UN E N F O Q U E DE LOS S IS TE M A S IN T E G R A D O S DE LA M ANUFACTURA ALWAYS
LEAR N IN G
PEARSON
Fundamentos y planeación de la manufactura automatizada Un enfoque de los sistem as integrados de la m anufactura
Fundamentos y planeación de la manufactura automatizada Un enfoque de los sistemas integrados de la manufactura
Gabriel Hernández López Facultad de Ingeniería Universidad Panamericana, México
Juvenal Mendoza Valencia Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y Administrativas Instituto Politécnico Nacional, México
R evisión técnica
A rm a n d o M artínez Valdez Instituto Tecnológico Superior de Ecatepec E stado de México, M éxico
PEARSON
Dato« J»cauJ<>gaci6ii bibliográfica
HERNÁ N D EZ LÓ PEZ, G A B R IE L > JÜ V E N A L M ENDOZA VALENCIA Fundam ento« y planeación de la m an u factu ra autom atizada. Un enfoque d o lo« «¡«tema* Integrado« de manufactura. IVit nera edición PEA RSO N ED U C A CIÓ N , México, 2015 ISBN: 978-607-32-2914-2 Área: Ingeniería Formato: 21 X 27 « n
l’áglnac: 416
Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español D ilección General: Philip de la Vega Dirección Educación Superior: Santiago Gutiérrez Editor Sponsor: Luis M. Cruz Castillo !uis,cruz<"lpearson.com Editor de Desarrollo: Bernardino Gutiérrez Hernández Supervisor de Producción: Enrique Trejo Hernández (ierencia Editorial Educación Superior: Marisa de Anta
P R I M E R A E D IC IÓ N , 2015
D .R . © 2 0 1 5 p o r P carso n E d u c a c ió n d e M éx ic o . S .A . d e C.V. A tlaconm lco 500-5o. piso Col. Industrial A toto C.P. 53519, Naucalpan de Juárez, Estado de M éxico
Cámara N acional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. núm. 1031.
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ISBN 978-607-32-2914-2 ISBN e-book 978-607-32-2915-9
Impreso en M éxico. P rinted in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 18 17 1615
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ISBN 978-607-32-2914-2
Agradecimientos
A mis Ti-Tís, a mis padres (A ngelina y G abriel), a mis herm anos (Vero, M aru, Leo y Naty) a la U niversidad Panam ericana y a PEA RSO N. Dr. G a b r ie l H e r n á n d e z L ó p e z
A mi esposa, M a. Leonor, por todo el apoyo, a mis padres (Eloísa y Elias), a mis tíos (Nunila y Jesús) y al IPN. Dr. J u v e n a l M e n d o z a Valencia
Contenido
Presentación Prefacio Acerca d e este libro A quién está dirigido este libro Acerca d e los autores Colaboradores
xi xii xiii xiv xv xvi
PARTE UNO
Introducción
2
Capítulo 1
La manufactura agrega valor a las cosas
4
1 .1
D iseño y desarrollo del producto
6
1 .2 1 .3 1 .4
Tecnología y desarrollo Investigación científica El futuro tecnológico industrial
7 11 15
PARTE D O S
Sistem as de manufactura
20
Capítulo 2
Manufactura y sistem as de manufactura
22
2 .1 Clasificación d e los procesos de manufactura
23
2 .2
Sistem a de manufactura
26
2 .3 2 .4
Manufacturas manual y semimanual Sistem a de manufactura flexible (SM F)
30 32
2 .5 2 .6
Manufactura automatizada Fábrica autom ática
37 39
2 .7 Manufactura digital 2 .8 Manufactura integrada por computadora Resumen Preguntas
43 46 53 56
CONTENIDO
PARTE TRES
Fundamentos de la automatización industrial
60
Capítulo 3
Fundamentos de la automatización industrial 3 .1
Tecnologías de la autom atización industrial
62 63
Resumen Preguntas
69 70
Capítulo 4
Herram ientas para el diseño y la manufactura 4 .1 4 .2
4 .3
D iseño asistido por computadora (C A D ) Dibujo del producto y planos de producción 4.2.1 Idea conceptual y dibujos a mano alzada 4.2.2 Planos de producción 4.2.3 M etodología para el diseño de planos de ingeniería Ingeniería asistida por computadora (C A E ) 4 3 .1 El m étodo del elem en to finito (FEM ) 4 3 .2 Formulación de FEM por principio de la energía potencial mínima 433 Sistema de resortes 4 3 .4 llp o s de elem entos finitos 4 3 .5 Proceso de análisis por FEM utilizando aplicaciones de software R esumen Preguntas Ejercicios
72 73 81 81 85 88 101 103 105 107 109 111 121 122 126
Capítulo 5
Técnicas de manufactura automatizada
140
5 .1
Sistem as de sujeción 5.1.1 Sujeción en centros de maquinado 5.1.2 Sujeción para ensam ble 5.1.3 Sujeción para inspección 5.1.4 Sujeción para transporte Sujeción de herramentales 5 .1 3 Sujeción en general Escantillones
141 141 145 146 149 149 150 151
5 .2
Máquinas herramienta de control numérico computarizado (M H C N C ) 5 3 .1 Parámetros de maquinado 5 3 .2 (Consideraciones de refrigeración y lubricación 533 (Calibración y ajuste de máquina (Calibración de las herramientas en un centro de maquinado de torneado 5 3 .4 (Códigos de programación G & M
152 155 157 160 160 161
CONTENIDO
5.2.5 5.2.6 5 .3
Planeación del proceso d e manufactura para centros de maquinados de torneado Cálculo de requerimientos de material
Manufactura asistida por computadora (C A M ) 53.1 Planeación del proceso de manufactura para centros de maquinados de fresado Resumen Preguntas Problemas Problemas para desarrollar Formato de llenado para la planeación d e la manufactura automatizada C N C en aplicaciones de torneado
164 182 183 187 203 204 210 211 234
Capítulo 6
Técnicas de automatización industrial 6 .1
6 .2 6 .3
6 .4
Fundamentos d e neumática industrial 6.1.1 Elem entos de la neumática industrial 6.1.2 Planeación y docum entación en el diseño de circuitos neum áticos Electroneum ática industrial Hidráulica industrial (Conceptos importantes, necesarios e inherentes para diseñar, estudiar o reparar algún sistem a hidráulico Controladores lógicos programables 6.4.1 Planeación y docum entación en el diseño de circuitos autom atizados con PLC Resumen Preguntas Ejercicios de neumática y electro neumática Ejercicios de hidráulica electrohidráulica
242 243 245 248 274 287 289 298 300 312 313 318 321
Capítulo 7
Robots y algo m ás 7 .1 7 .2 7 .3 7 .4 7 .5 7 .6 7 .7
Inspiración e historia de los robots Configuraciones geom étricas d e los robots industriales
324 325 330
C om ponentes y aplicaciones de un robot industrial
336
Características generales de los sistem as d e control de robots industriales (»arras y manos de los robots industriales Sistem a de comunicación y sistem a sensorial de un robot A plicaciones y desarrollos de robots industriales Escenario general de la operación Resumen Preguntas Ejercicios
339 350 355 358 359 364 365 366
o
COMTEWIDO
Capítulo 8
Inspección automatizada 8 .1
Sistem as de visión
374 375
8 .2
Fundamentos de un sistema de visión 8.2.1 Chámaras para un sistem a de visión ÍL2.2 Ópticas para sistem as de visión 8 ^ .3 Sistemas de iluminación Resumen Preguntas
378 378 378 379 387 388
B ib lio g ra fía
389
ín d ice
393
Presentación
Fundamentos y planeación d e la manufactura autom atizada es un texto ideal tanto para quienes se desem peñan en la industria de la manufactura com o para ingenieros en formación en las licenciaturas d e ingeniería mecatrónica, mecánica e industrial; sobre todo en los sistem as integrados d e manufactura, b l libro muestra, a través de ejem plos y ejercicios, los cam bios que han ocurrido en los procesos d e manufactura convencionales; así com o su desarrollo con el fin d e mejorar las condiciones d e los sistem as de manufactura, sin perder de vista los elem entos principales del proceso de producción: el factor hum ano y la calidad del produ cto, b l objetivo final es m os trar, de forma sencilla y m etodológica, cóm o se pueden mejorar las condiciones tec nológicas de los procesos industriales y optimizar las actividades d e programación y operación. b l texto reúne la experiencia del rediseño, la reestructuración y la reprograma ción de equipos de manufactura flexible automatizada d e universidades y d e em presas donde se han realizado actividades de im plem entación d e nueva tecnología, com o el diseño y desarrollo de elem entos d e sujeción, montaje y transporte; además de la creación de una interfaz amigable de programación para el control del sistem a a través de un controlador lógico programable (PLC) que está en comunicación con todas las partes que integran el sistema; y desencadena luego en los com ponentes autom atizados (robots, centros de maquinado, dispositivos electroneumáticos, e le m entos de señalización, etc.) que se integran e interactúan con base en los requeri m ientos d e una variedad d e productos con características similares en su estructura, geometría y propiedades físicas. La obra presenta los fundam entos y planeación de los procesos de manufactura autom atizada para establecer estándares en el desarrollo de diagramas de produc ción (descripción, planos d e fabricación, recorrido, especificaciones para el pro ducto, etc ), analizar la programación del PLC, y generar el plano de planta d e todo el sistem a con una vista tridimensional y virtual, donde se simulen los efectos de la producción y se defina la ubicación física d e los equipos, b n suma, se pretende m i grar al concepto d e manufactura digital (M I)). La manufactura digital es un enfoque de concentración de la información de la producción en una base de datos generalizada, disponible para tod o el sistem a a través de m edios de comunicación basados en redes de cómputo, b sta información p osee todas las especificaciones de los productos en proceso para llegar al cam bio e innovación de una manera más versátil y oportuna, b n resumen, la manufactura au tomatizada es una mezcla de conceptos sobre manufactura, planeación del proceso y automatización; todo controlado por la manufactura digital, en la cual se concentra la información. D ado que es un sistem a inteligente, el conocim iento queda estable cido en forma digital y versátil para la funcionalidad d e un sistem a d e manufactura m ediante el manejo de gráficos y diagramas d e producción. D e este modo se logra una programación d e alto nivel, de fácil manejo para el diseñador, y para el estable cim iento d e tareas fuera d e línea.
Prefacio
b l resultado más visible de la revolución tecnológica es el aprendizaje constante en la forma de hacer las cosas. Las tecnologías de la comunicación han posibilitado considerablem ente la distribución de este conocim iento a nivel mundial, lo que ha redundado en el desarrollo de nuevas ideas en los procesos de producción. b s importante conocer las tecnologías que hacen posible que en el seno de una empresa se creen las condiciones necesarias para el desarrollo de una innovación constante y que, al mism o tiem po, tengan un costo razonable para su im plementación. Lograr este objetivo implica considerar una nueva forma de operación y orga nización en el ámbito empresarial. A ctualm ente, las empresas líder son aquellas que han planeado y definido una estrategia de negocios adecuada, con la cual han obtenido oportunidades únicas dentro del mercado y que al m om ento de explotarlas logran que a sus sectores lle guen otras empresas con características similares para entrar en com p eten cia b s necesario conocer la razón por la cual algunas empresas logran el éxito m ien tras que otras fracasan, cuando al parecer todas tienen el mismo nivel de informa ción para lograr un desarrollo productivo automatizado. La solución está en conocer la estructura del diseño y su ordenamiento, y cóm o la perciben los miembros de la organización. Con esta información las empresas pueden definir un cambio cualitativo en la manera de efectuar el trabajo de produc ción. Para ello se d ebe tener en cuenta que las empresas exitosas tienen un plan de objetivos en el largo plazo, con el propósito central de obtener la satisfacción abso luta del cliente y el consiguiente beneficio para la sociedad. Lo primordial en el desarrollo tecnológico está en función del mercado y las expectativas del cliente para definir las tecnologías a utilizar, así com o el diseño que deben establecer las empresas que buscan la innovación ya que es preciso que cuen ten con un tipo de organización horizontal o en red que facilite la mejora continua.
Acerca de este libro
(3ada tem a presenta un cuestionario del contenido, de m odo que el estudiante com prenda el beneficio de lo que está aprendiendo. Cada tem a se presenta en un contexto de ingeniería y tecnología de la manufac tura, apoyado en diagramas, gráficos e imágenes. Para estimular al estudiante a conocer su capacidad de com prensión y la bús queda de soluciones ante problemas en el proceso de manufactura automatizado, se efectúan el análisis y desarrollo de ejem plos y ejercicios de aplicaciones de autom a tización. Se hacen comparaciones entre las ventajas y desventajas de un proceso tradicio nal y un proceso tecnológico. b l texto presenta aplicaciones reales de automatización realizadas en los proce sos de manufactura de la industria. Se incluye gran cantidad de ejercicios muy atractivos que motivan al lector a encontrar la solución, b stos ejercicios se encuentran tanto im presos com o en forma digital. Las referencias bibliográficas son fuentes de consulta que sirven para fortalecer los conocim ientos adquiridos o bien, para encontrar material especializado sobre un tem a específico.
Lo destacado bl libro presenta ejem plos de actividades y eventos que ocurren a diario en los pro cesos de manufactura, por lo que el estudiante podrá establecer un punto de partida para desarrollar o im plem entar un m odelo tecnológico. A lo largo del texto encontrará gran cantidad de códigos Q R que remiten a vi deos o im ágenes digitales, en escala de grises y a todo color, con movimiento, de las versiones impresas, los cuales puede visualizar a través de m edios móviles.
A quién e s tá dirigido e s te libro
Este libro está dirigido a estudiantes de las licenciaturas de ingeniería mecatrónica, industrial y mecánica, así com o a industriales de em presas manufactureras, y a toda persona que se interese en el conocim iento e investigación de los procesos de ma nufactura y autom atización, de manera que puedan interpretar de forma sencilla y amigable el rol de la tecnología de la automatización en los procesos de manufac tura, lo cual redunda en beneficio de la seguridad industrial, la mejora de la calidad y el increm ento en el volum en de producción, con un enfoque en la planeación y docum entación de la información. Cada capítulo está diseñado para que el lector, estudiante o profesional, rea lice los ejercicios presentados de tal manera que pueda adaptarlos a sus propios objetivos o circunstancias; es decir, que le sirvan de directriz para otros proyectos. Asim ism o, están planteadas para que cada profesor pueda em plear o implementar estrategias diferentes en su solución. El resultado siempre estará más enfocado en la integración de la tecnología que en su diseño.
Acerca de los autores
(laJ)ríel H ernández L ó p e z es actualmente profesor investigador en la Facultad de Ingeniería de la Universidad P anam ericana.llene el grado de doctor en Tecnología avanzada por el Centro de Investigación en C iencia A plicada y Tecnología Aplicada del Instituto Politécnico N acional, M éxico, D. F Su formación académ ica y profesional ha estado orientada hacia la mejora de los procesos de manufactura, cuidando siempre la seguridad del operador, la mejora en la calidad de los productos y el increm ento en el volum en de la producción a tra vés del diseño, integración y desarrollo de la tecnología. Sus habilidades profesionales com prenden el manejo de herramientas de d ise ño y manufactura asistida por computadora (C A D /C A M ),d e integración de robots industriales y aplicaciones de planeación de procesos asistidos por computadora (CAPP). Entre sus desarrollos de integración tecnológica está el rediseño e integración de la Celda de manufactura flexible de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Panamericana, en la cual se ha logrado combinar tecnología diversa para obtener un sistema de producción flexible integrado a un m odo de producción práctico, donde la programación y puesta en marcha ocupa una m etodología sim ple y lógica para establecer un flujo de producción automatizado. El doctor Hernández ha utilizado este equipo para realizar estudios de investi gación científica, los cuales han contribuido en el desarrollo de artículos científicos y de divulgación de la ciencia publicados en revistas arbitradas de nivel científico nacional e internacional. Ju ven al M en doza Valencia es, desde 1991, profesor investigador en Unidad Pro fesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y Administrativas (U P IIC SA ) del Instituto Politécnico Nacional (IPN ). En ese año participó en la crea ción del Laboratorio de Automatización y R ob ótica,y en 1993 colaboró en la ins talación y puesta en marcha de una Celda de manufactura; en 1994 trabajó en la instalación de robots industriales en las instalaciones de la empresa Ford, en Cuautitlán, M éxico,y en 1996 en la instalación de robots en la Ford de Hermosillo, Sonora. En 2000 colaboró en la instalación de una segunda celda de manufactura en el IPN y de 2001 a la fecha ha realizado estudios sobre las empresas que trabajan bajo el concepto de manufactura integrada por computadora. El doctor M endoza es técnico industrial, ingeniero industrial. Maestro en C ien cias en Ingeniería Industrial y doctor en Ciencias Administrativas. Todos sus estu dios los ha realizado en el IPN, los cuales le han permitido abordar diferentes temas para sus trabajos de investigación, los que le han llevado a plantear un nuevo m ode lo de organización industrial basado en la manufactura integrada por computadora, actualmente en proceso de desarrollo.
Colaboradores
Este libro se ha visto enriquecido con la experiencia, ideas y aportes de los siguientes especialistas del sector industrial y académico, ya sea en aplicaciones específicas o en capítulos completos: Ing. A lfredo Cárter Ramírez (SIEM EN S Industry Software). Ing. Mario A lberto Bustos Rivera (SIEM E N S Industry Software). Ing. Francisco G onzález H inojosa (Hidráulica SE1TON). (Edición de la sección 6.3. Hidráulica Industrial). Dr. .luán Carlos Valdés Salazar. (JCVS M A D E IN G E N IE R ÍA ). Dr. Eduardo Haro Sandoval. (Investigador académico de la Universidad Paname ricana). Ing. Fem ando Sotrcs Vítela. (Experiencia laboral en SIEM ENS y KIJKA Systems. M aestría en .Vlecatrónica en la University o f A pplied Sciences FH RavensburgWeingarten en A lem ania). Ing. César Torres Bucndía. (Robotindustrial). Ing. Jorge A lberto Martínez Conlrcras. (Profesor de asignatura de la Universidad Panamericana). Dr. Lázaro Morales A costa (IJD IA T EM -Facultadde Ingeniería, U N A M ). (Edición de la sección 4.3, Ingeniería Asistida por Computadora (C A E ). Es im portante mencionar que el contenido de este libro se basa en los desarro llos tecnológicos de varias empresas que am ablem ente aportaron la información necesaria. Las empresas mencionadas en esta obra gozan de marca registrada y su mención es únicam ente con fines didácticos e ilustrativos.
COLABORADORES
Por último, la mejor aportación a este libro fue la de los alum nos que nos apoya ron con la creación y diseño de im ágenes,sugerencias técnicas,com entarios, revisión, formulación de preguntas y ejercicios. Alejandra M olina Torres Arpi Alejandro (jarcia Ravizé Guízar A lfredo M ier Castañeda Amara Regalado Gutiérrez A na Paula Roqueñi Vleade André Villalobos Lois C onsuelo Barbosa Ibáñez Dafne Karen Carreto López Elisa (io n zá lez Ramírez Grecia Carrillo Zevada Hugo César Sánchez Orihuela Ivette Cros Núñez .lonatan Fuentes Molina .lorge Chavarría A m escua .losé A rce y de la Borbolla .losé Fernando Valera Lozada José Ramón Cruz García Lorena (jarcia Arena Luis A lberto Durán Hernández Luis E usebio Márquez Ordaz Luis Manuel Noriega G onzález Luis Javier Carballo Ontiveros Martha Leticia Arzate Ramírez Mónica Raquel M endoza Orta O svaldo (ion zález Molina
P A R TE
U
N
O
Introducción
En esta p rim e ra p a rte verem os el enfoque del valor agregado al p ro d u cto con el s o p o rte de la ciencia y la tecnología. Este enfoque no es únicam ente en el p ro d u cto , sino tam bién en el p roceso de la m a n u fa ctu ra , que es el principal siste m a de la creación industrial. Con el apoyo de la investigación científica el fu tu ro tecnológico de la in d u stria m a n u fa ctu re ra se rá la base del éxito industrial. M K
► ►
¿Qué es diseño?
►
¿Qué es la ciencia?
►
¿Qué es la tecnología?
►
¿Cómo pueden ayudar la ciencia y la tecnología a la industria?
►
¿Qué es la investigación científica?
►
¿Cuál es el fu tu ro tecnológica de la industria?
¿Qué es el producto?
c a p ítu lo
7]
I
J = r 3 3 .-
La manufactura agrega valor a las cosas
CAPÍTULO 1
La manufactura agrega valor a las cosas
La manufactura es el m edio para elaborar diversos productos —los cuales varían en su diseño, tam año y com posición— y que les da un valor agregado con el fin de crear mayor demanda en el mercado. Sin embargo, en ocasiones la manufactura no cumple con su función o lo hace con un m ínim o de tecnología e innovación. Por lo tanto, para que la manufactura ofrezca valor agregado a sus productos requiere aplicar alta tecnología e imaginación, que es uno de los rubros de mayor importancia en la industria. Asim ism o, debe cumplir con altos estándares de seguridad, calidad y producción industrial, de m odo que genere productos con valor en su diseño para mantener la máxima confiabilidad en su función. En consecuencia, quien ofrezca estas condicio nes y un buen producto, logrará tener mayor dem anda en el mercado, generará una mejor im agen y será líder en su ramo. Es im portante aclarar que el logro de estos estándares requiere una constante disciplina en el accionar de la industria, así com o de grandes inversiones que al final redituarán en beneficios económicos. D e acuerdo con el concepto de la manufactura con valor agregado, la industria d ebe hacer un cam bio en la tecnología que aplica en su proceso m ediante el uso in tensivo de la automatización y un enfoque de flexibilidad en la manufactura. Para lograr este cambio, es importante contar con una amplia docum entación en todo lo referente al proceso de manufactura, conceptos, fundam entos y especifi caciones técnicas, lo cual está ligado a la experiencia que la industria ha adquirido a lo largo de los años. Es necesario entender la manufactura com o el arte y la capacidad de las em presas para desarrollar productos originales y evitar que la com petencia las imite. A dem ás, la evolución y avance de la tecnología hace que algunos productos vayan volviéndose ob soletos y terminen por desaparecer (com o ocurrió con los discos de 5% y 3W, reproductores de C D, casetes con form ato Beta, entre otros), por lo que se necesita una constante innovación. Se requiere también una organización integral de la maquinaria y el equipo, así com o de los recu rso s h u m a n o s y fin a n ciero s de la e m p r esa , además del cam bio d e actitud de los d ir e c tiv o s para generar los lin c a m ie n to s y las co n d ic io n e s req u erid os. Con el fin de que este arte se desarrolle en el seno de la em presa es necesario contar con dos variables: por una parte, los desarrollos tecnológicos y, por otra, los recursos humanos; am bos para ser utilizados y aplicados en la búsqueda de ideas propias que generen una mejora en el producto. Para ello es preciso tener bien defi nidos los objetivos, porque en el proceso se generará un cúm ulo de ¡deas que apor tará los elem entos para aceptar o rechazar los proyectos que se presenten. En este proceso se trabajará con mucha incertidumbre y se estará som etido a muchas pre siones y preocupaciones que pondrán en duda la decisión tom ada, si ésta no parte de premisas cuantificables y de un conocim iento profundo del mercado. Un ejem plo es el caso del primer motor de combustión interna con em isiones bajas en conta minantes, desarrollado por Honda en la década de 1970, o el del m otor híbrido de Toyota, en la década de 1990; ambos desarrollos implicaron recursos millonarios y, en caso de fracasar, hubieran provocado la quiebra de dichas empresas. D esde esta perspectiva, en ocasiones la alta dirección debe esperar a que la idea madure (caso T oyota) para recibir los beneficios de su decisión. Excepcionalm ente la idea puede coincidir con una dem anda de los gobiernos (caso Honda); aunque en am bos casos los riesgos fueron evidentes. Si la creatividad es un elem ento indispensable para cualquier empresa, se esp e raría que todas la fomentaran; la única condición es que se invierta en tecnología, reorganización y desarrollo humano, pero para ello es necesario que las empresas se encuentren en bonanza económ ica; de lo contrario no pasará de ser un buen deseo. Es posible que algunas compañías tengan una buena situación económ ica, pero en lugar de invertir sus ganancias en acciones creativas lo hagan en otras actividades no
PARTE UNO
Inlroúucckki
tan necesarias. Quizá la alta dirección considere que la generación de ingresos será continua y vea sólo su presente sin planear su futuro. Sin embargo, si la situación cambia no se tendrán elem entos que permitan contar con una alternativa que res ponda a la demanda del mercado; com o fue el caso de G eneral M otors Company, la cual se especializó en vehículos grandes, que en su m om ento representaron un buen ingreso, dejando de lado el desarrollo de m otores que ahorraran combustible, con cepto que encaja muy bien con la situación actual, por lo que ahora debe pagar rega lías a la em presa que sí lo hizo, con lo que sus utilidades disminuyen y se presentan problemas de flujo de efectivo, lo que la hace poco atractiva para los inversionistas. El concepto de creatividad lo entendieron muy bien las empresas japonesas en la década de 1960 al cambiar su manera de trabajar con una organización de tipo vertical (la cual inhibe la creatividad) por una de tipo horizontal, que, com o se dice ahora, prom ueve el em poderam iento de los em pleados, quienes tienen que resolver los problemas de su área de trabajo, administrarla y desarrollar sus habilidades y conocim ientos, lo cual proporciona, en consecuencia, la posibilidad de aportar ideas que generen una mejora continua y el desarrollo de nuevos productos. Para los crea tivos que propongan productos totalm ente novedosos, aun cuando parezcan muy descabellados, lo im portante es visualizar su factibilidad y si están dentro de la visión estratégica de la empresa. C uando la empresa entra en la dinámica de agregar valor a los productos m e diante la innovación, generará un am biente de trabajo muy positivo, ya que los in volucrados en el proceso romperán con la monotonía, encontrarán atractivo el lugar de trabajo y disminuirá la rotación de personal, lo cual implica para la em presa una actividad constante de capacitación, a diferencia de las organizaciones tradicionales, que llegan a tener exceso de rotación en su personal cada año, síntoma de que el trabajo es aburrido a lo largo del tiempo. Si la dirección no está segura de la conveniencia de desarrollar una idea, nadie dentro de la empresa lo podrá realizar, ya que los recursos para hacer que los cam bios se puedan gestar están en manos de la alta dirección,pues tiene bajo su responsabili dad la asignación de los aspectos financieros, tecnológicos, humanos y de equipos. Si durante la época de bonanza económ ica se dan las condiciones adecuadas en la em presa, y los directivos y propietarios deciden invertir una p a n e considerable de sus ganancias en el desarrollo, se sientan las bases de un crecim iento sostenido y, de lle gar las épocas de penuria económ ica, estará en condiciones de soponar los malos tiem pos, puesto que ha form ado un grupo acostumbrado al cam bio y ve esta nueva situación com o una oportunidad de llevar a cabo una transformación sustancial en la manera de hacer, además de contar con los instrumentos tecnológicos para lograrlo.
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Diseño y desarrollo del producto
Diseñar es formular un plan para satisfacer una necesidad específica o resolver un problema. Si del plan resulta la creación de algo físicam ente real, entonces el pro ducto debe ser funcional, seguro, confiable, com petitivo,útil, que pueda fabricarse y comercializarse. El diseño es un proceso innovador y altamente iterativo; es una acti vidad de intensa comunicación con el proceso de manufactura, el cual debe tener un concepto de planeación y organización que busque que todo su actuar sea funcional, seguro, confiable, útil y por lo tanto competitivo. El diseño es un concepto integrador, dirigido al producto,y el proceso de manu factura es el producto principal de desarrollo. Las fuentes personales de creatividad de un diseñador, la habilidad para com u nicarse y la destreza para resolver problemas están entrelazadas con el conocim ien to de la tecnología y sus principios fundamentales. En el siglo xxi el diseño se ha acelerado de manera exponencial, debido princi palm ente al uso de la computadora, que trae consigo una serie de nuevas posibili
CAPÍTULO 1
La manufactura agrega valor a las cosas
dades para desarrollar productos en poco tiem po, con ahorros sustanciales para las empresas. Esto se refleja en la disminución de costos de producción, mejor calidad y mayor búsqueda de la satisfacción del cliente. Para lograr este propósito las em pre sas deben invertir en tecnología, en particular en sistem as C A D /C A E 'C A M (diseño asistido por computadora, ingeniería asistida por computadora, manufactura asisti da por computadora), aplicaciones com putacionales que son básicas para maximizar los beneficios Estos tres sistem as deben trabajar de manera modular en el área de ingeniería, donde los ingenieros de diseño, manufactura y calidad puedan ¡nteractuar en tiem po real,con una base de datos que permita generar un historial,comparar los resultados con experiencias pasadas y, de esta manera, generar poco a poco un conocim iento que facilite y agilice la tom a d e d ecisiones Al eliminar el uso d e papel se logra una respuesta ágil y pronta ante situaciones inesperadas o crisis repentinas Es de vital importancia comprender el uso de los desarrollos informáticos en el seno de la em presa, pues si los responsables no están convencidos d e la relevancia de esta estrategia competitiva, el resultado será un enfoque tradicional, poco dinámico y con adecuaciones mínimas a los productos, poca o ninguna relación entre las áreas de manufactura y calidad y, por lo tanto, se perderá la idea original, así com o sus ventajas, con la consiguiente desilusión d e los participantes en el proceso productivo. C om o podem os apreciar, en la actualidad no es posible dividir el diseño y el d e sarrollo del producto; am bos procesos están íntimam ente ligados, se concatenan y se retroalimentan. Para lograrlos, es preciso considerar los objetivos de manufactura com o una unidad indivisible, teniendo presente, por un lado, las mejoras y, por otro, el análisis de los dispositivos físicos con que se cuenta para tal fin. A h í radica la dife rencia con los tiem pos pasados, donde unos pensaban y otros ejecutaban.
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Tecnología y desarrollo
La tecnología es el resultado de la aplicación de la ciencia con propósitos prácticos. Ciencia y tecnología están íntim am ente ligadas; sin la primera no es posible la se gunda. En cuanto la ciencia encuentra una solución, el siguiente paso es buscar la manera de que dicho descubrim iento se pueda producir en masa, lo cual exige e n contrar formas económ icas para dar los pasos requeridos. Hay todo un cuerpo de tecnólogos cuya función es lograr este propósito; sin embargo, existe un desfasam iento entre el m om ento en que se descubre la solución y el m om ento en que el producto puede ser utilizado por el público consumidor. Hay casos en que la ciencia no puede definir con claridad qué origina ciertos problemas; entonces se parte d e premisas equivocadas. A sí, no existen las condicio nes tecnológicas ni m ateriales para resolver dicho problema. Pueden pasar muchos años entre su descubrimiento a nivel teórico y su puesta en práctica. En algunas situaciones los desarrollos científicos brindan escasos resultados prácticos, debido a que demandan un fuerte grado de estudio y profundización. Por ejem plo, en el caso de la salud, ante el conocim iento del origen de las causas de las enferm edades.ahora se cuenta con la solución para los padecim ientos que aquejan a la humanidad. A un que todavía falta mucho tiem po para que la población en general disfrute estos be neficios científicos,se tiene c ie ñ a seguridad d e que se avanza por el cam ino correcto. Es arduo el camino por el que la ciencia tiene que avanzar para lograr una serie de desarrollos por el bienestar d e la humanidad. En este proceso, la ciencia modifica la form a d e pensar e incluso altera nuestra percepción del mundo y d e los conoci m ientos A l aplicar los avances d e la ciencia m ediante la inversión en tecnología se solucionan algunos problem as, lo cual implica bienestar y un im pacto positivo en la actividad productiva d e cualquier país La ciencia investiga y crea; la tecnología pone los descubrim ientos al alcance de la sociedad. N o es de extrañar que los países que más invierten en ciencia y tecno-
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Introducción
logia sean los más industrializados y, por lo tanto, los que tienen una población con mejor nivel económ ico, gracias a las m últiples opciones que ofrecen a los mercados interno y externo, lo que generalm ente impacta en el desarrollo humano. Sin embar go, en los países donde la función de la ciencia y la tecnología y su relación directa con el desarrollo industrial no está del todo empatada, es más com plicado realizar innovaciones En consecuencia, su participación en el mercado es limitada, por lo que requieren más apoyo del sector gubernamental para enfrentar a sus com peti dores internos y externos y ser viables en el futuro. La falta de tecnología conlleva resultados muy pobres,y la venta de sus productos se da a precios altos debido a que sus procesos industriales son más limitados, lo que dificulta su participación en los mercados extranjeros. CXxando se conjugan la ciencia y la tecnología en el desarrollo industrial de un país, no es de extrañar que al paso de los años la población que entra en esta diná mica de trabajo tenga más posibilidades de dominar a sus competidores. Un efecto directo que cualquier país desarrollado puede verse en el sentido de que el número de industrias y su nivel de reservas aum entan,que la población en general incremen ta su consum o, viaja más y tiene mayor crecim iento económ ico. A partir de aquí, el concepto de los involucrados en el proceso económ ico es de una visión optim ista del futuro. A n te estos hechos tan evidentes para el mundo, en los países que no tienen éxito económ ico el bienestar se atribuye a una serie de lim itaciones Por ejem plo, los costos de mano de obra están entre 5 y 10% de la produc ción. dato que se utiliza para justificar el elevado costo de producción. A n te esta afirmación, que se generaliza en los medios de comunicación y la sociedad, muchos individuos y empresas dan validez a los prejuicios y realizan una serie de acciones encaminadas a reducir más el sueldo del trabajador para disminuir el costo de los productos. Además, se instalan en las regiones más apartadas, pasan de una econ o mía de consum o a una de subsistencia, y m ediante esta acción esperan ampliar su oportunidad de venta de su producto en los mercados interno y externo. A l paso del tiem po se dan cuenta del error y terminan por perder recursos financieros y agravar la situación económica. A ctualm ente hay países que invierten en ciencia y tecnología y no tienen un protagonism o importante, es decir, no están logrando los resultados esperados. Tal es el caso de los países occidentales desarrollados que están siendo desplazados del com ercio mundial que encabezaron durante más de dos siglos. Esto se puede ver al encontrar en los supermercados más mercancía extranjera que nacional. En el caso de los países en desarrollo tal situación es explicable, pero en los que se pensaba que eran potencias, de algunos de los cuales surgen las innovaciones industriales más actuales, es difícil de explicar. Esto desorienta de gran manera a quien busca una solución al problem a de desarrollo económ ico, e incluso podría justificar su poca inversión en ciencia y tecnología al aducir un ahorro en épocas de crisis. C om o ya se m encionó, las sociedades están en constante cambio, los desarrollos tecnológicos tienden a potenciarlas, por lo que éstas se tienen que desprender de las formas tradicionales para producir, pasando, de una cultura laboral que en épocas previas les llevó a ganar las guerras de todo tipo. Esto evidentem ente representa para el ciudadano común un orgullo nacional, y podría llevarlo a argumentar que su m odo de hacer es válido, a la vez que implica seguir usando la tecnología tradi cional: la que sólo sirve para producir un bien único para el que existe un mercado. Basta mirar el crecim iento de las ciudades para reafirmar tal premisa. La cultura laboral las ata al pasado y no les permite ver que junto al avance tecnológico (el uso de Internet), hay otros actores económ icos que parten de premisas muy diferentes, por lo que aprovechan esta debilidad. Sin embargo, también es claro que una de las ventajas de la nueva tecnología es que perm ite fragmentar el mercado y crear una innovación constante; por esta razón, se piensa continuam ente en formas flexibles de hacer y trabajar, para que en las empresas y sociedades surjan nuevos m odos de hacer y mirar el mundo. Lo más lógico sería ver cuál es su estrategia industrial,estu-
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La manufactura agrega vakw a las cosas
diaria y com prenderla para que la sociedad pueda asimilarla. Esto generará que los países potencien sus capacidades, y provocará el desarrollo de aptitudes naturales, con lo que competirán en condiciones más favorables. A veces hay resistencia al cambio, a aceptar que ya es posible hacer realidad algunas teorías científicas planteadas en otros tiempos; pero mucho depende del nivel de desarrollo del país y d e su nivel científico, que dan com o resultado el éxito com o nación. Se plantea que los sistem as se retroalimentan mutuamente, y lo que pase en alguno necesariamente afectará a los demás, lo cual quiere decir que la cien cia siempre tendrá verdades parciales, directam ente enfocadas en los lím ites d e su tiem po,y confórm e avance éste,se propondrán otras soluciones para esos problemas y para los nuevos, (.'orno resultado se crearán productos novedosos; todo a partir del origen (la ciencia) y la consecuencia (la tecnología), por lo que hay mucho camino por recorrer, y en el transcurso, el conocim iento se vuelve infinito. Cuando en una em presa se utiliza la ciencia para encontrar una solución y con la tecnología se le da una aplicación d e tipo co m erciarse inicia un proceso d e m e jora continua para m antenerse en el mercado y recibir los beneficios del desarrollo industrial. En este punto participan profesionales, técnicos y personal operativo, lo que perm ite m antener actualizado su producto, y a medida que más empresas na cionales o internacionales se interesen en él, surgirá una com petencia feroz por los mercados, de tal forma que los participantes tienden a realizar un conjunto de estra tegias para obtener la aceptación del consumidor. Este proceso no está exento de dudas y cuestionam ientos que deben resolverse lo más imparcialmente posible para evitar que los com petidores invadan el mercado o desplacen a la empresa. Este desa rrollo genera nuevos puestos de trabajo que no se hubieran requerido si el producto no se comercializara. A sí, al tener éxito la empresa, los trabajadores disfrutan de una serie de beneficios económ icos y se genera una cadena productiva, la cual impulsará otros sectores de la economía. Eso fue lo que ocurrió con la producción en masa del autom óvil ideada por Henrv Ford a principios del siglo x x y los efectos que provocó en el resto de la actividad económica: a mayores volúm enes de producción, mayor fue el número de personas, entidades sociales y gubernam entales que recibían los beneficios de la innovación. Si lo anterior se genera en época de buenos resultados económ icos, quizá los involucrados presionen; cuando los tiem pos son difíciles se ve afectado directamente su m odo de vivir, surge la necesidad d e realizar cambios, lo que los impulsa a poner en práctica una serie d e ideas nuevas, algo que no se hubiera hecho en época de bonanza. Es el m om ento en que los directivos están en condiciones d e realizar los cambios o resistirse a ellos; en am bos casos hay riesgo, por lo que es necesario ana lizar cuidadosam ente las circunstancias. Una buena recomendación es ver qué está haciendo la com petencia y conocer sus puntos fuertes y débiles (FO D A : Fortalezas, Oportunidades, D ebilidades y A m enazas). Con esta información la empresa está en condiciones d e definir su respuesta y poner en práctica una serie d e pasos com o planear, dirigir y controlar, de forma que con el tiem po pueda ajustar sus decisiones a las condiciones del mercado. Surge así la necesidad d e controlar los procesos (administrativos y d e fabrica ción) en tiem po real, para dar respuestas específicas en los m om entos precisos. D e otra forma, en las condiciones actuales no se puede com petir de manera sana. Si la información llega desfasada en el tiem po, lo que se decida serán las condiciones del día, sem ana o m es pasados; esta tom a de decisiones se aproximará a la realidad dependiendo de la diferencia en tiempo. En este m om ento un día d e diferencia es mucho, pues en 24 horas se habrán realizado un sinnúmero de actividades que sería muy difícil corregir sin caer en costos que harían que la empresa fuera m enos pro ductiva respecto de sus com petidores Para llevar la información a tiem po real es necesario contar con la tecnología de la información, la cual se ejecuta en un servidor, redes de com putación, nodos de
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computadoras, sistem as de recolección de datas en campo, sistem as de análisis de datos, procesam iento de datos y representación gráfica, de tal form a que quien re ciba la información la pueda comprender de manera simple, lo cual lo libera de la tediosa necesidad, com o en el pasado, de los reportes escritos. D e aquí la urgencia de dominar la tecnología de la información, junto con las de manufactura, ya que la primera elim ina toda la parte de docum entación impresa (burocracia) y las segundas las de tener constantem ente un trabajador frente a una máquina. D e esta manera, el lugar de trabajo se transforma totalm ente respecto de los centros de trabajo del siglo xx. D e tal su e n e que ahora se requieren recursos humanos con el conocim iento para trabajar en empresas computarizadas. La tecnología abre la posibilidad de un cambio radical en el m odo de hacer, lo que los econom istas denominan desarrollo, el cual se logra si la em presa es capaz de generar escenarios económ icos totalm ente nuevos. Actualm ente existen empresas que cuentan con un conjunto de tecnologías, pero sus dirigentes carecen de la visión adecuada para obtener el máximo prove cho de estos recursos, pues aún tom an decisiones com o en el siglo x x , lo cual impi de aprovechar el enorm e potencial de la tecnología computarizada, por lo que sus efectos positivos son mínimos y quedan expuestas ante empresas que sí las están aprovechando, lo que explica el pobre dinamismo de las econom ías que trabajan con criterios ya superados. Se debe estar consciente de que uno de los efectos de la aplicación de la tecnolo gía es la transformación social, la cual se ve influenciada por las nuevas posibilidades una vez que los instrumentos tecnológicos se ponen al alcance de la gente. En el siglo x x era muy raro que los trabajadores pudieran comunicarse con alguien que estuviera fuera de su comunidad, por lo que su ámbito social se circunscribía sólo a su entorno: esto implicaba una comunicación limitada. Si alguien quería salirse de estos lím ites tenía que pagar altos costos de comunicación; las empresas eran los úni cos entes sociales que realizaban la comunicación fuera de su com unidad e incluso tenían la posibilidad de cargar los costos a sus clientes. Ahora, en el siglo xx i, es muy común que las personas proporcionen sus correos electrónicos, tengan comunicación por Internet en tiem po real (chat), donde pueden incluso ver a su interlocutor, mandar docum entación escrita en ese mismo m om ento si la otra persona lo solici ta, entre otras acciones en tiem po real. Esto perm ite que las personas y las empresas exploren otras formas de realizar intercambios mercantiles, pero lo curioso del caso es que los jóvenes y los estudiantes son quienes más utilizan esta posibilidad. En cambio, las empresas usan poco estos m edios de comunicación, porque algunos directores los ven más com o entretenim iento que com o parte del negocio. En este punto es importante destacar que si dos o más personas se comunican tienen la po sibilidad de realizar negocios; sólo es cuestión de que alguna de ellas vea esta posi bilidad y trate de explotarla. A lo largo de la historia la comunicación ha fom entado el comercio; si se realiza en tiem po real y a costos muy bajos (lOp de dólar por día), se tendrá una retroalimentación constante y se estará informado de los cam bios y necesidades que surjan, minimizando las pérdidas por m odificaciones en las caracte rísticas, volúm enes y tiem pos de entrega de la mercancía. Por lo tanto, las compañías debieran empezar a considerar este nuevo potencial, el cual está a su disposición y puede funcionar con la infraestructura actualmente instalada. A sí com o la comunicación en tiem po real y a precios económ icos cambia la manera de hacer, hay ahora una gran ventana de oportunidades; sólo se requiere considerar esta posibilidad y explotarla. N o es casual que grandes compañías, las cuales fueron fundadas por jóvenes que tuvieron la visión y bascaron la manera de masificar su idea, sean hoy las que más éxito a nivel mundial han tenido, en com paración con empresas tradicionales, las cuales conservan un enfoque del siglo xx (por lo que no es de extrañar que sean las que más pérdidas registraron en la crisis de 2008). Dada la manera tradicional de hacer llegar la información, sus directivos sim plem ente ignoraron lo que el mercado demandaba. Es necesario que cambien de
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manera sustancial la forma en que están operando, pues de lo contrario se hundirán m ás cada día. Otro ejemplo: en el siglo x x , para que un banco pudiera autorizar un crédito a un cliente, era necesario que presentara una constancia de ingresos, hiciera público su historial crediticio y permitiera la revisión d e toda su documentación personal. La solicitud y la docum entación se pasaban al departam ento de análisis de crédito; posteriorm ente se hacía una investigación y, si todo resultaba positivo, se autorizaba el crédito; el tiem po que tom aba hacer esto era entre 7 y 30 días. Esta manera de operar sim plem ente eliminaba la posibilidad de trabajar en tiem po real. Posiblem ente el cliente hiciera el mismo trámite en otras instituciones, con lo que en caso d e aceptación podría contar con varios créditos autorizados simultáneamente, y no sería raro que al principio cumpliera con los pagos mientras tuviera liquidez y que en poco tiem po cayera en insolvencia, por lo que se convertía en un problem a para los bancos. En cambio, gracias a la tecnología, las instituciones bancarias se coordinan para tener una base d e datos común donde todos concurren en tiem po real, y al m om ento que un cliente hace una solicitud se conoce su historial crediticio, si tiene otros préstamos, si tiene créditos en el extranjero y a qué lugares viaja nor malmente; esto proporciona un perfil real del cliente, y en e se m om ento se autoriza o se rechaza el crédito, por lo que el riesgo prácticamente se elim ina y se disminuye el costo administrativo, ya que sólo se requiere una persona, se genera una imagen de eficiencia del banco y se está acorde con el potencial d e la tecnología.
Investigación científica La ciencia hace la diferencia entre los países desarrollados y los que no lo son, y es consecuencia directa de la importancia que le dan los responsables del desarrollo de políticas; también está en relación directamente proporcional con el grado en que la sociedad la considera necesaria. El hombre ha vivido en sociedad desde hace 12 000 años, y en este periodo se puede analizar por qué ha habido pueblos que sobresalen de los demás. A l investigar la razón encontram os que la causa es el grado en que se explican los fenóm enos naturales y cóm o aprovechan ese conocim iento en benefi cio de la comunidad. Cuando hay un divorcio con la naturaleza sim plem ente no es posible m antenerse por mucho tiem po en una región determ inada, por lo que los pueblos emigran, d e m odo que el desarrollo social está directamente relacionado con el grado en que los pueblos resuelven sus problem as a lo largo del tiempo. Si una condición indispensable para la vigencia d e las sociedades es la ciencia, ¿por qué no todas le dan la misma importancia? Para responder esta pregunta es necesario remontarnos a los orígenes del grupo social y cóm o se formó. A l analizarlo detalladamente encontram os que hay sociedades cuya permanencia en el tiem po ha sido constante, com o China e India,cuyos orígenes se remontan a 7000 años. Duran te este periodo desarrollaron una cultura propia, artes y en general una cosm ovisión del m undo muy particular: en esta etapa se observan épocas de prosperidad y penu ria, y vem os que aportaron al mundo una serie d e conocim ientos que han enrique cido a otras culturas, por lo que los beneficios de su desarrollo no se circunscriben sólo al ám bito local, sino que trascienden al entorno mundial. La form a de mirar el mundo se traduce en cóm o se conducen las sociedades, por lo que los conocim ientos se pueden utilizar para acumular riqueza. Por ejem plo, los pueblos mesoamericanos desarrollaron un conocim iento muy especializado y profundo en tem as d e civiliza ción, que les sirvió d e base para la explicación del mundo. También les servía para definir el inicio d e las siembras y obtener cosechas abundantes El conocim iento lo detentaba la casta principal. A sus integrantes se les podría considerar com o los primeros científicos, pues si su conocim iento e investigaciones progresaban, la pros peridad de su com unidad se fortalecía: si por el contrario, se limitaban o estancaban,
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surgía» los problem as sociales, En suma, la ciencia ha jugado un papel central en las civilizaciones. Una de las características naturales del ser humano es la curiosidad, que es el origen de la ciencia, pues al hom bre siempre le atrae conocer cosas nuevas; si no hay un conocim iento nuevo, el conocim iento existente deja de tener interés para las personas, la vida se vuelve aburrida, deja de tener sentido. Cuando las sociedades repiten lo ya sabido se inicia un proceso de degeneración que puede llegar a ser permanente, y entonces es necesario buscar algo que le dé interés a la vida. Aunque al parecer esto se aplica sólo a algunos individuos, en realidad todos actúan de la misma manera. Cuando una persona tiene que realizar la misma actividad todos los días, genera una gran frustración, sus niveles de estrés aumentan y a la menor pro vocación explota, lo que da por resultado relaciones sociales negativas, disminución de la productividad, cansancio acentuado, etc.; una muestra más de que el hombre tiene una aptitud científica para conocer algo nuevo y aumentar el conocim iento día con día. Se podría pensar que esto no es verdad porque algunos individuos son más creativos y otros menos; la explicación está en la diversidad, la cual ha permitido so brevivir a la humanidad a lo largo del tiem po y poder adaptarse al cambio; es decir, en algunas circunstancias hay seres humanos que responden mejor a determ inados factores naturales, y es cuando sobresalen. Es algo iterativo que permite que siempre haya una respuesta a una situación inesperada, y es donde podem os encontrar la im portancia de ser diferentes, pues si todos fuéram os ¡guales responderíamos de la misma manera a los diferentes estímulos, lo cual pondría en peligro la existencia de la humanidad. Las condiciones am bientales son infinitas, por lo que se requiere que siempre haya alguien que pueda responder al cambio. Si la diversidad es una fortaleza de la humanidad, quiere decir que encontrare mos una gran cantidad de individuos con cualidades únicas, las cuales sólo espera rían las condiciones para desarrollarse, com o un m ecanism o secreto de la evolución humana que garantizara en el tiem po una adaptación al cambio. En las diferentes disciplinas que se conocen hasta el m om ento un número determ inado de individuos responde positivam ente, mientras que una gran mayoría siente poco interés, lo que no quiere decir que estem os condenados a realizar actividades poco atractivas, dado el muy bajo nivel de motivación que tenem os en general. C om o se plantea, los m e canismos naturales de la humanidad hacen que el hombre tenga cualidades que no siempre se manifiestan, pero que bajo ciertas condiciones estimulan acciones positi vas, con lo que se confirma que hay individuos creativos y no creativos. Hay quienes nos comparan con las sociedades de insectos, com o las hormigas o las abejas, donde cada individuo está programado para realizar una función específica. Según este tipo de programación natural, una especie tendría un tiem po de vida muy corto en el planeta; la diversidad, y no la especialización, garantiza su permanencia, lo que echa por tierra la idea de que algunos individuos están programados para dominar a los demás, pues todos los seres humanos tienen en sus genes elem entos que estimularán su interés en circunstancias específicas. Si la ciencia es só lo el resultado de ciertos estím ulos am bientales en m om entos determinados, originará que algunos individuos respondan mejor a tales estímulos, creándoles un interés genuino por conocer el porqué de su vivencia y una necesidad de desarrollar un conocim iento profundo del fenóm eno visto. A (ia lileo Cialilei1 le apasionaba lo relacionado con el Universo. Desarrolló una teoría que explicaba el m ovim iento de los planetas y su relación con la Tierra. Entre sus aplicaciones está la fabricación de telescopios,con los cuales no sólo permitieron ver las estrellas sino también vigilar los puertos; en el primer caso su investigación o conocim iento cien; G al ¡loo G alilei (1564-1642), físico q u e estuvo relacionado estrecham ente con la revolución científica. M ostró interés p o r casi to d as las ciencias y artes (m ú sic a ,lite ra tu ra ,p in tu ra ).S u s logros incluyen la m ejo ra del telescopio, gran v aried ad d e observaciones astronóm icas y la prim era ley d e l m ovim iento. Se le ha considerado el p a d re d e la astro nom ía y d e la física m odernas y padre de la ciencia.
