13 600 9 480 7 590 6 670 5 690 4 940 4 180 3 040 11 000 9 100 7 560 6 660 5 860 5 310 4 580 4 000 3 390 2 860 2 480 4 730 3 790 3 060 2 290 1 730 3 580 3 010 2 480

Altura d, mm 323 311 310 303 318 313 310 313 305 222 216 210 206 203 205 201 210 207 206 203 162 157 160 153 150 131 127 106


Aleta Ancho bf, mm 309 306 205 203 167 166 165 102 101 209 206 205 204 203 166 165 134 133 102 102 154 153 102 102 100 128 127 103

Espesor tf, mm 22.9 17 16.3 13.1 13.2 11.2 9.7 10.8 6.7 20.6 17.4 14.2 12.6 11 11.8 10.2 10.2 8.4 8 6.5 11.6 9.3 10.3 7.1 5.5 10.9 9.1 8.8

Eje X-X Espesor del alma Ix Sx 6 4 3 3 tw, mm 10 mm 10 mm 14 348 2 150 10.9 248 1 590 9.4 165 1 060 7.5 129 851 7.6 119 748 6.6 99.2 634 5.8 85.1 549 6.6 65 415 5.6 42.7 280 13 94.7 853 10.2 76.6 709 9.1 61.1 582 7.9 52.7 512 7.2 45.5 448 7.2 40.9 399 6.2 34.4 342 6.4 31.4 299 5.8 25.8 249 6.2 20 194 5.8 16.6 164 8.1 22.2 274 6.6 17.2 219 6.6 13.4 168 5.8 9.17 120 4.3 6.87 91.6 6.9 10.9 166 6.1 8.8 139 7.1 4.77 90

rx mm 138 135 132 130 134 132 131 125 119 92.4 91.7 89.9 89 87.9 87.8 86.7 88.6 87.2 83.6 81.8 68.5 67.4 66.2 63.3 63 55.2 54.1 43.9

190

Anexos

Anexo 4 Selección de motoreductor

Anexo 5 Factores de servicio para transmisión de cadena


191

Anexos

Anexo 6 Normas venezolanas para el galvanizado.

Anexo 7 Factor de forma para la ecuación de resistencia de Lewis.


192

Anexos

Anexo 8 Tensiones admisibles para engranes plásticos.


193

Anexos

Planos


194

Automatización del proceso de galvanizado 1.15.pptx

Recommend Documents