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tífico era básico, y en el segundo era práctico, pues de ese m odo se podía saber si el barco era enem igo o amigo y la población se preparaba para una circunstancia específica. AI conocer cosas que aparentem ente tenían poca relación con la vida co tidiana, (ia lileo encontró elem entos que estimulaban su curiosidad, lo ponían en un estado de satisfacción constante, y al paso del tiem po le dieron oportunidad de ex plicar mejor aquello que había llamado su atención, con lo que se acrecentaba el área de interés. Durante la mayor parte de la vida civilizada la investigación científica ha ocurri do de manera no sistematizada, porque en pocas culturas ha tenido una importancia central, com o en la de los griegos. En la cosm ovisión griega se daba gran importan cia a los fenóm enos naturales, y la observación de los m ism os m otivó el surgimiento de preguntas que sus pensadores trataron de responder filosofando sobre la ética, la de la razón, un elem en to básico para que la ciencia florezca. Si el hombre no tiene el destino en sus manos, su obligación es comprender los fenóm enos que lo rodean, generándose un conocim iento que explique el sentido científico del desarrollo, ex plicación que debe estar respaldada por saberes teóricos y sin lim itaciones políticas y sociales; es decir, aunque lo que se concluya no sea del agrado de la mayoría, la ra zón debe prevalecer. También es importante considerar que nunca se tiene lo último de la investigación, por lo que la verdad científica siempre se estará cuestionando, dejada al libre desarrollo de las ideas, que pueden cambiar con el paso del tiempo. Se considera que la ciencia es resultado del trabajo continuo de uno o varios in dividuos, los cuales dedican su tiem po a esta área. La ciencia requiere personas que tengan resueltas sus necesidades básicas y estén motivadas a estudiar un tem a en e s pecífico; así, surge la división del trabajo, pues mientras unos piensan otros ejecutan; de los primeros se espera que generen ideas nuevas, y de los segundos que puedan entenderlas y llevarlas a la práctica. A m bos tipos de individuos se complementan mutuamente; uno no puede existir sin el otro: el creativo (el hom bre pensador) y el operativo (el hombre libre y común). Esta diferenciación entre los hombres es una barrera artificial, provocada por las circunstancias económ icas de cada individuo. C om o la sociedad es el resultado de eventos aleatorios, solam ente quienes experi mentan las condiciones favorables tienen la posibilidad de elegir, y los demás tienen que hacer un esfuerzo mayor para lograr sus metas. Sócrates, Platón y A ristóteles fundaron la A cadem ia en Grecia, pues tenían resuelto su m odo de vida, por lo que podían dedicar su tiem po a pensar en cuestiones trascendentales com o la filosofía y las artes, con lo que no pretendían obtener un beneficio económ ico, sino más bien desarrollar una manera de concebir el mundo m ediante las matemáticas, la física y la química, cuyo objetivo era cuantiticar la materia hasta su mínima expresión, con m odelos que permitían reproducir los fenóm enos de manera controlada hasta des entrañar sus secretos A l principio eso s conocim ientos estuvieron al alcance de un grupo reducido de personas (los hombres libres),de forma que si individuos de civilizaciones diferentes se interesaban por informarse sobre ellos les era preciso viajar a donde se habían generado; la difusión del conocim iento era lenta y tortuosa; el intercambio de ideas requería mucho tiempo. A dem ás debe considerarse que no era resultado de algo planeado, sino más bien fortuito, que surgía de la buena voluntad de los participan te s El conocim iento humano se ha desarrollado a pasos lentos pero seguros desde la prehistoria hasta nuestros días,y ahora podem os disfrutar de las artes, la filosofía, la ingeniería y otras ciencias, lo cual demuestra que cuando el conocim iento tiene ba ses sólidas y rigor científico es atemporal. Guando la sem illa del conocim iento germina es difícil controlar su crecimiento. CXialquier individuo interesado en saber el porqué de un fen óm en o natural necesita estudiar el tem a y posteriorm ente exponerlo. Para ello es necesario que presente sus hallazgos a sus colegas a fin de que le den su punto de vista, el cual puede ser com patible o no con el suyo. La retroalimentación es benéfica para ambas partes, pues uno tiene la certeza de que lo que está haciendo tien e lógica y los demás, al aportar
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sus opiniones, aumentan su acervo de conocim iento. Cuando este intercambio de ideas se limita, el desarrollo de la investigación científica avanza lentam ente, pero aun así no se detiene. En este sentido, resulta difícil imaginar que una sociedad no genere conocim ientos científicos, aunque sean incipientes, pues ello implicaría una falta de curiosidad incom patible con el ser humano. Los problem as que enfrentam os com o especie, y que necesariamente debem os resolver, fom entan siempre el interés científico de la comunidad. El desarrollo científico ha sido considerado parte inseparable de la vida de la humanidad; el hombre busca lo mejor para su sociedad, se ha enfrentado diversos problem as y para ello se ha visto en la necesidad de desarrollar tecnología para la simplificación de la vida. Esto trajo muchos beneficios para la salud y muchos otros aspectos de la existencia cotidiana, pero también generó tem ores y contradicciones tanto en el inicio de la humanidad com o en nuestro tiempo. Todavía hoy hay quie nes afirman que el avance tecnológico puede llegar a atentar contra nuestra especie, mientras otros defienden sus beneficios para el ser humano. Ciertam ente existen muchos casos que ilustran las consecuencias de un mal aso de la ciencia y la tecnología: contam inación, creación de armas de destrucción masi va, etc. En este sentido, es preciso defender y propiciar el desarrollo de una concien cia ética sobre la aplicación de la tecnología. Por otro lado, hay mucho que agradecer a los avances científicos y técnicos, gracias a los cuales nuestra calidad de vida ha mejorado, e inclaso hem os logrado prolongar nuestra existencia. En un m om ento dado, las nuevas condiciones sociales hicieron que la huma nidad se replanteara su perspectiva del m undo y permitiera el florecim iento de la ciencia y las artes Una ola de ideas se apoderó de Europa, y a partir de esa época no fue casual que los individuos con conceptos novedosos alcanzaran éxitos científicos En los siguientes siglos el fenóm eno aumentó. Es preciso destacar que los pueblos del norte de Europa (Inglaterra. Francia, A lem ania y los Países Bajos) establecieron leyes más propicias para el desarrollo científico. En los siglos xv, xvi y xvn se gestaron las condiciones para el desarrollo científico patrocinado por el Estado y algunos personajes, de m odo que las regiones europeas más proclives al desarrollo científico tuvieron un aumento considerable en el c o mercio, contaron con mejores barcos, armas y ejércitos. En poco tiem po desplazaron a las regiones del sur y las borraron del com ercio de ultramar (el cual se realizaba entonces en A sia. Africa y América). En el siglo xvm inicia en Inglaterra la R evolución Industrial, que pone de ma nifiesto la importancia de la investigación científica con fines indastriales. Aparecen las máquinas en la industria, nuevos instrumentos cuyo diseño y funcionam iento exi gía un conocim iento profundo de las leyes de la term odinámica en las máquinas de vapor, su diseño mecánico y su mantenimiento. La máquina perm itió la apropiación del conocim iento hum ano para que se repitiera infinitamente, con lo que se estable ció un cambio trascendental en la vida de la humanidad. Por primera vez en la his toria del hombre, un artefacto construido por éste podía reproducir un conjunto de m ovim ientos de forma lógica y,en consecuencia, fabricar objetos. Es el caso del telar, que gracias a su producción redujo el precio de la ropa y benefició a la población. A paitir de esta aplicación indastrial se generó todo un conjunto de profesiones d e mandadas por la nueva forma de hacer dinero: contadores, mecánicos, diseñadores de barcos, ingenieros siderúrgicos, entre otros, los cuales trabajaban en un mercado caótico, dado que el nuevo proceso de acumulación de capital no se tenía contem plado prácticamente. Las relaciones sociales de producción se habían originado en los siglos anteriores y estaban basadas en el m odelo del vasallaje. Hasta entonces no se habían tom ado en consideración los derechos de las personas ni la necesidad de contar con condiciones laborales apropiadas. Por el contrario, el piso de producción era un lugar sucio, insalubre; las jornadas de trabajo eran de entre 12 y 14 horas, sin importar la edad del trabajador. Bajo este escenario se gestaron problemas sociales que determinaron el desarrollo de nuevas ciencias.
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Los problemas industriales y sociales avivaron el desarrollo científico ante la necesidad de darles una solución racional. N o era recom endable utilizar la fuerza, ya que su uso excesivo y frecuente culminaba en hechos de sangre, donde gran cantidad de trabajadores perdían la vida y, por lo tanto, se provocaba desorganización en el proceso industrial ante la falta permanente de trabajadores capacitados Además, dado que el trabajo era insalubre, tanto en las fábricas com o en los hogares, era co mún que cuando algún trabajador se enferm aba contagiara a sus compañeros, a los miembros de su casa y a la comunidad, por lo que había una pérdida de personal que trastocaba todos los procesos industriales Urgía, entonces,contar con una investiga ción científica que diera solución a esos problemas. Este proceso se acentuó en los siglos x ix y xx, aun cuando ya se contaba con la electricidad, las telecom unicaciones, el ferrocarril, la industria química, etcétera. A principios de la Primera Guerra Mundial, los estados-nación iniciaron en for ma sistem atizada la investigación científica, se determinaron las áreas de interés, los tínanciamientos y los incentivos para los participantes en el proceso. Se llegó a niveles nunca imaginados, dado que hubo un aum ento constante en los presupuestos de investigación y desarrollo.
El futuro tecnológico industrial Definir cóm o será el futuro es prácticamente imposible, pero podem os hacer un esbozo que nos permita darnos una idea y vislumbrar sus posibles consecuencias. La importancia de este análisis radica en que el futuro es lo único que el hombre puede moldear, y para eso crea las bases en el presente; de otra manera correrá el riesgo de avanzar sin un rumbo fijo. Para eliminar esta incertidumbre es necesario estar cons cientes de lo que realmente tiene bases científicas claras que nos permitan invertir de manera “segura” los recursos económ icos que demandan tales investigaciones, de m odo que al final se recuperen las inversiones gracias a la multitud de aplicaciones industriales que surgirán. Pongamos, por ejem plo, el caso de un gran número de in ventos cuya utilidad no se entendía en un principio, com o el m otor eléctrico (el cual apareció en 18K0), que tardó más de 20 años en ser utilizado después de su invención y el cual hoy tiene numerosas aplicaciones. A ctualm ente se están elim inando las barreras com erciales (y quizás en un futu ro sucederá lo mismo con las barreras políticas), por lo que día a día son más los in dividuos que viajan a lugares diferentes, trabajan en sitios fuera de su país de origen y todo esto tiene que hacernos pensar com o planeta, más que com o países aislados. Esta unificación de esfuerzos permitirá contar con más recursos económ icos e inte lectuales, de m odo que la especie humana podrá trabajar en proyectos científicos más ambiciosos. N o es posible que proyectos com o los laboratorios espaciales, la biotecnología, la nanotecnología. las investigaciones de las partículas subatómicas, entre otros, se sigan desarrollando de manera fragmentada y que los países trabajen de forma individualizada,con recursos limitados y largos periodos para la obtención de resultados tangiblesparalasociedad. Lo lógico sería que se unieran esfuerzosy se com partieran las ganancias con base en el grado de participación económ ica y científica. E sto pondría al alcance de la humanidad los recursos naturales que se encuentran en el fondo del mar, y dado que en este m om ento se cuenta con tecnología, aun que incipiente, com o la robótica, es im portante resaltar el hecho de q ue los robots pueden trabajar en condiciones muy hostiles, com o los m edios marino y espacial, y que se requeriría desarrollar aún más sus sistem as sensoriales para que puedan relacionarse con el m edio am biente y tomar decisiones de manera autónom a, con el consiguiente beneficio global.
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Introducción
El ser hum ano tiene que romper las barreras culturales tradicionales que exclu yen a los pueblos que son diferentes, donde se ve al hombre com o enem igo del hom bre. Se tiene que pensar com o planeta unificado, donde los beneficios del desarrollo científico sean com partidos por todo el mundo. N o es posible que en este tiem po no se puedan explotar recursos porque la sociedad que los posee tem e que sólo benefi cien a las empresas que hacen uso de ellos y a las sociedades a las que pertenecen (lo cual es una realidad y ha sucedido en estos 12 000 años de sociedad). Los pueblos se han visto com o extraños y cada cual basca su beneficio sin importar las considera ciones éticas que esto traiga consigo. Otro problem a es de tipo político, pues sólo se concibe una manera de distribuir los recursos económ icos, lo cual no es lógico, dado que hay un sinnúmero de formas de organizar este reparto, respetando la manera que cada pueblo considere correcta. Para ello es necesario establecer principios univer salm ente aceptados, com o desarrollo sustentable, derechos humanos, desarrollo hu mano, remuneraciones dignas, vida democrática y respeto a las tradiciones culturales de cada pueblo, lo cual facilitará que las entidades de las diversas partes del mundo puedan participar en trabajos integrales para el logro de beneficios mutuos. Los individuos tienen que pensar com o humanidad para seguir avanzando en el desarrollo científico, dado que los costos de las investigaciones son cada vez más elevados y sus tiem pos de maduración más largos; si seguim os organizados com o hasta ahora sim plem ente no podremos afrontar los retos futuros, lo cual sólo lleva a que los pueblos busquen defenderse del extraño para proteger sus recursos na turales con la única “herramienta” que hasta el m om ento ha probado que no sufre obsolescencia en el tiem po, es decir, las armas nucleares, las cuales ponen en peligro la existencia de la humanidad. Hay dos países en este m om ento (año 2015) que las están desarrollando porque se sienten amenazados: Irán y Chorea del Norte, pero se vislumbra que más naciones se sumen a este desarrollo atóm ico, com o una manera de protegerse. A sí lo ha expresado también el ministro de Finanzas brasileño, quien resaltó en su m om ento que la única manera de proteger los enorm es recursos de Brasil es el desarrollo atómico. La única seguridad (con cualquier pretexto) real de algunos pueblos ante el tem or de ser destruidos son las armas atóm icas y el de sarrollo armamentista en general, aun cuando esto no siempre sea verdad, com o aconteció con Iraq, que había adquirido un enorm e arsenal pero cuando lo necesitó le sirvió de muy poco. Si en realidad querem os cambiar la manera de relacionarnos, es necesario dejar atrás ideas de tipo colonialista y pensar com o un todo unificado. Cuando una socie dad desarrolla un producto que beneficia al resto todos reconocen su aporte y están dispuestos de manera natural a pagar por su uso; es el caso de Cioogle, la telefonía ce lular y las tecnologías de información, cuyos desarrolladores pensaron de manera global, con la propuesta de adaptar su producto a las necesidades de cada pueblo, generando un resultado de tipo ganar-ganar. Con este ejem plo se pone de manifiesto que es posible avanzar. D e otra manera no se podrá romper el ciclo de discusiones infinitas sobre los m ismos temas, com o en M éxico, en donde se exponen otra vez en la vida pública tem as del siglo xrx, lo que origina conflictos y polém icas intermina bles, no se avanza y el deterioro de la vida del país sigue en aumento. Es necesario poner de m anifiesto que si no se rompen los tabúes existentes, no se podrá avanzar en los nuevos retos de la humanidad, com o una conquista real del cosm os (tem a de la película “2001: O disea del espacio”), donde el hombre tuviera la tecnología para realmente visitar otros planetas y explotar los recursos que en ellos encontrara, con los robots com o elem en to de fuerza que pudieran ser en el futuro el primer paso para crear las condiciones adecuadas para ir más allá de las fronteras de nuestro planeta. D ado que los robots no requieren socializar, pueden permanecer largos periodos en com pleta oscuridad, informando a diario lo que sucede a su alre dedor, siguiendo indicaciones y acumulando experiencia para el desarrollo del tra bajo en particular. También está la inteligencia artificial, la cual hasta este m om ento ha disminuido su ritmo de crecim iento por los enorm es costos que implica y por la
CAPÍTULO 1
La manufactura agrega vakw a las cosas
poca aplicación d e su desarrollo, que está pensada para trabajos en la Tierra, por lo que será im posible desplazar al ser humano cuando éste trabaja en condiciones naturales. Sin embargo, el entorno cambia cuando el ser humano se encuentra en am bientes submarinos, subterráneos o espaciales e interplanetarios, con el objeti vo de salir del Sistem a Solar e investigar otras partes de la galaxia, para lo cual se requieren enorm es sumas d e financiamiento y estar d e acuerdo en tal inversión, sin otras prioridades. Si al paso del tiem po la humanidad desarrollara máquinas más inteligentes que le ayudaran a resolver los problem as cotidianos,quizá los pueblos que invierten en la fabricación de robots inteligentes, com o los d e la empresa Honda de Japón, estarían dispuestos a financiar líneas d e negocios relacionados con los mismos. Por ejem plo, actualmente las familias son cada vez más pequeñas y se basca que los hijos tengan una vida plena. En tales condiciones, el cuidado de los padres en edades avanza das resulta ahora incom patible con el funcionam iento de las familias tradicionales, donde los hijos se hacían cargo d e los adultos mayores, por lo que es importante que estas máquinas estén al alcance de la población en general y sean las que nos cuiden cuando lleguem os a dicha etapa de la vida: de otra manera, tendrem os que acostumbrarnos a la idea de morir solos por falta d e atención personalizada, pues serem os tantos que los asilos resultarán insuficientes. Además, a los individuos que toda su vida fueron autosuficientes les resultará difícil ser una carga para la sociedad, lo que los deprimirá, pues no es un fin digno para alguien que pasó toda su vida pro curando el bien de los dem ás En escenarios más catastróficos, los sistem as d e salud colapsarán al verse rebasados por la dem anda de sas derechohabientes, de m odo que es importante pensar en soluciones tecnológicas a estos problemas, para evitar la desm otivación d e quienes están en el sistem a productivo. Con una siempre creciente población, el transporte representa un reto enorme. Si además consideram os que se necesita trasladar una gran cantidad de mercancías, d e continuar los conceptos tradicionales será casi im posible tener una movilidad garantizada, pues no habrá energía ni espacio suficientes que permitan la eficiencia en el futuro. Habrá que cambiar los hábitos de transporte y desarrollar otro tipo de sistemas, trabajar en áreas de nuevos materiales, combustibles no contam inantes y m ás eficientes, a so intensivo de los sistem as aéreos más que de los terrestres y mari nos, crear hábitos d e viaje individual, desarrollar empaques, embalajes y productos totalm ente ecológicos y reciclables. Los retos son enormes, por lo que es necesaria la colaboración internacional para resolver los problemas d e la basura, la contam ina ción y la masificación d e los transportes. D ependiendo del interés que muestren los países involucrados se podrá resolver una parte en específico y compartir los benefi cios de los desarrollos tanto en el ám bito comercial com o en el social. La vivienda es otro cam po d e oportunidad para hacer mejoras. Es indispensable construir casas inteligentes, que ayuden a las personas a reducir sas gastos en ener géticos com o luz y gas para ilum inación,calefacción, preparación de alim entos y cui dado personal. En el caso de la energía eléctrica, se requieren sensores que iluminen sólo las habitaciones donde se encuentren las personas, que reciban indicaciones del usuario sobre el tipo de actividad y, por lo tanto, puedan regular la intensidad de la iluminación. En cuanto a las condiciones climáticas, es necesario aislar el interior de los hogares y que el aire circule por un conjunto de filtros que lo purifiquen y man tengan la temperatura deseada; que el sistema de calefacción esté concentrado en un solo punto d e la casa y montado en los ductos d e ventilación para evitar pérdidas d e energía por choques térm icos constantes. Con un sistem a inteligente, la salida del aire se dirige a la zona donde se registra presencia humana; además es importante tener ventanas inteligentes que bloqueen el paso d e la luz solar dependiendo d e su intensidad, con lo que el usuario no necesitaría abrir o cerrar las ventanas. En el caso d e la cocina, se necesitaría que estuviera aislada de la casa y que el sistem a d e cale facción se llevara el calor producido, así com o los olores de los alimentos. En cuanto al aseo personal, es importante contar con un tanque térm ico en la azotea d e la casa
o
PARTE UND
Introducción
y aprovechar la energía solar para tener agua caliente, y una cisterna subterránea para m antener el agua cálida, de forma que el calentador eléctrico funcione lo m e nos posible. C on estas acciones se puede ahorrar mucho en energéticos, que ahora para muchas familias representan un gran problema. Para concluir, es necesario que los materiales con que se construyan las casas sean térmicos, de m odo que cuando haga calor en el exterior el interior esté fresco, y cuando haga frío esté caliente. Haymucho que hacer en la investigación de m ateriales para encontrar los que cumplan con estas necesidades. Con respecto al cuidado de la salud, es necesario que sea preventivo, eliminando la parte correctiva, por lo cual se debe seguir trabajando en la genética de las perso nas y averiguar a qué som os propensos, com o un primer paso para mejorar nuestra calidad de vida. A l paso del tiem po los hábitos de trabajo, alimentación y recreación son condiciones que modifican la salud de las personas. Por lo general, gran parte de la población piensa en su salud cuando tiene m olestias, pues no está acostumbrada a realizarse chequeos periódicos por muchas causas; una de las más com unes es que hay que hacer citas con el m édico y esperar la revisión, lo que implica perder un día de trabajo. Sin embargo, sería distinto si la revisión pudiera hacerla directamente la persona, con dispositivos inteligentes que, con só lo colocarse en la palma de la mano, fueran capaces de diagnosticar los posibles padecim ientos La nanotecnología es un gran apoyo, pues perm ite crear dispositivos del tam año de un grano de arroz que pueden contener toda la información médica humana; una vez detectado algún síntoma dañino, este dispositivo podría comunicarse vía inalámbrica con el hospital correspondiente, establecer con más detalle el posible problema e indicar al usuario a dónde acudir para su tratamiento, el tipo de m edicam entos que debe tomar, así com o los cam bios alim enticios que requiera. En el área del cuidado vegetal y animal, el enfoque de la ingeniería genética debe estar en la prevención de enferm edades, de manera que no sea necesario apli car alguna sustancia (en el caso de los anim ales) o algún quím ico (en el caso de las plantas); ambas alternativas contaminan el m edio am biente y dañan la salud del consumidor. Es preciso estudiar a fondo el m odo en que la evolución ha dotado a plantas y animales de algún tipo de protección ante agentes dañinos, lo cual permi tiría erradicar un impacto negativo si hubiera que mezclar genes de diferentes es pecies o realizar cam bios no planeados, pues serían causa de futuros problemas más difíciles de solucionar. Tales desarrollos debieran ser patrocinados por los estados, para evitar que el lucro sea el fin último de las investigaciones, ya que las empresas com erciales sólo buscan la ganancia rápida. El ejem plo más típico es el m aíz transgénico, el cual no se puede utilizar para siembra, lo que genera una dependencia del vendedor de estos granos. Suponiendo que este proceso se aplicara al resto de los sistem as vegetales, estaríamos ante un grave problem a, pues no se puede jugar con la alim entación de la humanidad. Los procesos evolutivos han tardado m illones de años en realizarse, por lo que es necesario comprenderlos en su totalidad para tratar de hacer los cam bios respectivos de manera planeada y sin fines de lucro. El campo de la física experim ental es todavía incipiente. En la materia que nos rodea hay gran cantidad de energía que podríam os utilizar si entendiéram os cóm o se forma y de qué manera se com pona. Esto nos permitiría aplicarla en los ámbitos más diversos, y contar con una fuente inagotable de energía. Se podrían propulsar naves espaciales de forma infinita, sin la restricción de combinar gases para generar la fuerza de empuje para el despegue y puesta en órbita, enorm e limitante del desa rrollo espacial que sólo perm ite viajes alrededor de la Tierra. Si, por ejem plo, quisié ramos enviar un robot al planeta Júpiter, se requeriría una gran cantidad de energía sólo para evitar que fuera atraído por la enorm e fuerza de gravedad del planeta, que impide tener acercamientos para un estudio más detallado. Lo mismo podem os decir en cuanto a visitar otros planetas que podrían tener condiciones propicias para la vida, pues si fueran más grandes que la 1 ierra, la fuerza de gravedad nos com pri miría, y si tal fuerza fuera más débil, la energía que usamos en la Tierra nos haría
CAPÍTULO 1
La manufactura agrega vakx a las cosas
dar saltos muy grandes. Estas lim itaciones físicas son las que en un determ inado m om ento desaniman a los estados a invertir recursos con el objetivo de comprender los secretos de la materia y la antimateria. Los campos m encionados son sólo algunas de las áreas de interés en que se está trabajando, pero que a futuro representarán una oportunidad para desarrollar un conjunto de aplicaciones tecnológicas que mejorarán la vida humana, por lo que es importante considerar que “la ciencia produce resultados extraordinarios”, y que si bien aparentem ente muchas investigaciones básicas no tienen relación con el ám bi to industrial, lo cierto es que constituyen la base para su desarrollo. En los siguientes capítulos de este libro,el lector encontrará información teórica y especializada que le servirá para establecer el punto de partida del cam bio tecn o lógico de una em presa manufacturera. Se trata, pues, de una obra llena de conceptos fundam entales para adentrarnos en el campo de la automatización.
P A R TE
D
O
S
Sistemas de manufactura
—
—
El té rm in o "m a n u fa ctu ra ” se deriva de las palabras latinas m anus (m ano) y fa c tu m (hacer), que significa hecho a mano. Este té rm in o describe adecuadam ente los m étodos m anuales que se utilizaban cuando se acuñó la expresión. En el contexto te cn o ló g ico de este libro se re fie re a la aplicación de p ro ce so s físicos y quím icos p o r los cuales se alte ra n la geom etría, propiedades o apariencia de un m a te ria l de inicio pBra fa b ric a r piezas o productos. También abarca el ensam ble de piezas m ú ltip le s para fa b ric a r p roductos. Los procesos de m anufactura im plican una com binación de m áquinas, h e rra m ie n ta s, energía y tra b a jo m anual. P or lo com ún la m a n u fa ctu ra se ejecuta com o una secuencia de operaciones, cada una de las cuales acerca m ás el m a te ria l al estado final deseado.
►
¿Qué es la m a nufactura?
►
¿Cómo se hace la m a n u fa ctu ra óptim a?
►
¿Qué es un sistem a de m a n ufactura?
►
H erra m ie n ta s p ara planear y c o n tro la r el sistem a de m anufactura.
►
Tipo de m a n u fa ctu ra que se debe e m p le a r en cada industria.
c a p ítu lo 2
c^aa E^aa
Manufactura y sistemas de manufactura
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
Clasificación de los procesos de manufactura El concepto “ manufactura” se deriva de las palabras latinas mamut (m ano) y factiun (hecho) y significa hecho a mano. E ste térm ino describe adecuadam ente los m éto dos manuales que se utilizaban cuando se acuñó la expresión.' En el contexto tecnológico de este libro se refiere a la aplicación de procesos físicos y quím icos por los cuales se alteran la geom etría, las propiedades o aparien cia de un material de inicio para fabricar piezas o productos También abarca el ensam ble d e piezas múltiples para fabricar productos Los procesos d e manufactura implican una com binación de máquinas herramienta, energía y trabajo manual. Por lo común la manufactura se ejecuta com o una secuencia de operaciones,cada una de las cuales acerca más el material al estado final deseado. El conocim iento d e los procesos de manufactura es el punto de partida en el d e sarrollo d e este libro y,d esd e luego, aun cuando se requiere la experiencia en el cam po, lo más importante es motivar la inspiración y el d eseo de investigar cada detalle sobre cóm o actuar en térm inos d e manufactura. Lograr el estado final deseado requiere seguir un proceso de manufactura es p ecífico^ ! cual se clasifica según la actividad d e transformación. Las siguientes seis tablas catalogan en detalle los procesos de manufactura. Procesos d e fundición
M o delo y o tros
C om binaciones
1 M oldes perm anentes
ir* m ur Vaciado
M o ld eo en arena
M o ld e p e rm anente
M o delo perdido
M o ld eo de concha
Fundición a presión
M o ld eo en arena
C e rá m ic o s
C entrifugado
0
Vaciado de hilo
f ig u r a
Fundición a com presión a . -i
D iversos procesos d e fundición.
1 L a p alab ra “m an u factu ra" se u só p o r prim era vez a lre d e d o r d e 1567 com o sustantivo, y hacia 1863 se em pezó a u tilizar co m o verbo.
o
PARTE DOS
Sistemas úe manufactura
Procesos d e deform ación
Rolado
1 Extrusión
Forjado
r— t—
Laminado
i
De dado abierto
> Directa
kéE H Perfilado
De dado cerrado
En frío
Rolado de anillo
De m e m bre te
De barras
Rolado de forja
Perforación
Tubería
f ig u r a
a .a
D iversos procesos d e deform ación.
Trabajo en lamina
Corte
Doblado
1
Form ado
1
Doblez
& Perfilado
D obladillo
Em butido
Formado
Rechazado
s
Punzonado
f ig u r a
Em butido profundo a .3
Formado electrom agnético
D iversos procesos d e tra bajo e n lámina.
CAPITULO 2
Plásticos
Termop-ásticos
Term oestables
Prototipado
1
1
1
Extrusión
De com presión
Estereolitografía
»
D e hilos
M o ld eo por inyección
Soplado
Im presión 3D
C3
B Term oform ado
f ig u r a
a.a
■Jl «*■
D e transferencia
Laminado
P rocesos d e inyecció n y m o ld eo d e plásticos.
D esprendim iento d e material 1 M aquinado
1 Acabado
M aquinados avanzados
H
Rectificado
i
C orte p o r hilo
R ectificado sin centros Q uímico
j a
Lapeado
Láser
P esad o
ve A serrado
f ig u r a
C horro d e agua
a .B
i
^= 3 la Acabado e lectroqu ím ico
P rocesos d e de spren dim ien to d e material y acabado.
Manufactura y sistemas de manufactura
e
PARTE DOS
Sistemas de manufactura
fig u r a
2 .s
Procesos d e unión.2
Para el óptim o funcionam iento de los procesos de manufactura en el proceso productivo es necesario contar con un sistema que incluya entrada, proceso y sali da. en el cual intervenga una serie de elem entos conocidos com o las 5 M: M aterial. M ano de obra. M étodo, Maquinaria, M edio am biente, que conforman el sistema de manufactura.
Sistema de manufactura Las 5 M conforman el sistem a productivo de manufactura clásico de cualquier in dustria, además de ser el detonador de toda la cadena de producción y de la empresa en sus diferentes áreas (figura 2.7). b l concepto se basa en el principio de una de las siete herramientas estadísticas de Ishikawa,3 denom inado diagrama de pescado, por su configuración parecida al es queleto de un pez. Las 5 M se comenzaron a utilizar en el Sistema Toyota para el análisis cualitativo de problemas que ocurrirían en la empresa, o bien, de la variable que afectaba los parámetros de seguridad, calidad o nivel de producción. La efectivi dad del Sistema Toyota también se atribuye al em pleo de las 5 S: Seire, Seiton,Seiso, Seiketzu, Shitsuke (seleccionar, ordenar, limpiar, estandarizar, seguir estándares). : Tom ado d e K alp ak jian , Serope y Schm id, Stevcn R . (2010). M aitufaciuiing Engltieering a n d Technology, 7a. ed., fin*. 1.5a a L5f, pp. 17 a 2 1 P earson, Prenticc-H ail. ! K a u ro Tshikawa (1915-1989) definió la filosofía adm inistrativa d etrás d e la calidad, los elem en to s de los sistem as de calidad y las "siete h erram ientas básicas d e la adm inistración de la calidad", las cuales son: 1. H o ja d e control, 2. H istogram a, 3. D iagram a d e P areto , 4. D iagram a de c an sa efecto. 5. Estratificación, 6. D iag ram a d e dispersión y 7 G ráfica de co n tro l, d e d o n d e se le considera u n a fu e rte inclinación hacia las técnicas estadísticas.
CAPÍTULO 2
f ig u r a
s .y
Manufactura y sistemas de manufactura
Sistem a pro d u ctivo d e m anufa ctura qu e integra las 5 M.
Am bas técnicas permiten mejorar detalles relevantes del proceso de manufactura y aplicar medios cuantitativos com o el análisis de varianza (A N O V A . por sus siglas en inglés), m étodos de estadística avanzada y el m étodo d e los mínimos cuadrados. Sin embargo, el sistema de producción no sólo depende del proceso d e trans form ación, pues hay una sincronización de varios departam entos cuyos esfuerzos tienen el mismo fin: obtener un producto o servicio funcional con características de calidad, eficiencia, imagen, estabilidad y otras, que ¡nteractúan con un mundo global lleno de oportunidades para la consolidación en el mercado económ ico (figura 2.K). (Demanda) Instalación y distribución
~
T
~
P ronósticos ACTIVIDADES DE TRANSFORMACIÓN Legal y s e d a l
M ercadotecnia y relaciones públicas
UJZl-LU Contabilidad
C ontrol de inventarios
C ontrol de costos
A. f ig u r a
a .s
Sistem a integral d e un a e m presa manufacturera.
Control de calidad
R etroalim entación
I ®
T3 -§
PARTE DOS
Sistemas
temanufactura
T a lle r c o n v e n c io n a l
S is te m a d e m a n u fa c tu ra fle x ib le
8
Isla d e m a n u fa c tu ra
X
C elda d e m a n u fa c tu ra
ë «
Línea d e f lu jo c o n v e n c io n a l
■O A
P ro d u c c ió n m a n u a l
—
;----------------------------------:----------------—
L ine a d e tra n s fe re n c ia
------------------------
• In c re m e n to d e la p ro d u c c ió n ----- •-
fig u r a
a .a
Variantes d e tos sistem as d e m anufactura.
La técnica cle las 5 S es un programa desarrollado por el sistem a de producción de Toyota de enfoque sistèmico, cuyo objetivo principal es encontrar mejoras duraderas en la empresa en cuanto al orden y limpieza en las áreas de trabajo. Permite crear y mantener un lugar de trabajo organizado, limpio y de alto rendimiento. Esta técnica se utiliza para establecer y mantener un ambiente de calidad en una organización, así com o promover la mejora continua
La “telaraña” es un ejem plo de cóm o algunas em presas buscan m antener el con trol del orden y la limpieza en las diferentes áreas de trabajo. La tigura 2.11 indica el desem peño de una estación de proceso en lo referente al orden, disciplina, seguridad y limpieza, con lo que se obtiene un parámetro de con trol que indique el desem peño del á rea El gráfico contiene parámetros vitales para lograr una aplicación exitosa de la técnica de las 5 S. Los valores van de 1 a 5, donde 5 indica el mejor desem peño en el índice que se está evaluando.
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistsmas de manufactura
G rá fic o d e c o n tro l d e o rd e n y lim p ie z a en e l área d e m a q u in a d o s , e s ta c ió n d e fre s a d o u n ive rsa l
fig u r a
a .1 1
T écnica d e las 5 S.
Otro ejem plo de la aplicación de la “telaraña” es un estudio de requisitos y ne cesidades para el desarrollo de videojuegos. Por ser un m étodo universal, estos diagramas pueden adaptarse a diferentes apli caciones de evaluación.
Facilidad d e acceso M anejo de interfazm ando sencilla
Intuitivo Activación d e acciones sencillas (gestos, m a ndo...}
Facilidad de (rapidez, ritm o, d ificulta d...)
C óm odo
O bjetivos Seguro (dim ensiones, posturas...)
adecuados C ontenido sencillo
sencillas
fig u r a
Plataform a ‘A ‘
Plataforma *C'
•Plataform a ‘ B‘
Plataforma *D*
a .i2 a
Plataform a ‘ E“
G ráfico d e e jercitación mental, fisica y socioafectiva.
PARTE DOS
Sistemas úe manufactura
Facilidad de acceso
http://goo.gl/XtZQly A tractivo
Visualización en pantalla — reirrarta /colores, io...>
Intuitivo
D ivertido
Interesantes (tem áticas d e interés)
C óm odo
Seguro (dim ensiones, posturas...)
Facilidad de uso (rapidez, ritm o, d ificulta d...)
adecuados
E M : Ejercitación m ental EF: E jerdtación fisica ES: E jerdtación socioafectiva
fig u r a
3 .1 2 1 )
Instrucciones sencillas
sencillo
Juego EM T
Juego EM *3"
Juego ES *1*
Juego EF y ES *1“
Juego E M y ES "2‘
Juego EM ’ 2'
Juego EF y ES *2 ‘
Juego EF y ES ‘3 ‘
JuegoE M yE S M '
G ráfico d e e je rd ta c ió n mental, física y so cio a fe ctiva a) y b )*
') Manufacturas manual y semimanual Las manufacturas manual y semimanual com prenden el armado de los com ponentes previam ente manufacturados y/o subensam bles hacia un producto com pleto o una unidad de producto, lo cual realizan sobre todo los operadores que aplican su destre za, habilidad y juicio inherentes. El operador puede estar en una estación de trabajo (banca) o ser parte de un sistem a de transporte que m ueva el producto mientras se va ensam blando. A la manufactura manual la asisten sistem as m ecánicos para ali mentar, manejar, colocar y supervisar operaciones (figura 2.13). A continuación se enuncian las características más relevantes de las manufactu ras manual y semimanual: ■ Se puede realizar en estaciones de tipo simple, continua y/o intermitente (sin crónica/no sincrónica) y todo su actuar se basa en las 5 M. ■ El nivel de producción es bajo o moderado, dependiendo de la complejidad, número y tam año de las partes de los com ponentes. (E stos factores también determinan el grado de asistencia mecánica requerida). ■ Se considera una manufactura extrem adam ente flexible (m uchas variantes de producción) y por lo tanto muy común. ■ El uso de herramientas es intensivo pero son herramientas mecánicas básicas, lo que genera una inversión relativamente baja.
* Tom ado d e In stitu to d e B iom ecánica d e V alencia, G ru p o de Tecnología Sanitaria del IBV. CTBER de B ioingenicría. B io m aterialcs y N anom edicina (C IB E R -B B N ), Institu to Tecnológico del Ju g u ete (A U U ) c In stitu to Tecnológico d e Inform ática (111). ¿Q uién fui dicho que los video juegos n o son para las m ayo res? R ev ista Biom ecánica. Publicación sem estral al cuidado de la c alidad d e vida, núm . 58, ju n io de 2012. ISSN: 1575-5622.
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
S istem a d e ilum inación controlada
S ubproductos
Zona de ensam ble
Equipo de apoyo (contenedores, rodillos, herram ientas, etc.l
f ig u r a
a. 13
C on ce p lu a liza ció n d a la m anufa ctura m anual.5
En general este tipo de manufactura usa técnicas com o el diseño para la manu factura y el ensam ble (D P M E ), Design h'or Manufacture an d A ssem b ly (D F M A ,p o r sus siglas en inglés), para desarrollar un proceso con la cantidad óptim a d e partes, mejorar com ponentes geom étricos para alim entación, manejo, em bobinado, revi sión y reducción de costos totales de ensamble. También se aplican m étodos com o el de prueba y error (Póka-Yoke),* técni cas que ayuden a reducir errores del operador prescribiendo características de los com ponentes y/o procedim ientos de manufactura para ayudar a la corrección; es una manufactura gráfica, lo que hace que la secuencia d e ensam ble sea óptim a en la línea. En térm inos de calidad, los problem as pueden ser causados por diferentes fac tores: ■ Excedente de com ponentes o existencia por debajo d e las tolerancias estable cidas. ■ D esalineam iento de com ponentes y ajuste d e error. ■ D efectos graves (malform aciones, falta de detalles, medidas incorrectas, daño en tránsito, entre otros). ■ M ateriales extraños causantes de contam inación y obstrucciones. ■ Ausencia de com ponente por agotam iento en el abasto o alimentación inefi ciente. ■ C om ponentes incorrectos causados por abastecim iento o instrucciones equivo cados. ‘ Tom ado de m anuales d e equipos p ara m an u factu ra m anual y au to m atizad a d o M anual Producción Sys tem s, R cx to th B osch G roup, T he D riv e a n d C ontrol. V 2.0. R exroth B osch es u n a m arca registrada y su m ención e n e ste libro es con fines didácticos e ilustrativos. ‘ Poka-Y oke e s u n a técn ica d e calidad d esarro llad a p o r el ingeniero ja p o n é s Shigeo Shingo en la década de 1960, y significa “ a p ru e b a d e e rro res? L a idea principal es c re a r u n proceso d onde los erro res sean im posibles d e realizar. L a finalidad del Poka-Y oke es elim in ar los defectos e n un producto, ya sea p revi n ien d o o co rrigiendo lo a n tes posible los erro res q u e se presenten.
o
PARTE DOS
Sistemas
temanufactura
■ Tecnología de manufactura inadecuada. ■ La manufactura manual no es recomendable para am bientes pesados. Incluso, por seguridad en el manejo, se deben considerar el tam año y peso de las partes a procesar. ■ Se deben considerar tiem pos de descanso ante la fatiga del operador, especial m ente en operaciones repetitivas. ■ Los errores de manufactura aumentan si los com ponentes o subensam bles son complejos, difíciles de alinear, de insertar o de accesos restringidos para la inser ción. ■ Los com ponentes de baja calidad se pueden desechar durante la tarea de manu factura sin dificultades o grandes pérdidas, debido a las exhaustivas capacidades de verificación de los operadores. ■ La continua alineación exacta de los com ponentes es de baja a moderada, de pendiendo de la complejidad de las partes, que por lo común es de ± 0 .5 mm. Se considera que la manufactura manual y semimanual se ha convertido en una manufactura flexible, que perm ite la capacidad operacional de la industria y que du rante años se ha utilizado com o elem en to de producción competitivo. Pero también es una manufactura costosa, que castiga al operador y, en consecuencia, la calidad del producto es deficiente y el nivel de producción es bajo (figura 2.14). Superproducción
Tiem pos d e espara
Errores
Procesos ineficientes
à
L «AU
M áxim o
M o v im ie n to s innecesarios f ig u r a
a . ia
M anejo de alm acén
Uso intensivo de transporte
Patrón d e com portam ien to d e la m a nufa ctura m anual.7
msm Sistema de manufactura flexible (SMF) Es un proceso de manufactura que opera en condiciones de flexibilidad (o FM S,por las siglas en inglés de Flexible Manufacturing System). Un SM F es capaz de producir dos o más productos con características similares en la misma planta de producción y puede cambiar un m odelo con m enos tiem po de preparación. Sus características son: ■ Grupos de trabajo form ados por un núm ero determ inado de integrantes, res ponsables de un proceso com pleto en la producción de un bien o para la presta ción de un servicio. ■ Los trabajadores son polifuncionales, capacitados para realizar distintas activi dades dentro de su espacio de trabajo.
’ Tom ado de m anuales d e equipos para m anufactura m anual y autom atizada del “M anual Production Systems, R ex ro th B osch G roup. T he D rive a n d C ontrol. V 2.0“.
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
■ Máximo aprovechamiento d e los recursos humanos y materiales involucrados en el proceso. ■ Competitividad incrementada por resultados rentables, productos o servid os term inados y clientes satisfechos. ■ Flexibilidad ante los cam bios d e procesos, m odelos o estilos ■ Total aprovechamiento de las áreas de trabajo. ■ Reducción del inventario de producción. Por últim o, el elem en to principal de operación de un SMF es un conjunto de accesorios (sistem as de sujeción) que facilitan las actividades d e manufactura y en samble. Sin embargo, en este texto el concepto d e S.V1F se refiere a un sistem a de gran aplicación tecnológica, un SMF autom atizado (SM Fa), el cual se puede desarrollar m ediante celdas d e manufactura, siguiendo el concepto KanBan*1 para la coordi nación de actividades. Se pueden entonces conjuntar en una línea de producción computarizada, lo que implica tener dispositivos que recolecten la información de los procesas y poder analizarla en tiem po en línea, con toda una gama de tecnología de la información (T I) a disposición de la empresa. Un SMFa es un sistem a d e producción de bienes (figura 2.15) constituido por celdas de producción,9 com puestas por: ■ U no o varios centros d e maquinado que desem peñan diversas tareas a partir de instrucciones estandarizadas. ■ El diseño asistido por computadora (C A D , por sus siglas en inglés), que se uti liza para el diseño d e objetos por computadora con capacidades interactivas y m edios gráficos, por m edio de los cuales las fases de diseño pueden hacerse visibles de manera tridimensional. ■ La manufactura asistida por computadora (C A M , por sus siglas en inglés) uti liza los diseños creados por el C A D ,y a través de sus gráficos el especialista en manufactura determ ina las trayectorias d e recorrido d e las zonas que se ma quinarán o procesarán, así com o los parámetros y especificaciones del proceso respecto de los materiales de la herramienta y el material a procesar. ■ “R obot, el cual es un manipulador multifuncional reprogramable con varios gra dos de libertad, capaz d e manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diver sas, el cual coloca en el lugar d e trabajo d e manera sincronizada los materiales que se van a manufacturar, de acuerdo con el ciclo del proceso a desarrollar”.10 ■ D ispositivos de salida (actuadores neumáticos, electroneum áticos e hidráulicos y electrohidráulicos), los cuales son los m edios que habilitan o sujetan las partes que integran el producto. ■ D ispositivos de entrada son todos aquellos sensores que alimentan el sistem a con una señal digital proveniente d e la presencia de una parte del producto, el inicio y el final d e una operación. ■ El controlador lógico programable (PL C ) es el elem en to d e control que coordi na todas las operaciones del SMFa. ■ Una red de comunicación entre todas las células del SMFa. *E1 «¡Átenia K a n B a n ¿urgió a n te la necesid ad de m a n te n er el nivel d e m ejoras e n el sistem a d e producción d e T oyota. E s u n in stru m en to eficaz d e a p o y o al sistem a d e producción m ed ian te el uso d e ta rje ta s para señ alar la necesidad de un artículo, ad em ás d e iniciar el m ovim iento, la producción o el sum inistro de una u n id ad e n u n a fábrica. P a ra m ay o r inform ación so b re el te m a consulte la sig u ien te bibliografía: L ouis R . (1997). Iníegrallon Kanban wlíh M R P II. 1’ ed . en inglés. P roductivity Press. EU . e Im ai M . (1986). K aizen, 1* cd. e n inglés. M cG raw -H ill, EU . • U n a celd a d e producción es la u n id a d d e producción co n a lta au to n o m ía d e o peración, integrada por m áquinas p ara fab ricar u n tip o de pieza o producto. ‘T o m ad o de Shim on Y. N o f (1999), H a n d b o o k o f Industrial R o b o íla , Y ed., EU .
Sistemas de manufactura
http://goo.gl/iUhbAQ
1
Vehículo guiado automáticamente (AQV).
5
Robot SCARA.
2
Banda transportadora de entrada y salida
6
Sistema d e inspección por visión.
3
Centro de maquinado.
7
Robot de seis ees.
4
Rofcot de seis ees.
8
Zona d e almacén.
U n SMFa representa un grupo de células de manufactura entrelazadas m ediante un sistem a autom ático de manipulación de materiales operado por un controlador central. Es un sistem a integrado por centros de maquinado enlazados por un sistema de manejo de materiales de manera automatizada y procesados lógicamente. Los SMFa son un concepto avanzado de cóm o opera una empresa, en el que se destacan las siguientes características: ■ Grupos de trabajo form ados por un número determ inado de integrantes, res ponsables de un proceso com pleto en la producción de un bien o para la presta ción de un servicio. ■ Em pleados y operativos pol¡funcionales, capacitados para realizar distintas acti vidades dentro de su equipo de trabajo. ■ Máximo aprovechamiento de los recursos humanos y materiales involucrados en el proceso. ■ Com petitividad incrementada por resultados rentables, productos o servicios term inados y clientes satisfechos. ■ Flexibilidad ante los cam bios de procesos, m odelos o estilos ■ Total aprovechamiento de las áreas de trabajo. ■ Reducción del inventario de producción. Este tipo de sistem as son, en esencia, líneas de producción inteligentes, las cua les tienen comunicación con los entornos interno y externo, lo que permite un con-
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
trol de las variables más im portantes que afectan la producción; lo anterior quiere decir que los estím ulos se reciben directam ente y se ven reflejados de manera inm e diata en el programa de producción, con lo que se asegura la flexibilidad necesaria para adaptarse al cambio. U n SMFa pretende lograr una disminución de costos, un aumento de la produc tividad y un trabajo más creativo para los participantes, por lo que cada empresa, dependiendo de sus circunstancias particulares, utilizará los elem entos tecnológicos, además de estar conscientes de que es un m edio para lograr una integración total. Si las em presas pueden formar sus líneas computarizadas con los elem entos tecnológicos de que dispongan, surge la pregunta: ¿cuáles son las características que debe poseer la tecnología para utilizarla en este propósito? En primer lugar, la celda debe contar con dispositivos electrónicos a la entrada y salida para saber en todo m om ento cóm o se están ejecutando las órdenes de producción, es decir, si se cum ple con los programas. El segundo punto es que se debe contar con maquinaria que pueda realizar su operación de manera automática; para lograrlo se cuenta en la actualidad con un sinfín de elem entos electrónicos, los cuales se integran al PLC o a un microprocesador que ejecuta la lógica funcional del proceso. El tercer punto es contar con dispositivos que permitan verificar la calidad de los parámetros críticos para garantizar la calidad del producto. Por últim o, los colaboradores de la celda deben ser multifuncionales y polivalentes para desem peñar los diversos trabajos que se presenten en el sistema. U na de las finalidades de im plementar un SMFa es rastrear el m ovim iento de los materiales, el trabajo en proceso y los productos terminados. A l monitorear estos tres aspectos, la em presa es capaz de determinar con precisión cuáles son los pun tos más débiles de la cadena productiva, con lo que se pueden tomar acciones con cretas en el punto respectivo y convenir las debilidades en fortalezas. Este proceso es len to ,y al paso del tiem po se irá depurando hasta llegar al punto óptimo. Los SMFa no son una moda, sino una necesidad que surge por las condiciones de trabajo a nivel de piso; por lo tanto, contar con información en tiem po en línea proporciona múltiples posibilidades de mejora, em pezando por la gestión de la pro ducción, la cual se desarrolla de manera más armoniosa. C on la información oportu na se puede realizar un conjunto de acciones que permitan entender realmente cuál es la capacidad de la empresa, sus tiem pos de respuesta y los contratiem pos durante este proceso para analizar y ejecutar acciones de mejora. Es im portante indicar que la funcionalidad del SMFa radica en el manejo de la información y que ésta se pueda manipular u obtener a través de conexiones en red, servidores y el apoyo del departam ento de TI. Estos elem entos permiten la com uni cación, con lo que la planta de manufactura deja de ser una caja negra a la cual se le suministran insumos y de la que se obtienen productos. 'IVabajar sin información provoca que el personal implicado cumpla con su tra bajo y contem ple sólo el volum en de producción, sin pensar en la calidad ni la varie dad. Es decir, trabaja a la manera tradicional, sin saber cóm o se desem peña el resto del personal dentro y fuera de la empresa. La falta de información causa efectos nocivos sobre la empresa, com o m antener grandes existencias en los alm acenes para protegerse de cualquier cam bio en el volum en de producción. Si los cam bios son muy constantes y bruscos, el almacén crece de forma desordenada, lo que al paso del tiem po resulta en deterioro y pérdidas de mercancía, así com o un creciente costo fi nanciero. E stos y otros elem entos hacen que la empresa deje de ser com petitiva por que sus precios se elevan demasiado. La dirección se ve presionada a reducir costos y acude a la eliminación sin control de personas y áreas que pueden ser esenciales, con lo que logra mejoras momentáneas, pero finalmente llegará el cierre de la em presa al no poder luchar contra los precios de la com petencia. Por lo anterior se puede observar que la comunicación es básica para saber con precisión cóm o se comporta la em presa y poder enfrentar la com petencia, cumplir con los reglamentos gubernam entales y atender al mercado. Con la comunicación se
o
PARTE DOS
Sistemas de manufactura
puede establecer una coordinación con todos los involucrados para generar un plan de acción cuando se presenten cam bios inesperados, com o el de la dem anda de cier to producto debido a una m oda pasajera; con esta acción se tendrá el visto bueno de quienes actúan y se podrá comunicar en tiem po en línea para estar al tanto de lo que hace cada uno de los involucrados. Si hubiera dudas se puede recurrir directamente a quien tom ó la decisión. Para lograr lo anterior se necesita saber lo que ocurre en piso y la única manera es tener integradas las líneas m ediante las tecnologías de manufactura y de la información. El objetivo del SMFa d ebe ser claro, además de impulsar su creación de manera paulatina, primero con los recursos de la empresa y luego con los que se puedan adquirir. Ninguna em presa puede hacer cam bios de manera radical, pues primero se debe comprender la parte conceptual de la estrategia, es decir, es necesario que todos los involucrados lo entiendan plenamente. Logrado esto se pueden empezar a hacer las agrupaciones de máquinas para generar las celdas, después colocar e le m entos electrónicos para control y monitoreo. El siguiente paso es integrarlas con la red, el servidor y las T I, lo que se busca es romper la caja negra de la empresa tradicional en la parte de producción. Si hay puntos donde la com unicación no es posible se deben eliminar, junto con el paradigma de hay cosas que so n im posibles de cam biar por el de es p o sib le cam biar y m odificar, con lo que se eliminan las justi ficaciones de por qué no se hicieron las cosas. D ebem os tener presente que estar en una situación de com odidad 110 se da sólo en el área de producción,ya que también la encontram os en la parte administrativa y de distribución, elem entos que se op o n drán al cambio. Incluso existe el caso del área académica, donde los investigadores dominan y entienden un enfoque de manera tradicional y nada los puede obligar a ver las cosas de form a distinta; siempre tendrán excusas y justificaciones fútiles. Por ello se hace hincapié en que primero todos los involucrados deben entender la estrategia para después llevar a cabo las acciones respectivas Hay empresas que com o primicia introdujeron la T I en sus sistem as productivos, esperando que esta simple acción provocara los cambios, pero en la mayoría de los casos se encuentra que la gente no comprende el porqué del cambio y cada quien da una interpretación diferente. A l final siempre hay excusas para no trabajar con la TI, y si lo hacen se generan acciones más lentas, por lo que la inversión nunca se recupera, lo cual alguien tiene que pagar,y en muchos casos es el cliente. Si no es posible supe rar la crisis, sim plem ente se bascan más socios, se acude a préstamos gubernamenta les o bancarios, o definitivamente se va a la quiebra. Estos directivos y dueños dirán por toda la eternidad que sus malos resultados son consecuencia de experimentar con nuevas tecnologías. Nada más falso. Y esto genera un ambiente de zozobra entre quienes sí tienen intenciones de utilizar la tecnología, pero no saben cómo. Si los directivos y responsables de desarrollar un SMFa están conscientes de las ventajas y desventajas de su aplicación, pueden planear una serie de pasos para lograr este com etido, de forma que el proceso represente un riesgo bajo para la em presa. A dem ás,siem pre que se inicie un cambio tan radical en la producción se debe avanzar de manera lenta y constante, em pezando primero en el área de mayor costo. Para cumplir este propósito, la sustitución de maquinaria e im plem entos se debe hacer en el tiem po planeado, lo que permitirá la integración respectiva y las pruebas necesarias. A l iniciar la producción debem os estar conscientes de que a quienes tra bajen en dicha área les falta la experiencia necesaria para solucionar los problemas que se presenten, lo cual requerirá más tiem po, además de necesitar todo el apoyo de los responsables de la planta. En un periodo de seis a 12 m eses habrán salido toda clase de problemas, los cuales no se pueden prever sino hasta cuando se está en la fase de producción. Esto significa que por ninguna razón se debe iniciar el cam bio en una línea de alta producción que represente pérdidas significativas para la empresa, porque no se tendrá el tiem po suficiente para cumplir las órdenes de pedido, de ahí que se recom iende iniciar con producciones de bajo volum en, pues así habrá tiem po para solucionar los imprevistos.
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
El área a modernizar puede comprender una celda o un conjunto de celdas cuya visión sea su integración com o línea autom atizada con cierto grado de flexibilidad, ya que ésta determ ina en el largo plazo las ventajas com petitivas con respecto a las líneas especializadas en un solo tipo de producto. Si los SMHa tienen la posibilidad de flexibilidad de gama o de producto, las inversiones realizadas para su consecución resultan rentables en el tiem po porque se adaptan al cambio. La disyuntiva radica en poder definir perfectam ente cuál de las dos utilizar y en ambos casos puede re presentar un problem a d e funcionam iento si no se determ ina claramente por cuál decidirse. La flexibilidad d e producto implica un cam bio total del bien, por lo que se pue den tener diferentes estructuras exteriores que permitan diferenciarlos. E ste poten cial implica que los gastos de inversión sean más elevados, que se requiera mayor tiem po de preparación d e los involucrados en el proceso y buscar creativos que aprovechen este potencial. Cuando algún m odelo no responde a las expectativas del cliente, las adecuaciones se pueden hacer pronto y se puede sacar al mercado una nueva propuesta, con lo que se está en posibilidad d e segm entar el mercado a nivel local e internacional y responder así a la demanda. A m bos casos de flexibilidad tienen ventajas y desventajas que se deben valorar. Cuando se tienen productos variados se genera el problem a de contar con refaccio nes para servicio,por lo que los gobiernos obligan a los fabricantes a tener partes de sus m odelos por un periodo de 10 años. En este lapso el tam año de los almacenes puede ser un problem a d e costos crecientes para la empresa, de m odo que lo reco mendable es no cambiar partes que no tengan función d e apariencia y rendimiento en el producto: esto perm ite que el cliente pueda utilizar partes de m odelos nuevos y viejos.También se puede hacer una subcontratación con empresas cuyo negocio sea la venta de partes y las surta cuando el mercado dem ande una pieza en específico. La importancia de los S.VlHa radica en su adaptación a los cam bios bruscos de la dem anda porque siempre pueden tener una respuesta, y al trabajar en tiempo en línea se elim ina la necesidad de alm acenes y el riesgo d e pérdidas económ icas importantes si los sistem as económ icos entran en crisis, lo que prolonga la vida de la empresa. Gracias a la flexibilidad se puede trabajar con el concepto de mejora continua, que implica la innovación constante reflejada en los productos, además del desarrollo humano, por el cual las personas mejoran constantem ente en su trabajo y se genera un círculo virtuoso en el que cada día se logran pequeñas metas que al paso del tiem po hacen la diferencia con las em presas que no pueden trabajar de la misma manera. Por mucho tiem po se ha prom ovido la idea d e que un SMHa es aquel que tiene la más alta tecnología, por ejem plo, los robots, centros de maquinado en sus diversas modalidades, sistem as d e visión, bandas computarizadas, vehículos guiados, PLC’s, sensores, sistem as de radio frecuencia para comunicación entre equipos, redes, ser vidores, T I, entre otros, com o la expresión más refinada de este concepto. Pero esta imagen puede sufrir variaciones dependiendo de cada empresa, y el grupo respon sable determinará el grado d e flexibilidad que requiera. D e ahí el uso regular de la tecnología, por lo que no puede decirse que haya un sistem a único y estándar de manufactura automatizada.
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Manufactura automatizada
Los sistem as de manufactura autom atizada em plean dispositivos de m ovim iento perpetuo controlado para integrar piezas manufacturadas previam ente y /o subensambladas en un producto terminado o unidad d e producto. Para obtener un sistem a general de ensam ble se puede utilizar cierto número de transferencias mecánicas, sistem as de alimentación, máquinas especiales y tipos d e robots (figura 2.16).
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PARTE DOS
Sistemas de manufactura
La manufactura automatizada se basa en el u so intensivo de tecnología; es decir, manufactura con valor agregado en su actuar,el cual se beneficia con el alto nivel de conocim iento del personal y la repetitividad del producto.11 Esta manufactura permite tener sistem as que se pueden adaptar para ensamblar una variedad de artículos con índices de producción moderados, su inversión en he rramentales e integración de tecnología es alta,sus costos de mano de obra son bajos pero requiere especialización tecnológica por parte del personal. A lgunas de sus aplicaciones más com unes son ensam bles generales, manejo de material y transferencia de las partes de ensamble. También es altamente utilizada en am bientes peligrosos para el personal, com o manejo de radiactivos, sustancias tóxicas o contam inantes, altas temperaturas y esfuerzos físicos extremos, así com o las operaciones de carga y descarga para un proceso de manufactura, por ejem plo los centros de maquinado, secado a presión, em paque y máquinas de inyección. En cuestiones de diserto, la manufactura automatizada contiene en su estructura un gran aporte tecnológico, su desarrollo está rodeado de diversas herramientas de ingeniería (diagramas de operación, fundam entos teóricos, principios de operación, etc.) y se soporta con aplicaciones de software, que lleva a una manufactura de vi sual ización (M D ). Por lo general, la manufactura manual y la autom atizada son funcionales para cada aplicación o beneficio, ambas con ventajas y desventajas, e incluso se puede hacer una mezcla de ellas, pero sum ando siempre la característica de flexibilidad para permitir la innovación en el producto y la capacidad de respuesta ante los re querim ientos del mercado. Los tem as siguientes presentan los desarrollos tecnológicos que se em plean en la industria de la manufactura moderna, pero antes vale la pena mencionar los ele-
E stación au to m a tiza d a d a lim p ie za , carga, descarga y aca bado d a pieza s d e plá stico
fig u r a
2 .10
C once ptua lización d e la m a nufa ctura a u tom a tizada .12
“ E s im p o rtan te o b serv ar q u e la autom atización lleva consigo la calidad, pero el g ra d o d e profundización d ep en d e d o la experiencia del u suario, quien tra n sm ite su nivet d e inteligencia al sistem a autom atizado. « A p licacio n es d o integración de robots industriales A B B on la m anufactura autom atizada.
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
m entes de apoyo que permiten sujetar, mantener, colocar y tijar las diferentes piezas y/o partes que integran el producto, además de herramentales y accesorios de má quina, denom inados sistem as de sujeción y que se utilizan en la manufactura manual y autom atizada com o elem en to básico de operación.
Fábrica automática Para que una em presa pueda llegar a la automatización en todos sus procesos es n e cesario tener claro que la producción se debe organizar por flujo, para que al llegar los pedidos se gestionen automáticamente. La automatización industrial se ha convertido en un área en pleno desarrollo y de gran importancia para todos los sectores industriales, ya que permite mejorar la productividad de las empresas, la calidad de sus productos, la flexibilidad y la segu ridad laboral. Trabajar por flujo es utilizar el concepto justo a tiem po (JlT ,por sus siglas en in glés), lo cual implica que primero se hacen las ventas y después se produce; es decir, el mercado determ ina el ritmo de producción. En consecuencia, el plan maestro de producción com prende dichos requerimientos y elabora una planeación detallada, con órdenes de producción en lapsos muy cortos. D ado que la em presa ya trabaja en tiem po en línea, se hace inm ediatam ente el comparativo de lo planeado a lo ejecutado, así com o los ajustes pertinentes en el tiem po indicado. D e este modo se tiene una desviación mínima, y com o no se pueden m antener los almacenes, es importante considerar que si una unidad sale de la línea, puede entrar otra, ya que el ritmo lo determ ina la velocidad de embarque de los productos en los m uelles de carga, y cuando el tráiler sale de la em presa se m onitorea para conocer el tiem po en el que entrega el producto a los clientes, se cierra la orden y se procede a comparar lo planeado con lo ejecutado. Para llegar a lo anterior es necesario organizar la empresa. Lo primero es hacer un m apeo del proceso con el fin de tener una familia de productos y que dicho map eo sea compatible con las máquinas y equipos que procesan los diferentes produc tos y que son parte de la familia (figura 2.17).
http://goo.gl/g5LfPZ
f ig u r a
2 .1 7
Fam ilia d a productos.
m
PARTE DOS
Sistemas de manufactura
http://goo.gl/sZe
Escala de la vista actual isomètrico 1.5:1
Escala del isomètrico 1 . 6:1
SECCIÓN A-A
___ \q
,
0.011
Ambas caras
Material: Acero inoxidable {fenítico} Gfdigo ôs F«rte OPITZ: 150101501 f ig u r a
Masa: 76.064
a. i b
Eje d e ajuste, c o n s id e ra d o pa ra una fam ilia d e parles.
U na familia de productos tiene una característica común, lo cual los hace sus ceptibles de ser m anipulados por las diferentes máquinas Al contar con esta información se tienen las condiciones para crear celdas de manufactura. Por lo general, clasificar los productos por geometría y características físicas ayuda al diseño de las instalaciones y del proceso de manufactura. A ctualm ente se em plean celdas de manufactura que ahorran espacio y eliminan el exceso de recorridos, ya que “transportar no agrega valor al producto”. Se genera así una disminución del costo real. IJn eje es un ejem plo común de fam ilias de partes, ya que el mismo cuerpo del eje puede tener modificaciones sim ples según su aplicación o funcionalidad (figura 2.18). Para crear una celda de manufactura se tienen tres posibilidades: 1. Inspección visual. 2. A nálisis del tiujo de producción. 3. A tributos de manufactura. b l primer m étodo es empírico, tom a en cuenta la experiencia de la persona con más tiem po en la planta, quien conoce todo el proceso y las máquinas por las que pasan cada uno de los productos: por lo tanto, esta persona logra las condiciones de agrupar máquinas y equipos para que trabajen en form a de celda de manufactura, bsta manera de agrupar puede ser recom endable para pequeñas y medianas em pre sas, pues por su tam año permiten que una persona esté en posibilidades de hacerlo.
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
En el segundo caso se requiere trabajar con un grupo interdisciplinario, el cual analizará la manera en que opera cada una de las fases por las que pasan los produc tos para establecer las máquinas correspondientes Para lograrlo deberá apoyarse en algún sistema de cóm puto, el cual hará las iteraciones respectivas para obtener una celda óptima. El tercer m étodo tiene que ver con las características de los p roductos com o son forma, tamaño, peso, material, entre otras. Con este m étodo se definirá cuáles máqui nas se requieren para el proceso. El ejem plo más típico lo representa la construcción de tarjetas electrónicas Jas cuales tienen sim ilitudes de partes y cuyas condicio nes de producción deben ser de alta limpieza, control y prueba para asegurar la ca lidad del producto (figura 2.19). Donde: L: M: (i: D:
Torno (Lathe). Fresadora (M ili). Rectificadora (Grinding). Taladro (Drill).
U na vez seleccionado alguno de los m étodos mencionados, se procede a dise ñar la celda de manufactura, es decir, a agrupar las máquinas teniendo en cuenta n Puenie: K alpakjian, Seropc y Schm id Steven R ., Manujaciurbi% Engbtcerótg and Technology, 7* cd., p. 1116, figura .18.11, cap. 38. Compuur-aided Ma/tufaeturinx, 2006, Pearson, P ren tk e -H a ll.
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PARTE DOS
Sistemas de manufactura
los equipos y máquinas actuales, además de alguna adquisición de equipo especial y accesorios. Otra acción es designar a un responsable de la celda, la cual debe ser multitareas, que permita m ovilidad para tener la capacidad de colocar materiales y piezas, y se pueda m over a la siguiente máquina, así com o verificar la calidad, entre otras actividades El control autom ático de la celda estará ligado a un PLC, de esta manera se podrá tener un proceso autom atizado y con la capacidad de detenerlo en cualquier parte de la celda gracias a una interface de botoneras,o bien, pantallas de monitoreo y control. A l em pezar a producir con el concepto de flujo, la em presa inicia una sincronía con el mercado y con los costos de producción de sus contrapartes nacionales e in ternacionales. También se logran productos de calidad, pues lo que se obtiene de una celda de manufactura autom atizada es repetitividad de las características del producto; en consecuencia, al utilizar un control estadístico del proceso (C E P), las variables caen en los lím ites de control,con lo que se establece la calidad del producto. A medida que la producción responda a la creciente demanda de los consum i dores, se estará en condiciones de adquirir equipo de alto volum en de producción y flexibilidad com o máquinas de C N C (control numérico com putarizado), robots, PLC, etcétera. Conform e el grupo de trabajo entienda el funcionam iento de los equipos au tom atizados y la organización de la producción por flujo, la empresa se irá trans form ando hasta ser una fábrica automática, comunicada por una red LAN con una arquitectura tipo árbol, que tiene la característica de ser centralizada,)' el control de la producción estará totalm ente monitoreado. Se recomienda una red tipo árbol porque garantiza el funcionam iento íntegro de la línea, los procesos siempre están liberados con posibilidad de comunicación externa y la información fluye libremente, pudiendo acceder a ella desde cualquier parte del mundo. Para que la línea del sistema de manufactura flexible computarizada pueda controlar y monitorear las órdenes de producción, se requiere un sistem a de codi ficación digitalizado que identifique el producto y determ ine en qué línea se debe procesar. Al iniciar el proceso se indica la hora de entrada a la línea, el tiem po en que pasa por cada fase y el m om ento de salida. Con esta información se tiene un sistema de retroalimentación, en el cual se compara lo programado con el plan maestro de producción y así se sabe si está dentro o fuera de lo planeado y en qué porcentaje, para poder tomar las acciones correctivas correspondientes Al paso del tiem po la empresa se transformará, por lo que será necesario definir un ciclo de vida del producto, una plataforma donde se ejecute un conjunto de solucio nes para cada producto;el objetivo es que haya transparencia en todo lo que se realice. Existen aplicaciones de ciclo de vida del producto para diferentes tipos de in dustria: m etal-m ecánica, del vestido, alimenticia, agrícola y otras, o para empresas de servicios com o bancos, aseguradoras, tiendas departamentales, entre otras. La información ingresada al software garantiza el correcto funcionam iento del sistema. A l trabajar con este tipo de sistem as se busca la integración del proceso y la organización; la aplicación digital contiene m ódulos de manufactura, administra ción, logística y más, con un potencial para un control de 360", lo que perm ite ver el com portam iento desde cualquier punto interno o externo, para lo cual se deben colocar servidores para mercadotecnia con el fin de que las órdenes de los clientes se reciban de manera segura y al instante. Para fincar la orden de producción, el servidor de manufactura analiza las órdenes anteriores, junto con la capacidad de los proveedores, y define una fecha de entrega, que en cuestión de segundos se le indica al cliente, quien efectúa la transac ción financiera con un porcentaje fijado por la em presa, con lo que se consolida la orden de producción.
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistsmas da manufactura
Cuando el servidor de manufactura indica el embarque del pedido, el servidor de logística tom a el control y rastrea el recorrido de la mercancía, con un control en tiem po en línea. Se requiere tecnología R FID o sensorial para saber con precisión cuánto tiem po tardan en llegar las mercancías y d e este m odo estar en sincronía con el J IT en la fábrica automática. S e pueden hacer negocios a lo largo y ancho del planeta, con la ventaja d e que la dinámica de los m ismos proporciona un retorno constante d e la inversión. Los directivos deben tener un enfoque a largo plazo, para que el personal adquiera ex periencia en el tiem po y cada día se fabriquen productos más sofisticados, con un margen mayor de utilidad por ser personalizados; así se lograrían más ganancias para la empresa y beneficios para la sociedad. La fábrica autom ática no pretende la sustitución del hombre por la máquina computarizada; más bien, ésta es resultado d e las demandas de mercancía por parte del consumidor. D ado que los volúm enes son del orden d e millones de partes, en tiem pos muy cortos y precios accesibles, la única manera d e lograrlo es con el uso de equipo autom atizado, que elim ina los tiem pos muertos de la fábrica tradicional y los transforma en tiem po productivo, reduciendo costos. “Organizar la producción por flujo:’ es muy simple, se debe entender a profun didad el concepto comparado con el Sistem a d e Producción Toyota (TPS, por sus siglas en inglés), el cual elimina los desperdicios (tiem pos o actividades innecesarias). El concepto d e fábrica autom ática fortalece la creación del sistem a de manufac tura integrado por computadora.
H B
Manufactura digital
La manufactura digital está al alcance d e cualquier empresa. Permite proyectar de manera virtual el concepto del producto, el diserto de la planta, las instrucciones de manufactura, las de ensam ble y más. Este potencial puede expresar de forma virtual todo del proyecto (figuras 2.20 y 2.21).
f ig u r a
a .a o
E scenario virtual eri 3D del d ise ñ o d e una p lan ta autom atizada.14
’^Tornado del softw are d e diserto d e instalaciones F actory D esign S uite d e A utodesk. A utodesk es una m arca registrada; su c ita e n e ste te x to e s co n fines didácticos e ilustrativos.
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PARTE DOS
Sistemas
temanufactura
f ig u r a
a .a i
E scenario virtual en 3D d e una planta d e e m p a q u e .15
A l crear escenarios virtuales se puede visualizar el funcionam iento del producto, su proceso y las etapas que lo constituyen, así com o su distribución espacial, donde se pueda considerar la elaboración de más b ien es;es decir, poder fabricar productos por familia, garantizando un funcionam iento óptim o de las líneas de producción. C uando se trabaja con esta tecnología de manufactura se puede ver, incluso, cóm o se comportan las áreas de la em presa, los proveedores y el mercado, y crear escenarios de trabajo en constante cambio, es decir, jugar con las variables y ana lizar las diferentes alternativas, con lo que se hace un ejercicio de trabajo ampliado. Existen categorías en los productos, partes e instalaciones. Los productos sim ples constan de unas 50 a 100 partes, com o la mayoría de los electrodom ésticos, la ropa, el calzado e incluso los motores de com bustión interna, por lo que es reco mendable que un so lo diseñador esté a cargo del mismo. Los productos de mediana complejidad com prenden de 100 a 1000 paites, pues son un conjunto de dispositi vos, com o el motor, la suspensión, la caja de velocidades, los frenos y el tanque de gasolina de un autom óvil, por lo que se requiere un equipo de no más de 10 d ise ñadores Los productos com plejos constan de 1000 a 10 0 0 0 partes, por ejemplo, los veh ícu los En el caso de los aviones hay 1 millón de partes y los cohetes pueden contener hasta 5 millones, por lo cual son proyectos especiales que implican la cola boración de m últiples empresas en un gran número de países, para lo que se requiere el manejo en tiem po en línea. Los grupos de trabajo só lo pueden realizar su labor si sus archivos están vinculados, garantizando que los cam bios que se realicen en al guna parte del proyecto se vinculen de forma transparente con el resto (figura 2.22). Para proyectos com o la fabricación de aviones, barcos, presas o cohetes, por lo común se realizan con apoyo gubernamental directa o indirectamente, m ediante el a p o n e de dinero público por el riesgo que implica. Tal fue el caso de B oeing en la Segunda Guerra Mundial, cuando desarrolló el bombardero B52, que implicó un “ Tom ado del softw are d e diseño de instalaciones F actory D esign Saite de A utodesk. A utodesk es una m arca registrada; su c ita e n e ste te x to es con fines didácticos e ilustrativos.
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
E » :a a 1:1
Nflm
fig u r a
2 .2 2
P e ra
Cantidad
1
M a rttn n d a arrastro ta r ro B i/C O 155
1
2
SotadAn da o j'ú r . da arratM i an al re a l la
1
3
P erra ec ots-itrada d a p o rto d a arrastra dal taras E M O O 155
1
4
To rtilla C
4
6
Basarla da to ra s sis e n
S O 4762 M B X 1 - 20
1
D ib ujo explo sivo d e u n pu nto d© arrastre y vistas explo sion ad as.
presupuesto de 5000 m illones de dólares de esa época, lo que lo hacía ¡nviable para particulares,)' de no haber sido por las circunstancias del mom ento, nunca se habrían realizado. Del mism o modo, el Air Bus 380 im plicó la participación de varios gobier nos europeos y su realización tom ó muchos artos. En cuanto al desarrollo espacial, ha sido soportado por súper computadoras que conjuntan tareas muy complejas, las cuales deben responder en tiem po real para m antener el ritmo d e los trabajos de investigación y desarrollo, d e lo contrario la misión sería imposible. El corazón de cualquier negocio es la creación d e un bien tangible o intangible, y la importancia d e la manufactura digital radica en darle un valor agregado. Por consiguiente, es necesario definir con precisión las partes de mayor peso y decidir cuáles se pueden subcontratar. Para ello es necesario que el proceso d e coordinación se realice de manera electrónica y con una plataforma establecida que garantice la comunicación y transparencia d e los archivos. Existen varios software (C.’atia d e Das sault Systemes, Pro/Engineer de PTC, Factory D esign de Autodesk, Factory C A D and Flow de SIEM ENS PLM, RobotStudio de A B B , entre otros) que proporcionan soluciones dependiendo del tam año de la empresa. Una vez que la compartía se de fina por algún software se generará una dependencia, por lo que su avance permitirá contar con mejores aplicaciones que solucionen d e manera sencilla los problemas del producto. En caso contrario, esto representará una desventaja. Lo importante es que se esté consciente de este riesgo y se definan por anticipado escenarios excelen tes, regulares y pésimos. En el mercado hay un sinnúmero d e aplicaciones informáticas en el área de m anufactura lo cual garantiza que cualquiera que sea el sector donde se encuentre la em presa hallará soluciones a sus problemas. Se pueden buscar en internet, acudir a ferias de la tecnología o consultar a expertos en el tema; la brecha digital entre las empresas grandes, medianas o pequeñas se ha elim inado con la posibilidad d e esta blecer m ecanismos de trabajo y coordinación digitales. El elem ento central en todo este proceso es el tiem po d e aparición de nuevos productos, las m odificaciones y su desaparición, lo que permite trabajar con flexi-
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f ig u r a
a .3 3
Sistemas de manufactura
M o delo virtual d e u n a c e ld a d e m a nufa ctura C A D/CA M .
bilidad y, por consiguiente, adaptarse en el tiempo. A ctualm ente es cada vez más importante la velocidad con que las empresas pueden cambiar, y si antes se decía que las grandes se comían a las pequeñas, ahora son las em presas rápidas las que se com en a las lentas, lo que implica que éstas deban volverse ágiles. Los ahorros por la eliminación de la fábrica oculta son muy grandes, lo que permite tener precio, varie dad y tiem po de entrega de acuerdo con el mercado. Para cumplir este propósito es fundamental que los creativos, el centro de la empresa, cuenten con las herramientas tecnológicas necesarias y las utilicen para lograr costos competitivos.
Manufactura integrada por computadora La manufactura integrada por computadora (C1M, por sus siglas en inglés) es un concepto cuyo objetivo es la integración del proceso productivo de m odo que la empresa trabaje com o un sistem a global y tecnológico, capaz de recibir influencia de cualquier parte del m edio y tener una respuesta que sea el resultado de la suma de los elem entos que lo conforman. Para ello se requiere contar con un conjunto de elem entos tecnológicos que permitan la comunicación en tiem po en línea, cuya consecuencia sea que la em pre sa pueda trabajar justo a tiempo. Hsto es muy importante pues se refiere a un ente industrial que se adapta a las dem andas del mercado, con capacidad de responder a los retos de flexibilidad, calidad y volum en de producción, entre otros. D esde el año 2000 se ha visto que muchas empresas reúnen un conjunto de tecnologías de automatización que no se aprovechan plenam ente para ser una CIM. Sólo son fábricas automáticas. Ser una CIM es un proceso de mejora continua, donde los involucrados puedan tomar decisiones que mejoren las ideas originales; es decir, un am biente de trabajo enfocado en la superación personal, que necesariamente tiene com o consecuencia directa el em poderam iento de los trabajadores, que los hace “considerarse parte del equipo de trabajo”, para tomar decisiones con rapidez y oportunidad, así com o con sensuar o democratizar la vida de la empresa. A esto tam bién se le conoce com o au tonom ía del trabajador, pues éste se ha convertido en un productor independiente, responsable de lo que hace, inclusive creador de ideas que mejoren lo planeado, lo cual resalta la importancia de la estrategia de una CIM. Iodo em pezó con la aplicación de un m odelo flexible denom inado Sistema de Producción Toyota (TPS, por sus siglas en inglés), el cual perm itió la libre participa ción de los trabajadores y la búsqueda de la creatividad (figura 2.24).
CAPÍTULO 2
Producción Toyota
Manufactura y sistemas de manufactura
Aum ento de las utiidades IP/G)
Aumento del capital contable total {B.'GI
Reducción de castos
Aumento d s rotación iis capital
R e s u lta d o s
Eliminación de partidas ¡nnesesatas. especialmente tí» inventano
fig u r a
a .a a
E s q u e m a del Sistem a de P roducción Toyota (T P S ).
Se requiere la sum a d e esfuerzos, es decir, ser holísticos, lo que implica que el personal tenga bien definidas sus fortalezas y debilidades, que trabaje en grupo y que haya una libre manifestación de las ideas, un am biente de trabajo agradable y una participación de los miembros de la empresa, donde todos sientan que son importantes; éste es el secreto de las empresas que triunfan en el mundo. Lo impor tante es establecer retos y facilitar los recursos tecnológicos y financieros necesarios. Por lo tanto,se requiere un nuevo tipo d e empresa, que mire más por los proyec tos a futuro, lo que implica que el grupo de trabajo busque, en primera instancia, ge nerar un bienestar para el consumidor, crear un clima d e confianza,fincar un ingreso com petitivo com o una forma d e satisfacción, ser una empresa sustentable y formar parte d e una fam ilia ampliada. El objetivo de este capítulo no es tanto referirse a la tecnología d e la autom atiza ción industrial, sino tener presente el importante recurso humano, el cual es la base para lograr un cambio tecnológico al contar con personas motivadas y dispuestas a realizar las tareas de manufactura com o si fueran propias y de satisfacción personal. La sociedad vive en una generación tecnificada donde se tiene acceso a la com pu tadora y se entienden el potencial y la importancia d e la tecnología. En suma, es una sociedad capaz de integrarse al trabajo efectivo y flexible. Otro ejem plo de esta evaluación del proyecto es el diagrama de la página si guiente. A l principio se concretarán en familiarizarse con la tecnología hasta llegar a do minarla. Chorno el fin es el trabajo en grupo, se diseñarán los lugares adecuados a este propósito con el número de miembros suficiente para que puedan realizar una tarea en un mismo sitio, “la fam osa celda de trabajo”, que les permitirá intercambiar expe riencias tecnológicas con el cliente y con otras celdas de trabajo, lo cual redundará en la eliminación de las barreras funcionales,y la em presa estará libre de obstáculos artificiales que limiten la creatividad. Hl resultado es un menor costo por hacer la tarea com pleta en un mismo sitio. Por ejem plo, en una línea d e un crédito bancario para una em presa, los pasos a seguir son: valuación del proyecto, análisis d e factibi lidad, nicho de mercado, búsqueda de proveedores, rapidez con que se atienden las dem andas del cliente, etc. En nuestro caso, la solución es la conceptualización de una celda de trabajo dentro del área administrativa, contar con una red que integre
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Sistemas úe manufactura
D efinició n de n e c e s id a d del p ro d u cto ; e s tu d io d e m e rc a d o
D is e ñ o del c o n c e p to y eva luación ; e s tudio d e factibilidad
A n álisis d e d iseñ o; códigos/revisión d e estánd ares; m o d e lo s físicos y analíticos
t
P ro d u c ció n del prototipo;
D is e ñ o asistido p o r c o m p u ta d o ra
p ru e b a s y evaluación
D ib u jo s d e p ro d u c c ió n ; m a n u a le s d e instruccione s
r ---------------+ ----------¿
Esp ecifica ción d e m ateria le s; s e le cc ió n de p ro c e s o s y e q u ip o s; revisión d e segu rida d
I <
M a n u fa c tu ra y planeación del p ro c e s o asistidos por co m p u ta d o ra (C A M y C A P P )
P ro d u c ció n piloto
----------------------------------------------------------
<
4 -
-----------------------------------------
P ro d ucció n
4
M a n u fa c tu ra integrada por co m p u ta d o ra (C IM )
In s p e c c ió n y garantía d e calidad
E m p a q u e ta d o ; m e rc a d o te cn ia y te x to s d e ventas
4
Producto f ig u r a
2 .2 5
A plica ció n d e una C IM b a sa d a en C A D /C A M .
a la empresa y un servidor central con la capacidad suficiente para dar respuesta en fracciones de segundo a las demandas internas y externas. Este diagrama es una aplicación del CIM , con base en el diseño del producto y el apoyo de técnicas C A D /C A M , así com o de la planeación de la manufactura. U na C1M se basa en una computadora enlazada a una red y un servidor que per mite conocer las actividades individuales de todos los miembros de la organización en tiem po en línea. A l m om ento de abrir el archivo correspondiente se actualiza la información, con lo que se eliminan duplicidades, trabajo innecesario y pérdidas de clientes. La base de datos tiene la información com ún a todas las áreas, dejando para las células de trabajo aquella que sólo es de interés para el grupo,com o el registro de los trabajadores, donde existen diferentes archivos del mismo trabajador, los cuales se repiten en varios sitios: recursos humanos, finanzas, mercadotecnia, sindicato, bancos, gobierno,entre otras, y cada uno tiene un diferente nivel de información, donde sólo
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
aparece lo que le interesa al área en particular. En cambio, cuando se tiene un solo registro los interesados acceden a éste en forma automática, actualizan los datos y hay un mejor control. En cuanto al área d e manufactura, será necesario considerar además de la línea computadora-red-servidor, un conjunto d e máquinas herramienta y utillajes nece sarios para la producción. E ste conjunto de instrumentos tecnológicos debe contar por lo m enos con dos elem entos electrónicos que permitan la comunicación con las áreas respectivas, para no trabajar d e manera aislada, monitorear lo que sucede en piso e informar de cambios, características, necesidades y problem áticas en la pro ducción, de forma que los niveles superiores puedan saber si se cum ple con lo pla neado, si la calidad es total o si se presentan incidencias en la producción. Si esto no se cum ple por las razones qu e sean, se puede reaccionar en el m om ento oportuno, con tiem po suficiente para buscar soluciones al elem en to perturbador y aplicar las medidas correctivas, con la posibilidad d e que la solución venga d e los miembros de la celda, otras celdas u otras áreas de la em presa En estos sistem as es importante considerar que la auditoría de calidad la realiza el cliente. Lo que se busca es tener un juicio autónom o, libre de cualquier interés ajeno al producto, y con base en sus recom endaciones se darán incentivos y se generarán programas d e acción. Un punto importante es conocer al responsable d e cada fase por las que pasa el producto, con lo que se evitarán problemas internos porque queda libre de esta responsabilidad cualquier miembro d e la organización que no tenga que ver con el problem a El objetivo de la aplicación d e las celdas es cambiar las condiciones materia les en las que se desarrolla el trabajo, por lo cual éste deja de ser m onótono y se convierte en un reto diario. Por lo tanto, a medida que las personas dominen las tecnologías de sus áreas deben ser las primeras en ocupar los puestos superiores de la empresa, con lo que se reforzarán su entusiasm o y su com prom iso con el trabajo, es decir, tendrán una motivación y /o un proyecto de vida. La acumulación d e experiencia humana y tecnológica permite la paulatina inte gración de la empresa y el establecim iento de las bases del cambio. El siguiente paso es analizar en tiem po en línea estos m illones de datos, lo que permitirá presentar la información de manera gráfica al usuario qu e la consulte, lo cual da com o resultado una tom a d e decisiones más rápida y oportuna,se puede conocer el comportamiento de la empresa en general en unos segundos, perm itiéndole, por lo tanto, un análisis pormenorizado d e la situación, tomar las posibles decisiones para ser consensua das y comunicar a los directamente afectados con el fin d e recibir com entarios y recomendaciones. A l final el resultado será una respuesta más efectiva por haber considerado todos los posibles escenarios, lo qu e justifica ampliamente la inversión en este rubro. En el CIM hay tres factores principales: recursos humanos, tecnológicos y logísticos. U n objetivo com ún es la elim inación d e la “fábrica oculta”; es decir, buscar un conjunto de productividades reales dentro d e la organización, com o la eliminación de alm acén, disminución del espacio en piso, eliminación del desperdicio, ahorro en el consum o de luz y agua, reducción de gastos administrativos, eliminación de burocracia, disminución de costos financieros y de transporte, entrega del producto justo a tiem po, eliminación de transportación excesiva d e material en proceso den tro de la fábrica, supresión del intermediario y tener flexibilidad. A l establecer como principio el cum plim iento de estos puntos, la empresa será capaz d e percibir ahorros enorm es, aumentar su inversión y crecer com o una em presa competitiva. ¿Cómo se puede entender el CIM? El CIM es una filosofía d e trabajo cuyo eje es el poder comunicar a la empresa en forma integral y responder a las demandas de su entorno, lo que le permitirá tener viabilidad en el futuro. La comunicación es lo que hace diferentes a las empresas CLVl d e las que no lo son, pues genera la trans formación al romper las barreras establecidas en otra época, lo que genera nuevas relaciones y los vínculos de trabajo se fortalecen. AI trabajar com o un todo unido se facilitará el logro de los objetivos planeados, com o la eliminación de la fábrica
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Sistemas úe manufactura
oculta y algunas áreas de oportunidad, así com o la posibilidad de ejecutar una serie d e acciones en cuestiones que realm ente tengan un beneficio en el largo plazo y se marque una diferencia con las empresas que no las han tom ado en cuenta y siguen haciendo énfasis en aspectos de tipo tradicional. El CIM marca un cam bio de paradigma al establecer com o un punto central el uso científico de la tecnología en los procesos productivos, para lo cual es indis pensable la característica de establecer comunicación directa con el usuario y con otros sistem as tecnológicos, lo que permite tener información en tiem po en línea de lo que acontece en el entorno de influencia. A l establecerse la comunicación, los diferentes sistem as implícitos en el proceso productivo son capaces de modificar su accionar y dar respuesta a la demanda. En un horizonte más am plio podem os decir que con el desarrollo de la nanotecnología se proyecta en el futuro el desarrollo de instrumentos tecnológicos inteligentes, que puedan tomar decisiones, lo que ahon dará más la brecha entre las em presas que sí los poseen de las que no, por el simple hecho de que se libera a la persona de tomar decisiones monótonas, cuya solución es única y perfectam ente cuantificable,y dejar al ser humano todos aquellos puntos donde se deban ejercer decisiones que tengan cierto sesgo político, social, religioso y/o cultural, lo cual no pueden realizar las máquinas al carecer de los conceptos de pertenencia y necesidad. Esta revolución tecnológica en la que está inmersa la sociedad, a lo cual las empresas no pueden escapar, representa para los directivos una problem ática mayor al tener que justificar las inversiones, si se considera que toda la tecnología de este m om ento tiende a hacerse obsoleta rápidamente. Por lógica, no se tendrá el tiem po suficiente para recuperar la inversión, y ante tal cuestionantiento no hay manera de justificar los gastos que se puedan hacer en la modernización de las plantas porque no se garantiza el retorno (rendim iento) sobre la inversión, y por lo tanto hay una resistencia creciente en realizar grandes desem bolsos al respecto. En respuesta a la problem ática de la inversión hay dos puntos a considerar: 1. Las tecnologías no maduran sim ultáneam ente, es un proceso que tom a aftos. lle n e q ue ver con la inversión del sistem a tecnológico central, com o en el caso de la computadora y sus aplicaciones a otras áreas. Las posibles nuevas solu ciones se relacionan muchas veces con aspectos políticos, com o sucedió con los sistem as C A D /C A M /C A E , en cuyo desarrollo la fuerza aérea estadounidense gastó m illones de dólares, ya que le permitía tener (en un escenario bélico ante la U R SS) una ventaja en la fabricación de aviones más veloces, y comparar si la inversión realizada se justificaba, por lo que su contraparte tenía que hacer lo mismo si no quería rezagarse. A l final esta carrera pasó a la industria civil, donde se ha convertido en un requisito para com petir y sacar nuevos productos en un tiem po cada vez más corto. Las grandes empresas no pueden servir com o referencia para indicar cuáles tecnologías son maduras y cuáles no.También están las ferias industriales y las re vistas tecnológicas, estas ventanas de la tecnología permiten saber con seguridad dónde invertir los recursos y dónde se tiene riesgo de sufrir una pronta obsoles cencia. La estrategia fundamental es saber para qué sirve dicha tecnología, pre gunta que debe ser bien consensuada por los integrantes del área de interés. Si haydudas o no se cuenta con la experiencia suficiente se podría tener un grave problema. 2. Las empresas CIM no surgen en el am biente industrial com o un todo constitui do. Se van form ando paso a paso, solucionando una serie de cuestionam ientos que irán definiendo las características únicas e irrepetibles de cada empresa. En la primera década del siglo xxt, un requisito para seleccionar al proveedor era su permanencia en el mercado, premisa que se ha puesto a prueba con la crisis de 2008, cuando cayeron muchas industrias que se consideraban invencibles; otras se m ueven lentam ente y las m enos siguen trabajando com o si nada hubiera pa sado en el mercado. Esta información puede ser un parámetro para seleccionar
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistemas de manufactura
a cuáles empresas comprar sus productos tecnológicos. A lgunas de éstas garan tizan que lo que se compre en ese m om ento tiene un periodo de vida d e 10 años, con lo que se maximiza la inversión. Lo im portante es garantizar el retorno de la inversión y una utilidad. A hora bien, si el objetivo es crear una em presa con características únicas, el requisito es desarrollar una estrategia propia que haga la diferencia con los competidores, y para eso se requiere una mente abierta e in form ación de lo que busca el mercado. Según el grado de sensibilidad se podrán obtener en el tiem po ganancias d e tipo m onopólico, con lo que se podría garan tizar un crecimiento rápido y sostenido; de lo contrario, sólo se puede aspirar a tener una rentabilidad dentro d e la media. ¿Q ué demandará el mercado en el futuro? Es una pregunta difícil d e contestar. Se requiere tener la sensibilidad para palpar las condiciones sociales vigentes y sus posibles consecuencias en el tiem po, por lo que es importante cuestionarnos qué se está haciendo mal en este m om ento, qué se ha dejado de hacer correctam ente y qué nuevas ideas hay en el entorno. En el pasado estas preguntas eran, d e alguna m ane ra, fáciles de responder porque la mayoría d e las em presas trabajaban de manera rígida, lo que originaba una serie d e problemas en sus productos y se requerían ciertas condiciones para operar. Han pasado 40 años desde que alguien se hizo esos cuestionam ientos y ahora se tienen empresas con una dinámica muy diferente, son flexibles y trabajan para entregas justo a tiempo. Con estos dos elem entos, ahora ya conocidos por todos, ¿qué hace falta para dar el siguiente paso en la revolución industrial? El CIM debe servir para producir bienes que se apeguen cada día más a las culturas de cada país, a las tendencias juveniles y a un mayor conocim iento de las nuevas aspiraciones de la generación del siglo xxi. Las generaciones pasadas es tuvieron marcadas por la escasez de recursos materiales que hicieran más agradable su vida; la generación del siglo xxi será la generación de los sueños cumplidos, un reto que implica tener las condiciones para que las personas los puedan ver realiza dos. Una diferencia d e los nuevos tiem pos por venir es el hecho de que ya no basta poseer bienes para marcar una diferencia d e clase social, ahora es necesario que la persona pueda plasmar su personalidad en los bienes que usa y que de esta manera pueda definir su pertenencia a un grupo de ideas similares. Lo anterior tiene impli caciones profundas al ensalzar la creatividad de los que sí pueden y la d e los que no; es decir, una de expresión de ideas genuinas que hacen una diferencia con base en su esfuerzo, de los que sólo usan los bienes comunes. Ahora se requiere crear las condiciones para que el hombre que quiere ser di ferente lo pueda demostrar. D e algún modo, la personalización es un reto, pero per mite que las cosas tengan valor por lo que representan para una persona, lo cual elim ina problem as sociales, com o el robo, al tener bienes de interés sólo para el propietario. Esta nueva forma de ver el m undo llevará a la generación de productos con un sinnúmero de aplicaciones asombrosas y gratificantes. El CIM es una tecnología que funciona com o herramienta y que en las manos y m ente adecuadas permitirá desarrollar ideas y llevarlas a la práctica de manera rápida, oportuna y económ ica. Es repensar el lugar d e trabajo, lo que implica un com prom iso en el largo plazo, la ejecución de los proyectos de manera continua, revisar constantem ente los objetivos y metas, así com o el am biente de trabajo para que se genere la creatividad y la búsqueda constante de talento que pueda hacer la diferencia con otras empresas. La tarea d e aplicar el CIM en la organización no es nada fácil; un requisito indispensable es contar con un grupo directivo que entienda la revolución tecnológica en que está inmersa la sociedad, pueda aprovechar las oportunidades que ésta representa, no hay nada más falso que decir que por la crisis todo se detiene; más bien representa la muerte de viejas ideas y marca la inminente aparición d e las nuevas; es decir, dar el paso d e lo viejo a lo nuevo: “el cambio”. El CIM está soportada por cuatro pilares fundamentales: recursos humanos, tecnologías de manufactura (duras o blandas), tecnologías d e la información (para
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Sistemas de manufactura
soporte administrativo, m ercadotécnico y financiero) y logística (para la distribución de bienes). El recurso hum ano da vida a las otras tres, lo cual perm ite que las accio nes que se desarrollen se trabajen com o un elem ento unido, para que los diferentes miembros que la constituyen puedan intercambiar ideas de manera perm anente y su acción se vea de forma inmediata. Por su parte, la empresa tiene sentidos (vista, oído, tacto), y cada uno cum ple una función muy importante. La vista permite analizar el entorno interno y externo, con información en tiem po en línea, lo que facilita cambiar constantem ente de rumbo y poder prevenir las catástrofes en el mercado. l,'na manera de hacerlo es conociendo el número de sus competidores, la cantidad de empresas que mueren y el número de nichos de merca do. Clon esta información se es capaz de tomar las medidas preventivas antes de que sucedan los acontecim ientos adversos, con lo que se ahorrarán pérdidas económ icas y daftos a sus m iembros y comunidad. El o íd o de la empresa puede percibir lo que la gente piensa realm ente de ella, y para ello cuenta con herramientas muy populares com o el chat, las redes sociales, el correo electrónico y los diversos m edios de comunicación. Los tres primeros m e recen mayor atención, pues en ellos las personas se sienten solas y en intimidad, y realm ente dicen y hacen lo que piensan. Si esta información se maneja con criterios científicos se podrá saber si el trabajo se está haciendo bien, regular o mal, con el fin de hacer los cambios de manera oportuna. El tacto ayuda a saber con precisión cóm o se comportan el manejo y distri bución de m ateriales y productos, anticipándose a los problemas que se pudieran presentar. El conocim iento de toda la cadena hace posible una relación directa con proveedores y clientes, con la seguridad de que se respetarán los tiem pos de recep ción y entrega. En 1973, el doctor Joseph Harrington propaso la idea del CIM y estableció la creación de un m undo nuevo en el cual el hombre puede ser considerado com o tal (h o m o sapiens). Para tal efecto era necesario esperar a que maduraran las tec nologías electrónicas, de com unicación, informática y robótica, sin las cuales no es posible dotar a la empresa de los elem entos que permitan su integración, es d e cir, los sentidos. En su tiem po era común el trabajo fragm entado y autoritario, en el cual los hombres podían utilizar sólo parte de su cuerpo en el lugar de trabajo; por ejem plo, los obreros sas músculos, los gerentes su vista y oído, y los directores su ce rebro. Las fábricas eran un sitio en el que se limitaba la creatividad humana al apro vechar sólo paite del potencial del hombre, por lo que se le som etía a un rol para que no abandonara el lugar. Para los individuos con iniciativa y deseos fervientes de superación, la búsqueda de oportunidades era diaria, y todo el tiem po era común una rotación de personal, llegando en casos extrem os hasta más de 250% porque al hombre le aburría el trabajo. Con todo lo anterior, el CIM representa una oportunidad de cambio de las s o ciedades, con lo que están en posibilidad de com petir con base en su creatividad y su cosm ovisión del mundo, la com petencia no d ebe entenderse com o la destrucción de otras sociedades, sino la posibilidad de que éstas también desarrollen esa estrategia empresarial, lo que incrementará el bienestar del m undo en general. D ado que se necesitará conocer a otras culturas para poder realizar el comercio, se logrará tener un planeta unificado, donde la diferencia sea vista com o normal y com o un m odo de indicar a los dem ás cóm o pensar y sentir. Para que todo lo anterior pueda ser verdadero es necesario definir con precisión la estrategia organizacional que se ha de utilizar, pero al no quedar definida los directivos piensan que sólo es cuestión de invertir en tecnología y sastituir hom bres por máquinas. Para ello se debe precisar que dicha estrategia se defina por el flujo del producto, el cual consiste en eliminar la organización de la empresa por departam entos (organización por proceso) y agrupar un conjunto de máquinas que permitan realizar una tarea (la creación de la celda de manufactura), con lo que se tiene calidad total, porque el trabajador ya es consciente del alcance de su trabajo,y
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Manufactura y sistemas de manufactura
se logra flexibilidad al producir un conjunto de artículos diferentes (la celda implica la creación de una familia de partes). D e esta manera se trabaja con respecto a la dem anda del mercado y se basca eliminar la incertidumbre de un mercado abierto al primero vender y luego elaborar; es decir, realizar una producción jasto a tiempo. El software de integración de planeación de requerim ientos empresarial (ERP, por sus siglas en in glés),está diseñado para trabajar por flujo, por lo que será incom patible p a ra em presas que trabajan p o r proceso', si se está consciente de dicho cambio es importante definir los E R P para empresas de manufactura (C A T IA y N X ),d e los de em presas de servicios (SAP, O R A C L E , etc.). Con esta plataforma tecnológica se da transparencia al proceso,ya que cuenta con las diferentes aplicaciones informáti cas para la empresa, y el trabajo de cada departam ento se almacena en una base de datos común. A l integrar la em presa en 360° se elim ina todo aquello que no agrega valor al producto y que sólo encarece el precio al consumidor. Ésta es la razón de q ue las empresas comercialicen sas productos a través de internet. C on esta forma de co mercio, la gerencia estará en condiciones de saber con precisión cóm o se comporta el mercado y así tratará de diseñar su plan maestro de producción. D e este modo, la demanda se tiene que aproximar a la oferta, pero si no se trabaja de esta manera nunca se podrá definir qué se ha de producir. Por últim o,el CIM trabaja bajo la estrategia de flujo y sistem a holístico; su arqui tectura organizacional aún está en proceso de construcción, por lo que se espera que en el futuro se pueda definir para alcanzar una productividad mayor, la cual consis te en la elim inación de tiem po improductivo, no en la reducción de salarios y perso nal, lo cual no tiene sentido.
Resum en Esta segunda parte del libro es la base de la aplicación del contenido teórico que se verá de aquí en adelante. Los procesos de manufactura tienen un desarrollo científi co consolidado bajo una m etodología de operación. C onocer cada uno de los proce sos es elem ental al m om ento de hacer aplicaciones de automatización industrial, ya que muchas veces se considera llevar la experiencia del proceso a una máquina; es decir, lo que antes se hacía manualm ente ahora se realizará en forma automática: cortar, doblar, soldar, rolar, maquinar, fundir, pegar, unir, remachar, inyectar, presio nar, forjar, barrenar, planear, sintetizar, inspeccionar, ensamblar, almacenar, cargar, fabricar, procesar, contar, registrar, pintar, recubrir, transportar, rectificar, cromar, esferoidizar, deformar, cizallar, extrudir, laminar, vaciar, etcétera. Las 5 M (M ano de obra. Maquinaria, M étodo, Materia prima. M edio am biente) no son sólo el sistem a productivo básico de cualquier industria, sino los puntos cla ve que detonan el desem peño de toda la cadena de producción y de la empresa en general. Las 5 .VI,generalmente representadas en el diagrama de pescado (o diagrama de lsh ikaw a),esu na herramienta cualitativa impuesta por Toyota para analizar cualita tivamente los problem as y así encontrar su causa para darles solución. Las 5 S (Seire, Seiton, Seiso, Seiketzu, Shitsuke), también desarrolladas por To yota, es una m etodología basada en la filosofía de la mejora continua que pretende encontrar e implementar mejoras duraderas en la organización para crear y mante ner un lugar de trabajo organizado, limpio y de alto rendimiento. D ado que el sistem a de producción no só lo depende del proceso de transforma ción en sí, las organizaciones deben asegurar que los esfuerzos realizados por todas las áreas estén alineados hacia el mismo objetivo. Para ello existen técnicas com o la “telaraña’,’ que permiten evaluar y comparar el desem peño de las diferentes áreas con respecto a una misma variable.
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PARTE DOS
Sistemas (Se manufactura
La manufactura manual y se mi manual com prende el armado de com ponen tes y /o subensambles previam ente manufacturados hacia un producto com pleto o una unidad de producto, que efectúan prim ordialmente operadores que aplican su destreza, habilidad y juicio inherentes. El operador puede estar en una estación de trabajo (banca) o ser parte de un sistem a de transporte que mueva el producto mientras está en la fase de ensamblado. Se puede realizar en estaciones de tipo simple, continua y/o intermitente; el ni vel de producción es bajo o moderado, extrem adam ente flexible, con alto uso de herramientas mecánicas básicas y con una inversión relativamente baja. Utiliza m étodos de prueba y error (Poka-Yoke) para reducir errores causados por el ser humano, pero los problem as de calidad surgen por diferentes causas,com o tolerancias fuera de rango, defectos, m ateriales extraños, com ponentes incorrectos, tecnología inadecuada, entre otros. La manufactura manual y se mi manual se ha convertido en una manufactura flexible que se ha utilizado com o elem ento de producción competitivo. Un S.V1F es el proceso de manufactura capaz de producir dos o más productos con características similares en la misma planta de producción y con capacidad de cambiar un m odelo en el menor tiem po de preparación. D e forma paralela, un Sis tem a de Manufactura Flexible A utom atizado (S.VIFa) es un sistem a integrado por centros de maquinado enlazados m ediante un sistem a de manejo de m ateriales de forma automatizada y procesados lógicamente. U na de las grandes finalidades de implementar un S.VIFa es rastrear el m ovi m iento de los materiales, el trabajo en proceso y los productos terminados y así determinar con precisión los puntos más débiles de la cadena productiva, con lo que se pueden tomar acciones concretas en el punto respectivo para convertir las debili dades en fortalezas, un proceso lento que al paso del tiem po se irá depurando hasta llegar al punto óptimo. Los SMFa no son una m o d a sino una necesidad que surge por las condicio nes de trabajo a nivel de piso, por lo que contar con información en tiem po en línea proporciona grandes posibilidades de mejora, em pezando por la gestión de pro ducción, la cual se desarrolla de manera más arm on iosa Con la información oportu na se puede realizar un conjunto de acciones que permitan entender realm ente cuál es la capacidad de la empresa, sus tiem pos de respuesta y los contratiem pos duran te este proceso; con toda esta información se pueden analizar y ejecutar acciones de mejora. Es im portante indicar que la funcionalidad del S.VIFa radica en el manejo de la información y que ésta puede ser manipulada u obtenida a través de conexión en red, servidores y el apoyo del departam ento de TI; estos elem entos permiten com u nicación, con lo que la planta de manufactura deja de ser una caja negra a la cual se le suministran insum os y de la que se obtienen productos. Un SMFa no es aquel que tiene la más alta tecnología, sino que el grupo res ponsable determinará el grado de flexibilidad que requiera y de ahí el a so regular de estos desarrollos tecnológicos, por lo que no puede decirse que exista un sistema único y estándar de manufactura automatizada. Los sistem as de manufactura autom atizada em plean dispositivos de m ovim ien to perpetuo controlado para integrar piezas manufacturadas y/o subensamblacias previam ente en un producto term inado o unidad de producto. Se puede utilizar cier to número de transferencias m ecánicas,sistem as de alimentación, máquinas especia les y tipos de robots para obtener un sistem a general de ensamble. La manufactura automatizada se basa en el a so intensivo de tecnología y pre senta características especiales com o fácil adaptabilidad a variedad de productos, alta inversión en herramentales y tecnología, bajos costos de mano de obra y alta especialización tecnológica del personal. Algunas de sas aplicaciones más com unes son ensam bles generales, manejo de material y transferencia de las partes de ensamble. También es altamente utilizada
CAPÍTULO 2
Manufactura y sistamas de manufactura
en am bientes peligrosos para el personal y en operaciones de carga y descarga para un proceso de manufactura. La manufactura manual y la autom atizada son funcionales para cada aplicación o beneficio, ambas con ventajas y desventajas, hasta que se pueda hacer una mezcla adecuada para la organización y sum ando siempre flexibilidad, innovación y capaci dad de respuesta. La fábrica autom ática tiene el propósito de dinamizar los negocios en el entorno mundial. C om o se trabaja necesariam ente con diferentes nichos de mercado, es im portante que tenga flexibilidad para adaptar los productos a las diferentes demandas de los clientes. Se requiere que la dirección de la empresa defina desde un principio trabajar con fam ilias de productos, para lo que se cuenta con diferentes técnicas, las cuales permitirán el agolpam iento de máquinas por tareas, de m odo que el recorrido de los productos sea más corto. C om o es necesario trabajar en tiem po real, se debe contar con un sistem a de co dificación, el cual permitirá definir los procesos por los que debe pasar el producto, con una retroalimentación natural, es decir, un control de la producción. Lo anterior permite utilizar el software de integración de la empresa y retroalimentar las diferentes aplicaciones en tiem po real, para comparar lo planeado con lo ejecutado y tomar las medidas respectivas en tiempo. D e esta forma, al paso del tiem po se depuran todas las actividades de la empresa. La transparencia es un elem en to que toda organización d ebe tener para ver de manera sencilla el funcionam iento de la empresa, lo que propicia un funcionam iento armónico de la misma. La manufactura digital es una herramienta informática, al alcance de cualquier em presa,cuya finalidad es crear escenarios donde se puedan analizar diferentes con diciones de funcionam iento, con lo que se buscan dos cosas: a) Anticiparse al cambio. b ) Desarrollar una estrategia propia. Los directivos que entiendan la importancia de esta tecnología tendrán los ele m entos suficientes para invertir en ella, cambiando la perspectiva de la empresa de corto plazo a largo plazo. La complejidad de los productos no representará un problem a en el sentido de que sólo se puede trabajar con proveedores locales. El uso de internet y la facilidad de trabajar en tiem po real facilita tener colaboradores en el extranjero y una coordi nación de las actividades en tiem po real. También se facilita el desarrollo de nuevos proveedores, al poder definir visual m ente y en 3D lo que se quiere. A sí se puede visualizar cualquier error o actividad no considerada, lo que elimina costos adicionales cuando se decide invertir en algún proyecto. La manufactura integrada por computadora (C IM ) es una estrategia de nego cios cuyo objetivo es la integración total de la empresa, para potenciar sus recursos, lo cual se ve reflejado en una mayor calidad, personalización (flexibilidad), tiem po de entrega y disminución de costos. Para tal fin es importante que el recurso humano entienda la importancia de tener una estrategia de integración total, la cual estará apoyada en los diversos sis tem as computarizados, que la empresa puede encontrar en el mercado tecnológico, la misma debe servir para trabajar con familias de productos, con el fin de atender diferentes nichos de mercado. Un elem ento central en la integración lo constituye el E R P (planeación de re cursos empresariales), el cual es un conjunto de aplicaciones informáticas para dar soluciones a las diferentes necesidades de integración de la empresa. El objetivo es eliminar el uso del papel com o elem ento de manejo de información, y dejar de trabajar a ciegas al no saber los resultados hasta que se entregan los productos, los
PARTE DOS
Sistemas (Se manufactura
cuales podrían no estar en el tiem po indicado, no contar con las características esp e radas y que impliquen costos superiores a los de la competencia. Las acciones anteriores nos permitirán trabajar en flujo de producción, es decir, m onitorear el trabajo unidad por unidad, la distribución y la entrega de los provee dores; lo anterior pone de manifiesto que la empresa de manufactura se comporta com o si fuera un tubo de agua donde el líquido fluye en la medida que el usuario lo consume. En el m om ento en que el proceso de alguna de las partes se interrumpe, todo el proceso se detiene. D ado que no se cuenta con alm acenam iento y el “re garse’’ representa un desperdicio que agrega costos, se pone en evidencia un mal manejo. En el desarrollo del CIM los retos son muy grandes. Los incentivos para esfor zarnos en conseguirlo son ganancias de tipo m onopólico al m om ento de sofisticar los productos, personalizarlos y entregarlos justo a tiempo, lo que justifica en gran manera la inversión hecha tanto en recursos humanos com o tecnológicos.
1.
¿ C u á l e s e l p r o c e s o q u e p e rm ite el lle n a d o d e m o ld e s d e a re n a v e r d e ? a ) F o rja d o . b ) F u n d ic ió n .
2.
c)
V a c ia d o .
dj
In y e c c ió n .
¿ C u á l e s e l p r o c e s o q u e p e rm ite o b te n e r fila m e n to s de p lá s tic o ? a ) In y e c c ió n d e plástico. b ) E x tru id o d e plá s tic o .
c)
F u n d ic ió n d e p lá s tic o .
d)
T o d o s los a n te rio re s.
3. ¿ C u á l e s la d ife re n c ia e n tre la m in a d o e n frío y la m in a d o e n c a lie n te ? a ) L a d ife re n c ia d e e s p e s o r c o n r e s p e c to al la m in a d o e n frío. b ) E s m a le a b le c o n r e s p e c t o al la m in a d o e n frío.
c)
Las 5 M. sistema productivo de manufactura clásico d e cualquier industria, son: a) Mano de obra, Maquinaria. Método. Materia prima y Manufactura. b ) Mano de obra. Método. Materia prima. Maquinaria, Método y Manufactura. c) Mano de obra. Método. Maquinaria. Materia prima y Medio ambiente. d) Mano de obra. Maquinaria. Método. Materia prima y Materiales.
7. Se considera manufactura__________ a la manufactura manual, semimanual o mezcla de ambas, y manufactura___________ a aquella que agrupa conceptos tecnológicos a lo largo del proceso de producción. a) Flexible, automatizada. b ) Mixta, robotizada. c) Tradicional, automatizada. d) Clásica, moderna.
El c o lo r es d ife re n te c o n re s p e c to al la m in a d o en c a lie n te .
d)
6.
E s m á s p e s a d o el la m in a d o e n calie nte.
4. ¿ C u á l e s e l p r o c e s o d e m a q u in a d o p a r a o b te n e r u n a p ie z a c ilin d ric a d e fo rm a c ó n ic a ? a ) F re s a d o . b ) P la n e a d o .
c)
T o rn e a d o .
d)
C h a fla n e a d o .
5. ¿ C u á le s s o n los estilos d e a p lic a c io n e s d e s o ld a d u ra ? a ) P o r p u n to s , a r c o e lé c tric o y a r c o s u m e rg id o . b ) S o ld a d u r a b la n d a y s o ld a d u r a fuerte.
c)
Z ig z a g , m e d ia lu n a y c aligra fía .
d)
T o d a s las a n te rio re s.
8. En el contexto del capítulo, '‘telaraña' es: a) Un programa desarrollado por Toyota para promo ver un enfoque sistèmico a lo largo de la organización. b ) Una serie de puntos clave que detonan el desem peño de la cadena de producción. c) Técnicas gráficas para evaluar y comparar el desem peño de diferentes áreas con respecto a una misma variable. d) Metodología basada en la filosofía de la mejora continua que pretende encontrar e implementar mejoras duraderas.
CAPÍTULO 2
9.
L a s 5 M s e utilizan c o m o u n a h erram ienta d e análisis
Manufactura y sistemas de manufactura
16. E x is te u n s is te m a ú n ic o
cualitativo d e los p o s ib le s p ro b le m a s q u e oc u rre n e n la
a u to m a tiza d a .
e m p re s a , o b ie n , la v a ria b le q u e afe cta los p a rám etro s
a)
de:
a)
e s tá n d a r d e m a n u fa c tu ra
V e rd a d e ro .
b ) F a ls o . S e g u r id a d .
b ) C a lid a d . c ) P ro d u c c ió n .
d)
y
To d a s .
17.
L a im p o rta n c ia d e l S M F a r a d ic a e n :
a)
S a tis fa c c ió n d e l clien te .
b ) S e rv ic io al c lie n te . c ) A d a p ta c ió n a c a m b io s d e la d e m a n d a .
10.
C a d a u n a d e la s 5 S (S e ire , S e ito n , S e is o , S e ik e tzu , S h its u k e ) re p re s e n ta n :
a)
L im p ia r, o rd e n a r, s e le c c io n a r, s e g u ir y e s ta n d a riza r.
d)
In n o v a c ió n te c n o ló g ic a .
1 8 . L a f u n c io n a lid a d del S M F a r a d ic a e n :
b ) L im p ia r, o rd e n a r, s e le c c io n a r, e s ta n d a riz a r y s e gu ir.
a)
c)
b ) In fo rm a c ió n .
S e le c c io n a r, o rd e n a r, lim piar, e s ta n d a riz a r y segu ir.
d ) S e le c c io n a r, lim piar, o rd e n a r, e s ta n d a riz a r y segu ir.
A u to m a tiz a c ió n .
c ) R a s tre o .
d) b) y c). 11
E l c o n c e p t o d e m a n u fa c tu ra m a n u a l c o n tie n e :
a)
S is te m a d e ilu m in a c ió n c o n tro la d a y e q u ip o d e apoyo.
b ) Z o n a d e e n s a m b le y s u b p ro d u c to s . c ) O p e r a d o r e s y á r e a d e tra b a jo .
d)
19. D e s v e n ta ja s d e la fle x ib ilid a d en un s is te m a p ro d u c tiv o .
a)
In v e rs ió n p a r a s u im p le m e n ta c ió n .
b ) C o m p le jid a d e n el m a n e jo d e re fa c c io n e s (in v e n ta rio ).
a )y b ).
12. S e c a r a c te r iz a p o r un b a jo n ive l d e p ro d u c c ió n ,
c)
R e s is te n c ia a l c a m b io (p e rs o n a l).
d) a) y
c).
fle xib ilid a d , u s e d e h e rra m ie n ta s m e c á n ic a s b á s ic a s e in v e rs ió n b a ja .
a)
M a n u fa c tu ra m a n u a l.
b ) M a n u fa c tu ra s e m im a n u a l.
2 0 . U n s is te m a S M F es u n _____________ y u n s is te m a S M F a e s u n _____________ .
a)
P ro c e s o d e m a n u fa c tu ra c a p a z d e p ro d u c ir d o s
c)
M a n u fa c tu ra esb e lta .
o m á s p ro d u c to s c o n c a ra c te rís tic a s similares,/
d)
M a n u fa c tu ra a u to m a tiza d a .
S is te m a in te g ra d o p o r c e n tro s e n la z a d o s m e d ia n te un s is te m a d e m a n e jo d e m a te ria le s d e m a n e ra a u to m a tiz a d a
13. L a s t é c n ic a s P o k a -Y o k e a y u d a n a re d u c ir errores c a u s a d o s p o r la te c n o lo g ía im p le m e n ta d a e n el
y
p r o c e s a d o s ló g ic a m e n te .
b ) S is te m a in te g ra d o p o r c e n tro s e n la z a d o s m e d ia n te
s is te m a d e p ro d u c c ió n .
un s is te m a d e m a n e jo d e m a te ria le s d e m a n e ra
a)
a u to m a tiz a d a
V e rd a d e ro .
y
p r o c e s a d o s ló g ic a m e n te ,‘P r o c e s o
d e m a n u fa c tu ra c e p a z d e p r o d u c ir d o s o m á s b ) F a ls o .
14. S o n p a tro n e s d e l c o m p o rta m ie n to d e la m a n u fa c tu ra
p ro d u c to s c o n c a ra c te rís tic a s sim ilares. c ) S is te m a c a p a z d e p r o d u c ir d o s o m á s p ro d u c to s
m a n u a l:
c o n c a ra c te rís tic a s s im ila re s /P rc c e s o d e
a)
m a n u fa c tu ra in te g ra d o p o r c e n tro s e n la z a d o s
S ú p e r p r o d u c c ió n , m o v im ie n to s in n e c e s a rio s y
m e d ia n te u n s is te m a d e m a n e jo d e m a te ria le s d e
e s tré s.
m a n e ra a u to m a tiz a d a b ) P r o c e s o s ine fic ie n te s, u s o in te n siv o d e tra n s p o rte y e rro re s d e c a lid a d .
d)
y
p r o c e s a d o s ló g ic a m e n te .
P ro c e s o d e m a n u fa c tu ra c a p a z d e p r o d u c ir d o s o m á s p r o d u c t o s c o n c a ra c te rís tic a s sim ilares,
c)
T ie m p o s d e e s p e ra , e rro re s y p r o c e s o s ine ficien te s.
d)
M a n e jo d e a lm a c é n , e n fe r m e d a d e s y d o lo r
m a te ria le s d e m a n e ra a u to m a tiz a d a
m u s c u la r, m o v im ie n to s in n e c e s a rio s .
ló g ic a m e n te ,'S is te m a in te g ra d o p o r c e n tro s .
15. T é c n ic a p a r a d e s a rro lla r u n p r o c e s o c o n la c a n tid a d
e n la z a d o s m e d ia n te u n s is te m a d e m a n e jo d e
y p ro c e s a d o s
21. ¿ C u á le s d e lo s s ig u ie n te s e le m e n to s se p u e d e n utilizar
ó p tim a d e p a rte s y m e jo ra r c o m p o n e n te s g e o m é tric o s :
e n u n s is te m a d e e n s a m b le a u to m a tiz a d o ?
a)
a)
D is e ñ o p a r a fa b ric a c ió n y e n s a m b le .
Tra n s fe re n c ia s m e c á n ic a s .
b ) D is e ñ o p a r a la m a n u fa c tu ra m a n u a l.
b ) S is te m a s d e a lim e n ta c ió n .
c)
D is e ñ o p a r a la m a n u fa c tu ra y el e n s a m b le .
c)
d)
D is e ñ o p a r a la o p tim iz a c ió n d e la m a n u fa c tu ra .
d) T o d a s
M á q u in a s e s p e c ia le s la s a n te rio re s.
y
rob ots.
PARTE DOS
Sistemas de manufactura
2 2 . E l u s o in te n siv o d e te c n o lo g ía es c la v e e n u n s is te m a
29 . ¿ C u á n t o s m é t o d o s h a y p a r a h a c e r c e ld a s d e
d e m a n u fa c tu ra a u to m a tiza d a .
m a n u fa c tu ra ?
a ) S ie m p re .
a ) C u a tro .
b ) S ie m p r e y c u a n d o el p e rs o n a l c u e n te c o n un alto
b ) D os.
c)
nive l d e c o n o c im ie n to .
c ) T re s .
S ó lo c u a n d o la te c n o lo g ía a g r e g a v a lo r e n s u
d ) C in c o .
actuar. d) N unca.
30 . ¿ Q u é es u n s is te m a fle xible c o m p u ta r iz a d o ? a ) U n c o n ju n to d e m á q u in a s .
2 3 . E s c a ra c te rís tic a d e la m a n u fa c tu ra a u to m a tiz a d a : a ) Difícil a d a p ta b ilid a d a u n a v a r ie d a d d e p r o d u c to s . b ) R e q u ie re in v e rs ió n m o d e r a d a .
c)
b ) M á q u in a s c o m p u ta r iz a d a s . c ) U n s is te m a in fo rm á tico e n re d . d ) U n a lín e a d e p r o d u c c ió n c o m p u ta r iz a d a .
A lto s c o s to s d e m a n o d e o b ra .
d ) R e q u ie re p e rs o n a l a lta m e n te e s p e c ia liz a d o .
31. ¿ P a r a q u é s irv e u n s is te m a d e c o d ific a c ió n ? a ) P a ra id e n tific a r el p r o d u c t o e n t o d o m o m e n to .
2 4 . S o n a lg u n a s d e las a p lic a c io n e s d e la m a n u fa c tu ra a u to m a tiza d a : a ) E n s a m b le s g e n e ra le s , m a n e jo d e m a te ria l y tra n s fe re n c ia d e p a rte s . b ) A m b ie n te s p e lig ro s o s y o p e r a c io n e s d e c a rg a /
b ) P a ra llevar el co n tro l d e los in s u m o s .
c)
P a ra te n e r e l co n tro l d e lo q u e se h a c e .
d ) P a ra d e te rm in a r el g r a d o d e a v a n c e .
32 . ¿ P a r a q u é s irv e u n P L M ?
d e s c a rg a . a ) P a ra te n e r lo m á s m o d e rn o .
c)
a ) y b ). b ) P a ra s a b e r lo q u e p a s a en las á re a s.
d ) N in g u n a . c ) P a ra te n e r tra n s p a re n c ia .
2 5 . L a m a n u fa c tu ra a u to m a tiz a d a es m e jo r q u e la
d)
P a ra te n e r un c o n tro l d e la e m p re s a .
m a n u fa c tu ra m a n u a l. a ) V e rd a d e ro .
33 . ¿ C ó m o s e lo g r a la d is m in u c ió n d e c o s to s e n los p ro d u c to s ?
b ) F a ls o . a ) E lim in a n d o d e s p e rd ic io s .
2 6 . ¿ P o r q u é la fá b ric a a u to m a tiz a d a tiene q u e tra b a ja r
b ) R e d u c ie n d o e l p e rs o n a l.
p o r flujo?
c ) E lim in a n d o g a s to s .
a ) Por m oda.
d)
E lim in a n d o c o s to s .
b ) P a ra e lim in a c ió n d e d e s p e rd ic io s . c ) P a ra te n e r u n a n u e v a f o rm a d e tra ba ja r. d ) P a ra e s ta r a la v a n g u a rd ia .
34 . ¿ P a r a q u é s irv e la m a n u fa c tu ra d ig ita l? a ) P a ra te n e r in fo rm a c ió n d e m a n e r a o p o rtu n a . b ) P a ra re a liza r a c tiv id a d e s d e m o n ito re o .
27. ¿ C ó m o s a b e r la d ife re n c ia en tre la o rg a n iz a c ió n p o r
c ) P a ra te n e r un c o n ju n to d e a p lic a c io n e s
p r o c e s o y p o r flujo? a ) P ro d u c e y d e s p u é s v e n d e , c o m p a ra d o c o n v e n d e y
in fo rm á tica s. d ) P a ra p ro y e c ta r d e m a n e r a virtual a lg ú n p ro c e s o .
d e s p u é s p ro d u ce . b ) T r a b a ja p o r d e p a rta m e n to s , c o m p a r a d o c o n tra b a ja
c)
35 . ¿ E x is te a lg u n a re s tric c ió n q u e t e n g a q u e v e r c o n el
c o n c e ld a s d e m a n u fa c tu ra .
ta m a ñ o d e la e m p r e s a ?
P u e d e h a c e r m illo n e s d e p a rte s , c o m p a r a d o c o n
a)
p u e d e h a c e r m illo n e s d e p a rte s dife re n te s .
tí)
d ) G e n e r a u n a e c o n o m ía d e e s c a la , c o m p a r a d o c o n g e n e ra u n a e c o n o m ía d e d ife re n c ia c ió n .
2 8 . ¿ P a r a q u é h a c e r u n a fam ilia d e p ro d u c to s ?
N in g u n a . S ó lo p a r a e m p r e s a m e d ia n a .
c ) S ó lo p a r a e m p r e s a g ra n d e . d ) S ó lo p a r a e m p r e s a s m ilitares.
36 . ¿ D ó n d e es critic o c o n ta r c o n a lg u n a s im u la c ió n p a r a
a ) P o r g u s to .
a p r o b a r el p ro y e c to ?
b ) P o r fa c ilid a d d e e n tre g a .
a)
c ) P o r r a p id e z .
tí)
E n e m p r e s a s m e d ia n a s .
d ) P a ra s e r fle xibles.
c)
E n p ro y e c to s h e c h o s a la m e d id a d e l clien te .
E n e m p re sa s p e q u e ñ a s.
d ) E n e m p re sa s g ra n d e s .
CAPÍTULO 2
37.
¿ Q u é b u s c a la m a n u fa c tu ra digitaf?
Manufactura y sistemas de manufactura
4 3 . ¿ P a r a q u é se in te g ra n p r o d u c c ió n , a d m in is tra c ió n
a ) T ra b a ja r e n tie m p o e n línea.
y lo g ístic a ?
b) A n tic ip a rs e
a ) P a ra te n e r tra n s p a re n c ia .
c)
a lo s p ro b le m a s .
V e r d ife re n te s t e n d e n c ia s .
d ) S a b e r c ó m o e s tá el m e r c a d o .
b)
P a ra r a p id e z .
c ) P a ra h o lg u ra . d ) P a ra inn ovar.
36 .
¿ D e q u é d e p e n d e el u s o d e la m a n u fa c tu ra digital? a ) D e la v is ió n d e s u s d irig e n te s .
4 4 . ¿ Q u é v e n ta ja s tie n e el C IM ?
b)
D e si s e c u e n ta c o n e q u ip o c o m p u ta r iz a d o .
a ) U n s is te m a d e in fo rm a c ió n .
c)
D e l c o s to fin a n c ie ro .
b) Productos complejos.
d ) D e la s b o n d a d e s del s o ftw a re .
c ) D e s a rro llo d e in n o v a c ió n . d ) T r a b a ja r la s 2 4 h o ra s .
39 . ¿ C u á l e s e l o b je tiv o d e l C I M ? a ) D o m in a r e l m e r c a d o .
b)
In te g ra r la e m p re s a .
c)
A u m e n t a r la p ro d u c tiv id a d .
d ) S e r líder.
4 5 . ¿ Q u é e fe c to s s e tie n e n e n e l m e r c a d o c o n e l uso d e l C IM ? a ) M e jo r d e s e m p e ñ o .
b)
F ra g m e n ta c ió n d e l m e r c a d o .
c ) L o g r o d e o b je tivo .
40 . ¿ C u á l e s la e s tra te g ia d e l C I M ?
d ) A p titu d d e tra b a jo .
a ) A u m e n t a r u tilid a d e s .
b) F a b r ic a r
c o n c a lid a d .
c ) V is lu m b ra r el futuro. d ) S e r flexible.
4 6 . ¿ C ó m o s e c o n s id e ra a la s e m p r e s a s C I M ? a ) In te lige n te s .
b) T r a b a ja d o ra s . c ) C o m p r o m e tid a s .
41. ¿ C ó m o es el d is e ñ o e n u n a e m p r e s a C I M d e
d)
ín te g ra s.
m a n u fa c tu ra ? a ) D e u s o d e c e ld a d e tra b a jo .
47. ¿ C u á l e s la e s tra te g ia d e las e m p r e s a s C IM ?
b)
D e u s o d e s is te m a s c o m p u ta r iz a d o s .
a ) Push.
c)
D e u s o d e re d e s .
b)
d ) D e a g ru p a m ie n to d e m á q u in a s .
d) 42 . ¿ P a r a q u é s e u s a el P L M ? a ) P a ra re s p u e s ta o p o rtu n a . b ) P a ra s o lu c io n e s d e tra b a jo .
c)
P a ra te n e r u n a p la ta fo rm a ú n ic a .
d ) P a ra d e finir las p o s ib le s a c c io n e s .
Proceso.
c ) V ertical. Flujo.
P /AAR 1 1T 1E 1 1 T R E S
Fundamentos de la automatización industrial
La autom atización industrial es un conjunto de tecnologías que. a grupadas en fo rm a secuencial, logran
A u to m a tiz a r significa optim izar las condiciones de se guridad, ca lid a d y p roducción. La autom atización industrial re q u ie re el diseño com o base principal de d e sarrollo, para c re a r el modelo v irtu a l de cualquier p a rte del proceso. La autom atización tam bién se puede d a r en áreas de servicio e incluso en in fra e s tru c tu ra s residenciales, com o m edio de a h o rro de energía y m odernidad tecnológica. El concepto se define com o edificios inteligentes o dom ótica.
►
¿Qué es la autom atización in dustrial?
►
¿Por qué a utom atizar?
►
¿Cuándo a utom atizar?
►
¿ A u to m a tiza r es la solución al c re cim ie n to industrial?
►
Tecnologías de la autom atización industrial.
« m i;i; i i
una alternativa de d e sarrollo tecnológico para cualquier tip o de industria.
c a p ítu lo 2
Fundamentos de la automatización industrial
CAPÍTULO 3
Fundamentos da la automatización industrial
Tecnologías de la automatización industrial Este capítulo se concentra en el a so intensivo d e la tecnología, en tanto que el desa rrollo puntualiza aplicaciones de automatización industrial. La automatización industrial es un conjunto d e tecnologías que, agrupadas en forma secuencial. conforman una alternativa de desarrollo tecnológico para cual quier industria (figura 3.1). La siguiente pirámide muestra el desarrollo d e la manufactura m oderna por su formación sistemática, la cual parte de una plataforma sólida y única,com puesta por la ¡dea conceptual d e que a través de una serie de técnicas se facilita la manufactura.
E ste conjunto de tecnologías de la automatización muestra, en los tres niveles superiores, los SMF, la fábrica automatizada (F A ) y la manufactura integrada por computadora (C IM ),en las cuales se agrupan todas las técnicas d e automatización para el desarrollo productivo de cualquier sistem a d e producción. Quizá com pren dan algunas variantes en sus objetivos, pero en todo m om ento el resultado es opti mizar las condiciones d e seguridad, calidad y produ cción (figura 3.2).
Seguridad fig u r a
3 .a
Cslided E s q u e m a c o n ce p tu a l del propósito d e la autom atización industrial.
Tom ado del M anual del usuario, R o b o t C entary. A m atrol, E U , L a b o ra to rio d e autom atización y robótica, U n id a d Profesional Interdisciplinaria d e Ingeniería, C iencias Sociales y A dm inistrativas (UPITCSA). In stitu to Politécnico N acional, M éxico, 1994, p. 47. A n te e l avance d e la tecnología, el a u to r ha m odificado la pirám ide e n algunos apartados: la incluye e n su tesis ‘•Disertos de autom atización p a ra d proceso d e la fundición n o d u lar", p a ra o b te n e r el g ra d o d e m aestro en Ciencias, sep tiem b re d e 2003, UP1TCSA-IPN.
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
La pirámide del aprendizaje de la autom atización contiene información científi ca y tecnológica, que difícilm ente podría ser com prendida por una sola persona, de ahí que la automatización requiera la agrupación de individuos que cuenten con los conocim ientos necesarios. Bn la base de la pirámide se encuentra el álgebra, rama de las matemáticas que comprende la generalización del cálculo aritmético m ediante expresiones com pues tas por números y literales que representan cantidades variables y lógicas. También ahí se encuentra la representación imaginaria de la concepción de los objetos a tra v és de bosquejos de ideas y creaciones diversas. Bn el mismo nivel se ubica la energía eléctrica, que se manifiesta por m ovim ien tos mecánicos, caloríficos y luminosos, además de ser materia constituida por átom os con un número igual de electrones de carga negativa y de protones de carga positiva, por lo que es eléctricam ente neutra. La electricidad es un m edio interdisciplinario que comprende la electrostática, el magnetism o y el electrom agnetism o, gracias al cual la electricidad encontró aplicaciones industriales y se convirtió en un indicador energético sinónim o de desarrollo económ ico. D e esta manera, las corrientes alter nas, durante mucho tiem po desconocidas,dieron lugar a las aplicaciones industriales más im portantes de la electrotecnia. B1 últim o y más importante elem ento de este nivel, que debe considerarse en todo diseño, es la seguridad, aspecto que garantiza la integridad física de las personas. Bn el siguiente escalón se encuentra la geom etría, que se encarga del estudio riguroso del espacio y de las formas imaginadas, las cuales se representan en un sis tem a de coordenadas,}' se visualizan m ediante el dibujo,técnica que plasma las ideas en el papel. Bn ese mismo escalón tenem os el motor eléctrico, dispositivo universal de m ovim iento y que gracias a la mecánica, la cual estudia la acción de las fuerzas sobre los cuerpos, logra la transformación de la energía en movimiento. Bn el segundo nivel se ubica también el dibujo 2D, que se com plem enta con la normativa estandarizada del dibujo mecánico, y ayuda a plasmar el dim ensionam iento de un objeto con estándares internacionales que lo hacen un lenguaje de comunicación gráfica. Cada nivel de la pirámide recibe información del anterior y em ite información al siguiente, con lo cual se enfatiza que la ingeniería de las com unicaciones crea un flujo continuo de información que facilita el desarrollo de la ciencia en todo su actuar. B1 tercer escalón em pieza con la ciencia física, la cual estudia las propiedades generales de la materia y establece las leyes naturales. Se agrega la química, que estudia las propiedades, la com posición y las transformaciones de los cuerpos, ade más de analizar, m ediante procedim ientos sistem áticos, la com posición cualitativa y cuantitativa de las sustancias complejas. La química fortalece las áreas que estudian los elem entos orgánicos e inorgánicos. Bn ese mism o nivel, pero en relación con el siguiente, se encuentran los inte rruptores y relevadores o relés, que son los primeros dispositivos utilizados para la realización de operaciones lógicas por m edio del sencillo funcionam iento de dos platinas y un cam po electrom agnético. Las platinas se cierran y dejan pasar la señal o se abren para interrumpir su flujo. Un relevador trabaja en conjunto con muchos relevadores, todos bajo una secuencia lógica por la cual los dispositivos conectados realizan la tarea especificada por el proceso. La señal de excitación es independiente del circuito a controlar y tiene baja potencia, mientras que el circuito controlado puede tener características de tensión y de corriente totalm ente diferentes. A l apli car tensión de excitación se alimenta un electroim án y se cierran los contactos que controlan la parte de carga. B1 desarrollo de la automatización se sitúa en una base más sólida y con un mejor aprovechamiento de la electricidad, esta vez por m edio de la electrónica, la cual se puede utilizar en corriente directa (C D ) o alterna (C A ). La ciencia de la electrónica proporciona la base física y técnica que se ocupa del com portam iento y utilización de los electrones libres por el p aso de la electricidad a través de gases y
CAPÍTULO 3
Fundamentos da la automafcacáón industrial
del vacío, em pleando para ello dispositivos com o los resistores, capacitores (conden sadores) e inductores, a los que ahora se suman los dispositivos de estado sólido. Por cuestiones d e aprovecham iento de recursos y de fuentes alternas de energía, se ha considerado también el a so de la energía del aire llamada neumática, que se re fiere a los fenóm enos y aplicaciones d e la sobrepresión o depresión (vacío del aire). La neumática se logra a partir d e las propiedades del aire comprimido. Las señales se traducen en aasencia o presencia d e presión neumática. El tratamiento de las seña les se realiza m ediante conductos y dispositivos d e control que llevan la presión del aire a elem entos d e trabajo com o actuadores, m otores neumáticos, pinzas o ventosas. La neumática se com plem enta con la electricidad, d e donde surge la técnica de la electroneum ática, más efectiva en su actuar y d e control robusto. La tecnología continúa en su avance y la pirámide se fortalece con el desarrollo de los conceptos básicos d e los sistem as digitales, los procedim ientos d e diseño d e di chos sistem as, com binaciones secuenciales, así com o con el estudio y aplicación de los dispositivos de memoria y lógica programable. A n tes de pasar al siguiente nivel conviene tener presente que el álgebra booleana difiere del álgebra decimal en que las constantes y las variables que se utilizan son binarias. El álgebra desarrollada por Cieorge B o o le2 (una teoría matemática com pletam ente distinta a la que entonces se conocía) se ha expandido con tanta rapidez que en la actualidad se aplica a la resolución y análisis d e la mayoría d e las opera ciones industriales complejas. Igualmente, se ha convertido en parte im portante del equipo físico y en la programación de las modernas computadoras. Tara la resolución de problemas, el álgebra d e B oole establece una serie de pos tulados y operaciones lógicas que se activan m ediante elem entos físicos d e tipo m e cánico, eléctrico, neumático o electrónico. Los elem entos del álgebra de B oole (constantes y variables) sólo admiten dos estados, lo que significa que se comportan com o magnitudes digitales bivalentes. A dem ás, dichos estados tienen un carácter opuesto; por ejem plo, a una lámpara de corriente (tubo fluorescente) el álgebra de B oole só lo la considera en uno d e sus dos posibles estados opuestos: encendida o apagada: no adm ite estados intermedios. A uno de los dos estados (lámpara encendida) se le denom ina d e diversas formas: verdadero, estado alto o nivel lógico l ; al otro estado (lámpara apagada), se le llama con los térm inos opuestos: falso, estado bajo o nivel lógico 0. A todos los elem entos tratados por el álgebra d e B oole se les considera de la misma manera, de m odo que un interruptor puede estar “abierto” o “cerrado”; un diodo puede estar “conducien do” o “bloqueando”, y un transistor puede estar “saturado” o “bloqueado” . Dado que todos los elem entos sólo admiten dos estados se le ha denom inado “álgebra binaria”. M ientras que el nombre de “álgebra lógica” se d ebe al carácter intuitivo y lógico de los razonamientos que se aplican en ella. Las variables y cons tantes binarias de entrada y salida se suelen expresar con las letras del alfabeto. A d e más, sus operaciones se expresan con signos muy similares a los d e las operaciones matemáticas clásicas, com o la sum a y la multiplicación. D e esta forma, para expresar el valor de las variables de salida del sistem a se pueden manejar ecuaciones lógicas que ligan las variables y constantes de entrada m ediante determ inadas operaciones. En la aplicación d e las ecuaciones lógicas que resuelven los procesos en los cua les se usa el álgebra d e B oole se utilizan diversas operaciones o funciones lógicas como; ■ A N D o producto lógico. ■ O R o suma lógica. ■ N O T o negación lógica.
!M atem ático británico (1815-1364). A plicó u n a serie d e sím bolos a o peraciones lógicas q u e tuvieran la m ism a estru ctu ra que el álg eb ra convencional. S u d escubrim iento se explica e n su libro Iiivesíigaeulrt sobre las leyes del pensamiento, pu b licad o e n 1854.
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Con el álgebra booleana se pueden expresar y simular los efectos de los diversos circuitos digitales sobre las entradas lógicas, así com o manipular variables lógicas con el fin de determinar el mejor m étodo de ejecución de una cierta función. l*uesto que sólo puede haber dos valores, el álgebra booleana es relativamente fácil de manejar,comparada con el álgebra com ú n ,p u es no utiliza fracciones, núm e ros negativos, raíces cuadradas, raíces cúbicas, logaritmos, números imaginarios ni ninguna de las operaciones que se em plean en el álgebra decimal. El resultado de esta rica base de conocim ientos básicos es la creación del m i croprocesador, o micro, que es el cerebro de la computadora; también se le conoce com o chip. Es un tipo de com ponente electrónico en cuyo interior hay muchos ele m entos llamados transistores,cuya com binación permite realizar el trabajo que se le haya encom endado. Suele tener forma de cuadrado o rectángulo negro y se instala en un elem en to llamado socket, o bien, se suelda en la placa. En ocasiones, al micro se le denom ina unidad central de proceso (central process unit o CPU, por sus siglas en inglés), aunque este térm ino es algo ambiguo, pues también puede referirse a toda la caja que contiene la placa base, el micro, las tarje tas y el resto de la circuitería principal de la computadora. La velocidad de un micro se mide en megahertzios (M H z) o gigahertzios (1 G H z = 1000 M Hz). El microprocesador necesita al elem ento humano, el programador, quien in troduce la información acumulada por la experiencia en un lenguaje de alto nivel. El micro la analiza m ediante el lenguaje máquina (álgebra booleana) y la presenta com o instrucciones que una máquina o dispositivo conectado debe ejecutar. Hasta aquí el trabajo es ligero, pero surge la necesidad industrial de manipular, contener y transportar materiales pesados, por lo que entra en acción la técnica de la hidráulica, la cual perm ite levantar objetos de mucho peso. Su estudio aplica los conceptos de la mecánica de los fluidos. El nombre “ hidráulica” no es del tod o co rrecto, debiera ser “oleohidráulica”, que se define com o la tecnología que trata de la producción, transmisión y control de m ovim ientos y esfuerzos por m edio de líquidos a presión, principalm ente aceites, ayudados o no por elem entos eléctricos y electró nicos que constituyen la electrohidráulica. Los accionam ientos oleohidráulicos tienen ventajas singulares que los hacen imprescindibles en la construcción de gran número de máquinas. Se les utiliza funda m entalm ente en tecnologías donde se requiere realizar importantes esfuerzos, sobre todo lineales, con alta precisión. El desarrollo de la oleohidráulica ha repercutido en la neumática, lo cual dio origen a la neumática avanzada, con lo que se han perfeccionado los m edios de mando y de control, así com o el tratamiento del aire comprimido (aire seco, lubri cado, presión constante, etc.), que por su estado permite m antener los elem entos en condiciones de operación eficiente. M ediante el microprocesador y las técnicas de trabajo que se presentan en el séptim o nivel de la pirámide se pueden manipular objetos e información, pero el am biente industrial requiere un m edio que permita la aleatoriedad de los procesos con la capacidad de manejar mucha información y poseer una velocidad de respuesta inmediata. Esta necesidad se denom ina controlador lógico programable (Lrograming L ogic C ontroller o PLC, por sus siglas en inglés), que es de amplia difusión en el medio. Originalmente se denom inaban PC (l ’rogranunable Controllers), pero con la llegada de las PC de IBM se establecieron en definitiva las siglas PLC com o identificador común. En Europa, a este concepto se le denom ina autóm ata program able. La definición más apropiada del PLC es la de sistem a industrial de control au tom ático que trabaja bajo una secuencia, alm acenada en memoria, de instrucciones lógicas. Se le considera sistem a porque contiene todo lo necesario para operar, y se com plem enta com o industrial por contar con todos los registros necesarios para operar en los am bientes hostiles de la industria. Esta familia de aparatos se puede programar para controlar cualquier tipo de máquina, a diferencia de otros controladores autom áticos que solam ente pueden
CAPÍTULO 3
Fundamentos tía la automafaacáón industrial
controlar un tipo específico. Un programador o control de flama de una caldera es un buen ejemplo. El térm ino “control autom ático” corresponde sólo a los aparatos que com pa ran ciertas señales provenientes de la máquina controlada, de acuerdo con algunas reglas programadas con anterioridad, y emiten señales de control para m antener es table la operación de dicha máquina. Las instrucciones almacenadas en la memoria permiten realizar modificaciones, así com o efectuar su m onitoreo externo. Los PLC surgieron en 1969 con la división Hvdramatic de General Motors, que instaló el primero para reemplazar los sistem as de cable rígido que se usaban enton ces en sus líneas de producción. A principios de la década de 1990 aparecieron los microprocesadores de 32 bits capaces de realizar operaciones matemáticas com ple jas y de establecer comunicación entre los PLC de diferentes marcas y las P C que dieron origen a las fábricas totalm ente automatizadas y con comunicación hacia la gerencia en tiem po real y en tiem po en línea. A l mismo tiem po surgieron los con troladores cuyas instrucciones específicas de alto nivel lograron la lógica de toda operación automática. Entre las funciones de un PLC,un microprocesador o un controlador están: ■ ■ ■ ■ ■
El posicionam iento de servomecanismos. Contar con registradores de alta velocidad. 'Transmitir datos de temperatura. Control neumático. El encendido y control de m otores, lámparas, zumbadores y más.
Iodo el sistem a se relaciona m ediante señales de entrada y salida (1 /0 ); las se ñales de entrada corresponden a la parte sensorial, y las de salida a la ejecución. Las señales se administran m ediante tarjetas de entrada/salida. loca el turno a los servom otores, en el mismo nivel de la pirámide, los cuales ahora pueden controlar electrónicam ente la precisión del giro, la fuerza y el sentido, además de recibir retroalimentación a través de la técnica de control y las aplica ciones científicas y m étodos com o las redes de Petri,3 algoritmos genéticos y tiem po real. Lo anterior se relaciona con la tecnología de la instrumentación que agrupa y estudia todos los dispositivos de entrada. Su principal elem en to de estudio son los sensores y tiene dos m étodos de registro: analógico y digital. En el m étodo analógico la información presenta el valor de magnitudes físi cas que varían en forma continua, proporcionando valores inestables y carentes de precisión. Estas magnitudes se envían a instrumentos analógicos clásicos com o ter mómetros, manómetros, voltímetros, amperímetros, etc. Para el m étodo digital la in formación indica que la magnitud de lo que se pretende automatizar “existe” o “no existe”, lo que hace indispensable adjudicar un valor a cada posibilidad: 1 “existe”, 0 “no existe”; esto representa un funcionam iento discontinuo y de alta precisión. En la selección de un sistem a sensorial para una aplicación de la autom atiza ción, el m étodo de manufactura digital es el que mejor se adapta a las condiciones del entorno, con una operación de control superior y parámetros definidos com o precisión (o exactitud), error, error de no linealidad, repetitividad, reproducibilidad, sensibilidad, resolución, rango de banda muerta, corrimiento del cero, tiem po de respuesta, histéresis, función de transferencia, etcétera. Hasta este nivel el desarrollo científico y tecnológico de la pirámide del apren dizaje de la automatización carece de un sistema de trabajo que le permita seguir evolucionando, para lo cual el sistema se clasifica en dos categorías: ■ Sistema de lazo abierto, el cual no recibe más órdenes que las suministradas por el operador.
J R ep resen tació n gráfica q u e p erm ite ex p resar u n sistem a d e eventos concurrentes m ediante eventos discretos.
o
PARTE TRES
Fundamentos de ¡a automatizaci&n industrial
■ Sistem a de lazo cerrado, el cual recibe información del operador y del sistem a sensorial (retroalimentación). A ctualm ente, el sistem a de lazo cerrado es el de mayor uso en la autom atiza ción. Está provisto de una unidad de entrada, en la cual el operador introduce datos en forma de parámetros hacia el procesador, donde serán alm acenados y ordena dos de manera lógica con la producción. Además, la unidad de entrada recibe seña les del entorno a través del sistem a sensorial, lo que facilita la adaptabilidad a las condiciones del proceso. Por último, la unidad de salida ejecuta los resultados de la producción. D e aquí en adelante la automatización es muy eficiente y controlable, además de permitir innovaciones com o los servom otores electrohidráulicos, de paso a paso y de C D, que no son más que m otores inteligentes que se adaptan a las condiciones de su aplicación. Un sistem a de visión, en un nivel superior inm ediato, se considera una señal de entrada de nivel avanzado. Hs decir, la visión perm ite la identificación de más objetos, formas y colores a gran velocidad, por lo que la manufactura automatizada engloba el entorno de todo el proceso. La manufactura digital entiende el manejo de la información en form a digital y controlada, con el fin de optimizar el flujo de la información dentro del proceso de manufactura a un nivel global. También cuida el m edio am biente al disminuir la información impresa. Otro avance de la tecnología lo han constituido las máquinas herramienta de control numérico (C N ) y, más recientem ente, las dotadas de control numérico programable (C NC ), que facilitan las operaciones de fresado, torneado, corte por hilo, plasma, láser, entre otras, las cuales se realizaban en grandes volúm enes de produc ción y ocasionaban fatiga al operador, así com o mala calidad del producto, además de no lograr los niveles de producción deseados. Por lo general, a las máquinas he rramienta las regula una computadora o un controlador. A esta tecnología del C N C (en el nivel siguiente en la pirámide) se le agrega el sistem a de diseño asistido por computadora (C om puter A id ed Design o C AD , por sus siglas en inglés), que ofrece una posibilidad de integración en la fabricación. El C A D asiste al diseñador para que pueda obtener de manera automática el programa de me canizado de las máquinas herramienta que intervienen en el proceso; para ello se re quieren amplios conocim ientos y la conjunción de especialistas en nichos específicos. El sistem a de manufactura asistida por computadora (C om pu ter A id ed Manufacturing o CAM , por sus siglas en inglés) transforma la materia prima mediante dispositivos especiales, en un producto de consum o o servido, diseñado bajo un con cepto con apoyo del C A D . El sistem a se cierra para formar el m odelo autom atizado con retroalimentación. El C A D /C A M requiere una configuración básica fundada en un sistem a inte ractivo. El C A D tiene su función en el m odelador, el dibujo y la sim ulación,en tanto que el CAM se apoya en el proceso de fabricación industrial continuo, el cual per m ite la fabricación de una gran variedad de productos dentro de un sistem a flexible. El CAM está respaldado por maquinaria automática: robots, máquinas herra mienta, máquinas especiales y otras, las cuales requieren gran aplicación de cono cim ientos tecnológicos y se puede obtener un riguroso control administrativo. De esta manera, el C A D /C A M es la opción para innovar el producto, conquistar merca dos y flexibilizar la producción. Sin embargo, el C A D /C A M no está com pleto sin la integración de la ingeniería asistida por computadora (C om pu ter A id ed Engineering o C A E , por sus siglas en inglés), la cual se encarga de analizar virtualmente el com portam iento y funciona m iento del producto diseñado. M ediante un análisis gráfico e infinitesimal se obtie nen resultados matemáticos del com portam iento de la pieza en cuestión garantizan do su funcionalidad.
CAPÍTULO 3
Fundamentos tís la automatización industrial
A scendiendo a otro nivel, al mismo tiem po la ingeniería asistida por com putado ra (C A E ) se acompaña del proceso de modelación y sim ulación por computadora, el cual permite visualizar eventos discretos en tiem po en línea para determinar el ritmo de la producción. A dem ás existen simuladores de procesos de manufactura que permiten identificar el m ovim iento de las herramientas y dispositivos, con lo que se logra ver la pieza manufacturada en su totalidad. El control estadístico del proceso (C E P) es la base en que se apoya la autom a tización para garantizar la seguridad y la calidad del producto a través de métodos matemáticos. La planeación del proceso asistida por computadora (C om pu ter A id e d Process t'lanm ng o C A IT .por sus siglas en inglés) com plem enta la manufactura digital a tra vés del sistema de la administración de la información, estableciendo el flujo óptim o del proceso. Por lo general, el C A P P agrupa todas las técnicas de automatización. Con esto em pieza una etapa de fuertes inversiones en máquinas herramienta de CNC, herramentales y robots industriales, lo que agrupado forma una célula de tra bajo, y con ello se establece un conjunto de sistem as flexibles de manufactura, SFM (del inglés SM F). La robótica industrial aporta los desarrollos integrales de robots en diferentes configuraciones geom étricas para lograr la funcionalidad en cada apli cación del proceso de manufactura. 'lodo lo anterior contribuyó al desarrollo de nuevos sistem as de producción donde las aplicaciones de la robótica impactan en el cam po industrial, ya que se ca racterizan por sistem as cada vez más flexibles, versátiles y polivalentes por el uso de nuevas estructuras mecánicas y por sus m étodos de control y percepción. A sí se llega a los últim os niveles de la pirámide: la fábrica autom ática (en inglés: A E) y la manufactura integrada por computadora (C1M, por sus siglas en inglés), conceptos que están en desarrollo ideal y poco a poco comienzan a ser parte de la nueva industria de la manufactura, una industria óptima, funcional y responsable con su m edio ambiente. Lo anterior es una breve referencia de los sistem as automatizados, objeto de estudio de este libro, y que se desarrolla ampliamente en los siguientes capítulos.
R esum en C onocer las tendencias del desarrollo tecnológico permite tomar las medidas perti nentes para actuar en consecuencia,facilitando la tom a de decisiones en la inversión de capital humano y equipo. Carecer de un horizonte de desarrollo claro y específico provoca que los direc tivos realicen inversiones desordenadas, con resultados de poca eficiencia y eficacia, lo cual no permite que la empresa pueda com petir de manera sana en el mercado. Para tener una estrategia, com o se indica en la pirámide de tecnologías de au tom atización, se d ebe contar con una base tecnológica para que el recurso humano pueda lograr las metas que la dirección de la em presa se propone. Lo anterior impli ca que todo el personal debe conocer y aplicar una misma filosofía de trabajo. Lo que se pretende con el uso de estas nuevas tecnologías computarizadas es que la em presa sea capaz de innovar en el tiem po, una característica que se debe reflejar en la personalización de los bienes, lo cual puede ser un m otivo por el que los clientes estén dispuestos a pagar un precio más alto por el producto, y generar así un estím ulo en la empresa para estar a la vanguardia en el mercado.
m
PARTE TRES
Fundamentes da la automatización industrial
1. ¿ Q u é re p re s e n ta la p irá m id e d e de sa rro llo
6 . ¿ Q u é im p o rta n c ia tiene el e s tu d io d e los s is te m a s
te c n o ló g ic o ?
dig ita le s?
a)
a)
U n c o n ju n to d e t e c n o lo g ía s d e i secto r.
c)
¿>) D e s a rro lla r p r o g r a m a s d e c ó m p u t o c a p a c e s d e
U n a a lte rn a tiva d e d e s a rro llo te c n o ló g ic o .
c o n tro la r o b je to s .
d ) S o lu c io n e s a p r o b le m a s e s p e c ífic o s .
c) 2.
C o n o c e r la fo rm a e n la q u e s e c o m u n ic a n las m á q u in a s (v e r d a d e r o o fa lso ).
b ) Á re a s d e in terés d e la in d u stria .
H a c e r u n a ló g ic a d e c o n tro l c e n tra l d e u n a m á q u in a .
¿ P o r q u é es im p o rta n te el d o m in io del á lg e b r a e n el á r e a d e a u to m a tiz a c ió n ?
d ) H a c e r u n a ta b la d e v a lo r q u e p re s e n te dife re ntes o p c io n e s .
a ) P o r la c o n c e p t u a l ¡za c ió n d e e x p re s io n e s d im e n s io n a le s c o rre la c io n a d a s .
b)
P o r la re p re s e n ta c ió n d im e n s io n a l d e o b je to s.
7.
¿ P o r q u é s o n im p o rta n te s lo s c o n tro le s ló g ic o s p r c g r a m a b le s ( P L C ) ?
c ) P o r la g e n e ra c ió n d e fó rm u la s m a te m á tic a s p a r a la s o lu c ió n d a p ro b le m a s . d ) P o rq u e d e s a rro lla h a b ilid a d e s m e n ta le s e n el
a)
P o r el m a n e jo d e in fo rm a c ió n y con trol.
b)
P o r la d is p o s ic ió n d e d ife re n te s e le m e n to s d e c on trol.
tra b a ja d o r.
c ) P o r el c o n tro l e n tie m p o re a l d e u n p r o c e s o 3.
industrial.
¿ C u á l e s la im p o rta n c ia d e la g e o m e t ría e n el p r o c e s o a u to m a tiz a d o ?
a)
D e fin ic ió n d e fo rm a s , fig u ra s y p la n o s .
b)
C o m p r e n s ió n d e l p r o c e s o d e u n a fig u ra d a d a a otra deseada.
c)
d)
P o rq u e p ro p o rc io n a in fo rm a c ió n e n c u a lq u ie r m o m e n to d e l p ro c e s o .
8 . ¿ P a r a q u é s irv e n lo s s is te m a s d e v is ió n ?
R a m a d e la m a te m á tic a q u e e s tu d ia lo s c u e r p o s en el e s p a c io .
a)
P a ra to m a r fo to g ra fía s y te n e r u n a id e a d e l ob je to .
b)
P a ra c o n o c e r las c a ra c te rís tic a s d e u n o b je to y definir si p a s a o n o p a s a .
d ) C o n ju n to d e lín e a s q u e fo rm a n u n c u e rp o .
c ) P a ra m o s tra r la f o rm a d e u n o b je to y s a b e r d e q u é s e trata.
4. ¿ C u á l e s la im p o rta n c ia d e la fís ic a y la q u ím ic a e n la a u to m a tiz a c ió n ?
a)
d ) P a ra to m a r fo to g ra fía s y c o n tro la r los e v e n to s .
D e fin e el c o m p o rta m ie n to d e la s p r o p ie d a d e s y tra n s fo rm a c ió n d e la m ateria ,
9 . ¿ C u á l e s la im p o rta n c ia d e las m á q u in a s c o m p u t a r iz a d a s ?
ó ) R a m a d e la c ie n c ia q u e e s tu d ia lo s o b je to s y s u
c)
re la c ió n c o n el e n to rn o .
a)
P a ra c o n o c e r el c o m p o rta m ie n to y tra n s fo rm a c ió n
¿>) T e n e r la m e jo r te c n o lo g ía .
d e la m a te ria d u ra n te el p r o c e s o .
c) d)
d ) D e fin e la s c a ra c te rís tic a s d e los o b je to s e n c u e s tió n . 5.
¿ P a r a q u é s irv e la e le c tró n ic a e n lo s s is te m a s
T e n e r tra b a jo e n tocto m o m e n to .
G a r a n tiz a r el fu n c io n a m ie n to d e los s iste m a s. P o d e r s in c ro n iz a rs e c o n la d e m a n d a e n tie m p o real.
10.
¿ Q u é es la f á b ric a a u to m á tic a (F A )?
a u to m a tiz a d o s ?
a)
U n c o n ju n to d e m á q u in a s in d u stria le s.
a)
b)
U n c o n ju n to d e m á q u in a s q u e tra b a ja n c o m o un
b) c)
P a ra s o lu c io n a r lo s c o n flicto s e n el p r o c e s o . P a ra d e te rm in a r el e s ta d o d e c o m p o rta m ie n to d e
siste m a .
u n c u e rp o .
c ) L a m á s m o d e r n a fá b ric a q u e h a y e n el m u n d o .
P a ra u n a m e jo r p re c is ió n d e lo s e le m e n to s de
d)
con trol. d ) P a ra c o n tro la r e n tie m p o real un c o n ju n to d e d is p o s itiv o s m e c á n ic o s .
U n c o n ju n to d e d is p o s itiv o s y e le m e n to s d e control
CAPÍTULO 3
11.
¿ Q u é e s la m a n u fa c tu ra in te g ra d a p o r c o m p u t a d o r a
c ) U n c o n ju n to d e s o lu c io n e s q u e a y u d a n a to m a r u n a
(C IM )? a ) U n c o n ju n to d e m á q u in a s q u e tra b a ja n so la s. b ) U n a e s tra te g ia e m p re s a ria l q u e tie n e la fin a lid a d d e in te g ra r la e m p re s a .
Fundamentos de la automatizacáón industrial
d e c is ió n .
d)
L o s e le m e n to s d e tra b a jo e n u n a o rg a n iz a c ió n .
c a p ítu lo / [
jpa Herramientas para el diseño y la manufactura
CAPÍTULO 4
J
Herramientas para el dtseño y la manufactura
Diseño asistido por computadora (CAD)
(Conocido com o C AD , el diseño asistido por computadora (C om pu ter A id ed Design) tuvo sus orígenes en la década de 1960,cuando la fuerza aérea estadounidense se vio en la necesidad de diseñar fuselajes de avión con una mayor velocidad de produc ción, razón que justificó la inversión de m iles de m illones de dólares en el desarrollo de este software. E l resultado fue espectacular. A ctualm ente el desarrollo informá tico perm ite fascinantes aplicaciones, al grado de que muchos diseños virtuales pre sentan una muy alta aproximación a la realidad (figura 4.1). El C A D garantiza un m odelo de diseño q ue ya tiene 90% de éxito y sólo 10% en adecuaciones, y esa es la razón de que el concepto de realidad virtual se presente con tanta fuerza, pues el individuo puede interactuar con una computadora que le proporciona toda la información y detalles del diseño, com o una alternativa en la tom a de decisiones, sin que ello implique tener físicam ente el objeto. Quizás este desarrollo continúe su avance hasta donde la revolución tecnológica lo permita (al gunos autores sugieren que dicha revolución se frenará en el año 2020), de modo que podrían esperarse más innovaciones Esto necesariamente tiene implicaciones buenas y malas, p u e s por un lado, se contaría con mejores formas de comunicación, por ejem plo para compartir un diseño con un grupo de participantes que se encuen tren en lugares apartados y distintos y, por otro lado, la obsolescencia obligaría a las empresas a destinar recursos considerables para m antenerse a la vanguardia, lo que al paso del tiem po significaría una inversión importante. Se requiere, por lo tanto, contar con instrumentos que evalúen la inversión inform ática,de m odo que los crite rios científicos indiquen el retorno de la inversión para evitar una descapitalización o pérdidas considerables para las empresas. El C A D se em pezó a comercializar a fines de la década de 1980, y entonces pa recía más una novedad que una aplicación real. Sectores com o el de la construcción fueron los prim eros en utilizarlo por la necesidad de realizar constantem ente planos de trabajo, hacer modificaciones en campo, etc. l’ara ello era necesario un ejército de dibujantes, los cuales trataban de mantener al día dichos cambios, lo que generaba altos costos. D ado que las primeras empresas en adquirir el C A D tenían la ventaja de hacer rápidamente las adecuaciones e imprimirlas, sus planos de trabajo siempre estaban al día. Otra de las ventajas era la presentación inicial de un bosquejo al cliente, pues una vez aprobado el desarrollo implicaba ahorros enormes, de modo
http://goo.gl/YSsVM0
http://goo.gl/wwZ5im
http://goo.gl/gfmsra
http://goo.gl/V95rrP
fig u r a a . i
http://goo.gl/KpHcFx
Diseños virtuales de piezas dibujadas con aplicaciones d e C A D .
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
50%
23% Tiem po de fabricación reducido en 5 0 % . Centro sero espsdal Goddard de la N A SA
Reducción del tie m p o de fabricación
A celeración del tie m p o de de sarro llo
(
T ie m po d a desarrollo l ece'er&do en 2 3% .
I
V T J
78% Reducción del tie m p o in v e rtid o en la creación de p ro to tip o s fis u r a
40% Tiem po invertido en la creación de prototipos reducido en 7 8 % . PING
a .2
Samsung
Reducción del tie m p o de d iseño
f I
V
| "
T ie m po d e diseño ra c u d d o en 4 0 % .
BAE Systems
Im p a c to d e l C A D e n e l tie m p o e m p le a d o p a ra e l d is e ñ o y fa b r ic a c ió n d e l p ro d u c to .
que al paso del tiem po los restiradores y las reglas de trabajo se fueron sustituyendo por computadoras en las que se podía ver con rapidez el trabajo del área respectiva, lo que representó ahorros de hasta 90% , que se reflejaron en la eliminación de erro res, repetición de trabajos, disminución en el tiem po de entrega y, por consiguiente, cumplir en 95% con el programa de trabajo. La figura 4.2 muestra el desem peño de la aplicación C A D en empresas com o el centro aeroespacial (ioddard de la N A SA , Samsung, P1NG y B A E Systems.' (Cuando la tecnología hace una mejora en la productividad, se puede decir que cumple ampliamente con las expectativas al justificar de manera sobrada sus cos tos, lo cual representa para la sociedad un beneficio tangible por su impacto positi vo, com o en el caso específico de las constructoras. Por un lado, el C A D se pudo desarrollar sin la intervención del gobierno, y por otro, la aparición de nuevos de sarrollos, que en un principio pocos entendían, sentó las bases del desarrollo futuro. A ctualm ente hay un sinfín de aplicaciones en 2D y 3D ,p or lo que se han recuperado los em pleos ante una disminución real en los costos de los productos, lo que hace que más personas tengan acceso a ellos y se crea un círculo virtuoso entre desarrollo tecnológico y beneficios sociales. A partir del concepto tecnológico del C A D , el sector industrial depende de las aplicaciones 2D y 3D; de las primeras por el amplio uso de planos de fabricación donde el diseñador especifica con todo detalle las instrucciones de manufactura, al considerar un sinfín de conceptos teóricos y normas internacionales (figura 4.3). En cuanto a las aplicaciones en 3D, el beneficio recae en la aproximación que se ofrece del producto final; es decir, se puede observar en todas sus características geométricas, físicas y mecánicas y hacer m odificaciones rápidamente, las cuales se relacionan en forma paramétrica, lo que permite la actualización simultánea de los planos de fabricación (tabla 4.1 y figura 4.4). ’T om ado d d fo lleto inform ativo d e softw are C A D /O A M 'C A E 3 D integrado. Param etric Technology C o rp o ratio n (P T C ). 27fi2-ProE-0607-es y S437-ProEngPackage«-Bixv0510-cs. & 2010, PTC.
T A B L A 4 . *1
P ro d u e lo 3 D d is e ñ a d o c o n e l a p o y o d e l C A D .
Material: Latón.
Material: F trd lck in en acero gris.
Material: Fundición en acero gris.
E¡e gula diseñado en latón para no maltratar al producto procesado.
R etíseno del eje guía. se cambia elmaterial a fundición en acero gris per cusaficnes de funcionalidad.
Modificación del eje gula por un redaeno que h d u y e un barreno pasado con chaflanes en ambos ladee.
Producto: E|e gula, diseñado con aplicaciones C A D utilizando un perfil de revolución.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
2xR6 R46
http://goo.gl/rmC
2 x R1
Escala del ¡somótrico 1:1
Detalle C
f i g u r a
a .3
Plano del producto con especificaciones teóricas y normativas.
PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
http://goo.gl/vSQWmc
http://goo.gl/XZ66DV
http://goo.gl/vdkF8q
http://goo.gl/qg3HIR
http://goo.gl/3qr8nq
http://goo.gl/mF7mXc
http://goo.gl/JpW2L8
http://goo.gl/4R9z4l
http://goo.gl/uTh3kN
http://goo.gl/dhkKrG
fig u r a
a .a
D is e ñ o s d e pie za s c o n características param ótricas.
http://goo.gl/IcsjrW
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
El C A D es un desarrollo que implica bases de geom etría analítica, álgebra li neal, entre otras, por lo que al realizar alguna geom etría simple o que requiera su perficies com plejas y operaciones de manufactura avanzada, el software en su con tenido matemático realiza operaciones por las cuales se obtiene de forma inmediata el m odelo virtual de una pieza o producto en 2D o 3D, lo que depende directamente de las características del hardware. Es indispensable definir las características de hardware que se requieren para las aplicaciones C AD . Muchos fabricantes apuestan por sistem as específicos para apli caciones industriales, donde el manejo de gráficos (tarjeta gráfica), el procesam iento de información (procesador) y la velocidad de ejecución (m em oria R A M ) deben ser de alto rendimiento. El sistema operativo es de vital importancia para la ejecución de las aplicaciones de C AD , por lo que existen equipos dedicados al diseño gráfico y son una buena opción por su excelente rendimiento de procesam iento de datos y video, además de ser altam ente eficaces en el manejo de gráficos. Existen equipos de propósito específico, dedicados a las actividades de “renderizado”2 y alto desem peño (figura 4.5). (hieden configurarse con procesadores Intel
:R cndcr¡zado es u n té rm in o p a ra referirse a o b jeto s digitales e n 3 D acom pañados d e realism o (ilum ina ción, texturas, colores, som bras, m ateriales, etc.) p a ra m ostrar cóm o se v ería el producto final e n la vida real. Rende rizado de varios productos
f ig u r a
<*.e
D is a ñ o s re a liz a d o s en a p lic a c io n e s d e C A D c o n v is u a liz a c k ín re o d e riz a d a .
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
— r ¿¿JS g litíW o iK s • * j
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M enú amigable (ambiente office) • U • > • *)
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1 ----------- Iconos de geom etrías básicas f ig u r a
a .a
A m b ie n te g ráfico d e So!io\
A M D , X E O N o i? (según lo que pretenda el usuario). Se recomienda la configura ción con doble procesador Intel Pentium 4 para usuarios que manejan 2D y edición de audio y video. La configuración con doble procesador A M D Opteron se sugiere para usuarios que requieren m odelado y animación de objetos en 3D. Las aplicacio nes com plejas de animación 3D se pueden configurar con tarjetas de video de alto desem peño N V I D I A Ouadro (útil para proyectos más com plejos) o con ATI FireCiL. El sistema operativo se ejecuta en un procesador de 64 bits con un desem peño máximo. E stos equipos son estaciones de trabajo para aplicaciones específicas Por ejem plo, las estaciones de trabajo de alta definición en su modalidad H D V que operan con procesadores Intel Pentium 4 e incluyen las tarjetas aceleradoras FireGL son ideales para el diseño por computadora con C A D , creación de contenido digital y aplicaciones de ingeniería y arquitectura. En el mismo contexto del hardware, las aplicaciones C A D tienen una amplia gama de desarrollos que contribuyen al diseño de piezas o productos virtuales Se caracterizan por ser aplicaciones de una interfaz amigable a través de iconos de fácil manejo, donde el usuario puede aprender de forma autodidacta el manejo de la h e rramienta (figuras 4.6 y 4.7). Se pueden adquirir muchas aplicaciones C A D , todas con el mism o fin y dife rentes ventajas de funcionalidad, en especial en el manejo de superficies diseño de m o ld es generación de p la n o s operaciones de ensam ble y croquis sencillos. La tabla 4.2 muestra los desarrolladores más destacados en el mundo de la industria de la transformación y la tecnología. Estas herramientas permiten generar entidades geom étricas sencillas en el e s pacio: líneas, arcos, circunferencias, elipses, parábolas polígonos y todas sus com bi n acion es además de incluir elem entos com o etiquetas de texto, sím bolos de dibujo, sím bolos de construcción y anotaciones que engloban características y herramientas que ayudan al usuario en la elaboración de un diseño al incorporar tab las herra-
M enú amigable (ambiente office)
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A m b ie n te g ráfico d e (V X ve rsió n a c a d é m ic a .
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’
CAPÍTULO 4
t a b l a
4 .8
Herramientas para el diseño y la manufactura
S o ftw a re d e la s a p lic a c io n e s C A D .
PTC
AutoDesk
D SS
S IE M E N S
D esarrdlador
ProEnginner/Creo
Inventor
C A TIA
NX
Alto nivel
Mechanical
SdidW orks
SolidEdge
Nivel m edio
mientas de creación de entidades estándar, bibliotecas d e partes, asistentes, funcio nes de análisis y recursos como: ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
Partes. Ensambles. Dibujos o planos. G eneración de tubería/cables Creación de moldes. E lem entos soldados. Superficies Lámina metálica. Bibliotecas de partes estándar. Familias de partes y ensambles. A sistentes para sujetadores Renderizado de imágenes. Tecnología síncrona.
En estos sistem as se elabora la parte en 3D y con las herramientas incluidas se pueden modelar todos los detalles y características geom étricas y dimensionales. A dem ás de unir y relacionar distintos archivos d e partes individuales, o subensambles, se puede comprobar la compatibilidad geom étrica de los diseños individuales realizados y determ inar interferencias, ajustes y m ovim ientos o com portam iento del diseño m ecánico (figura 4.8).
http://goo.gl/9g0LyC
f ig u r a
4 . ei
Disar'xj d e u n a v érte bra utilizando aplicacio nes d e m o d e la d o d e superficies.3
^G onzález R uiz, A lfredo, M odelado, s'unulación y anólitis. en 3 D d e vértebra hurdmr, tesis doctoral para o b te n e r el grad o de In g en iería del á re a d e m ecánica co n o rientación d e m ecánica aplicada.
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Toda la http://goo.gl/ZYck3c
F IG U R A 4 .B
P laca
m a q u in a d a e n a c e ro 201 inoxidable re c o c id o
(SS).
información necesaria para la fabricación de un producto se plasma ampliamente en planos o dibujos en 2D, acom pañados de cotas, símbolos, notas, to lerancias y cualquier otro tipo de información técnica necesaria. Las vistas explosio nadas, diagramas de instalación, despieces, y otras, son de gran utilidad en diversos ámbitos de la ingeniería y permiten la comunicación de información específica, que de otro m odo sería difícil de lograr. Por esta razón, los paquetes avanzados de C A D incluyen los m ódulos para la creación de dibujos en 2D. Por lo común constan de herramientas que tom an el m odelo o ensam ble realizado en 3D y efectúan proyec ciones en el plano de las vistas ortogonales principales, o bien, de cortes seccionales de dichos m odelos aplicados sobre diferentes vistas. C om o estas proyecciones se generan a partir de los primeros dibujos y quedan vinculados, al realizar un cambio sobre el m odelo original se ve reflejado de inm ediato en los dibujos, lo cual repre senta un enorm e ahorro en tiem po de redibujo, y es también una de las principales ventajas del uso de estas herramientas La figura 4.9 es el renderizado de una placa maquinada en acero 201 inoxidable recocido (SS) y la figura 4.10 representa el plano con especificaciones de manufactura. Las ventajas aumentan al contar con todo el grupo de herramientas necesarias para crear planos o dibujos con la representación de la información relevante basada en estándares internacionales para la elaboración de dibujos,o bien, las regulaciones normativas de cada país. lo d o s los ajustes de preferencia, com o calidad de línea, tipo y tam año de letra, unidades, form ato de presentación de la información, símbolos, máscaras o plantillas de dibujo,estilos de acotación, orientación de cotas, etc., se pueden guardar en plan tillas para utilizarse una y otra vez, con un ahorro de tiem po igualmente importante,
http://goo.gl/XXk72b M aterial: A c e ro 201 ino xidable re co c id o (S S ) M a s a : 878.41 g ra m o s Espeso r -
12 2 X R51
2 x R12
80
41
4 X 3 1 3 .B
\
30
160
f i g u r a 4 .1 D
Plano de ingeniería con especificaciones de manufactura.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
a la vez que mejoran la productividad y calidad de los dibujos producidos de esta manera. Por lo generaK C A D com o elem ento integrador de diseño reúne la experiencia de una gran gama de herramientas que permiten crear un producto de cualquier característica geométrica, inclusive hacer cambios al producto en tiem po reducido. Las bondades de presentación y los elem entos mecánicos son cada v ez más fáciles de aplicar. La siguiente sección es un estudio extensivo del desarrollo de planos de ingenie ría, detallados y bajo especificación normativa.
| 4.2.1
j •; B
Dibujo del producto y planos de producción
Idea conceptual y dibujos a mano alzada
Los dibujos de ingeniería son planos detallados del producto q ue incluyen las esp e cificaciones del diseño, com o características geométricas, dim ensiones, tolerancias y requisitos de materiales. D ado que C A D es una herramienta que perm ite optimizar la tarea del diseño y que comprende la creación de los planos de manufactura, en esta sección el tem a se centra en los conceptos teóricos y la normatividad que deben seguir los ingenieros de diseño. Por lo común en el proceso industrial todo surge de la idea conceptual y su relación con las necesidades del mercado, convirtiéndolo en un bosquejo o dibujo a m ano alzada que representa el producto a grandes rasgos (figuras 4.11 a 4.15). Sin embargo, existen las herramientas de dibujo integradas en las aplicaciones C A D que permiten obtener la descripción del producto con especificaciones y estándares aceptables. b n el proceso de manufactura uno de los primeros pasos de desarrollo es ob tener el dibujo 3D del producto y realizar el plano de producción regulado con los estándares y normas de manufactura.
fig u r a
4 .1 1
D ib u jo a m a n o a lza d a q u e ex p re s a la id e a co n ce p tu a l del prod ucto.
o
PARTE TRES
Fundamentes de b automatización industrial
fig u r a
4 .1 a
D ib ujo a m a r o a lza d a q u e ex p re s a la id e a c o n ce p tu a l d e una banca.
fig u r a
4 .1 3
D ib ujo a m a r o a lza d a q u e ex p re s a la id e a c o n ce p tu a l d e un taladro d e b a n c o .
CAPÍTULO
fig u r a
4 .1 4
D ib ujos a m a r o a lz a d a d e dive rs o s objetos.
A Herramientas para el diseño y la manufactura
PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
http://goo.gl/p8Fmho
http://goo.gl/GFYK5m
¡ ^ te c a r i& v n O
/\ f í s
y C eroct (y>^í> *opt^'c*<2 d i c c y j ^ ^ O
fig u r a
4 .1 B
D ib ujo a m a n o a lza d a d e g a rra s p a ra robots industriales.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
Una v ez que se han realizado los bosquejos o dibujos a mano alzada, se dibuja cada pieza o parte en aplicaciones de C A D junto con su plano y especificaciones de manufactura.
4.2.2 Planos de producción Existen productos que pueden estar conform ados por un elem ento o una serie de partes que integran el producto final com o un conjunto. El siguiente ejem plo es la primera opción. E J E M P L O 4.1
La empresa Maquinados de precisión recibe una orden de producción que con siste en una pieza en acero SW 55;el cliente envía el plano de producción como sigue: Escata del isomètrico 1:2.5
Material: Acero al carbono fundido Masa: 1027.040 E sp e so r. 12 fig u r a
A. -i e
Plano d e p ro d u c c ió n d e p la c a d e ajuste sim étrico.
Observe lo acotado bajo la aplicación de estándares normativos. a) El sistema de unidades aplicado es el de la Organización Internacional de la Estandarización (ISO ) en sistema métrico (M M G S).4 b) Sólo se utiliza la vista frontal para identificar las dim ensiones de la pieza; de manera específica los diám etros y radios se muestran de frente, y el espesor de la pieza únicam ente se indica con una nota. c) Todos los valores de las cotas están en posición horizontal y no hay sobreacotam iento. Observe la diferencia entre el acotam iento de diám etros y radios. d) Se aplican especificaciones de geom etría de tolerancia para la posición de los barrenos, con una indicación de las referencias de tolerancia y la planicidad de las caras. é) Por últim o se especifica el acabado que se requiere en todas las superficies de la pieza.
4MMGS: milímetro«, gramos y segundos
PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
E J E M P L O 4.2
Representación simbólica de operaciones de barrenado (barreno simple, barreno de caja y barreno roscado).
Sección A-A fig u r a
4 .1 7
P ia re d e p ro d u c c ió n d e p la c a c o n barre ne s e s tand ariza dos c o n representación esq uem ática .
Observe el acotado correcto bajo la aplicación de estándares normativos. á) El sistema de unidades aplicado es ISO. b) Se utiliza la vista superior para identificar las dim ensiones de los barrenos y de la pieza; para el espesor se utiliza la vista frontal en corte de sección para visualizar la form a de las operaciones de barrenado. c) Iodos los valores de las cotas están en posición horizontal y no hay sobreacotamiento. d ) Las dim ensiones y representación de los barrenos están en relación a cada tipo: barreno simple, barreno de caja y barreno roscado. e) Observe que el barreno roscado indica un diámetro preliminar, el cual se re quiere por el proceso de fabricación y que se obtiene de la siguiente manera: Se debe obtener el diámetro preliminar que corresponde a un valor estandarizado de valores comerciales, que teóricamente representa el diámetro con el sobrematerial necesario para realizar los hilos/dientes de la rosca.
Una rosca métrica se representa de la siguiente manera:
CAPÍTULO 4
p
Herramientas para el diseño y la manufactura
0 .1 2 5 P
P - (0 .1 2 5 P )
h = 0.51127P
fig u r a
4 . ia
E sp e c ific a cio n e s técnicas d e u n a rosca m é tric a
donde: TA BLA a .3
M: 18: P: h:
indica una rosca métrica. diám etro nominal d e la rosca. paso de la rosca;5 para este ejem plo el valor es 1.5. es la altura de la rosca
c ió n d e la b r o c a prelim inar.
El ángulo para roscas com erciales es d e 60“. Para este ejem plo el valor del diám etro preliminar es de 16.5 mm, conside rando la tabla 4.3. Teóricam ente se tiene lo siguiente:
h = 0.51127/* Sustituyendo los valores se tiene:
h = 0.51127 X 1.5 = 0.766 mm Por tanto el valor del diámetro preliminar para realizar la operación d e ros cado es: ■“^ p re lim in a r
0 ino m in al
R o sca
B ro c a reco m endada (m m )
M 1.6 X 0.35
1.25
M 2 X 0.40
1.59
M 2.5 X 0.45
2.06
M 3 X 0.50
2.5
M4 X 0.70
3.26
M 5 X 0.80
4.22
M6 X 1
5
M7 X 1
6
M 8 X 1.25
6.75
M8 X 1
— Til
M 10 X 1.5
Sustituyendo los valores se tiene: ^ p re lim in a r
R oscas
m é tric a s y la r e c o m e n d a
= 18 ~ <2 * 0.766) = 16.468 .11.11
Este diám etro corresponde a la dim ensión diametral d e la herramienta; sin embargo, tal valor no existe com ercial mente,6 por tanto se toman valores están dar com o en este ejemplo. El diámetro corresponde al barreno preliminar que se debe hacer antes de la operación de roscado, es decir, un barreno roscado requiere las siguientes op e raciones:
7 8.5
M 1 0 X 1.25
8.73
M11 X 1.75
10.26
M11 X 1
10
M 1 2 X 1 .5
10.5
M 12 X 1.25
10.72
M 14X 2
12
M 14 X 1.5
12.5
M 16X 2
14
M 1 6 X 1 .5
14.5
M 1 8 X 2 .5
15.5
M 18 X 1.5
16.5
M 20 X 2.5
17.5
J E n el sistem a A N S I el p aso está definido p o r el n ú m ero d e hilos q u e hay e n una pulgada, es decir, P - - .
M 22 X 2.5
19.5
*Se p u e d e te n e r e l valor ex acto d e la b roca, pero se req u iere u n p roceso de fabricación especial: es decir, solicitar la fabricación de la broca a la dim ensión del v alo r teó rico obtenido, lo eual re p re sen ta u n incre m e n to e n el c o sto d e fabricación.
M 2 2 X 1.5
20.5
M 24 X 3
21.03
1. (Centrado. 2. Barrenado preliminar. 3. Roscado. El roscado de presión o en m ateriales especiales se debe efectuar con tres machuelos: cónico, sem icónico y recto, lo cual se requiere para obte-
ft
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
ner precisión, forma en los hilos de la rosca, y facilitar el ingreso de la herra m ienta, ya que en ocasiones el m achuelo puede romperse durante el proceso de roscado. Existen otros tipos de barrenos: ■ Barreno avellanado. ■ Barreno de precisión o rimado. ■ Barreno de forma. Su representación y acotación quedan com o sigue:
0 2 5 h6
http://goo.gl/86ALz
Material: .Acero rolado en frío AISI 1045 Masa: 1855.359
S a u i^ n A -A
f ig u r a
a . i a
Escala del isomètrico
P ia r e d e p rc d u o c ió n d e p la c a c o n ba rre no s e e ta n d a rk a d o s.
Crear un plano de ingeniería es hablar otro idioma, que en este caso se llama comunicación gráfica en la que, al igual que en los idiomas, existen reglas y princi pios para una comunicación Huida y elegante. En este caso se propone la siguiente metodología.
4.2.3 Metodología para el diseño de planos de Ingeniería Para lograr el diseño de piezas en 3D con su plano correspondiente y con las condi ciones de estandarización se requiere seguir una m etodología, la cual es: 1. Dibujo conceptual, figura isomètrica y/o vistas con dimensiones. 2. Planteam iento de solución, que será un dibujo a mano alzada con notas que indiquen el sistem a de unidades, las dim ensiones, los planos ideales para el d e sarrollo, el material de la pieza y las relaciones de posición. 3. Utilizar una herramienta de C A D para plasmar el planteam iento de solución y obtener las geom etrías con dim ensiones y relaciones de posición que logran parametria y funcionalidad del diseño.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
4 Seleccionar las vistas apropiadas para dim ensionar la pieza, es ideal agregar el isom ètrico para facilitar la interpretación de la pieza. 5. Rotular el plano con la información correspondiente a los datos de la empresa, diseñador, área, fecha, escala, sistem a de unidades, logo de la empresa o institu ción, entre otros. Existen diversas formas de elaborar las piezas en 3D , llamadas técnicas de ela boración de piezas, com o son: ■ Utilización de croquis (m etodológica y estabilidad geométrica). ■ Tecnología de sincronía geom étrica (libre y variabilidad geométrica). A m bas técnicas son estables para el diseño, pero su uso dependerá de la habili dad y requerim iento de desarrollo del usuario. Con lo anterior se tiene el siguiente ejem plo en el que se aplica la técnica de utilización de croquis. E J E M P L O 4.3
Armadura de fundición de acero gris. Dibujo de la pieza de la figura 4.20 utilizan do una aplicación de m odelado 3D, considerando todas las dim ensiones indicadas y definiendo el material, además de obtener el plano de ingeniería en form ato tam año carta.
R e c o m e n d a cio n e s p a ra la c o rre c ta ela bora ción de la pieza en aplicaciones de C A D 1. S e le c c ió n d e l plano a u t iliz a r S e le c c io n o e l p la n o (fro n
5. C o rre cto d im ensionam iento: L a g e o m e tría d e b e r á te n e r
tal. s u p e rio r o d e r e c h o ) q u e m á s c o n v e n g a a la g e o
e s p e c if ic a d a s to d a s s u s d im e n s io n e s , p u e s e s o co n tri
m e tría d e la fig u ra , p a r a facilitar s u in te rp re ta c ió n . P or
b u y e a la d e fin ic ió n d e la p ie z a . A d e m á s , e s ta b le c e las
lo g e n e ra l, el p la n o m á s u tiliza d o e n la e la b o ra c ió n d e
c o n d ic io n e s d e p a ra m e tría (a lg u n o s s o ftw a re d e C A D
la s p ie z a s e s el fron ta l, p o r s e r el q u e se e n c u e n tra
lo in d ic a n a tra vé s d e u n s ig n o n e g a tiv o e n s u c ro q u is
d e fren te a la p e r s o n a o p o s ic ió n .
o e n e l c o lo r d e éste, c o m o a z u l in s u fic ie n te m e n te de fi
2. D ivid e y v e n ce rá s: É s ta e s u n a r e c o m e n d a c ió n m u y im p o rta n te p a r a s e p a ra r lo m á s p o s ib le las o p e r a c io
n id o , n e g r o c o m p le ta m e n te d e fin id o o un m e n s a je q u e d ig a in s u fic ie n te m e n te d e fin id o ).
n e s q u e c o n fo rm a n u n a p ie z a . P o r e je m p lo , e n u n a p ie -
6 . P e rfile s g e o m é tric o s co m p létam e ote ce rra d o s : T o d o p e r
z a q u e lle va b a rre n o s la b a s e s e h a c e e n u n a o p e ra c ió n
fil d e la g e o m e t ría d e b e r á e s ta r c o m p le ta m e n t e c e
y ios b a rre n o s e n o tra , lo q u e a y u d a a ide ntificar to d a s
rra d o , e s d e c ir, c o n to r n o s c e r r a d o s y s in lín e a s e n el
la s o p e r a c io n e s d e u n a p ie z a , la s c u a le s p u e d e n ser m u c h a s y v a r ia d a s . E s to p e rm ite o r d e n y fa cilita las m o d ific a c io n e s d e d im e n s ió n o g e o m e tría .
3. D efinición del plano: Q u e d a e s ta b le c id a p o r el c ro q u is
e s p a c io .
7 . Extrn ir el p erfil: C u a n d o la p ie z a c u m p le c o n c a ra c te rís tic a s d e sim e tría se re c o m ie n d a extruir e n p la n o m e d io p a r a m a y o r fa c ilid a d d e in te rp re ta c ió n .
d e tra b a jo q u e e s el á re a d o n d e se c r e a e l perfil d e
8 . O p era cio n e s de barrenado: P o r lo c o m ú n las o p e r a c io
interés c o m p u e s to d e lín eas, c írc u lo s , e lip s e s , etcétera.
n e s d e b a r re n a d o tie n e n u n d iá m e tro d e h a s ta 2 5 m m ;
4 . D efin ició n d e l o rigen : S e d e b e e le g ir e l o rig e n , u b ic a d o
es d e c ir, un b a rre n o e n s u s d ife re n te s fo rm a s s e h a rá
e n las c o o r d e n a d a s x.
y. z ( 0 , 0 . 0 )
p a r a q u e el c ro q u is
u tiliza n d o la fu n c ió n d e ‘ A s is te n te p a r a ta la d ro ".
d e la p ie z a s e a d e fácil in te rp re ta c ió n y e la b o ra c ió n .
9 . O p e ra cio n e s de d o b le z de lám in a: C u a n d o la p ie z a se
E n c a s o s d o n d e la p ie z a es s im é tric a , el o rig e n r e c o
f a b r ic a c o n b a s e e n u n a h o ja m e tá lic a (e s p e s o r e s
m e n d a d o s e ría e n el p u n to m e d io . E s to p e rm ite utilizar
d e 0 .4 a 4 .7 m rrV c a lib re 2 8 h a s ta c a lib re 7 ) se d e b e
fu n c io n e s d e e s p e jo .
u tiliza r la fu n c ió n
Trabajo en lámina.
¥
PARTE TRES
Fundamentos de ta automatizacién industrial
1.
D ib u jo con cep tu al, (ignra isom ctrica y /o vistas con d im en sio n es
2.
P la n tea m ien to d e la solu ción
a) Se recomienda seleccionar el plano frontal, ya que contiene la geom étrica general de la pieza. Las dim ensiones de la pieza están en milímetros; por lo que se utilizará el sistem a ISO (M M GS).
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Planteam iento d e la solución a través d e bo sq ue jo s.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
3. U so d e la herram ienta d e C A D
a) Seleccione el plano frontal.
FRONTAL
b) Haga un croquis en el plano seleccionado y defina el origen d e la pieza según el planteam iento de la solución.
FRONTAL
Origen de la pieza 10, 0, 0)
c) Dibuje el perfil indicado en el planteam iento de solución y agregue las dim ensiones correspondientes Considere la relación de posición del cero pieza.
Las líneas d e la geom etría son de color negro lo que indica qu e el cro quis está totalm ente definido. Durante la elaboración d e la pieza procu re que el croquis siempre esté com pletam ente definido.
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
d) E xtniya el perfil dibujado a la dim ensión correspondiente y utilice sim e tría por la mitad del plano.
Extruir a 3 4 m m a la m itad del perfil
La pieza queda así:
A l aplicar el material de la p ieza .se tiene: Material: Fundición de acero gris. é) Utilice la función de redondeo en las aristas siguientes:
Aristas seleccionadas con redondeo de 17 mm
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
/ ) Seleccione el plano frontal y haga un nuevo croquis. Vea la vista frontal.
g ) Dibuje un círculo con centro en el vértice superior izquierdo, con diámetro de 41 mm. Tenga presente que se está dibujando sobre el plano frontal, el cual se encuentra hacia la mitad de la pieza.
041
h) Extruya el perfil dibujado a la dim ensión correspondiente y utilice sim e tría por la mitad del plano a una distancia de 44 mm.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
i) Seleccione la cara superior de la pieza y haga un nuevo croquis Oriente en la vista superior.
Care a seieraonsr, que corresponde s la vista superior ób a pieza
j) Dibuje un círculo de diám etro 25 colocado en el origen del redondeo o bien que sea concéntrico al redondeo.
k ) R ealice la operación de extraído con dirección hacia arriba a una distancia de 3 mm.
M asa. 9 7 2 .7 0 g rsm o e .
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
f) C oloque los barrenos en las caras correspondientes. Primero se coloca el barreno de 22.23 a 22.17 mm de diámetro que corresponde a un valor que considera una tolerancia diametral: es decir, el barreno podrá estar entre 22.23 y 22.17 mm. En cuestiones de inspec ción de la pieza será un valor determ inante para aceptar el producto, de lo contrario la pieza será rechazada por estar fuera de especificaciones dim ensionales Para el ejercicio se utilizará el valor prom edio de estas dim ensiones que corresponde a 22.20 mm. El valor de la tolerancia geom étrica se indi cará en el plano correspondiente a la pieza.
En la cara seleccionada, cree un nuevo croquis y dibuje un círculo de 22.20 mm de diám etro colocado al centro de la cara circular, o bien con céntrico al perím etro del círculo exterior.
o
PARTE TRES
Fundamentes de fc¡ automatización industrial
Extruya el círculo a través de toda la pie/a.
Se repiten los pasos anteriores, pero seleccionando las caras, las rela ciones de posición para el centrado del círculo y la dim ensión del diámetro correspondientes.
CAPÍTULO
A Herramientas para el diseño y la manufactura
Cara de uno de los dos barreros de diámetro 11 mm
O
Ma&a. 811.07 grtenoe.
ni) C oloque la ranura inferior de la pieza; para lo cual se deberá seleccionar la cara derecha. Cree un nuevo croquis en esta cara y oriente en la vista derecha.
Cara deracha de la pieza para la ranura
PARTE TRES
Fundamentes da ia automatización industrial
Cree un rectángulo con las dim ensiones indicadas y que las relaciones de posición estén en colinealidad del rectángulo con la línea inferior, ade más de una línea constructiva a la mitad de la pieza en posición vertical,trazada desde arriba de la pieza. Recuerde que su croquis deberá estar com pletam en te definido. Realice el extraído por toda la pieza.
16
Masa: 779.93 gramos.
n) Por ú ltim o,coloque los redondeos de la pieza con valor de 3 mm. Esta opera ción se realiza con la función redondeo.
M asa 779.97 gramos.
Oriente la vista para observar por todos lados la geom etría de la misma y aplique un corte de sección para ver detalles de diseño.
CAPÍTULO 4
4
Herramientas para el diseño y la manufactura
S e lec ció n d e las vistas apropiad as para dim en sion ar la p ieza
Las vistas a considerar son: ■ Vista frontal, por la geom etría principal de la pieza y además por el ba rreno de diám etro de 22.17 a 22.23 mm. ■ Vista superior por los redondees de 17 mm y los círculos de 11 mm, ade más de las dim ensiones de largo y ancho. ■ Vista lateral derecha por la ranura inferior y dim ensiones de largo y ancho. ■ Vista isomètrica, la cual facilitará la compresión de la geom etría de la pieza. Este últim o punto es ideal por el concepto de que deben ser entendibles universalmente.
R e c o m e n d a cio n e s p a ra o b te n e r m e jo re s re s u lta d o s al c r e a r el plano de tra b a jo 1.
D e fin a al s is te m a d e u n id a d e s y d e c im a le s a utilizar.
v e rs a l y c o n c e n tro d e c írc u lo d o n d e se e n c u e n tra a c o
2 . Uti llce la s v ista s b á s ic a s :frontaI. s u p e rio ry / o d e re c h a : d e p e n d ie n d o d e lo q u e s e n e c e s ite in d ic a r. L a s v is ta s d e b e n e s ta r a lin e a d a s en tre sí. P a ra u n a m e jo r a p r e c ia c ió n in c lu y a la v is ta ¡so m ó trica . 3 . L a e s c a la u tiliza d a e n las v is ta s d e la p ie z a d e b e s e r
t a d o e l b a rre n o . 9.
P a ra a c o ta c ió n a b s o lu ta o d e a p lic a c io n e s d e C N C , in c lu y a e l c e r o p ie z a y c o lo q u e las c o ta s c o n re s p e c to a e s te c e ro .
10. O b t e n g a u n a c o n fig u ra c ió n d e
la p ie z a s in ra d io s
p ro p o rc io n a l al e s p a c io d is p o n ib le e n la h oja, p r o c u
p a r a facilita r el a c o ta m ie n to y c o m p r e n s ió n d e la g e o
r a n d o e n t o d o m o m e n to el m e jo r a p r o v e c h a m ie n to d e
m e tría d e la p ie z a . L o s ra d io s a q u í m e n c io n a d o s son
la h oja. S e p o d r á n utilizar d o s o m á s h o ja s , o b ie n el
d e a c a b a d o y n o d e d is e ñ o fu n c io n a l.
ta m a ñ o d e la h o ja p u e d e s e r u n e s tá n d a r o p e rs o n a li
11. M u e s tre los ra d io s ú n ic a m e n te e n la v is ta ¡so m ó trica .
zado.
12. L a s ro s c a s s e re p re s e n ta n s im b ó lic a m e n te e n la s v is
4 . T o d a s la s d im e n s io n e s y n o ta s d e b e n e s ta r e n p o s i
tas; e s d e c ir, u n s ím b o lo in d ic a c u a n d o h a y ro s c a , y
c ió n h o rizo n ta l c o n re s p e c to a las v is ta s y la d is ta n c ia
e n los is o m ó tric o s in d iq u e la r o s c a d e ta lla d a p a r a m e
d e s e p a ra c ió n e n tre c a d a c o ta y p ie z a d e b e s e r a p r o x im a d a m e n te d e 10 m m . 5 . L a s c o t a s d e b e n e s ta r fu e ra d e la g e o m e tría d e la p ie z a y n o se d e b e n c r u z a r en tre sí. 6 . A c o te ú n ic a m e n te lo n e c e s a rio ; n o s o b r e a c o te e in d iq u e las m e d id a s d e la rg o , a n c h o y fo n d o c o m o d i m e n s io n e s b á s ic a s . 7. U tilic e v is ta s d e s e c c ió n o d e ta lle s d e v is ta c u a n d o s e re q u ie ra v is u a liz a r c la ra m e n te g e o m e tría s p e q u e ñ a s , c o m p lic a d a s d e fo rm a o d e c o m p le ja in te rp re ta c ió n . 8 . L a s p ie z a s d e re v o lu c ió n o c ilin d ric a s y b a rre n o s d e b e n in d ic a rs e c o n lín e a d e eje s o b re la s e c c ió n tra n s
jo r a p re c ia c ió n . 13. L a s c o ta s d e d iá m e tro y d e ra d io s o n c o m o su n o m b re lo in d ic a ; si es u n c ír c u lo c o m p le to o d e perfil c e r r a d o s e a c o ta c o m o d iá m e tro y si e s m e d io c írc u lo o u n a p a rte d e é s te s e a c o ta c o m o ra d io . 14. In d iq u e m a te ria l, m a s a d e la p ie z a , e s c a la d e l pla n o y la e s c a la d e l iso m è trico , a s í c o m o d e las v is ta s c o n c u rre n te s . 15. A n o te d e ta lle s d e e s p e s o r, ra d io s , m e d id a s e s p e c ífi c a s y c u a lq u ie r o b s e r v a c ió n q u e s irv a p a r a m e jo ra r la In te rp re ta c ió n . In c lu y a s ím b o lo s d e g e o m e tría d e to le ra n c ia , n o rm a tiv id a d y a c a b a d o s u p e rfic ia l.
PARTE TRES
Fundamentos de ta automatización industrial
La selección y colocación de las vistas depende de la estandarización del sistem a ISO, el cual se define por las vistas: frontal, superior, lateral derecha, lateral izquierda, inferior, posterior e isomètrica (figura 4.22).
< i> Superior
W Posterior
Lateral izquierda
Inferior fig u r a
4 .2 a
P ro ye cció n d e vistas estánd ar del siste m a IS O .
Observe que las vistas están alineadas vertical y horizontalm ente entre cada una. A dem ás, por facilidad de visualización los radios están indicados solam ente en la vista isomètrica, dejando facilidad geom étrica de la pieza. 5. R otu lación d el p la n o con la in form ación c orresp on d ien te
Por últim o, la rotulación del form ato de hoja será el plano com pleto, el cual se entregará al proceso de desarrollo de la manufactura.
CAPITULO
A Herramientas para el diseño y la manufactura R edoncteo d e 3
Escale del isomètrico
1:2
© 2 2 .2 0 ± 0 .0 3
f i g u r a
4 .8 3
P royección d e vistas está nda r del sistem a
ISO.
Con la aplicación de esta m etodología se podrán obtener excelentes re sultados en el proceso de desarrollo de la manufactura.
Ingeniería asistida por computadora (CAE) La ingeniería asistida por computadora (C A E ) utiliza software para analizar y sim u lar el desem peño de diseños virtuales en los cuales se consideran sus características geométricas, com portam iento de los m odelos en función de las propiedades m ecá nicas de los materiales, condiciones de trabajo, m odificaciones inducidas, etc., de tal forma que al utilizar el C A E se obtiene información que perm ite evaluar la viabi lidad del diseño propuesto, la rentabilidad del proyecto y, adicionalm ente, la flexi bilidad para retroalimentar el proceso de diseño, buscando un producto óptim o en función de las variables evaluadas y los requerim ientos planteados. Los proyectos solicitados por una industria contem poránea demandan diseños certificados con una amplia contabilidad (idealm ente, cubrir 100% de las necesi dades), para lo cual se requiere utilizar la tecnología de manufactura en cada etapa del diseño del producto. Otro factor a considerar, de vital importancia, es el tiem po requerido para desarrollar el ciclo de diseño del producto y, por último, señalar el factor económ ico, tal vez mal ponderado por el empresario. Varios autores clasifican el sistem a C A E en dos grupos: uno para la síntesis de un problem a y el otro para el análisis del caso a estudiar. En esta sección se com
PARTE TRES
Fundamentes da la automatizaci&n industrial
prenden la información, los procedim ientos y las herramientas para interpretación de resultados de uno de los m étodos que puede considerarse un sistem a C A E y que corresponde al análisis. A lgunos sistem as C A E d e análisis utilizan el m étod od eelem en to finito (FEM .por sus siglas en inglés) para modelar productos y sistem as en un entorno virtual, con el propósito de estudiar el com portam iento de los cuerpos y generar informa ción numérica que permita razonar el fenóm eno planteado, así com o facilitar la in terpretación de los resultados. Los m odelos FEM requieren un espacio geom étrico definido que represente fielm ente las características del producto a evaluar. El m odelo puede contener va rias piezas, en cuyo caso se consideran las iteraciones de los cuerpos que conforman un ensamble. Por lo general, el m odelado de un ensam ble implica mayor com pleji dad y demanda más recursos hombre-máquina. Hay toda una gama de evaluaciones (estructurales, electromagnéticas, term o dinámicas. en mecánica de fluidos, mecánica de sólidos, optimización, entre otras) m ediante el uso de FEM , esto incluye la sim ulación, validación y optim ización de productos y procesos (figuras 4.24 y 4.25). Las aplicaciones FEM abarcan una muy amplia variedad de disciplinas y fen ó m enos de la ingeniería como: ■ ■ ■ ■
A nálisis estructural estático y dinámico. A nálisis térm ico y de fluidos en estado estable y en estado transitorio. A nálisis cinem ático y cinético de mecanismos. Simulación de procesos de manufactura (forja, embutidos, extrusión, entre otros). ■ A nálisis eléctricos y electromagnéticos. ■ A nálisis de microsistemas electrom ecánicos (M EM S).
f i g u r a
<*. a «
A nálisis infinitesim al d e un fuse laje d e avión y u n a b rid a co n fo rm a d a p o r 16 sectores circula res d e 22.5° c a d a uno utilizando a p lica cio n e s FEM.7
1 Tom ado de C O M S O L M ultiphysios, softw are d e C A E .
CAPÍTULO
f ig u r a
4 .8 6
A Herramientas para el diseño y la manufactura
S im ulación d e elem entos m e cá n ico s u tilizan do a p lica ciones FEM.8
El universo de industrias en las que se em plean las aplicaciones FEM es muy amplio, entre las cuales se encuentran: ■ ■ ■ ■
Construcción (edificios, puentes, presas, estadios, centros comerciales, etcétera). Transpone (automotriz, aéreo, ferroviario, recreativo, espacial). M édica (implantes, órganos artificiales, instrumental y equipo, etcétera). Línea blanca (refrigeradores, estufas, lavadoras, hornos de microondas, etcé tera). ■ Electrónica (equipo de medición, televisores, estéreos, computadoras, etcétera). ■ Militar. ■ Manufactura (herramientas, máquinas-herramienta, procesos, etcétera). Los beneficios de em plear herramientas C A E se pueden englobar en la reduc ción de tiem po y costo en el desarrollo de productos, así com o mayor calidad y du rabilidad en el mercado. Esto se debe a que: ■ Las decisiones sobre el diseño se basan en el desem peño del producto o del sistema. ■ Se tiene un conocim iento am plio sobre el desem peño del producto dentro del ciclo de desarrollo, lo que perm ite hacer cambios de manera más sencilla y m e nos costosa. ■ El diseño se puede evaluar y retinar m ediante sim ulaciones numéricas en lugar de pruebas en prototipos físicos, lo que reduce tiem po y dinero. Inclusive, el número de pruebas finales de verificación se reduce de manera importante. ■ Permite a los equipos de ingeniería administrar riesgos y entender las implica ciones en el rendim iento del diseño final.
4.3.1
El método del elemento finito (FEM)
El m étodo del elem ento finito, FEM , es un m étodo numérico para la resolución de ecuaciones diferenciales que se utiliza en diversos problemas de ingeniería y física. (F E A es la aplicación práctica de elem entos finitos). El concepto básico del FEM es la idealización de un continuo real com o un arreglo de e le m e n to s discretos interconectados en sus puntos n o d a les (al concepto de realizar la partición virtual del dom inio del cuerpo se le conoce com o discretiza-
‘T o m ad o de ANSYS. softw are de C A E .
zm
PARTE TRES
Fundamentes da la automataacifrn industrial
f ig u r a
4 .s e
E jem plo d e d iscre tiza ció n d e un cuerpo.
ción). Para mantener la compatibilidad entre los bordes de elem entos adyacentes se asum e que las deform aciones dentro de cada elem ento varían linealm ente en todas direcciones. Con base en ello, es posible calcular las propiedades de rigidez de los elem entos. Por últim o, la rigidez del arreglo estructural com pleto se obtiene con la simple superposición de los coeficientes de rigidez apropiados de los elem entos in dividuales que se conectan en cada punto nodal (figura 4.26). FEM es sólo uno de los m étodos basados en la discretización (figura 4.27), por m edio del cual el m odelo matem ático continuo se discretiza en el espacio, es decir, se le convierte en un m odelo discreto con un número finito de grados de libertad. En los problemas lineales, el m étodo del elem ento finito domina actualmente la escena en lo relativo a la discretización espacial. Los m étodos por fronteras finitas constituyen una segunda alternativa en áreas de aplicación específicas. Para proble mas no lineales, el dom inio de los m étodos por elem en to finito es enorme. Los m étodos por diferencias finitas aplicados en sólidos y mecánica de estruc turas lian desaparecido virtualm ente debido a que son poco prácticos. Sin embargo, para mecánica de Huidos estos m étodos aún son importantes. Los m étodos por vo lúm enes finitos, que se relacionan directamente con la discretización de las leyes de conservación, son im portantes en problemas difíciles de mecánica de fluidos, por ejem plo, en dinám ica de gases con número de R eynolds elevado. Los m étodos espectrales se basan en correspondencias que transforman dim en siones espaciales y/o tem porales a espacios (por ejem plo,el dom inio de frecuencias), donde el problem a es mucho más sencillo de resolver. D e reciente aparición, se com prenden los m étodos por mallado autom ático, los cuales combinan técnicas y herramientas del elem ento finito, por ejem plo, la formu lación variacional e interpolación, con características de diferencias finitas com o el soporte no localizado. U na manera de discretizar un cuerpo o estructura es dividirla en un sistema equivalente de cuerpos pequeños, de m odo que su ensam ble representa el cuerpo original. La solución que se consigue para cada unidad se com bina para obtener la solución total. Por ende, la solución del problem a consiste en encontrar los des plazam ientos de estos puntos y, a partir de ellos, las deform aciones y las tensiones del sistem a analizado. Las propiedades de los elem entos que unen los nodos resultan
f i g u r a 4 .3 7
Métodos de discretización.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
del material asignado al elem ento, que definen la rigidez del mism o y la geometría de la estructura a modelar (a partir de las leyes d e la elasticidad). Las deform aciones y las fuerzas externas se relacionan entre sí m ediante la rigidez y las relaciones cons titutivas del elem ento. Trabajando en régimen elástico, las ecuaciones que definen el sistem a pueden expresarse de forma matricial com o se muestra a continuación: [k]{6] = [F]
(4.1)
donde: [£] es la matriz rigidez del sistema. |í5] es el vector d e desplazamientos. (/•'} es el vector de esfuerzos.
4.3.2
Formulación de FEM por principio de la energía potencial mínima
Los sistem as conservativos, de todos los cam pos d e desplazam iento cinem áticamen te admisibles, son aquellos que corresponden a condiciones de equilibrio de la ener gía potencial total. Si la condición es un mínimo, el estado de equilibrio es estable. Los desplazam ientos cinem áticam ente admisibles son aquellos que satisfacen la naturaleza de valor único de los desplazam ientos (com patibilidad) y las condiciones de frontera. En problemas donde los desplazam ientos son las incógnitas, la com pa tibilidad se satisface automáticamente. ■ E lem ento resorte.
x
f i g u r a
4. 2a
R esorte sim ple.
A los nodos 1 y 2 se le aplican dos fuerzas externas / , y/ , , respectivamente. Los desplazam ientos d e los nodos desde el estado no deform ado son « , y u2. El sentido positivo del eje x se considera en dirección a la derecha. (Considérese analizar la figura y determ inar lo siguiente: a) La energía potencial total. b ) Las ecuaciones d e equilibrio en forma matricial. Por lo tanto: a)
La energía potencial total se obtiene a partir d e la expresión (4.2):
FI = i J v o ' i d v
- j s UTTdS
- E„,, ujP,
(4.2)
Y del análisis se llega a la siguiente expresión:
n - x- S v ^ v - ^ n=iu!P,
(4.3)
o
PARTE TRES
Fundamentes da la automatizaci&n industrial
Para calcular la energía asociada al resorte deform ado se utiliza la siguiente gráfica: Ley de Hooke
f-kó
Area ba;o la curva (representa energía)
A-
Sustituyendo f por A
fig u r a
- energía
energía - ^kir1
4 .2 a
G rá fica pa ra el cá lc u lo d e la en ergia asociada.
C onsidérese que la deform ación del resorte «S es igual a la diferencia de despla zam ientos. es decir, ñ = u , entonces se pueden sustituir las expresiones obtenidas en la energía potencial total: I I = ~ k (u 2 - u, )2 - /,ií, - f 2u>
Energía potencial total
b ) Para el equilibrio de este sistem a se necesita minimizar n con respecto a rq y u 2. Las dos ecuaciones están dadas por:
t = 1.2
* - 0 ¿hit
(4.4)
O ue son en form a explícita: an
au¡ ~ ari du+
-f' = *“1
= *("2 - «1 ) - A =
M
^ =0
(4.5)
+ ku2 - A = o
Estas ecuaciones de equilibrio pueden escribirse en la forma ku = f com o sigue: Ik
-k
« il
n \
\-k
k
“ti
n \
(4-6)
En la ecuación 4.6 se aprecia la matriz k, la cual se con oce com o m a triz d e rigi d ez elem en tal, y es la parte más importante del m étodo del elem en to finito, pues al generarla correctam ente se pueden calcular los desplazamientos, las deform aciones, los esfuerzos, etcétera. La matriz del elem ento es cuadrada, el orden de la misma se relaciona directa m ente con la cantidad de grados de libertad. Para el elem ento definido anteriorm en te, la matriz rigidez es de orden 2.
CAPÍTULO 4
4.3.3
Herramientas para el diseño y la manufactura
Sistem a de resortes
Considerando un par de resortes en serie: f,
“1
f ig u r a
a
.3 0
“2
u3 * ^
Sistem a d e resortes en serie.
Para el elem ento 1: k
-k
-k
k
k ~k
«i
ti ti
-k
“l
n
k
U2
n
(4.7)
Para el elem ento 2:
m
donde f" es la fuerza interna local del nodo i actuando en el elem ento m (i = 1 .2 ). Considerando la condición de equilibrio estático de fuerzas: F exter nas = /internas. N odo 1: N odo 2: N odo 3: Desarrollando con los valores de las fuerzas internas en función de la rigidez de cada elem ento: /•', = k xu x + k xu2 F2 = - k ¡ u 2 4- (* , + k 2)u2 - k ¿ t2 F3 = - k 2u 2 + k 2u3 D efo rm a matriciali ~k2 I —/-'i
/q 4*
k -i
O (4.9)
—k2
-k -,
o
Lo que resulta ser la ecuación 4.1. Se puede plantear por separado y luego ensamblar por superposición:
-K O
O
O «1
n
o o
ñ o
«2
(4.10)
zm
PARTE TRES
Fundamentos da ta automataaci&n industriai
0
0
0
k2
0 1 «i - k 2\ u2
0
~k2
k2
0 (4.11)
f?
«3
ñ
Planteando el ensam ble por superposición se obtiene: - K * l + *2 0
o
“l
“ *2
«2
=
k 2 1 «3
—¡¿2
(4.12)
J í+ tf fi
E J E R C IC IO
.... .V
A l modelar un arreglo en serie de tres resortes, y sabiendo que ¿, = 150 k 2 = 1 8 0 - ^ - , k , = 75 ^ mm mm
mm’
= 650 y u . = u , = 0, se requiere calcular:
A fig u r a
«) b) c) d)
4 .3 1
Sistem a d e resortes en serie.
La matriz de rigidez del sistema. Los desplazam ientos en los nodos 2 y 3. Las tuerzas en los em potram ientos (nodos l y 4). La fuerza en el resorte 2.
Solución Se sustituyen los valores de k en la matriz de rigidez K de la ecuación (4.6) para cada uno de los elementos. 150 —
-1 5 0
180
-1 5 0 j _ /v _ ,
-1 8 0
150 I mm ’
Elemento 1
- 180 180
— mm i;
k3 —
75 -7 5
Elemento 2
-7 5 75 í — m m 11=
Elemento 3
Aplicando el principio de superposición se obtiene la matriz rigidez del sistema completo:
K
“3 0
«4 0
«i 150
«2 -1 5 0
-1 5 0
150+180
-1 8 0
0
0
-1 8 0
180+75
-7 5
0
0
-7 5
75
«i 150 o bien,
K =
«4 0
“2 -1 5 0
«3 0
-1 5 0
330
-1 8 0
0
0
- 180
255
-7 5
0
0
-7 5
75
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
Ahora se puede plantear la ecuación (4.6) con los valores de las condiciones de frontera/j = 500 y m, = u 4 = O.en la que se pueden identificar los térm inos que se consideran fijos y, en consecuencia, reducir la expresión (4.13). 150
-1 5 0
0
0
-1 5 0
330
-1 8 0
0
0
-1 8 0
255
-7 5
0
0
-7 5
75
“i
'i
«.i «4
650
(4.13)
>-4
330
180 0 ; al realizar las op e 180 255 | i“ .I 650 raciones matriciales correspondientes se pueden encontrar los desplazam ientos en los nodos 2 y 3. >i ■ >•yfUíKi «2 2.26087 (m m ) 4.14493 “j Llegando al arreglo matricial:
U tilizando los valores calculados en los desplazam ientos y asando la primera y cuarta tilas de la ecuación de equilibrio, se puede calcular el valor d e la fuerza en los nodos 1 y 4. Fx = • 15<)u2 = - 3 3 9 - 1 3 (Af) Fi = -7 5 « 3 = -3 1 0 .8 6 (¿V) Por lo tanto, la ecuación de equilibrio del elem en to 2 queda definida como: 1 180
-1 8 0
“2
-1 8 0
180
“3
u
\fl
Y la fuerza en el resorte 2 se calcula d e la siguiente forma: F = / , = - / 2 = ' -180 180
2.26087 4.14493
= 339.13 (A )
4.3.4 Tipos de elementos finitos Los tipos de elem entos que por lo general se asan en la resolución a través de FEM son: a)
Elem entos lineales (I D ), dentro de los cuales están: ■ Resortes. ■ Barras. ■ Vigas.
eos o
0
EA sen «
0
L
0
COSa
0
sen
l EA m L
0 0
0| 0
/
ffl,
m
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatizacián industrial
b)
E lem entos planos (2 D ), dentro de los cuales están: ■ Membranas. ■ Placas.
P LA Un ^etahol — L -P ¡m
bn nP -b n m2
-P ■ bn -b n - m 2 bn P bn
m2
E lem entos sólidos (3 D ), dentro de los cuales están: ■ (Cuerpos sólidos ■ (Cuerpos porosos. ■ Líquidos.
K ~ —^ * global ~
p
bn
ln
Irn
rn2
mn
-P
bn
bn
—m 2
-ln
rnn
In
mn
■ ln
—mn
-P
■ Irn
-ln
P
bn
-/i2 ln
- bn
-m 2
bn
m2
mn
- ln
• nut
—ntri _«2
ln
mn
rp
Vale la pena hacer notar que se pueden utilizar com binaciones de estos elem en tos al actuar en conjunto. El uso de elem entos finitos unidimensionales, tridimensionales o tridim ensio nales en la discretización de un cuerpo es una de las técnicas más com unes para ge nerar interacciones entre ellas Esta opción es la más fácil y económ ica en térm inos de tiem po de solución. La interconexión de mallas en un FEA estructural se ejecuta para transmitir fuerzas a través de ellas. El uso de uno u otro elem ento de interco nexión tendrá su im pacto local en los valores de esfuerzos y deform aciones, y muy probablem ente también en el com portam iento del sistem a completo. Por lo tanto, el usuario tendrá que ponderar los costos contra los beneficios al seleccionar el tipo de elem ento de interconexión. (Xiando se utilizan de manera simultánea diferentes elem entos finitos se demanda más tiem po para modelar, ya que todas estas tareas suelen hacerse de forma manual.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
En la actualidad el uso de este m étodo ha crecido notablem ente debido a la gran variedad de software especializado (adem ás de un hardware de características especiales). El uso de software no implica la obtención de un resultado exacto y real,es sólo una aproximación y está en el criterio del usuario saber discernir entre un resultado coherente y uno que no lo es. además de conocer los m árgenes de error y las limita ciones del m odelo y el método.
4.3.5
Proceso de análisis por FEM utilizando aplicaciones de software
En el mercado existe actualmente una amplia gama de programas informáticos que aplican el m étodo del elem ento finito a la resolución de diversos problemas de inge niería. Sin embargo, en cualquiera de ellos el m odelado del sistema se realiza en tres etapas: preproceso, procesam iento y postproceso, de acuerdo con las particularida des de la lógica utilizada en cada programa. Las tareas de preproceso en el software que utilizan el F E A se llevan a cabo, por lo general, con la ayuda de herramientas programadas en los simuladores c o merciales, los cuales pueden estar o no integrados al solucionador y al postproce sador. Ejem plos de programas totalm ente integrados son: ANSYS, A B A O U S, NX N A SI R A N , ST R A N D COSM OSW O RK S y HYPERW ORKS, D EFO R M _M , en tre otros. C om o actividades a desarrollarse en la etapa de preproceso están la definición de sistem as de unidades, elección del m ódulo FEA adecuado, construcción o im portación del espacio geom étrico a modelar, discretización del m odelo (m allado), definición de las propiedades mecánicas y com portam iento del material asociado al m odelo, así com o la definición de las condiciones de frontera (contacto, restriccio nes, definición de solicitaciones). ■ D efin ició n d e sistem as d e un idades. En la operación de algunos software FEA
es necesario definir el sistema de unidades en el preproceso y en otros se trabaja siempre en forma adimensional. En cualquiera de los dos casos, es muy impor tante ser congruente desde el dibujo, tratando de que los resultados deseados sean de fácil interpretación. ■ E lecció n del m ó d u lo F E A . Cúando el ingeniero tiene la opción de seleccionar un software que utiliza F E A para simular el com portam iento de un cuerpo en condiciones de trabajo bien definidas, se debe considerar el programa según los casos de estudio a modelar. En el mercado hay software muy especializado en fluidos, procesos de deform ación plástica, procesos termodinámicos, especializa dos en casas estructurales, cuasi estático, dinám icos explícitos, dinám icos implí citos, m ecánicos y térmicos acoplados, respuesta modal, entre otros. Lo impor tante es conocer en qué clasificación podem os acotar nuestro m odelo de interés y desde el inicio del m odelado elegir específicamente el m ódulo apropiado. En el preproceso se debe tener cuidado de elegir el m ódulo apropiado que se ha de utilizar. ■ C on strucción o im p ortación del esp a c io g e o m é tr ic a Esta actividad es de suma importancia debido a que se define en forma espacial y dim ensional la iteración de los m últiples cuerpos de un m odelo, por lo que debe ser congruente con el sistem a de unidades a utilizar. Comercialmente existen m últiples programas C A D y los m odelos que se generan en ellos se pueden importar en archivos con un form ato neutral de datos M G S , M G E S , *.ST1, *.P A R A SO L lD , *.U3d, *. D X F 3 D , etcétera. ■ D iscretización d el m o d e lo (m a lla d o ). Esta fase del m odelado es muy impor tante, y los software contienen herramientas para discretizar el cuerpo (1 D ,2 D y 3D ). Existen además diversos parámetros para determinar si los elem entos
PARTE TRES
Fundamentos de ia automatización industrial
obtenidos en el proceso de m allado serán capaces de aportar la información suficiente para que el sistem a de ecuaciones tenga una tendencia y convergencia del sistem a a una solución con un porcentaje de error muy reducido. E s preciso determinar si el fenóm eno a estudiar requiere elem entos finitos para modelar un fenóm eno en sistem a lagrangiano o euleriano. Básicam ente se utiliza el sistem a lagrangiano en el estudio de cuerpos sólidos; sin embargo, tam bién es posible modelar fenóm enos donde se sim ule un fluido en movimiento. En esos casos se cuida la distorsión de la malla estableciéndose un criterio para aplicar técnicas de remallado y corregir la distorsión. Es importante reconocer que el remallado en rigor hace que se pierda el carácter puram ente lagrangiano, pero es una form a de encontrar una solución aceptable a esos casos de estudio. En los cálculos puramente eulerianos, la malla perm anece fija. En este caso no se requieren técnicas de remallado costosas y en la ecuación de cantidad de m ovim iento se m antiene el térm ino conectivo. En la discretización de los cuerpos se aplican algoritmos propios de los soft ware FEM y que básicamente se ¡mplementan en función de la vectorización de las geometrías, es decir, consideran la dirección y orden de la creación de los cuerpos dibujados, también en todos los m ódulos de mallado existe la posibi lidad de variar el m étodo de mallado [XX], por ejemplo: descom posición del dom inio [D -D D D D ], mallas y nodos adaptativos, algoritmos numéricos conser vativos, etcétera. ■ D efin ición d e las p ro p ied a d es m ecán icas. Es una etapa importante en la que el ingeniero aplica los conocim ientos sobre la ciencia de materiales y aquí se re quiere tener específicam ente la información de las propiedades mecánicas de los materiales a considerar. D ichas propiedades se asignarán a cada uno de los com ponentes modelados. C om o primer paso se recom ienda verificar el sistema de unidades del m ode lo y de las propiedades de los materiales, buscando confirmar la congruencia en el manejo de las unidades. También es importante considerar el com portam iento del material y correla cionar su respuesta con las condiciones de frontera. E s decir, desde el punto de vista de la mecánica de sólidos: • Elástico lineal. • Elastoplástico. • Hiperelásticos. La selección del tipo de material a usar en un F E A estructural está directa m ente ligada con la naturaleza del problem a de cam po y con los objetivos del análisis, además de la asignación de las tablas de propiedades a cada cuerpo discretizado, región o subconjunto de elem entos. ■ C o n d icio n es d e frontera. A l respecto, recordemos que un cuerpo puede estar expuesto a dos tipos de excitaciones, independientem ente de si el cuerpo se en cuentra en equilibrio translacional, rotacional o si su estado de equilibrio es esta ble, inestable o indiferente. Fuerzas de cam po y fuerzas de superficie. En el caso de las fuerzas de cam po se ha de considerar que son las que se aplican al cuerpo a distancia y que no de penden de un contacto físico directo entre los objetos, ya que actúan a través de campos de fuerza com o las fuerzas gravitacional, electrom agnética y nuclear. Las fuerzas de superficie se presentan cuando hay contacto directo entre los cuerpos, com o una fuerza normal, de fricción, o fuerzas ¡nerciales, modales, etcétera. Por otra parte, la definición de las restricciones en los m odelos es de suma importancia, pues de lo contrario se modelará una variante del caso real de in
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
terés. Las restricciones se relacionan básicamente con la limitación o restricción de cualquiera de los seis grados de libertad (tres desplazam ientos y tres rotacio nes), rango d e temperatura de trabajo, porcentaje de deform ación permitido, velocidades de deform ación y desplazamiento, etcétera. En el procesam iento se tiene una asociación con el software F E A donde se encuentra el m ódulo .Solver, que implícitamente tiene programado un conjunto de algoritmos para encontrar la solución aproximada al sistem a d e ecuaciones plan teado de form a indirecta durante el modelado, considerando toda la información proporcionada en el preproceso. En el mercado existen muchas opciones (A N SY S, OPTISTRUCT, N ASTRA N, ST R A N D , A B A O U S , LS-D YN A, ID E A S). La elección del S olver o “solucionador” también es un factor a considerar, debido a que se correlaciona con costos referentes a tiempo, recursos y dinero. Los solucionadores,dado que son desarrollos propios de las compañías que co mercializan los programas, ofrecen muy pocas variantes para modificar el procesa miento. A lgunos permiten m odificaciones m ediante la programación d e algoritmos propios, lo que es una pequeña posibilidad d e encontrar esa apertura d e desarrollo. La etapa de postproceso está diseñada para tener acceso a los resultados calcu lados (estado de esfuerzos, estado de deform aciones, esfuerzos cortantes, frecuen cias naturales, distribución de temperatura, fuerzas de reacción, etc.) en forma gráfica y valores numéricos. Por lo general, con la ayuda de las herramientas visuales de los programas com erciales es posible comprender cóm o se comporta el cuerpo ante las condiciones de frontera y restricciones definidas. Cada simulador tiene diferentes virtudes en la form a de presentar los resultados,com o A B A O U S, ANSYS, ST R A N D y H Y P E R M E SH , entre otros En esta parte del F E A se determinará si la solución del problem a es acorde con la física del problem a,y si el desem peño estructural del diseño cum ple o no con ciertos valores d e referencia, com o las especificaciones técnicas del desem peño es tructural del producto. Entender el com portam iento físico del problem a es la parte medular d e todo proceso FEA . Con este antecedente será más fácil para el ingeniero analista deter minar si el resultado del estudio será útil para continuar con las subsecuentes tareas de postproceso. U na vez que se ha confirmado que los resultados del estudio son acordes con la física del problema, la siguiente tarea es contrastarlos con valores d e referencia com o pruebas físicas, reportes d e fallas en campo, estudios previos y especificaciones técnicas de desem peño. Estos valores d e referencia juegan un papel importante para concluir si el diseño cumplirá sus especificaciones d e desempeño. Varios de los programas cuentan con herramientas para generar reportes técni cos, en los que se incluye toda la información del modelado, así com o las imágenes y videos d e los resultados, d e tal forma que el reporte contiene en form a ordenada toda la información necesaria para su interpretación y tom a de decisiones, como parte del proceso d e diseño del C A E .
E J E M P L O 4.4
M odelado d e un F E A utilizando la aplicación ANSY S 14.5 Workbench. Descripción de la simulación de un troquel (figura 4.32) con herramientas de acero grado herramienta, que deform a una placa d e aluminio. Se m odeló en ANSYS 14.5 y se desea determinar si el proceso de deform ación de una lámina (estam pado d e lám ina) se puede realizar en una sola etapa.
o
PARTE TRES
Fundamentos de ta automatización industrial
2 5 .0 0 f ig u r a
7 5 .0 0 4 .a a
Ele m e ntos b á sico s d e un troquel p a ra estam pad o.
Se utiliza un plano de simetría y se decide modelar únicam ente la mitad de la herramienta para utilizar en forma óptima los recursos. A l iniciar el plantea m iento del m odelo se elige el tipo de estudio a realizar (Explicit D ynam ics), se determ ina el sistem a de unidades y se puede importar una geom etría realizada en un software CIAD (figura 4.33). En el caso del m odelado en A NSY S es posible utilizar una base de datos de un grupo de propiedades (físicas, mecánicas y térmicas) de materiales para elegir cuál de éstos se pretende asignar a los cuerpos dibujados (figura 4.34).
f ig u r a
4 .3 3
S e le c ció n del m ó d u lo d e sim ulación e im p orta ción d e un m odela en form ato C A D .
CAPÍTULO 4
fig u r a
4 .3 4
Herramientas para el dtseño y la manufactura
G e n e ra c ió n d e b a se d e d a to s d e p ro p ie d a d e s d e los materiales p o r asignar.
A l importar el m odelo geom étrico es importante revisar la congruencia de las unidades de longitud y revisar que los cuerpos importados estén reconocidos en el m ódulo de D esignM odeler. En el caso de ensam bles se debe verificar la posición de las partes del m odelo, y en caso de requerir alguna modificación se pueden utilizar las herramientas del Sketching y operaciones booleanas propias del m odelador de ANSYS (figura 4.35). Otra operación del preproceso es la asignación de material al m odelo geom é trico respectivo.También se define el tipo de com portam iento del material: rígido, elástico, elastoplástico, etcétera (figura 4.36). En el caso de ANSYS 14.5 Workbench se sugiere en la ventana O utline una secuencia lógica de los pasos necesarios para una simulación. Se indica con una señalización en color verde cuando esa etapa se ha concluido y en rojo cuando
f i g u r a 4 .3 5
Revisión deí modelo importado.
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
fig u r a
frotcct S d - g r ^ a b :
l i l i l í ¡3
|
F ':* -'' r v n í - . - i
J
2
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R e s its
4*
4
Explicit O y n a m «
F IG URA 4 . 3 7
S e c u e n c ia d e etap as del
4 .3 6
A s ig n a c ió n d e p ro p ie d a d e s d e los m ateriales.
se presenta algún error o se requiere mayor información. Cuando aparece un signo de interrogación indica que se requiere introducir los datos solicitados (fi gura 4.37); algunos se pueden intercambiar en el orden de asignación. Aparecen nombre del m odelo, la geom etría definida, el sistem a de coordenadas utilizado, condiciones geom étricas encontradas, definición de las condiciones de contacto. La siguiente etapa se relaciona con la discretización del cuerpo por m edio de elem entos 3D (figura 4.38). b n la definición de la malla es posible tener control de la relación de aspecto, tam año de la malla (cuerpo o por segm ento); tam bién la elección del elem ento se correlaciona con el tipo de estudio, el comportamiento mecánico del material o el tipo de cuerpo a discretizar. La mayoría de los programas que utilizan F E A cuentan con un generador de malla automático. Se recomienda que com o primera iteración se utilice el tam año recom endado,de m odo que cuando se pueda concluir el planteam iento del m ode-
m o d e la d o e n A N S Y S .
f ig u r a
4 .3 8
Discretización del espacio geométrico.
CAPÍTULO 4
f ig u r a
4 .3 a
Herramientas para el diseño y la manufactura
A s ig n a c ió n d e las restricciones del m odelo.
lo y se llegue a obtener una solución del sistem a se trabaje en el refinado de la malla y se verifique si la solución obtenida muestra una convergencia a la solu ción; por supuesto, con las mismas condiciones de frontera. La definición de las condiciones de frontera se aplica de acuerdo con la idealización del fenóm eno a simular (figura 4.39). Parte de las condiciones de frontera se relacionan con las condiciones de con tacto, y se define cuál es la relación entre las superficies del m odelo (figura 4.40). Al definir cada una de las etapas del preproceso se procede a definir las eta pas del postproceso,en el cual se establecen resultados que pueden ser útiles para la tom a de decisiones en la im plem entación del C A E (estado de esfuerzos, defor maciones, fuerzas de reacción, temperatura, trabajo y energía requerida, etc.). El siguiente paso natural es resolver el sistema, para lo cual en el caso de A NSY S se utiliza el com ando S olver o “solucionador? El programa aplica los algoritmos n e cesarios, inicia con una revisión de la información mínima necesaria para definir
f ig u r a
4 .4 0
Selección y definición de las superficies de contacto.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
el sistem a de ecuaciones formado con el conjunto de ecuaciones locales, asocia das a cada elem ento y, si se cum ple con la información mínima necesaria, procede a calcular lo solicitado por el usuario. Recuerde que en el F E A se utiliza con mucha frecuencia la presentación grá fica de los resultados con base en dos criterios de falla: Von Misses y Ifesca. Sin embargo, no son los únicos resultados q ue se pueden solicitar en A NSYS.tam bién los resultados graficados en los contornos, la geom etría deformada y n o deform a da, o bien, una representación en form a vectorial de los esfuerzos. Asim ism o, se pueden graficar el valor máximo y mínimo de la variable solicitada, así com o el tiem po del procesador utilizado para llegar a la solución calculada. En la figura 4.41 se muestra gráficamente la deformación total de la lámina de aluminio y se pueden identificar los concentradores de deform ación, su magnitud y la forma de distribución del parámetro solicitado.
l.U B *
•*- V* - «%• 5/•«•/.•*A\ - /*•. K =? * m4 V=** / • * * H » m .—
rp m.-mmm
f i g u r a
Representación de los esfuerzos cortantes en la placa.
CAPÍTULO 4
fig u r a
4 .4 3
Herramientas para et diseño y la manufactura
Inform a té c n ic o e la b o ra d o p o r un c o m a n d o d e A N S Y S .
En la figura 4.42 se representan gráficamente la distribución y magnitud de lo« esfuerzos cortantes en la lámina deformada. Por últim o, en la figura 4.43 se presenta otro tipo de resultado, que puede ser de gran utilidad para la entrega d e un informe técnico, el cual concentra toda la información considerada en el m odelado y se obtienen en forma numérica los valores máximos. Para el ejem plo desarrollado com o ejercicio, se determ inó que el porcentaje de deform ación propuesto era muy grande y sobrepasaba la capacidad d e defor mación de la lámina en un solo paso, por lo que en el fenóm eno real la lámina tendría tendencia al corrugado y desgarre, d e donde se sugiere que la deform a ción se lleve a cabo en dos etapas. D espués d e haber evaluado el producto en cu estión ,el paso siguiente es dise ñar el proceso de manufactura, o bien, establecer los m étodos de transformación más eficientes. U n o de ellos es m ediante las operaciones d e desbaste de material que utilizan equipos autom atizados llamados máquinas herramienta de control numérico computarizado (M H CNC).
E J E M P L O 4.5
D eterm ine qué carga soportará la viga de la figura siguiente:
f ig u r a
a
.4 4
Diseño d© una viga estructural.
PARTE TRES
Fundamentos de ta automatización industrial
fig u r a
4 .4 6
A nálisis d e un a v ig a estructural.
Restricciones: el material de la viga es A B S ,su s dim ensiones están en refe rencia a longitud, altura y fondo; además, el peso de la viga debe ser el menor posible, por lo que se d ebe considerar el diseño de la pieza para obtener la mejor estructura con el menor material, y que además pueda soportar la mayor carga. Con el uso de aplicaciones de C A E se puede determinar la carga soportada. La figura anterior muestra un análisis de C AE. Posibles modificaciones en el diseño de la viga en referencia con los resulta d os obtenidos:
-c s U k tICA K w rt:*» <3* # * t. t i : : S v n ¿ a t :« i» i i k « S t* sv - « ( . I m *:: Í b í » : I m i ’ n r » l 4 Ji*o>
basé« .U iM om adfci: 10130 5
fig u r a
4 .4 8
R esultados del análisis d e u n a v ig a estructural.
fig u r a
4 .4 7
M ejoras e n el diseño d e u n a viga estructural.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
Resum en El diseño asistido por computadora tiene aproxim adamente 40 años d e existencia. Entre sus principales ventajas está dar mayor velocidad al trabajo de diseño, así com o una amplia gama de aplicaciones. Proporciona un gran ahorro por m odificaciones en cam po y a futuro permitirá la com unicación d e un proyecto a un grupo en diferentes ubicaciones. Sin embargo, debido a su constante y rápida mejora implica una gran inversión para evitar la pronta obsolescencia. El uso del C A D sustituye a los grupos de dibujantes que se requerían antes, pues ahora m ediante la computadora bastan pocas personas para desem peñar la misma función. Las mejoras y los beneficios que representa el aso del C A D justifican sas altos costos. Sus principales cam pos son 2D y 3D; el primero se aplica en la generación de planos de fabricación que requieren especificaciones en gran detalle y con toda pre cisión. En cuanto al 3D, sas aplicaciones facilitan la creación d e m odelos conceptua les que permiten una mejor visualización del proyecto. M ediante el C A D se pueden observar todas las características geométricas, fí sicas y mecánicas de la pieza a diseñar, así com o realizar modificaciones rápidas y relacionadas paramétricamente. Las bases del C A D son la geometría analítica y el álgebra lineal, por lo que al realizar alguna figura el software efectúa operaciones matemáticas que permiten v i sualizar el modelo. El uso de la tecnología C A D requiere características específicas en cuanto al equipo de cómputo, por lo que es necesario revisar los requerimientos que cada software necesita. A sí com o existen muchas opciones de equipos d e cómputo para C A D , también hay otras de software que se adaptan a las diferentes necesidades de los usuarios. El C A D perm ite m odelar con todo detalle y d e manera rápida m odificaciones al mom ento, con el consiguiente ahorro d e tiem po y capital humano. La creación d e planos de ingeniería es la base del desarrollo d e la manufactura. Por tal motivo, en este capítulo se presentan en detalle la creación de piezas y el di seño de planos según la base normativa del sistem a internacional de m edidas En esta sección se indican detalles finos del diseño y d e la creación de planos de ingeniería para la estandarización en el diseño y facilitar la interpretación de cada plano, lo que lo hace un lenguaje d e comunicación gráfica. El objetivo es que el plano creado contenga todas las especificaciones de ma nufactura, es decir, instrucciones, símbolos, materiales, dim ensiones,entre otras, ade más de su fácil interpretación con letras y números bien definidos, símbolos claros y vistas de sección en detalle, lo cual debe ser, por lo general, un reflejo de hacer bien las cosas desde el inicio de las actividades de manufactura. 'lod o lo anterior reúne datos estándar de cuerdas, tornillos, ejes, rodamientos, en granes, poleas y todo elem ento mecánico que contribuya al diseño en la manufactura. En muy pocas ocasiones se tiene en cuenta la importancia de la ingeniería asistida por computadora cuando se produce un bien manufacturado; una de las razones es que muchas veces las empresas matrices definen el diseño y especificaciones del producto,y en otras se trabaja con licencias libres de modelos que han terminado su ciclo de sida. Cuando las empresas son proveedoras d e primer nivel, la característica central es el diseño,el desarrollo de pruebas en laboratorio com o en cam po y la aprobación del bien por la em presa matriz; al final de este proceso el resultado es la producción. A l hacer un análisis d e prueba de laboratorio utilizando software d e análisis de elem ento finito se ahorra tiem po y se obtiene eficiencia y más calidad en el diseño, además de reducir el ciclo d e desarrollo del producto. Con el tiem po, quienes inter vienen en el proceso d e creación adquieren mayor experiencia, lo que se reflejará en la personalización de los bienes, una respuesta rápida a los cam bios del mercado y m enores costos.
PARTE TRES
Fundamentos da ia automatóación industrial
S e le c c io n e la re s p u e s ta c o r r e c ta p a r a c a d a p re g u n ta .
7.
¿ C u á le s s o n la s a p lic a c io n e s d e so ftw a re p a r a un CAD?
1.
¿ C u á l e s e l o b je tiv o d e l d is o lto ?
a)
C r e a r p ro d u c to s q u e s e p u e d a n m an ejar.
b) c)
E s ta b le c e r la s c o n d ic io n e s a d e c u a d a s al p r o c e s o .
a) b)
o ) C o re ll D ra w , V lsuaJ S tu d io .
In d ic a r n u e v a s fo rm a s d e p r o d u c c ió n e n u n a
d)
fá b ric a . d ) P ro y e c ta r un o b je to c o n c a ra c te rís tic a s ú n ic a s .
M icro s o ft E x c e l. M icro s o ft P o w e rP o in t. A d o b e lllustrator. A d o b e P h o to s h o p ,
A u to d e s k Inventor, S o lld w o rk s .
8. ¿ C u á l e s el a ju s te d e to le ra n c ia q u e s irv e p a ra e n s a m b la r un ro d a m ie n to ?
2.
¿ Q u é v e n ta ja s tiene el C A D ?
a)
a) b)
R e d u c e los t ie m p o s p a r a la a p a ric ió n d e un p ro d u c to .
b) c)
A ju s te d e In terferen cia .
c ) A ju s te d e d e s liz a m ie n to .
E lim in a e l d e s p e r d ic io y e l d e sp ilfa rro .
d) A ju s te
E s t a b le c e las c o n d ic io n e s q u e el c lie n te in d ic a .
d ) D e fin e la s c o n d ic io n e s d e m a q u in a d o c o n tie m p o .
A ju s te d e tra n s ic ió n .
9.
d e p o s ic ió n .
¿ C u á l e s el d iá m e tro p re lim in a r e s tá n d a r p a r a re a liza r un b a rre n o r o s c a d o M 1 2 X 1?
3.
S e tie n e un t u b o d e d iá m e tro e x te rio r d e 100 m m , s u
a ) 0 11 m m .
lo n g itu d e s d e 5 0 0 m m y el e s p e s o r tiene u n v a lo r d e 12 m m , ¿ c u á l es su d iá m e tro Interior?
b)
0 1 1 .1 3 4 m m .
a)
88 m m .
c)
0 12 m m .
b)
488 mm.
d ) 0 1 0 .5 m m .
c) 76 m m .
-10. ¿ C u á l e s el d iá m e tro p re lim in a r e s t á n d a r p a r a re a liza r un b a rre n o r o s c a d o 0
d) 47 6 m m .
4. ¿ Q u é c o n o c im ie n to s re q u ie re el m a n e jo d e C A D ?
a)
G e o m e tr ía a n a lítica y á lg e b r a lineal.
b)
2 D y 3D.
0 .2 5 0 ".
b)
0 .1 9 0 ".
V«1-
14?
c ) 6 .3 5 m m .
d)
c ) M e c á n ic a . d ) D is e llo a r q u ite c tó n ic o .
a)
11.
0 .1 5 0 2 ".
¿ C u á le s s o n la s u n id a d e s d e l s is te m a d e la o rg a n iz a c ió n In te rn a cio n a l d e la e s ta n d a riz a c ió n
5.
¿ C u á le s s o n las c a ra c te rís tic a s m á s Im p o rta n te s en
(I S O ) ?
u n e q u ip o d e c ó m p u t o p a r a el u s o d e C A D ?
a)
El ta m a ñ o y e s p a c io d is p o n ib le s .
b)
El p r o c e s a d o r, la ta rje ta d e g rá fic o s y la m e m o ria
c)
L a e m p r e s a q u e fa b ric a el e q u ip o y la ga ra n tía .
a) IPS. b)
RAM .
d ) El ta m a ñ o d e l m o n ito r y el t e c la d o .
mm.
c) MMGS.
d)
cm .
1 2 . ¿ C u á l e s el v a lo r d e c o n v e rs ió n d e p u lg a d a s a m ilím e tro s d e l s is te m a IS O ?
6.
S e tie n e un t u b o d e d iá m e tro e x te rio r d e 15 0 m m c o n
a)
lo n g itu d d e 3 5 0 m m y e l e s p e s o r d e l t u b o es d e
2 .5 4 c m .
15 m m , ¿ c u á l es el d iá m e tro Interior?
b ) 2 5 .4 m m .
a)
c) 1 m m .
345 mm.
d)
b ) 13 5 m m . c ) 120 m m . d) 3 2 0 m m .
13
1 p u lg .
¿ Q u é s ig n ific a el s ím b o lo del p la n o q u e s e m u e s tra e n la p re g u n ta 18?
a)
U n a re fe re n c ia d e p o s lc lo n a m le n to .
b) c)
El p u n to c e n tra l d e la p ie z a .
d)
El c e r o p ie z a p a r a a p lic a c io n e s d e C N C .
El c e r o a b s o lu to .
CAPÍTULO 4
14 .
Herramientas para el diseño y la manufactura
¿ A q u é se refiere la s e c c ió n m a r c a d a en el c írc u lo B ?
D e ta lle C E s c a lé 3 : 1 4 x R3
E s c a la c e la v s t a a c t ú a 1:1 5
E s c a la c e la v s t a s eo eáo nada 1:1 5
S e c c i ó n B -B
© 4 2 x 1 5 -9 ! ( © P r o 4 0 6|
a ) U n a to le ra n c ia .
b) c)
16.
¿ P a r a q u é sirv o el d is e rio d e f u n c io n a lid a d d e un
U n a to le ra n c ia ra d ia l.
c h a flá n ?
U n a to le ra n c ia lo n g itu d in a l.
a)
P a ra q u e la p ie z a se v e a bie n .
¿>) P a ra e lim in a r r e b a b a s , filos c o rta n te s o facilitar
d ) U n a to le ra n c ia s im é tric a .
o p e r a c io n e s d e e n s a m b le c u a n d o s e re q u ie ra .
15.
¿ Q u é s ig n ific a C A D ?
c) d)
a ) D is e rio A p lic a d o p o r C o m p u t a d o r a ,
P a ra e lim in a r el filo c o rta n te d e la p ie z a . P a ra o p tim iz a r la a e r o d in á m ic a d e la p ie z a .
ó ) D is e rio A s is tid o p o r C o m p u t a d o r a .
c)
C o m p u t a d o r a A s is tid a p o r D is o rio .
d ) M a n u fa c tu ra A s is tid a p o r C o m p u t a d o r a .
17.
¿ C u á l e s el v a lo r g e o m é tric o p a r a d e finir u n a p r o y e c c ió n is o m è trica ?
a)
E s u n a g e o m e tría c o n p r o y e c c ió n d e lín e a s a 60° y 3 0 a.
¿>) E s u n a g e o m e tría c ú b ic a .
c) d)
E s u n a f ig u ra 3 D . E s u n a g e o m e tría c o n p r o y e c c ió n d e lín e a s a 3 0 c .
P A R TE TR E S
18.
Fundamenlos da ta automatización industrial
¿ C u á l e s e l m é to d o d e a c o ta c ió n d e la p ie z a d e l s ig u ie n te p la n o ?
Rótulo
X
Y
A1
5
21
A2
19
11
A3
19
38
A4
30
21
A5
48
38
A6
72
21
B1
5
38
B2
64
11
B3
72
38
B4 ci Dt
79
11
48
6
64
38
Barreno A B
C D
0 3.G 4.8 3.1 ,'.U
M aterial: 1023 Chapa d e acero al carbo no (S S ) M asa: 3 6 4 .9 7 4
a) b)
A N S I. A b s o lu ta .
c) d)
IS O . In c re m e n ta l.
1 9 . ¿ C u á l e s e l e rro r d e l s ig u ie n te p la n o re a liz a d o en a c o ta c ió n a b s o lu ta ?
a)
L a s c o t a s e s tá n e n c o o r d e n a d a s in c re m é n ta le s .
b ) L o s v a lo re s d e l d iá m e tro del e je d e b e n s e r ra d io s.
p r o d u c to ?
d ia m e tra le s .
a) C o n o c e r el e s fu e rz o m e c á n ic o d e lo s m ateria le s. b) V e r el tip o d e m a te ria le s q u e c o m p o n e el p ro d u c to .
El c e r o p ie z a e s tá in d ic a d o e n el s e n tid o c o n tra rio .
c ) A n a liz a r el d is e ñ o e n fo rm a in te g ra l.
c ) F a lta el s ím b o lo d e d iá m e tro e n to d o s lo s v a lo re s
d)
2 0 . ¿ Q u é im p o rta n c ia tie n e el C A E e n el d e s a rro llo d e l
d)
D e s a rro lla r u n p r o d u c t o c o n fo rm a s d iv e rs a s .
CAPÍTULO 4
21
¿ Q u é g a ra n tiz a el C A E ?
a)
B u e n o s d is e ñ o s .
fc>) P ro d u c to s a g ra d a b le s . 22.
Herramientas para el diseño y la manufactura
c ) S e g u r id a d d e l u suario.
$
T r a b a jo c o n s ta n te .
¿ C u á le s s o n los e rro re s d e l s ig u ie n te p la n o re a liz a d o e n a c o ta c ió n a b s o lu ta ?
Escala d e l is o m è tric o 1:1
a ) Q u e s ó lo s e in d ic a n d o s ra d io s , c u a n d o s o n c u a tro , y q u e los d iá m e tro s d e l eje n o e s tá n re p re s e n ta d o s c o n el s ím b o lo d e d iá m e tro .
b)
Q u e s ó lo s e in d ic a n d o s ra d io s , c u a n d o s o n c u a tro , y q u e n o e s tá n in d ic a d o s lo s á n g u lo s d e in c lin a c ió n d e la p ie z a .
c)
Q u e lo s d iá m e tro s d e l e je n o e s tá n r e p re s e n ta d o s c o n el s ím b o lo d e d iá m e tro .
o)
Q u e s ó lo s e in d ic a n d o s ra d io s , c u a n d o s o n c u a tro , y q u e n o ex iste la n o ta d e m e d id a d e los c h a fla n e s .
2 4 . ¿ C u á l e s un re s u lta d o d e l a n á lis is d e l C A E ?
a) b) c)
F u e r z a y tra b a jo . E s f u e rzo s y d e fo rm a c io n e s . D u re za y c a rg a .
d ) T r a b a jo y e n e rg ía . 2 5 . ¿ Q u ó tip o s d e a n álisis p o d e m o s h a c e r c o n el C A E ?
a)
E s tru c tu ra le s , d im e n s io n a le s y d e fu e rza .
fc>) C a r g a , d e s c a r g a y re s u lta d o s .
c)
A n a lític o s , d e s c rip tiv o s y d im e n s io n a le s .
d ) L in e a le s , b ¡d im e n s io n a le s y trid im e n sio n a le s. 23.
¿ C u á l e s el p r in c ip io e n q u e se b a s a e l C A E ? a ) A n á lis is d e e le m e n to finito.
b)
A n á lis is e s tru ctu ra l.
c ) D is e ñ o d e a lg o ritm o s . d ) E c u a c io n e s d ife re n c ia le s .
2 6 . ¿ C u á le s s o n las in d u stria s q u e u s a n el C A E ?
a) b) c)
A lim e n ta ria . A g r o p e c u a r ia . F a rm a c é u tic a .
d ) M e ta lm e c á n ic a .
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatizaci&n industrial
A continuación se muestran 17 planos de los cuales se requiere: a)
t i planteam iento de solución a mano alzada. Se pueden utilizar las hojas dispo nibles en los anexos del libro. h) Dibujar la pieza en 3D. c) Elaborar el plano de la pieza com o se muestra en cada ejercicio. Utilice el software de C A D que más convenga a sus intereses Para más ejerci cios visite el sitio w eb del libro. 1.
A rm adu ra d e c o h e te
fig u r a
4 .4 8
Plano del e jercicio 001, a rm a d u ra d e cohete.
2. IMaca d e aju ste para tnb o
0100
f i g u r a 4 .4 8
Plano del ejercicio 002, placa de ajuste para tubo.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
3. Placa de ajuste para tubo
s, 4 x 0 1 0
4 Chaflanes de 2 x 45a Material: Aleación 6061 Masa: 979.474 gramos
fig u r a
4
4 .B O
Plano del e jercicio OD3, p la c a b a s e p a ra rodam iento.
Polca loca
DETALLE A ESCALA 1 0 : 1 Material: Tung3tero Masa: 798.299
E s c a la d e l is o m è tr ic o
fig u r a
4 .E 1
Plano del e jercicio 094, P o le a loca.
o
PARTE TRES
Fundamentos da ia automatización industrial
5.
I’o lca m ótil Material: Fundición maleable Masa: 2202.085 gramos
Escala del isomètrico y del corte de sección
1:2
Sección A-A Escala 3 .5 : 1 fig u r a
4 .B S
P o le a m ó v il
(continúa).
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
Elipse superior de 24 x 11 a 25 del origen.
Sección E-E
fig u r a
6.
4 .6 3
Polea móvil
(continuación).
Rodillo guía
2 x R6
C 184 3 1 720 57
Escala del isomètrico 1:5 Material: .Acero inoxidable al cromo Masa: 29162.203
f ig u r a
4 .6 3
Rodillo guia ( c o n tin ú a ).
PARTE TRES
Fundamentes de fc¡ automatización industrial
7.
Mancuerna A
fig u r a
4 .B 4
A co ta ció n C N C , m ancu& rna.
CAPÍTULO
A Herramientas para el diseño y la manufactura
H. Folca de espiga Material: AISI 304 Masa: 2371.064 Sección D-D Escala 1 :1
Escala del isomètrico 1:3.5
©121.710© 14© 106
^ Ì. 40050
©40
©28.5 8 0 0 '050®!40® '35
73
Detalle E Escala 1 :1 FIG U R A 4 . 6 B
P olea d e e s p ig a
9. B loque de simple barrenado
12 25.400
Material: Bronce al ©3tario Masa: 314.831
! 6.700
~T~ 25.400
25.400
Escala del isomètrico 4 38.100
19.050
76.200 f ig u r a
4 .5 6
Bloque d e simple barrenado.
1:1
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
1«. A d ap tad or universal Espesor 6
Material: Latón Masa: 316.296 gramos
fig u r a
11.
4 .B 7
A d a p ta d o r universal.
.M ontadura d e su jeción
b n este ejercicio se muestran diversas piezas, las cuales forman parte de la m on tadura de sujeción. Se requiere: a) Los puntos 1 a 3 de los ejercicios anteriores b) Ensamble del producto. c) Vista explosionada y tabla de componentes.
Id 1
Nom bre de la parte Base de la montadura de sujeción.
2
Grapa d e sujeción.
3
Tornillo cabeza hexagonal M10 x 1.5 - 20 IS04018.
4
Tornillo cabeza hexagonal M10 x 1.5 - 50 IS04016.
5
Rondana pl9na M10ISO7C90.
6
P erro d e ajusta.
fig u r a
4 .B B
E n s a m b le d e la m o n ta d u ra d e sujeción, re n d e riza d o y vista e xplo sion ad a.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
Las piezas 3 ,4 y 5 son elem entos de sujeción, los cuales se identifican con su descripción y se pueden obtener de bibliotecas de componentes. También se puede obtener la pieza com o los puntos 1 a 3.
Escala del isomètrico 1:2
Detalle C Escala 2 :1
Material: Fundición de acero gris Mesa sin considerar ios radíos: 653.815 gramos Radios: 1.5 m m
84__________ M 10 x 1.5 Deralle D Escala 2 :1
Detalle A Escala 2 :1
f ig u r a
a
.e s
M o ntadura d e sujeción, p ieza 1 p a ra el dise ñ o del producto.
Detalle B Escala 5 :1
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
fig u r a
a .b q
G r a p a d e sujeció n, p ie z a 2 p a ra el d is e ñ o del prod ucto.
M asa: 37.220 fig u r a
4 .8 1
P e rn o d e ajuste, p ie z a 6 p a ra el d iseñ o del prod ucto.
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
12. M ontadura de sujeción
Detalle B Escala 5 :1
Escala del isomètrico 16 x M3 x 0.5 1-1 ( 0 Prel. 2.5) Espaciados igualmente
3 chsfls nes de 1 x 45'
Sección A-A
Escale de '
Material: Alumino T6061
Detalle C Escala 4 :1
fig u r a
4 .6 S
A d a p ta d o r en y u g o d e robot IR B 1 40 A B B e ¡ntercam biador S C H U N K S W -0 0 5 .
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
13. Adaptador de tubo de tubería
Escal9 ce la vista isomètrica seccionada 1:3 Detalle E Escala 2 : 1.75
Espesor del tubo: 9.5
Material: Latón Masa: 2290.908
Seoaón A-A Redondees son de 3
Escal9 del isomètrico 1:3
4 x® io y » lo .ll
fig u r a
Detalle G Escal9 2 : 1.75
4 .B 3
A d a p ta d o r en c o d o d e tu b e ría
CAPÍTULO 4
Herramientas para el diseño y la manufactura
14. Manija de neoprene para muleta Detalle B Escala 7 .5 : 1 Material: Meopreno Masa: 137.476 grarros
Escala del isomètrico
1:1
2 chaflanes de 1 x 45” Sección A-A
fig u r a
15.
4 .B 4
B
M anija d e ne o p re n o p a ra muleta.
M anija d e latón R115
Todos los chaflanes son de 1 x 45”
Material: Latón Masa: 349.244
Escala del isomètrico
1:1
fig u r a
4 .B B
M anija d e latón.
o
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
16. Adaptador de herramental en robot 1KB140 A B B .
Chaflán 2 x 45= 0 67J 20
Sección A-A
6 x M 4 x 0.7¿ 8 g Prel- 3 y 11
Derails C 0 5 0 «2-79.464 0 81.2300
Derails B Escala 4 :1
^ 024 Chaflán 2 x 45=
3x06
Material: 6061 Alloy
X
Espaciados 120® sobre la superficie cónica
fig u r a
4 .B 6
Escala del isométrio y de la vista actual
A d a p ta d o r d e herram ental p a ra robot IR B 14 0 A B B .
Masa: 326.47 gramos
CAPÍTULO 4
Herramientas para el dtseño y la manufactura
17. B ase guía para soporte de tubo
Material: PPE
Tc d o s los chaflanes de 13 x 45a fig u r a
4 .B 7
B a s e g u ia p a ra s o p o rte d e tubo.
c a p í t u lo ^
% Técnicas de manufactura automatizada
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Sistemas de sujeción IJn elem ento com puesto de varias partes fijas o móviles, o bien la combinación de ellas, que perm ite m antener inmóvil rígidamente una pieza para repetitividad de pro cesos, que le da excelentes características dim ensionales y tiem pos d e preparación reducidos, es un sistem a d e sujeción (también conocido com o “escantillónVun térm i no muy ambiguo para fines de manufactura autom atizada), cuyo diseño, materiales, variedad y accionam iento dependen d e la operación que se ha d e realizar en el pro ceso d e manufactura. 5 .1 .1
Sujeción en centros de maquinado
Un sistema d e sujeción para un centro de maquinado es un mecanismo muy com ple to de diseño y manufactura; su estructura p osee buenas características de precisión dim ensional, excelentes acabados, importantes propiedades de sujeción y durabili dad; son una aplicación de torneado que sujetan el material mediante: á) Mordazas d e cuatro, tres o dos puntos. La figura 5.1 muestra un husillo de accionam iento autom ático para la apertu ra y cierre de las mordazas ubicadas en tres puntos, las cuales tienen un diámetro establecido para sujetar firmemente la materia prima.
http://goo.gl/IXbiVp
M ateria prim a
f ig u r a
b)
5. i
H usillo c o n m o rd a za s d a 1res puntos.
Mordazas d e cuatro, tres o dos puntos y contrapunto fijo. Mordaza
H usillo
Punto fijo f ig u r a
5 .a
H usillo d e tres pu ntos y con trap unto (ijo.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Punto de arrastre Punto fijo
Pieza f oradora fig u r a
5 .3
S istem a d e sujeción entre puntos (p u n to d e arrastre y pu nto (¡jo) p a ra u n a o p eración d e torne ado e n u n cen tro d e m a q u in a d o .1
Por lo regular, este tipo de mordaza se utiliza para aplicaciones donde es importante evitar la flexión y la variación de las oscilaciones durante el maqui nado, y así obtener una pieza que cumpla con las especificaciones dimensionales. La figura 5.2 muestra un sistema de sujeción a través de mordazas de tres puntos y un punto fijo. c) Mordazas de cuatro, tres o dos puntos en conjunto con contrapunto de arrastre y contrapunto fijo. Observe el diseño de manufactura especializado del sistem a de sujeción que se muestra en las figuras 5.3 y 5.4. La pieza de trabajo está sujeta entre puntos, uno de arrastre y otro fijo, lo que perm ite maquinar el producto en su geometría exterior.
http://goo.gl/nKGnF9
M ateria prime
Punto de arrastre
fig u r a
5 .«
S istem a d e sujeción entre puntos (p u n to d e arrastre y pu nto fijo) p a ra u n a o p eración d e torne ado e n u n cen tro d e m aq uinad o.
En el caso de los centros de maquinado de fresado, los m étodos de sujeción im plican una prensa con barras paralelas (figura 5.5). Una alternativa de mayor grado
! T ornado del c a tilo g o de P ro duct Sum m ary C hucking Tools. R O H M D riven by Technology, Id-N r 1091491/0608 Schi. A lem ania.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
http://goo.gl/a1cUiR
| M ateria p rim a f-------
1“ “ “
‘
[ Barras paralelas j
fig u r a
5 .5
¡ »
Prensa
Id e a co n ce p tu a l d e la sujeción a través d e un a p re n s a c o n barras paralelas.
de com plejidad es sujetar una pieza de geom etría variable que permita desbastar zonas específicas de alta precisión en un centro de maquinado de tres o más ejes, a través de montaduras, pernos, bujes y accesorios de sujeción (figura 5.6).
fig u r a
5 .a
P e m o s . bu je s y a cceso rio s d e sujeció n.2
^Tomado del catálogo de CarrLanc Manufacturing Co. Sistemas de sujeción y accesorios de manufactura.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
La presentación de prensas puede ser variada dependiendo de las necesidades de las operaciones a realizar,com o ángulos de inclinación y giro, inclusive prensas de accionam iento manual y /o autom ático (figuras 5.7 y 5.8).
Prensa de apertura manual
Prensa d e apertura m anual con ángulos d e inclinación
Prensa d e apertura m anual y /o a u tom á tica
Prensa d e precisión a juste m anual
Prensa d e apertura m anual con rotación
A plicación de u n siste m a d e sujeció n con prensa
fig u r a
6 .7
T ip o s d e pre nsas p a ra sujeciones bá sic a s d e m a q u in a d o .3
El objetivo de estos tipos de prensa es sujetar un bloque de material, forja, fun dición o cualquier pieza que requiera ser maquinada, o que vaya a pasar por algún proceso de manufactura, lo cual garantiza que la pieza quede com pletam ente sujeta y libre de vibraciones para cumplir con las necesidades y especificaciones de manu factura. Las figuras 5.9 y 5.10 muestran algunos ejem plos de sujeción aplicados en manufactura.
http://goo.gl/etR1Yh
Mordaza flexible Materia prima
Mordaza automática
Base de prensa A ctu ad o r fig u r a
6 .0
T ip o d e pre nsa p a ra sujeciones bá sic a s d e m aq uinad o.
3 Tom ado d e l catálogo d e A dvanced M achine & E ngineering Co. M odular W orkholding. A F L E X . S. A .F.E (S elf A d ap tin g F ixturing E lem ents).
CAPÍTULO 5
fig u r a
5 .a
Técnicas de manufactura automatizada
S ujeción d e b lo q ues d e m aterial m ed ia nte u n a pre nsa d a precisión en centros d e m a q u in a d o d e fresado.
fig u r a
5 .1 0
S ujeción d e b lo q ues d e m aterial m ed ia nte u n a pre nsa d e precisión en centros d e m a q u in a d a d e fresado.
5.1.2 Sujeción para ensamble En el caso de operaciones de ensamble, un sistema de sujeción implica una gran variedad de arreglos de fijación. D ependiendo de la pieza, el mecanismo puede te ner topes, pernos, bujes y barrenos de localización que permiten ubicar la pieza o piezas en el lugar correcto de ensam ble o maquinado. La figura 5.11 muestra varias com binaciones de arreglos posibles para la sujeción de diferentes piezas y productos
o
PARTE TRES
Fundamentos de la automatización industrial
Sujeción d e un copla en T sobre una m ontadura utilizando diversos accesorios d e fip d ó n
S ujeción de una tapa m etálica, a la cual se le realizaran los barrenos del contorno. Se utilizan d iversos accesorios de fijación
Sujeción d e un rin sobre una m ontadura
S ujeción de un eje de acople al cual se
utilizando diversos accesorios d e fijación
le realizarán ranuras axiales. Se utilizan d ife rentes accesorios de fijación
f i g u r a
5.11
C o n figu ra cio n e s
arreglos d e sujeción y acce sorios
d e a p o y o .4
Regularmente se utilizan montaduras de uso universal, las cuales son placas de acero herramental diseñadas en diferentes configuraciones geom étricas y dotadas de m últiples barrenos distribuidos que permiten la sujeción de piezas de diversas geom etrías (figura 5.12).
5.1.3
Sujeción para Inspección
C uando se requiere inspeccionar una pieza o una muestra considerable de partes se necesita un sistema de sujeción que permita m antener el producto en un mismo lugar, para que, por m edio de instrumentos y accesorios de m edición, obtengan el valor de estudio y m ediante una decisión de control de calidad la pieza sea aceptada o rechazada, según las dim ensiones y características geom étricas3 fcús m uy usual que
4 T o m ad o d e A dvanced M ach in e & Enginoering Co. M odular W orkholding. A F L E X , S A F E (S olí A dapting F rxturing E lem ente). 1 E n el capítulo S se analiza u n a alternativa de inspección que funciona con el principio de un sensor d e visión p a ra d e te cta r la pieza e n cualquier posición, con lo cual se desc a rta la sujeción, y a q u e n o se req u iere m a n te n er la pieza e n u n lugar específico, ni su jetad a con algún m ecanism o. P or lo general esta v a ria n te rep ercu te d irectam en te e n la dism inución d e costos d e m anufactura.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Plato
Cubo plano
Base recta
Base recta doble
Base recta con ventana
Base en cubo
Base en cruz
Base en triángulo
Base en hexágono
Base en "Y "
Base en octágono
fig u r a
6.12
A rre g lo s g e o m é tric o s d e m o n ta d o ra s p a ra sistem as d e sujeción ílexible.
la montadura adquiera la geom etría inversa de la pieza, lo cual hace que se man tenga en la misma posición; otras veces se utilizan arreglos con geom étricas básicas perm itiendo la colocación y adaptación de una pieza en el mismo lugar (figura 5.13). La base se fabrica con referencias geom étricas básicas: barrenos, círculos, triángulos e inclinaciones, además d e diseños funcionales com o chaflanes y radios, lo que per m ite la facilidad de acom odo. También se cuenta con el apoyo de bujes d e posición para limitar o ubicar la pieza. O tro ejem plo d e sujeción en inspección es realizar pruebas destructivas de ten sión, torsión o compresión; la sujeción debe ser muy especializada en su diseño, pues por ningún m otivo debe haber riesgo de que la pieza se suelte o que el sistem a de sujeción sufra una falla (figura 5.14).
C onsola
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
A *7 M ordazas de atornillado 2kN
fig u r a
5 .1 «
Sujeción d e prob etas e n p ru e b a s d e tensión, c o m p re s ió n o torsión.
* Sistem a de sujeción y tra n sp o rte q u e se em pica e n el Sistem a d e M anufactura F lexible (SFM ) de los lab o rato rio s de la F acu ltad d e In geniería de la U n iversidad Panam ericana.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
M a te ria prim a
M ontadura
fig u r a
6 .1 5
M o n ta d u ra flexible p a ra el transporte e in s p e c c ió n d e pie/as.
5.1.4 Sujeción para transporte También es común que los productos en proceso y los de consum o final requieran una montadura para su transporte. A l igual que con la montadura de inspección, se aplica el criterio de adquirir la geom etría inversa de la pieza, con lo cual se mantiene en la misma posición. Otras veces se utilizan arreglos con geom étricas básicas para la colocación y adaptación de una pieza en el mism o lugar (figura 5.15). Para la manufactura es vital el a so de sistem as de sujeción que permitan el establecim iento de un lugar específico de ensam ble o de una operación. En otras palabras, los sistem as de sujeción contribuyen a organizar y localizar las partes, ac cesorios y todo lo que involucre el proceso de manufactura, en el lugar específico, de form a limpia y segura, de m odo que se logre establecer un Poka-Yoke en las ac tividades de ensam ble, inspección, manufactura y transporte. S u j e c ió n d e h e r r a m e n t a le s
Es un sistema muy utilizado para centros de maquinado donde los ajastes dim en sionales, los acabados y las geom etrías son vitales para el óptim o desem peño de las herramientas durante las operaciones de corte. Por lo común se denominan por taherramientas y su geom etría depende del elem en to de sujeción en máquina y de la forma de la herramienta o inserto. La figura 5.16 muestra dos de las configuraciones más comunes.
m
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
* Herramienta i i z i l a i l o i i a i i ii w i i l a
Contracción
Expansión j
ta fig u r a
6 .1 0
Sujeción d e insertos y herram ientas p a ra op e ra c io n e s de m a q u in a d o , a ) Sujeción d e insertos d e c a rb u ro d e tungsteno a través d e un portainserto;
b) sujeció n
d e un co rta d o r recto a
tra vé s d e un siste m a térm ico.
5.1.5
Sujeción en general
Los sistem as de sujeción tam bién se ajustan a las aplicaciones de estandarización y orden de los procesos industriales. Podem os utilizar estos sistem as com o accesorios
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
de apoyo para m antener los equipos en su lugar de almacenaje, o bien, en los equipos de seguridad industrial contenidos en una gave ta con una montadura apropiada para sujetar cualquier accesorio o dispositivo, b n general, se puede hablar de una infinidad d e elem en tos de sujeción que contribuyen a optimizar las tareas del proceso de manufactura tanto manual com o autom atizada y aplicaciones de técnicas de calidad com o las 5 S (figuras 5.17 y 5.18).
Escantillones Son elem entos de apoyo para operaciones d e manufactura; por lo común tienen la forma de lo que se desea ensamblar, o bien, la refe fig u r a rencia d e posicionam iento d e las piezas a ensamblar. d e herram ientas y Se pueden construir d e cualquier material; sin embargo, se reco mienda que sean de materiales con excelentes características físicas y mecánicas, permitiendo así la durabilidad del sistem a y por lo tanto la calidad en la realización d e la operación (figura 5.19). Por últim o, los sistem as de sujeción pueden tomar muchas configuraciones y tener una amplia gama de diseños, todo depende d e la aplicación que se requiera.
5 .1 7
Sistem as d e arreglo
estand ariza ción .
Sección ! Almacenamiento
OJ
I de a c en to s Preparación de alimentos
O
Cazuelas y £3rtene3 Limpieza y basura Cubiertos y vajilla
fig u r a
B .ia
O rg a n iza c ió n e s ta n d a riza d a d e u n a cocina.
fig u r a
5 .ia
D is e ñ o d e escantillones p a ra op e ra c io n e s d e e n s a m b le .7
'T om ad o del catálo g o d o productos H e ttk h ,T ec n ¡k ftlr M obcl. Técnicas y aplicaciones. Planificar, diseñar y producir.
PARTE TRES
Fundamentos da !a automatización industrial
Máquinas herramienta de control numérico computarizado (MHCNC) A principios de la década de 1990 se llega a la madurez de las máquinas de control numérico computarizado, C om puter N umerical C ontrol (C N C por sus siglas en in glés). Sin embargo, tenían el problema de que el usuario requería mucho tiem po para programarlas a pie de máquina, a continuación el programa se podía ejecutar a baja velocidad y se corregían los errores, es decir, se depuraba, y este proceso se realizaba cada vez que se enviaba una nueva pieza al área de maquinados. En los prim eros años de la tecnología de C N C se buscaba que los técnicos e in genieros fueran capaces de programar dichas máquinas y las mantuvieran en funcio namiento, lo cual implicaba un conocim iento especializado que se pudiera transmitir a nivel de planta para así cumplir con un aum ento de la productividad real. El sector automotriz, im pulsó el desarrollo de esta tecnología por su necesi dad de disminuir sus tiem pos de maquinado, lo que representaba una ventaja com petitiva. A sí, se profundizó en el conocim iento para la programación de las máquinas de C N C , debido a la necesidad de programar piezas más rápido y hacerlas más com plejas. Ahora estas nuevas máquinas son capaces de dar precisiones desde 0.001 mm hasta 0.000,001 mm, precisión no igualada de manera comercial por las máquinas convencionales, las cuales son capaces de dar una precisión de 0.01 mm, un nivel muy por debajo del alcanzado por las de C N C Con esto surge una transformación radical en el departam ento de ingeniería, lo cual hace que los diseñadores se especialicen en la solución de problemas, así com o en el funcionam iento en piso de las máquinas de CNC, también conocidas com o cen tros de maquinado para torneado o fresado, las cuales se com ponen principalmente de diferentes m ovim ientos lineales, denom inados ejes. En los tornos se incluyen los ejes X y Z asociados al desplazam iento de la ban cada transversal y longitudinal que corresponde al eje del portaherramientas; los ejes funcionan con m ovim ientos sim ultáneos (interpolaciones) que pueden describir trayectorias oblicuas o curvas (figura 5.20). Las fresadoras disponen de un mínimo de tres ejes: X, Y y Z. Los dos primeros corresponden al m ovim iento interpolado en la bancada transversal y longitudinal, y el tercero se relaciona con el desplazam iento vertical del cabezal de la máquina (figura 5.21). Para ambas máquinas existen diversas variantes Por ejem plo, en un torno se pueden tener bondades en equipam iento, com o herramientas motrices con ataque axial y radial, lo que ayuda a realizar barrenos desfasados con respecto a su radio, o bien axialniente con posicionam iento variable. Para una fresadora hay equipos con más ejes de desplazam iento, con lo que se logran geom etrías y formas de gran com plejidad. Estas máquinas también integran otros accesorios sum amente im portantes que permiten lograr el propósito de maquinado: se enuncian a continuación. a) C abezal o husillo: es el elem en to que perm ite el giro de la herramienta o el material para lograr c ie n o número de revoluciones por cada milímetro de reco rrido durante el proceso de corte. Por lo común se com pone de elem entos m ecánicos para sujetar la herra mienta o el material en proceso; los accesorios que permiten esta función se conocen com o mordazas, en el caso de un to rn o ,y para el fresado se llaman b o quillas. Existe una gran variedad de m edios de sujeción de estos dos elem entos, y su em pleo depende del diseño y las características físicas del producto. b) Carrusel portaherram ientas: es el m edio mecánico que alm acena c ie n o núm e ro de boquillas con herramientas de diferentes materiales y diseñ os Este m e canismo puede contener desde un bloque de cuatro herramientas hasta 72, lo
CAPÍTULO 5
fig u r a
5 .2 0
Técnicas de manufactura automatizada
Ce ntro d e torne ado a v a n z a d o d e cuatro ejes c o n herram ientas motrices.®
fig u r a
5.2 1
Ejes b á sico s e n cen tros d e m a q u in a d o d e to rn e a d o y fresado.
Carrusel de herramientas
Alimentación de soluble
P o rtsin serto fig u r a
5 .2 2
C a rru se l portaherram ientas d e un centro d e m a q u in a d o d e torneado.
’Tom ado del fo lleto inform ativo d e D M G /M O R IS E T K I. Jo u rn al 01,2011. D M G /M O R IS E IK T , México.
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
fig u r a
5 .a 3
C a rru se l portaherram ientas d e un cen tro d e m a q u in a d o d e torneado.
cual proporciona gran diversidad en el diseño de los productos obtenidos en las M HCNC (figuras 5.22,5.23,5.24 y 5.25). c) A ccesorios de alim entación de barran, centrado, alineación, lubricación, re frigera ción y elem entos d e recolección de piezas, a si co m o recolección de viruta, 'lodos estos com ponentes colaboran en la mejora de los procesos de maquinado para las dim ensiones, los acabados superficiales y el m antenim iento del equipo. d) I3artel de control y programación: aquí se realizan operaciones de ajaste, calibra ción y puesta en marcha de los accesorios que integran el equipo; pero lo más importante es la interfaz que perm ite la programación a pie de máquina de la secuencia de maquinado a realizar, o bien, ingresar el programa NC9 obtenido a través de la técnica de manufactura asistida por computadora, C om puter A id ed Manufacturing (C A M , por sus siglas en inglés), o a través de la programación a pie de máquina utilizando códigos estandarizados.
Carrusel portaherramientas Herramienta
Portaherramientas
fig u r a
5 .h a
C a rru se l portaherram ientas vertical d e u n cen tro d e m a q u in a d o d e fresado.
* Se refiere a la extensión del archivo (n c ) que contiene lo« códigos G
S¿ M .
CAPÍTULO 5
fig u r a
5 .a s
Técnicas de manufactura automatizada
C a rru se l portaherram ientas horizontal d e un cen tro d e m a q u in a d o d e fresado.
Estos accesorios deben tenerse en cuenta en el m om ento de seleccionar un equipo de estas características, todo en referencia al producto o tipo de bienes que la em presa produce, y se deben analizar detalladam ente las capacidades de la máqui na: longitudes, diámetros, herramientas disponibles, capacidad de carga en la banca, disponibilidad de refacciones y accesorios, potencia, velocidades de maquinado, s o porte especializado, además de valorar el procedim iento de instalación. Este último punto es vital para garantizar la calidad del producto, la cual se refleja en los valo res dim ensionales y los acabados superficiales, que repercuten en la forma correcta de instalar el equipo (nivelación, superficies especiales, instalación eléctrica, entre otras) y, finalmente, ofrecer una zona de trabajo que cumpla con los requisitos de seguridad e higiene. Existen otros equipos que utilizan el mismo concepto de CNC, com o un centro de maquinado de electroerosión, equipos de corte por hilo, o bien, m esas de corte habilitadas con una herramienta especial y que m ediante coordenadas específicas realizan el corte de láminas de espesores y geom etrías diversos. Este capítulo com prende el estudio de los centros de maquinado de torneado para las actividades de planeación y programación de cualquier pieza con caracte rísticas cilindricas. La finalidad es comprender la técnica de programación de estos equipos sin dejar de lado los conceptos de planeación de la manufactura. Para lograr la programación se requieren valores específicos determ inantes du rante el proceso de maquinado para la funcionalidad de las máquinas, además de brindar excelentes características dim ensionales y acabado superficial, que se defi nen com o parámetros de maquinado.
5.2.1
Parámetros de maquinado
D entro de los procesos de maquinado es necesario utilizar ciertas recom endaciones de funcionalidad para el proceso, definidas com o parámetros de maquinado (rpm, avances, profundidad de cortes, entre otras), variables que están en referencia con las características físicas y geom étricas del producto, además de las herramientas y máquinas a utilizar.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
U n valor muy importante es el número de vueltas por minuto que dan la m ate ria prima o la herramienta, el cual se denota de varias formas: N , rpm o S.
1000 vr A = -
^
, = r l>m
v
<5 ;l)
donde: .V = número de revoluciones por minuto. Vc = velocidad de corte (m/rnin). Mf’0 R = diámetro de la materia prima cuando es torneado, o de la herramien ta cuando es fresado (mm). 1000 = factor de conversión para el sistem a métrico (cuántos m ilímetros hay en un metro). El valor de Vc se obtiene a través de tablas o del valor directo de .\', q ue rela ciona el material a cortar y el material de la herramienta. Con estos valores se logra sustituir en la fórm ula 5.1 para obtener el valor deseado. Otra manera de obtener el valor de N es por experiencia en el proceso de ma quinado o por recom endaciones de especialistas que analizan el com portam iento de desbaste de diferentes materiales. Hay otra variable determ inante en el proceso de maquinado denominada avan ce ( / ) con desplazam iento longitudinal de la herramienta sobre la materia prima, que se expresa en mm/rev. Su valor se determ ina con expresiones algebraicas, espe cificaciones técnicas de los equipos y en ocasiones también por la experiencia del proceso o recom endaciones de especialistas. En procesos de torneado se considera la siguiente fórmula: f = V a* N * Nr
(5.2)
donde: Va - valor de la relación cinem ática del sistem a del centro de maquinado expresado en mm/min. (E l sistem a cinem ático de un centro de maqui nado es por transmisión directa del servom otor al eje, en una relación banda dentada-polea a servom otor). Este valor se obtiene por esp e cificaciones de tabla en relación directa con cada equipo, o bien, por datos técnicos de las herramientas a utilizar. N r = núm ero de dientes de la herramienta; para operaciones de torneado, este valor es la unidad. La tabla 5.2 muestra el valor de f a considerar para determinar el Va en opera ciones de torneado. Se considera que / varía dependiendo del trayecto en que la herramienta ingresa el material (longitudinal, axial o radial), o bien, el tipo de operación a realizar (des baste o acabado). Por ejem plo, en muchas ocasiones se buscan excelentes acabados superficiales en las piezas, por lo que la estrategia para esta operación es em plear un gran número de revoluciones y poco avance, en una relación de 1 a 3 (1 :3 ), es decir, la tercera parte de revoluciones hacia arriba y una tercera p a n e del avance hacia abajo.
TA B LA S.n
R ecom end ación d e las revoluciones por minuto pa ra operaciones
d e m a quina do d e d e s b a s te (torneado) utilizando un a p ro fu n d id a d d e c o rte d e 1 mm. Material A'eación de aluminio TÊOB1
Herramienta Inserto d e carburo oon recubrimiento de TiN
N (rpm ) Desbaste (cilindrado) 12CO
CAPÍTULO 5
T A B L A 5 .8
Técnicas de manufactura automatizada
R e c o m e n d a cio n e s d e ^ o p e r a c io n e s d e m aq u ila d o (to rn e a d o ) d e d e s
baste utilizando u n a pro fu n d id a d d e corte d e 1 m m . S e c o n s id e ra un centro d e m a q u in a d o d e 4 0 0 0 rp m y 2 .8 Kv/.
Operaciones de torneado (mnVrev) Material
Corte radial/axial
0.2
| .0 .2
Corte cilindrico (acabado) --
Corte cilindrico (desbaste)
OJ o < CO
Aluminio T6061
Para cortes radiales o axiales es recomendable utilizar la mitad del avance de desbaste ( i d e / ) . Existen otras operaciones de torneado (roscado, barrenado, ranurado, etc.), en las que es necesario determinar minuciosam ente los valores m encionados.También es vital considerar las características de otros equipos para determinar estos valores, ya que repercuten en algunas variables del proceso im portantes para la eficacia y eficiencia de la manufactura. Los valores de /V y / son sólo algunos de muchos otros respecto de las variables, com o el material a maquinar, el material de la herramienta y las características del equipo, profundidad de corte, etcétera. Un valor muy importante es la cantidad de material a desbastar, denom inado profundidad de corte de la herramienta; es decir, la cantidad de viruta que la herra m ienta debe extraer del material; este valor también depende de un gran núm ero de las variables ya mencionadas. La profundidad de corte por pasada a em plear en una operación de maquinado se puede determinar m ediante fórmulas y especificaciones de máquina, pero en mu chas ocasiones los proveedores de equipos, accesorios y herramental proporcionan recom endaciones ideales para diferentes procesos, inclusive las características pro pias de cada equipo com o potencia de m otores, número de revoluciones, materiales y /o dim ensiones de las herramientas. Por ejem plo, la siguiente tabla recomienda los parámetros de maquinado para operaciones de torneado, utilizando un inserto de carburo con recubrimiento de TiN (nitruro de titanio) para corte de aleaciones de aluminio.
ta b la
5 .3
R e c o m e n d a cio n e s d e parám etro s d e m aq u ilad o
en o p e ra c io n e s d e to rn e a d o d e d e s b a s te y a c a b a d o .
Operación
N (rpm )
Pc (m m )
f(mnVrev)
Desbaste
1200
1
0.2
A ca b a d o
3600
0.2
0.C67
Estos valores están significativamente cerca de los resultados obtenidos en el procedim iento para el cálculo de Afy / , ya que las variaciones son el equipo que se ha utilizado, las dim ensiones de la herramienta, el tipo de refrigerante, etcétera
5.2.2 Consideraciones de refrigeración y lubricación El proceso de maquinado va acompañado de la función de refrigeración y lubrica ción, la cual permite que la temperatura de la herramienta y del material se manten gan en condiciones de am biente y todos los accesorios de la máquina estén siempre lubricados, pues con esto se logra la operacionalidad óptima de maquinado al redu cir las fuerzas de corte y desgaste de la herramienta m ediante la disminución de la fricción entre la cara de incidencia de la herramienta y la superficie de la pieza, así com o entre la cara de desprendim iento y las virutas. Los Huidos refrigerantes y de
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Port8herra mienta
— Boquilla
Herramienta
Flujo de refrigerante Portaherramienta
Herramienta
Inyección por el interior de la herramienta. Flujo indirecto
f ig u r a
5 .3 6
Flujo directo
M étod os d e a p lic a c ió n d e solub le s p a ra la dism in ució n d e la fricción entre la c a ra d e in cid e n cia d e la herram ienta y la supe rficie d e la pie za .
lubricación actúan directam ente en el punto de fricción al crear una capa protectora en esa zona y no permitir un contacto directo entre la herramienta y la pieza. Para este proceso se utilizan líquidos llamados solubles porque son biodegradables, y gracias a su com posición y estado mantienen una temperatura óptima de operación y lubricación del equipo; se aplican por m edio de generación de niebla o flujo recirculante directo o indirecto (figura 5.26). E stos fluidos de refrigeración y lubricación se presentan en tres tipos y sus com puestos quím icos son: A ceites minerales (300°C). ■ N afténico (naphthenico) a base de parafina. A ceites vegetales (20ÍFC). ■ (Manola. ■ Ricino. ■ A ceites tropicales. Sintéticos (4()0°C). ■ Poliglicolex ■ Esteres sintéticos Emulsiíicantes (excelente lubricidad y estabilidad). ■ lonogénicos (jabones alcalinos y sulfatos). ■ N o ionogénicos A ditivos polares (excelente lubricidad en rangos de baja temperatura). ■ A ceites anim ales y vegetales. A ditivos de extrem a presión (excelentes propiedades de antiadhesión en los más altos rangos de temperatura. Evita adherencias de material en los filos de la herra mienta). ■ ■ ■ ■
( ’loro. Azufre. Fósforo. D ialquilditiofosfatos de zinc, Z D D P
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Para m antener controles d e oxidación y evitar los olores d e los aditivos se reco miendan: estabilizadores, antioxidantes, inhibidores de corrosión, desespum antes y desodorantes. El agua a utilizar debe ser d e buena calidad; es decir, potable y que no sea agua dura. A l parecer sencilla, esta actividad es una variable de suma importancia a con siderar. ya que d e ello dependen las tolerancias dim ensionales, los acabados d e la pieza, la durabilidad de las herramientas y la funcionalidad del centro de maquinado, por lo que es indispensable llevar un control del refrigerante y /o soluble sumistrados al equipo. En el manejo d e refrigerantes y lubricantes se deben evitar al máximo los índi ces de toxicidad, irritación de la piel, irritación de los ojos, bacterias, hongos y mal olor. Lo anterior se logra con un control d e carga inicial y seguimiento. 1. Especificaciones d e carga inicial del soluble. ■ C onocer el volum en del depósito que se va a rellenar. ■ Verificar la concentración actual del soluble y saber qué concentración se va a utilizar. ■ Preparar previam ente el soluble, ya sea con un m ezclador autom ático o ma nual. Es muy importante agregar “el aceite al final;’ pues si no se realiza de esta manera, el producto no se mezclará adecuadam ente y se desperdiciará. Fórmula para conocer la cantidad d e soluble que se va a agregar: (.A
X D)
- ( tí X C ) = concentración de recarga
D e esta fórm ula se tiene: A tí C D
= = = =
cantidad requerida (litros). cantidad actual en el depósito (litros). porcentaje de refrigerante actual. porcentaje de refrigerante deseado (5 a 7% para corte d e metales en general).
E l resultado será la concentración a la cual se agregará el volum en que haga falta para llenar el depósito al nivel óptimo. E J E M P L O 5.1
Recarga del soluble en un centro de maquinado. Se tiene un depósito d e 100 litros de capacidad que por el m om ento está en 50 litros a una concentración d e 4%; se requiere llenarlo a una concentración final de 7%. A plicando la fórm ula se tiene: A = 100 L; tí = 50 L; C = 4%; D = 7%; por lo tanto, el resultado es d e 10%. O bien, (100 x 0.07) - (50 x 0.04) = 7 - 2 = 5. Ésta es la concentración que se deberá agregar en los 50 litros que le faltan al depósito para que al final se tenga una em ulsión a concentración d e 7%. Nota\ Si el resultado da un valor negativo, se rellena el depósito con solución a 0.5% hasta que la concentración llegue al nivel necesario; nunca se agregue sólo agua. 1. Cónserve la concentración de trabajo (para el control diario de la em ulsión se requiere controlar la concentración a un mínimo de 5% para lograr la es tabilidad). 2. Haga limpieza y recarga del tanque cada cuatro y seis meses. El refigerante retirado no se debe arrojar al drenaje; contrate un servicio de manejo de resi duos.
Tm
PARTE TRES
Fundamentes da la automatización industrial
Calibración y ajuste de máquina
5.2.3
Los centros de maquinado de torneado y fresado requieren su calibración respecto de las dim ensiones del herramental, diám etros y longitudes e inclusive la localiza ción del cero máquina. Esta actividad es muy similar entre las diferentes máquinas, pues existen patrones definidos en cada equipo que apoyan esta tarea. C a lib r a c ió n d e la s h e r r a m ie n ta s e n u n c e n tr o d e m a q u in a d o d e t o r n e a d o
Esta actividad se conoce com o el offset de la herramienta que agrupa las dim ensio nes de X y Z en relación con un punto de referencia fijo en el carrusel portaherramienta. En el centro de maquinado de torneado E M C 0155 con contralor SIE M E N S S1NUM ERIK 840/81OD T la calibración de los herramentales se obtiene midiendo la longitud en los ejes X y Z con respecto a un valor de referencia establecido por un palpador (figura 5.27).
http://goo.gl/iS1r3r
f ig u r a
B .H 7
C a libració n del
offset d e
las herram ientas en cen tro d e m a q u in a d o
d e torne ado E M C 0 1 5 5 c o n contralor S IE M E N S S IN U M E R IK 8 / 0 /8 1 0 0 T.
donde: L , = distancia en el eje Z con respecto a un valor de referencia definido por un palpador. L2 = distancia en el eje X con respecto a un valor de referencia definido por un pal pador. Cada equipo tiene diferentes parámetros de referencia; un ejem plo de referen cia es el siguiente:
t a b l a
s .4
Longitud del
L,
V a lo r e s d o m e c a n iz a d o p a r a e l
offset
CYCLE95.
Eje
Valor de referencia fijo (m m )
Z
120.721 9.89Ö
X
Medición del
offset (m m )
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
http://goo.gl/fgbts1
rw (X )
Visor de calibración
fig u r a
5 .S 8
Visor d e c alib ra ció n del
otiset d e
u n a herram ienta en centro
d e m a q u in a d o d e torne ado E M C 0 1 5 5 c o n controlador S IE M E N S S IN U M E R IK 8-10/8100 T.
El valor de la medición se realiza directamente en máquina, por lo que este va lor no se indica. Su medición se hace utilizando un visor donde se observa el tilo de la herram ienta,el cual se coloca en la coordenada (0 ,0 ) del plano X y Z (tigura 5.28). Una vez calibradas todas las herramientas en máquina se puede pasar al proce so de programación de los centros d e maquinado en relación con la geometría d e los productos o piezas requeridas. Para ello se debe conocer el m étodo de programación basado en códigos estandarizados internacionalmente.
5 .2.4
Códigos de programación G & M
La programación de un centro d e maquinado se efectúa m ediante una secuencia es tructurada paso a paso, la cual está regulada m ediante los sistem as de normatividad A N S l/E IA RS-274-D para unidades en sistem a americano: su equivalente europeo es el ISO 6983/1,2 ,3 d e revisiones A m bos sistem as tienen gran similitud, por lo que generalm ente se describen com o programación en códigos ( i & M, que significa g eo metría y misceláneos. Su aplicación y funcionam iento se basa en la geom etría d e la pieza y el tipo de herramientas y de los accesorios del centro d e maquinado a utilizar. La geometría de la pieza se define por un plano dim ensional que muestra la forma del producto, donde las dim ensiones se acotan en coordenadas absolutas o increméntales, lo que facilita la obtención d e los valores d e las coordenadas X : Y y Z o más, dependiendo del centro d e maquinado a utilizar (tigura 5.29). El proceso de programación d e los equipos de manufactura requiere una estruc tura secuencial basada en la geom etría de la pieza. La tarea se logra gracias al apoyo de códigos ( i & M y la incursión d e ciclos d e trabajo com o el ciclo de desbaste, el de roscado, el de barrenado, etcétera. La programación d e códigos ( i & M funciona de manera que se introducen los valores en coordenadas, es decir, se sigue la trayectoria d e un perfil. Sin embargo, por cuestiones de funcionalidad, las operaciones d e desbaste de material se logran m ediante ciclos d e desbaste profundo en com binación con estrategias de acabado.
PARTE TRES
Fundamentes da la automatización industrial
http://goo.gl/7D
f ig u r a
B .a a
P ia ra d e u n a p ie z a cilin drica e n c o o rd e n a d a s abso lutas p a ra a p lic a c io n e s d e C N C en centro d e m a q u in a d o en torne ado .
con lo que se facilita la tarea de programación y se optim iza el tiem po de proceso. También depende de la forma de la materia prima, ya sea un bloque, barra cilindrica o preforma, proveniente de una extrusión, fundición o forja. Los códigos elem entales para iniciar cualquier proceso de programación son los de la tabla 5.5. En combinación con los códigos G & M existen ciclas de maquinado, los cuales facilitan las operaciones de desbaste a grandes escalas, es decir, reducen el número de instrucciones con respecto a una programación a través de códigos G. Por ejem plo: CYCLE9510 es una rutina de una operación de cilindrado y forma, tanto exterior com o interior, perm ite las operaciones de desbaste y acabado en un material de geom etría cilindrica compleja. Su estructura es la siguiente: CYCLE95C‘N S P F \ P Cp> Tv Tx, T, b \ b \, F3, V„,
L K)
donde: N SPF = nombre del archivo que contiene el subprograma. Ésta es la geometría de la parte a maquinar; se utilizan los códigos G 1, G 2, G 3 y M 17, tin de un subprograma. *° C en tro d e m aq u in ad o d e torneado. M anual d e program ación. T IJR N 155 E M C O , STNUMERTK 8 1 0 D # 4 0 D SIE M E N S. N úm . Ref. SP. 1815. E dición 2003-2005. C o n tro la d o r STNTJMERIK 810DAM0D SIE M E N S.
CAPÍTULO 5
TA B LA 5 s
Técnicas de manufactura automatizada
C ó d ig o s b á s ic o s p a ra p ro g ra m a c ió n C N C .
Código
Descripción
G9Ü
Definición d e laa cco-denadas absolutas.
G71
Definición d e unidades en milímetros.
GO
Movimiento rápido lineal sin corte.
G1
Interpolación linea! de mecanización.
G2/S3
Interpolación circular en sentido horario/arrtihorario.
G94
Avance en mm/min.
G9G
Velocidad d e corte oonstante encendida.
G97
Velocidad d e corte oonstante apagada.
M1
Parada program ada
M23
Bandeja recolectara de pieza hacia atrás.
M24
Bandeja recdectora de pieza hacia adelante.
M25
A brir dispositivo de sujeción.
M26
Cerrar dispositivo de sujeción.
M3/M4
Encendido del husillo en sentido horario/antihorario.
M6
Cambio d e herramental.
M8
Encendido del refrigerante.
MS
Apagado del husillo.
M71
Encendido del finjo de aire.
M72
Apagado del flujo d e are.
M17
Rn de un subprograma.
M30
Rn de un program a
'V
profundidad de corte por pasada, en mm. Tz: tolerancia de acabado en Z, en mm. Tx: tolerancia de acabado en X , en mm. tolerancia de acabado paralela al contorno, en mm. avance para cortes de desbaste cilindrico, en mm/rev. F2: avance para cortes de desbaste axial, en mm/rev. Fy avance para cortes de acabado cilindrico y axial, en mm/rev. V variante de mecanizado. Se utilizan según el proceso a realizar.
t a b l a
s .a
V a ria n te s d e m e c a n iz a d o p a ra el C Y C L E 9 5.
V*
Cilindrado/refrentado
1
Cilindrado
Exterior/interior Exterior
Mecanizado
2
Refrentado
Exterior
Desbaste
3
Cilindrado
Interior
Desbaste
4
Refrentado
Interior
Desbaste
5
Cilindrado
Exterior
Acabado
6
Refrentado
Exterior
Acabado
7
Cilindrado
Interior
Acabado Acabado
De8b3ste
8
Refrentado
Interior
Q
Cilindrado
Exterior
Ambos
10
Refrentado
Exterior
Ambos
11
Cilindrado
Interior
Ambos
12
Refrentado
Interior
Ambos
PARTE TRES
fig u r a
5 .3 0
Fundamentos da la automatización industrial
Perfil d e revolución, a ) Tra yectoria d e la g e o m etría d e un perfil d e revolución;
b) trayectoria
s e c c io n a d a d e la g e o m etría d e un perfil d e revolución.
iR = tiem po de espera para elim inación de viruta (com plem ento para estrategia d e elim inación de viruta) en segundos. L k = longitud de recorrido para eliminación de viruta (com plem ento para estra tegia de elim inación de viruta) en mm. El CYCLE95 ejecuta el desbaste cilindrico en una secuencia de pasadas y, si es necesario, realiza la operación de acabado (figura 5.30). Asim ism o, no sólo ejecuta operaciones en el exterior de la pieza, también puede ejecutar operaciones de cilin drado en interiores. Otros ciclos de maquinado son:
Ciclos de barrenado CYCLE81
Barrenado y centrado.
CYCLE82
Barrenado y avellanado.
CYCLE83
Barrenado profundo.
CYCLE84
Roscado rígido.
También existen instrucciones de alto nivel que ejecutan lógicas de programa ción para optimizar las operaciones de maquinado. Sirven para accionar algunos accesorios de máquina. Para ejemplificar la aplicación de los códigos ( i & M en com binación con el ciclo 95 se desarrolla la tarea m etodológica de planeación del proceso de manufactura para centros de maquinados de torneado y fresado, respectivamente. La m etodolo gía a considerar está basada en la acumulación de experiencia y en consideraciones de optim ización de los materiales y funcionalidad de los equipos.
5.2.5
Planeación del proceso de manufactura para centros de maquinados de torneado
Esta planeación incluye: 1. Pieza 3D y plano del producto. 2. Especificaciones técnicas del centro de maquinado, herramentales y accesorios.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
3. Sistema de sujeción, escenarios d e corte, cálculo de las dim ensiones de la m ate ria prima y plano d e la materia prima. 4. Parámetros de maquinado (rpm, avances, profundidad d e corte, etcétera). 5. Programación d e códigos ISO G & M. 6. Simulación del maquinado utilizando una herramienta de CAM. A plicación m etodológica d e planeación del proceso d e manufactura para cen tros de maquinados d e torneado. E J E M P L O 5.2
Se requiere fabricar una pieza llamada eje de presión para una bomba peristál tica, fabricada en una aleación de alum inio T6061 y de geom etría cilindrica con diseños funcionales para su aplicación. 1. Pieza 3D y plano del producto. Observe que la pieza tiene características simétricas en su geometría, lo que hace que el posidonam iento del cero absoluto sea indiferente. Para este ejemplo la muesca se ubica en el lado derecho con los valores dimensionales d e derecha a izquierda para el eje Z y con el valor del diámetro en X , además de incluir el valor del radio. El objetivo de esta forma de acotación es indicar claramente los valores de la geometría de la pieza para el programador. El siguiente punto a estudiar es el equipo que se utilizará, además de verificar las herramientas y accesorios de que dispone.
ROGO
10© 9 s 7
C&7 í 9 «.10 0 1 2
Material: Aleación 6061 Mesa: 3.511 G 13.GO 14.50 1G Escala de! ¡sorr.étrico 3:1
f ig u r a
5 .3 1
17
J8_
Plano d e la ge om etría del prod ucto en acotación absoluta.
o
PARTE TRES
Fundamentos de ia automatización industrial
2. Especificaciones técnicas del centro de maquinado, herramentales y acceso rios. S e utiliza un centro de maquinado de torneado;11 las especificaciones téc nicas son:
t a b l a
s .7
E s p e c if ic a c io n e s d e u n h u s illo c o n m o r d a z a In te r c a m b ia b le d e tr e s p u n to s d e a p e r tu r a .
Accesorio
Husillo de m ordaza intercambiable con apertura automática de tres puntos sin alimentación de barras Lcogitud de ajuste del cero pieza con respecto al cero m áquina indicado por la muesca con e! número 1. Apertura de mordezes disponibles Diámetro de sujeción = 10-14 mm Diámetro de sujeción = 18-22 mm Diámetro de sujeción = 24-28 mm Diámetro de sujeción = 30-34 mm L crgitud de sujeción de la materia prima = 30 mm
Diámetro de sujeción
Incluye punto de arrastre y punto fijo.
Para barras de longitudes mayores a 150 mm utilizar contrapunto móvil. Considere que el maquinado entre puntos está limitado por las dimensiones del punto de arrastre y el contrapunto móvil, este último con un diámetro mínimo de 3 mm. Les valores de longitud del punto d e arrastre son de referencia: deberá verificar la dimensión correcta directamente en máquina al momento de definir el cero pieza.
t a b l a
v
M
e
a
s .a
E s p e c ific a c io n e s t é c n ic a s d e l c e n tro
d e m a q u in a d o d e to r n e a d o c o n c o n tro la d o r S I E M E N S
r ; <
S in u m e rik 8 1 0 / 8 4 0 D . H
i V
I m » f c
g
i —
A J j ¡r
____________ i 1 1 1 1 1 «
Capacidad de trabajo
■ S S Ü
M M Ég
Diámetro máximo d e m aquinado (X )
75 mm
Lcogitud máxima d e m aquinado (Z)
275 mm
Disponibilidad d e eje C en el husillo
3G0B
Transmisión d e herramientas motrices
Radial y axial
Máxima velocidad longitudinal
7.5 n tfrin
Potencia
2.8 K w
RPM
150-4000
11 C en tro d e m aq u in ad o d e to rn ead o . Ficha d e especificaciones técnicas. T U R N 155 E M C O , S IN U M E RTK 810D.*K40D SIE M E N S. N úm . Ref. SP. 1815. E dición 2003-2005.
CAPÍTULO 5
t a b l a
s .a
Técnicas de manufactura automatizada
H e rra m e n ta l d e l c a rru s e l d e l c e n tro d e m a q u in a d o d e to rn e a d o . H e rra m ie n ta
Disponibilidad para herramienta motriz ccmo: brocas y cortadores reotos para barrenos radiales. Diámetro variable de 3 a 12 n rn .
Portairserto de roscado. Ancho del portainserto 12 mm.
P ortairsedo reutro. Inserto de carburo 60“ TiN. Ancho del portainserto 12 mm.
Portairserto de interiores. Diámetro d e 12 mm.
Disponibilidad para herramienta motriz como: brocas y cortadores reotos para barrenos radiales. Diámetro variable de 3 a 12 mm.
Portairserto de tronzado o ranurado d e 3 mm. Inserto de carburo TiN. Ancho del portainserto 12 mm.
Portairserto izquierdo. Inserto d 6 carburo 35° TiN. Ancho del portainserto 12 mm.
Broca recta. Diámetro variable de 3 a 12 mm.
Disponibilidad para herramienta motriz como: brocas y cortadores reotos para barrenos radiales. Diámetro variable de 3 a 12 mm.
10
Broca de centros del #1 al #5.
11
Disponibilidad para herramienta motriz, oomo brocas y cortadores rectos para barrenos radiales. Diámetro variable de 3 a 12 mm.
12
Portairserto derecho. Inserto de carburo 355 TiN. Ancho del portainserto 12 mm.
Figura
o
PARTE TRES
Fundamentos da ¡a automatización industrial
Las herramientas a utilizar estarán en referencia con la geom etría de la pieza, l’ara este ejem plo se seleccionan las herramientas núm ero 1 2 ,7 y 6, según la tabla 5.9, con un desbaste cilindrico derecho, un desbaste cilindri co izquierdo y la operación de tronzado, respectivamente (figuras 5.32,5.33 y 5.34). 3. Sistem a de sujeción, escenarios de corte, cálculo de las dim ensiones de la materia prima y plano de la materia prima.
Materia prima
fig u r a
5 .3 2
D e sb a s te cilin drico p o r el lado d e re c h o d e la m ateria prim a.
http://goo.gl/kRO
Materia prima
fig u r a
5 .3 3
D e sb a s te cilin drico p o r el lado izq u ie rd o d e la m ateria prim a.
http://goo.gl/N1E
f ig u r a
5 .3 4
Tronzado del producto (¡nal.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
http://goo.gl/ZxLqaI
fig u r a
5 .3 5
S ujeción d e la m ateria p rim a en el cen tro d e m a q u in a d o d e torne ado e n cuestión.
Para este punto se deben considerar aspectos com o material desperdicia do, rapidez del proceso y funcionalidad del mismo. A nalizando la geom etría del producto, se observa que el diámetro mayor es de 12 mm; por lo tanto, el producto se puede obtener de una barra comer cial de 12.7 mm (1/2M ) con 0.7 mm de material excedente para un valor dia metral mayor. Para este producto no aplican procesos de fundición o forjado u otros debido a los valores diametrales reducidos. Ahora, con la referencia del centro de maquinado y el diseño del produc to, el m étodo de sujeción a seleccionar es mediante un husillo con mordaza de tres puntos de accionam iento autom ático, las especificaciones técnicas de la mordaza se referencian en la tabla 5.6, la cual muestra las vistas frontal y derecha del sistema de sujeción del equipo. La sujeción es m ediante mordazas que tienen un diámetro de sujeción de 10 a 14 mm, excelente para el diámetro de la materia prima. Para este m étodo no es posible proveer el material con un m edio de ba rras de alim entación autom ática, debido a que el husillo no dispone del m e canismo, así com o tam poco cuenta con los accesorios para alimentar la barra autom áticam ente,12 por lo que la materia prima se prepara a las dim ensiones de funcionalidad del proceso (figura 5.35). Este m étodo de sujeción contribuye a un mayor desperdicio de material, ya que se agrega la cantidad que sirve para sujetar el producto y en ocasiones la zona de apertura para el ingreso de las herramientas (figura 5.36) se indica antes y después del tronzado, y las partes de desperdicio en la sección de achurado. Se considera que las secciones de tronzado y la geometría exterior de la pieza también son parte del material de desperdicio que se desprende com o viruta. (3on el planteam iento anterior se está en condiciones de obtener la di m ensión de la longitud de la materia prima a utilizar para la fabricación de la pieza. Para ello se utiliza un bosquejo a bloques de la longitud que se requiere para la fabricación óptim a del producto.
11 H usillo R Ó H M KFDW 5/538-0S. ID . 428634. R7193. H u sillo especial para centros d e m aquinado a u tom áticos, ideales p a ra aplicaciones e n sistem as d e m an u factu ra flexible d e operaciones d e desliaste d e m aterial e n o p eracio n es de to rn e a d o y alim entación co n ro b o ts industriales.
PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
http://goo.gl/T0JAdh
Á r e a d e s u je c ió n y a c c © 3 0 d e l h e r r a m e n ta l
Material desperdiciado
fig u r a
http://goo.gl/P7IsgV30
5 .3 S
0
Sistem a d e sujeción del cen tro d e m a q u in a d o d e torneado.
12
4.3
0
18 Producto
Tronzado
Apertura de material
Acceso del herramental
Distancia de seguridad
Sujeción del material
http://goo.gl/EQbt9x
fig u r a
5 .3 H
E sc e n a rio del p ro c e s o d e corte por la pa rte izq u ie rd a d e la m ateria prim a.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Los valores se obtienen de la siguiente manera: a) Producto: longitud del producto, 18 mm, que está en referencia con el pla no de la pieza. /;) Tronzado: longitud del área del tronzado,3 m m ,donde se realizará el corte de la pieza que representa el espesor de la herramienta. c) Apertura del material: longitud de acceso libre de la herramienta, 4.3 mm, en la zona de apertura en la parte izquierda de la sección cónica, que evita la colisión entre la parte posterior de la herramienta y la materia prima. E ste valor se obtiene con el siguiente procedim iento trigonométrico. Se busca que la herramienta no colisione con el material por su paite posterior. El ángulo de la herramienta es de 35D,p o r lo tanto se recom ien da que al ángulo mínimo para evitar la colisión de la herramienta con el material se le reste entre 1 y 3 grados; por ejem plo, considerando el míni m o sería de 34"; además, el corte que se obtiene es de forma cónica, con lo que se forma un triángulo rectángulo de las dim ensiones mostradas en la figura 5.38. Los datos obtenidos en la figura mencionada son: C.'ateto opuesto = 2.85 mm Ángulo de libre corte = 34” El cateto adyacente es tan 34" = ^
= 4.225 ~ 4.3 mm
d ) A cceso del herramental: espesor de la herramienta, 12 mm , en la parte izquierda para evitar la colisión entre las mordazas y la parte posterior de la herramienta. e) Distancia de seguridad: valor que evita el contacto mínimo entre las mor dazas y el herramental, 3 mm; sirve para evitar rozamiento o contacto. / ) Sujeción del material: zona de agarre de la materia prima con las morda zas, 30 mm. Por lo tanto, el plano de la materia prima es el siguiente:
http://goo.gl/CIIrQP
Material: Aleación 6061 Masa: 24.Q4G gramos
Escala del isomètrico
1:1
+ 0.02
70.300 fig u r a
5 .3 8
0
P la n o d e la m ala ria p rim a p a ra la fab ricación d e la b o m b a peristáltica.
PARTE TRES
Fundamentos de la automatización industrial
Observe que las dim ensiones exigen un valor de tolerancia en longitud y diámetro, lo que ayuda en el ajaste del cero pieza y la exactitud dim ensional con que se fabricará la pieza. 4. Parámetros de maquinado (rpm, avances, profundidades de cortes, etcétera). Para el valor de Af se consideran los valores de la tabla 5.3, por lo que se tiene: N = 1200 rpm N se empleará durante todo el proceso de maquinado; es im portante m en cionar que el valor cambia constantem ente, y que este cam bio se basa en los diám etros que están variando. El avance a utilizar tiene algunas variantes, sobre tod o porque se utilizará un ciclo de maquinado, el cual incluye tres valores del mism o y en segundo térm ino por la operación de tronzado que el proceso requiere. Utilizando los valores de la tabla 5.3 se tiene: / j = 0 .2
mm/rev
f2 = 0.1 mm/rev f3 = 0.067 mm/rev Considere que f 2 es un m ovim iento radial/axial,que bien se puede utilizar com o la velocidad de avance en las operaciones de ranurado o tronzado. Ahora ya se puede pasar al proceso de generación del programa N G 5. Programación ( i & M en conjunto con el ciclo 95. La estructura de programación utilizada tiene sus bases en un estilo a través de bloques, es decir, utiliza un programa principal (M PF),13 el cual se encarga de especificar las unidades, las referencias del material; com o el cero pieza y el diám etro inicial, e inclaso involucra el herramental; acciona los dis positivos del centro de maquinado, giro del husillo, encendido del refrigeran te, entre otros Por últim o, ejecuta los subprogramas (SPF)W de la geom etría de la pieza por m edio del ciclo 95. La estructura del programa es:
C ó d ig o G & M en com binación con el ciclo 95. SIN U M ER IK 840D SIE M E N S Programa principal Instrucción G 71
Descripción Definición d e u n id ad e s en milímetros.
G 90
Definición d e coo rd en ad as absolutas.
T R A N S Z 10 2 .8 7 3
D efinición del cero p e z a . E s la sum a d e 3 2 .5 7 3 + 70 .3 = 10 2.8 7 3.
M 6 T 12 D 1
Cam bio d e la herram ienta con definición d e la com pensación de la m ism a D 1.
M8
Encen dido del refrigerante.
M4 S 1 2 0 0
Encen dido del husillo en sentido arrtihoraho y e specificació n de las rpm.
15 M PF: M aste r P rogram File. u SPF: Subprogram File.
CAPÍTULO 5
G O Z1
Técnicas de manufactura automatizada
Acercam iento en el e je Z c o n movimiento lineal.
G 0 X 12 .7
Acercam iento en el e je X c o n movimiento lineal.
C Y C L E â 5 (’ S U B D E R \ 1 .0 .1 .0 .1 .0 .1 .0 .2 , 0 .1.0 .0 8 7,9 .1.3)
Definición de los parám etros del c ic lo 95.
GO XGO
C o o rde nad as d 6 seguridad p ara retirar la herramienta d e la zo na de trabajo con movimiento lineal en el eje X.
GO ZGO
C c o rd e n a d a s d 6 seguridad p ara retirar la herramienta d e la zo na de trabajo con movimiento lineal en el eje Z.
M5
A p a g a d o del husillo.
M9
A p a g a d o del refrigerante.
M6 T 7 D 1
C am b io de la herramienta con definición d e la com pensación d e la misma.
M4 S 12 C 0
Encen dido d e! husillo en sentido antihorario y especificación d e las rpm.
M8
Encen dido d e! refrigerante.
GO Z -2 6 .3
Acercam iento en el e je Z en movimiento lineal independiente.
G 0 X 12 .7
Definición del diámetro del material en el eje X con movimiento lineal independiente.
C Y C L E 9 G (‘ SU B_ IZ O '. 3 .0 .1 .0 .1 .0 .1, 0 .2.0 .1.0 .0 6 7.9 ,1.3)
Definición de los parám etros del c ic lo 95.
GO XGO
C o o rdenad a d e aeguridad para retirar la herram ienta de la zona d e trabajo en movimiento lineal independiante en el eje X.
GO ZGO
C o o rdenad a d e aeguridad para retirar la herram ienta de la zona d e trabajo en movimiento lineal independiante del eje Z
MG
A p a g a d o del husillo.
M9
A p a g a d o del refrigerante.
M6 T 6 D 1
C am b io de la herramienta con definición d e la com pensación d e la misma.
M4 S 12 C 0
Encen dido d el husillo en sentido antiboraño y e specificació n d e las rpm. a d e m á s del ajuste de laB revoluciones respecto del cam b io d e diámetro.
M8
Encen dido de! refrigerante.
GO Z -1 8
Acercam iento en el eje Z en movimiento lineal independiente.
GO X8
Definición del diámetro del material en el eje X con movimiento lineal independiente.
M24
Encen dido d e la charola racolectcra d e pieza s term inadas.
G 1 X 0 F 0 .1
O peració n d e tronzado utilizando G 1 con velo cidad d e corte e specificad a.
GO XGO
C o o rdenad a d e se gu rid ad para retirar la herram ienta de la z c n a d e trabajo en movimiento lineal independiente en el eje X
GO ZGO
C o o rdenad a d e se gu rid ad para retirar la herramienta d e la zo na de trabajo en movimiento lineal independiente del eje Z
M30
R n de! program a principal, el cual c a n c e la todas las operaciones.
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
Los subprogramas de la geom etría del producto quedan com o sigue:
S U B -D E R (subprogram a derecho) C ódigo G1
X 0
Z
Radio
0
-
PoB ciccam iento
D escripción
G1
7
0
-
R afrentado
G1
9
-1
-
Chaflán
G1
9
- 4 .5
-
Cilindridad
G1
10
-5
-
Chaflán
G1
10
-1 3 .5
-
Cilindridad
G1
12
-1 3 .5
-
R6frentado
G1
12
-1 4 .5
-
Cilindridad
G1
12.7
-1 8
-
Retirada d e la herram ienta con respecto al diámetro del material.
M 17
R n del su bp rogram a
S U B -IZ Q (subprog'am a izquierdo) C ódigo
X
Z
Radio
-2 5 .3
-
Posiconam ieoto
D escripción
G1
12.7
G1
7
-2 1
-
C o n icid a d
G1
7
-1 8
-
Cilind rid ad
G1
9
-1 7
-
Chaflán
G1
9
-1 5
-
Cilind rid ad
G3
10
-1 4 .5
0.5
G1
12
-1 4 .5
-
G1
12
-1 3 .5
—
G1
12.7
M17
R n del subprogram a.
-1 0
F ia d o en sentido antihorario Refrentatio Cilind rid ad Retirada d e la herram ienta con respecto ai diámetro del material.
Ésta es la estructura que se captura en el sistem a del centro de maquina do de torneado, el cual tiene la capacidad de simular la secuencia programada y verificar los recorridos de las herramientas (figura 5.36). Por últim o se ejecuta el programa y se obtiene el producto deseado. Otra opción de programación es un m étodo basado en un controlador FA N U C , en específico un centro de maquinado de torneado D.VlCi 720 con control DataPilot 4290 V71 (6413944)1). La programación en códigos ISO ( i & M es muy similar pero con estructura diferente. 6. Programación O & M para controlador F A N U C DataPilot 4290 V 7 1. para un centro de maquinado de torneado H E ID L N H A IN . La programación en este tipo de controlador requiere bloques que defi nen diferentes actividades, antes de esto se requiere de información general del proceso de manufactura com o sistem a de unidades, fecha de elaboración, quién lo elaboró, nombre de la pieza, número de plano, material de la piez^t a fabricar, etcétera.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
A continuación se pasa al manejo d e los siguientes bloques. Bloque 1: Carru se l portaherram ientas. Defina la lista d e las herram ientas a utilizar T 12
Herram ienta d e re c h a
T 7
Herram ienta izquierda.
B o q u e 2: D im ensiones d e la materia p rim a E sp e cificació n del diámetro y longitud de la materia prim a Línea
Herram ienta d e ranurado y/o tronzado.
T 6
Código
N 10
X
G 20
Z
1 2 .7
10 2.8 73
Bloque 3: Definición d e la geom etría de la pieza Linea
Código
X
Z
R
Línea
Código
X
Z
R
N20
GO
0
0
-
N80
G1
12
-1 3 .5
-
N30
G1
7
0
-
N90
G1
12
-1 4 .5
-
N40
G1
9
-1
-
N10Ü
G1
10
-1 4 .5
-
N5Q
G1
9
-4 .5
-
N 110
G3
9
-1 5
0.5
NGO
G1
10
-5
-
N 12 0
G1
9
-1 7
-
N70
G1
10
-1 3 .5
-
N 13 0
G1
7
-1 8
-
BSoque 4: Representa la se c u e n cia lóg ica de m aquinado Linea
Código
Descripción
N 17 0
G 14 0 1
Mueve la herram ienta a la z o n a de segurid ad.
N 18 0
T 12
E sp e c ific a la herram ienta a se le ccio nar; en este ca so , la herramienta derecha.
N 19D
G 9 5 F0.2
E sp e c ific a e l a v a n c e d e la herramienta p ara d esbasta.
N20D
G 9 6 S 12 O 0
E sp e c ific a las revoluciones d e corte p ara la pieza a fabricar.
N 2 10
G 0 X 12 .7 Z 1
Punto d e in icio de una se cu en cia; en este ca so , el d esb aste derecho con movimiento interpolado.
N 220
M4
E n c e n d d o del husillo en sentido antihorario.
N 230
G 8 1 0 N S 3 0 NE90 P1
E jecuta un ciclo d e d esb aste d 6 la linea 30 a la 93 con profundidad d e corte d e 1 rnm. El código G 8 10 sólo e s operación d e desbaste, s e requerirá agregar una operación d e acab ad o co n la m ism a geom etría
N 240
G 1 4 Q 1 T7
Mueve la herram ienta a la zo na d e se gu rid ad y e sp e cifica la herram ienta a se le ccio n a n en este ca so , la herram ienta izquierda.
N 250
G 9 5 F0.2
E sp e c ific a el a v a n c e d e la herramienta para desbaste.
N 260
G 9 6 S 120 0
E sp e c ific a las revoluciones d e corte p ara la pieza a fabricar.
N 270
G 0 Z -2G .3
Punto d e in icio de una se cu en cia: en este ca so , el d esb aste izquierdo con movimiento lineal.
N280
G 0 X 12 .7
Punto d e in icio de una se cu en cia: en este ca so , el d esb aste derecho con movimiento lineal.
N29Q
M4
N300
G 8 1 0 N S 1 3 0 N E90 P1
E jecuta un ciclo d e d esb aste d e la línea 13 0 a la 90 con profundidad d e corte d e 1 mm. El código G 8 10 sólo e s operación d e desbaste, s e requerirá agregar una operación d e acab ad o co n la m ism a geometría.
N 3 10
G 1 4 Q 1 T6
Mueve la herram ienta a la zo na d e segu nd ad y e sp e cifica 'a herram ienta a seleccionar; en este ca so , la herramienta d e tronzado.
N 320
G 9 5 F 0 .1
E sp e cifica el a v a n c e d e la herramienta para corte axiaJ.
N 340
G 9 6 S 12 0 0
E sp e cifica la s revoluciones d a corte p ara la p ie za a fabricar.
N350
G 0 Z -2 1
Punto d e in icio de u na se cu en cia; en este ca so , el desbaste izquierdo con movimiento lineal.
N360
G 1 X0
Se m ueve la herram ienta perpendicular a la pieza hasta llegar a X 0 efectuando el tronzado de la pieza.
N 370
G 0 X 12 .7
Se retira la herram ienta lineal mente h a c ia arriba.
N 320
M 30 N S 17 0
Fin de un program a y lo envía a la Ifnea 17 0 p ara volver a ejecutarlo d e sd e 6se punto.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Esta secuencia se ingresa a través del panel del controlador y con funcio nes de sim ulación el usuario puede visualizar el resultado. Existen más alternativas de programación que dependen de los contro ladores de cada equipo; sin embargo, el concepto es el mismo, de manera que el programador podría interpretar fácilm ente la secuencia y funcionam iento d e cada equipo. 7. Simulación del maquinado utilizando una herramienta de CAM.
F IG URA 5 . 4 0
S im ulación e n C A M .
E J E M P L O 5.3
Se requiere fabricar una pieza llamada pom o para escalera, fabricada en aluminio 6061 y de geom etría cilindrica con diseños ergonóm icos para su aplicación. 1. Pieza 3D y plano del producto. R 7 .1 4 7
fig u r a
6 .4 1
P la n o d e la g e o m e tría d e l p ro d u c to e n a c o ta c ió n a b s o lu ta
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Por su geom etría, la pieza hace que el posicionam iento del cero absoluto se encuentre en el diám etro más pequeño de la pieza. Para este ejem plo la muesca se ubica en el lado derecho con los valores dim ensionales de derecha a izquierda para el eje Z y con el valor del diámetro en X , además de incluir los valores de radio. El siguiente punto a estudiar es el equipo q ue se utilizará, además de verificar las herramientas y accesorios de que dispone. 2. Especificaciones técnicas del centro de maquinado, herramentales y acceso rios Se utiliza un centro de maquinado de torneado H A A S SL-10; las especi ficaciones técnicas son:
t a b l a
5 .1 0
E s p e c ific a c io n e s d e u n h usillo c o n m o r d a z a in te rc a m b ia b le
d e tre s p u n to s d e a p e rtu ra v a ria b le . H u s illo del to m o H A A S S L-10
Husillo de mordaza intercambiable con apertura automática de tres puntos sin alimentación d e barras. A pertura de m o rd a za s d is p o n ib le s
Diámetro de sujeción = 25.4 mm. Longitud de sujeción d e la materia prim a = 35 mm. Induye punto fijo. Para barras de longitudes m ayores a 150 mm utilizar contrapunto móvil: considerar que e! diámetro sea igual o mayor a 4 mm.
ta b la
5 .1 1
E s p e c ific a c io n e s té c n ic a s d e l c e n tro d e m a q u in a d o
d e to rn e a d o c o n u n c o n tro la d o r FANUC. Capacidad de trabajo Diámetro máximo de maquinado (X)
150
Longitud máxima de maquinado (Z)
450
Disponibilidad de eje C e n el husillo
Sin eje C
Transmisión d 6 herramientas motrices
No disponible
Máxima velocidad longitudinal
10 m/min
Potencia
4 Kw
rpm
10C00rpm
Las herramientas a utilizar estarán en referencia con la geom etría de la pieza. 3. Sistem a de sujeción, escenarios de corte, cálculo de las dim ensiones de la ma teria prima y plano de la materia prima. Para este ejem plo se seleccionan las herramientas X y Z , según la tabla 5.12. con un desbaste cilindrico derecho y la operación de tronzado, respecti vam ente (figura 5.42).
PARTE TRES
Fundamentos de ia automatización industrial
t a b l a
5 .ie
H e rra m e n ta l d e l c a rru s e l d e l c e n tro d e m a q u in a d o
d e to rn e a d o . #
Herram ienta
Portainserto de tronzado o ranurado de 3 mm. Inserto d e carburo TiN. Ancho del portainserto 20 mm. Portainserto derecho. Inserto d e carburo TiN de 35°. Ancho de! portainserto 20 mm.
Figura
r
A
Para este punto se deben considerar aspectos com o material desperdicia do, rapidez del proceso y funcionalidad del mismo. A nalizando la geometría del producto se observa que el diámetro mayor es de 24 mm, por lo tanto, el producto se puede obtener de una barra com er cial de 25.4 mm (1M ) con 1.4 mm de material en exceso para el valor diametral mayor. Para este producto no aplican procesos de fundición o forjado u otros debido a los valores diametrales reducidos. Ahora, con la referencia del centro de maquinado y el diseño del produc to, se tiene que el m étodo de sujeción a seleccionar es m ediante un husillo con mordaza de tres puntos de accionam iento automático. La sujeción es por mordazas que tienen un diámetro de sujeción de 25.4 mm, la cual es excelente para el diámetro de la materia prima. Para este m étodo no se provee el material con un m edio de barras de alim entación autom ática debido a que el husillo no dispone del m ecanism o,y tam poco cuenta con los accesorios para alimentar autom áticam ente la barra, por lo que la materia prima se prepara a las dim ensiones de funcionalidad del proceso (figura 5.43). Este m étodo de sujeción contribuye a un mayor desperdicio de material, debido a que se agrega la cantidad que sirve para sujetar el producto (figura 5.44), se indica antes y después del tronzado,y las partes de desperdicio en la sección de achurado.
http://goo.gl/C7MOuc
f ig u r a
B .* » a
E sc e n a rio d e las herram ientas en c ilin d ra d o y tronzad o.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Materia prima
f ig u r a
6 .4 3
S ujeción d e la m ateria p rim a en el cen tro d e m aquinado d e torneado e n cuestión.
Se considera que las secciones de tronzado y la geom etría exterior de la pieza también son parte del material de desperdicio que se desprende com o viruta. Con el planteam iento anterior se está en condiciones de obtener la di m ensión de la longitud de la materia prima a utilizar para la fabricación de la pieza. Para ello se utiliza un bosquejo a bloques d e la longitud que se requiere para la fabricación óptim a del producto.
http://goo.gl/0j7vYN
f ig u r a
5 .4 4
A nálisis del p rocoso d o corte y a p rovech am ie nto del material.
Los valores se obtienen de la siguiente manera: Producto: longitud del producto, 28 m m ,que está en referencia con el plano de la pieza. '¡'ronzado: longitud del área de tronzado, 3 mm, donde se realizará el corte de la pieza, que representa el espesor de la herramienta. Herramienta: longitud de la dim ensión del portainserto;20 mm.
o
PARTE TRES
Fundamentes de fc¡ automatización industrial
0
http://goo.gl/DlpsoV 35
20
28 Producto Tronzado Herramienta Distancia de seguridad Sujeción del material
f ig u r a
B .4 E
B osqu ejo a b loq ues d e la de term in ación d e la longitud de la m ateria prim a.
D istancia d e seguridad: valor que evita el contacto mínimo entre las mordazas y el herramental, 3 mm; sirve para evitar rozam iento o contacto. Sujeción d el material: zona de agarre de la materia prima con las mordazas, 35 mm. Por lo tanto, el plano de la materia prima es el siguiente:
Material: Aleación 60S1
f ig u r a
b
.«
b
Plano d e la m a la ria p rim a p a ra la fa b rica ció n d e l pom o pa ra escalera.
Observe que las dim ensiones exigen un valor de tolerancia en longitud y diámetro, lo que ayuda en el ajuste del cero pieza y la exactitud dimensional con que se fabricará la pieza. 4. Parámetros de maquinado (rpm, avances, profundidad de corte, etcétera). Para obtener el valor de jV se utiliza la ecuación 5.1; para esta pieza se utilizará una Vc de 150 ni'mm, por lo que resulta: \< =
mm/m * 1M) m m /m ) = 1879 782 rpm *= 1880 rpm ir * 2ó.4 mm 1 1
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Y para el avance a utilizar se considera una Va de 0.0001 mm/min, esto es:
j\ = 0.0001
mm/min
* 221.751
rpm = 0.187 mm/rev
Ya con todo esto se puede pasar al proceso de generación del programa N C Programación de códigos ISO Ci & VI. La estructura del programa es:
Código Q & M en com binación con un c entrotador FANUC Programa principal Instrucción
Descripción
COD303
Nombre del programa.
G21 G99
mm y definición del 3¡stema de coordenadas.
G28
Envía la torreta portaherramientas al punto d e cero máquina.
T707
Cambio de herramental.
G54
Definición del cero pieza ccn respecto a la herramienta
M04S1800
Encendido del husillo y definición de !3S revoluciones.
G0DZ1
Pcsicionamiento linea) en e! e e Z
G0DX26
Pceicionamiento lineal en el e e X
M08
Encendido del refrigerante.
G72P1 0 2 U 0 W0 D 1. F0.093
Ciclo de corte de refractado.
N1 G01 ZO
Línea 1 con movimiento con certe en el e e Z
N2 G01 XO
Línea 2 con movimiento con certe en el e e X.
G01 X26. Z0. F0.2
Corte en movimiento en el eje X para refractado con avance de 0.2 mm/rev.
G71 P 3 Q 4 U 0 W 0 O 1 F0.187
Ciclo de corte de cilindrado de desbaste.
N3 G01 XO. Z0
Línea 3 con movimiento con corte en el e e X y Z para pcsicionamiento d e inicio de la secuencia.
G01 X4. Z0
Secuencia de la geometría a cortar.
G 03 X 6 .Z -1 .R 1 .5
Secuencia de la geometría a cortar.
G01 X6. Z-2.5
Secuencia de la geometría a cortar.
G02 X 13.018 Z-8.652 R7.147
Secuencia de la geometría a cortar.
G03 X14. Z -1 1.552 R1.5
Secuencia de la geometría a cortar.
G01 X14. Z -1 1.552
Secuencia de la geometría a cortar.
G03 X13.55G Z-12.18 R1.5
Secuencia de la geometría a cortar.
G02 X 13.595 Z-22.261 R3
Secuencia de la geometría a cortar.
G03 X14.032 Z-22.78 R1.5
Secuencia de la geometría a cortar.
G02 X19. Z-25. R2.5
Secuencia de la geometría a cortar.
G01 X22. Z-2G
Secuencia de la geom etra a cortar.
G03 X 24.Z-26. R1.5
Secuencia de la geom etra a cortar.
G01 X24. Z-28
Secuencia de la geometría a cortar.
G01 X24. Z-31
Secuencia de la geometría a cortar.
N4 G01 X26
Línea 4 con movimiento con corte en el e e X para po3icionam¡ento del fin ce la secuencia.
G70 P3 0 4 F0.055
Ciclo de corte de cilindrado de acabado.
GCO XGO
Movimiento rápido d e salida de material en el eje X.
GCOZO
Movimiento rápido d e salida de material en el eje Z.
G28
Envía la torreta portaherramientas al punto d e cero máquina.
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
Instrucción T50G
Descripción Cambio d e herramental.
G5G
Definición del cero pieza con respecto a la herramienta.
GOO Z - 28
PoBicicramiento rápido de la herramienta de tronzado en al eje Z
G00 X27
Posicicram iento rápido de la herramienta de tronzado en al aje X.
G01 X0 F0.0GG
Operación da tronzado.
GOO X50. Z-28
Salida de la zena del tronzado.
GOO Z0
Salida de la zena del tronzado.
GOOX50
Movimiento rápido de salida da material en al aje X.
G28
Envía la torreta portaherramientas al punto de cero máquina.
M30
Fin del program a
Esta secuencia se ingresa a través del panel del controlador y con funciones de simulación el usuario puede visualizar el resultado. Existen más alternativas de programación que dependen de los controladores de cada equipo; sin embargo, el concepto es el mismo, de manera que el programa dor podría interpretar fácilm ente la secuencia y funcionam iento de cada equipo.
5.2.6
C á lcu lo de re q u e rim ie n to s de m aterial
Por últim o, es im portante conocer el factor de consum o de los m ateriales que se uti lizan en el proceso de maquinado de las diferentes geometrías. En referencia con el ejem plo 5.2, se tiene la orden de producción del lote de 150 000 piezas y se necesita saber cuál es la cantidad de barras de alum inio que se deben solicitar al proveedor para cumplir con la producción. La barra de alum inio tiene las siguientes dim en siones: 0 25.4 mm (1" valor com ercial) y longitud de 3 m C ada pieza se d ebe preparar con una longitud de 89 m m ,com o lo indica el plano de materia prima, por lo tanto se corta un bloque de 90 mm para dejar 0.5 mm de refrentado por cada lado, y la herramienta de corte de la barra tiene un espesor de 2 mm, donde la longitud de cada “tocho1’15 es de 92 mm. El factor de consum o es:
¿ = p ó o k ) = a o 3 '1 Con esto se tiene que se requieren: Cantidad requerida = f c * orden de producción = 0.024 * 150000 = 4600 barras O btenga el factor de consum o utilizando el volum en de la materia prima reque rida, porque en muchas ocasiones los materiales se manejan por la masa correspon diente. Observe que el valor es el mismo.
MTocho es un término con el que se denomina al pedazo de material que se utilizará como materia prima para la obtención de la pieza.
CAPÍTULO 5
fig u ra
5 .4
7
Técnicas de manufactura automatizada
P rep aración d e m ateria p rim a p a ra a p lic a c io n e s d e torne ado .
Es importante comentar que los m étodos de sujeción y maquinado dependen de la disponibilidad de accesorios en cada máquina, es recom endable hacer ciertas ade cuaciones a los equipos para disminuir el gasto en materiales, tiem po de maquinado y desgaste de las herramientas.
Manufactura asistida por computadora (CAM) La C AM surge de la necesidad de lograr flexibilidad en el diseño, manufactura y facilidad de la programación de máquinas herramienta de control numérico computarizado donde intervienen tres ejes o más; esto significa que la lógica de programa ción requiere un análisis más detallado y minucioso de las coordenadas. La utilización de centros de maquinado de fresado contribuye a fabricar piezas de diseños com plejos, donde se requieren ajustes de tolerancia y excelentes acaba dos superficiales (figura 5.48). El proceso de fabricación de estas piezas requiere la planeación de la manufac tura y de buenas prácticas en planta, es decir, el m antenim iento y conservación de los equipos y accesorios. Se puede decir que para operaciones de tres ejes en la cara plana de una pieza la programación será similar a la de un centro de maquinado de torneado y se re querirá un plano con las características de dim ensionam iento absoluto (figura 5.49). Sin embargo, este tipo de programación está limitado y actualmente se requiere una gran variedad en el diseño de los productos, com o integración de superficies, acabados especiales; por lo general son piezas de geom etrías diversas y complejas que sólo una C AM podría crear. En general es una técnica que facilita el proceso de programación de centros de maquinado para torneado, fresado, corte por hilo, corte por láser, doblez de lámina y más equipos. En específico es un software avanzado que permite diseñar, planear, programar y simular virtualm ente el proceso de manufactura de una pieza con g e o metría diversa y que, integrado a un centro de maquinado de fresado, podría lograr la manufacturabilidad de cualquier diseño (figuras 5.50 a 5.53).
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Construcción de herramientas y moldes
8otella de P E I //superfide abollonada
Automotriz
C u be rta del votante // estructura alveolar
Estilo de vida f ig u r a
E .4 8
Suela de zapatos // estructura escamada
A p lic a c io n e s d e m an ufactura a v a n z a d a en cen tros d e m a q u in a d o d e fresado d e tres o m á s e je s .16
Pero la C AM por sí sola no puede cumplir su com etido, requiere el apoyo de C A D y CAE. E l primero por el diseño 3D de la pieza y la segunda por el análisis funcional, por lo que se convierte en un ciclo llamado CAD/CA.VI/CAE. La CAM recibe la pieza con todas sus características geométricas: coordenadas del origen, líneas del m odelo, superficies de forma, material y elem entos de funcionalidad del diseño. La programación de estas aplicaciones requiere un gran conocim iento del área de manufactura; es decir, contar con experiencia en el maquinado de diversas piezas que varían en material, form a y precisión. Para el desarrollo del proceso existen dos vías: la primera consiste en trabajar de form a independiente; es decir, utilizar dos herramientas de software para com pletar el ciclo C A D /C A M ,q u e por lo común ocurre cuando un proveedor externo es el encargado de manufacturar la pieza, quien sólo recibe el archivo de C A D con la extensión correspondiente para la C AM a utilizar, o bien, usar un software de propósito específico de CAVI (tabla 5.13). La segunda alternativa es em plear un solo software integrado C A D /C A M don de el diseño de la pieza está siempre ligado a la manufactura, por lo que las actua* Tornado del folleto informativo de D M G / M O R I S E I K I . Journal 01. edición 2011. D M G / M O R I S E T K I. México.
CAPÍTULO 5
Eje X
fig u r a
5 .5 0
Técnicas de manufactura automatizada
http://goo.gl/XKL56W
D is e ñ o y m a q u in a d o d e u n a c a ja p a ra transm isión d e po te n cia c o n en gran es.
o
PARTE TRES
Fundamentes da la autoenatizaci&n industrial
http://goo.gl/vpr
fig u r a
B .B 1
D is e ñ o y m a q u in a d o d e un a c a ja p a ra transm isión d e po te ncia c o n en gran es.
http://goo.gl/lPtx http://goo.gl/RRWP6x
fig u r a
B .B 3
D is e ñ o y m a q u in a d o d e p ie z a s diversas.
CAPÍTULO 5
6 .1 3
t a b l a
F o rm a to s d o e x te n s io n e s u tiliza d a s p a r a e l p r o c e s o C A D / C A M .
A p lic a c io n e s de C A D Solidv/orks
E xten sión I .prtslcf
NX
.prt
Inventor
.¡pt
t a b l a
5 .1 4
Técnicas de manufactura automatizada
A p lic a c ió n C A M
E xtensión
ESPR IT SURFCAM S M A R TC A M C A M W C flK S
Parascl¡d.xt IG ES .igs
A p lic a c io n e s in te g ra le s d e C A D / C A M / C A E . A p lic a c io n e s de CA D /CA M PrcEngineer WX C A TIA
lizaciones del m odelo son inm ediatas o d e mínimas correcciones, además de poder aplicar un análisis cuantitativo en su funcionalidad (tabla 5.14). A plicaciones de fresado d e tres o más ejes. Las im ágenes son d e Journal D M G / M ORI SE1K.I. Núm. 0 1 .2 0 1 2 .Todas las tenencias e innovaciones 2012, además de las aplicaciones propias y los manuales d e herramientas ISCAR. La cooperación fortalece la innovación. La C AM genera el programa de maquinado en códigos ISO G «Si M en forma digital; es decir, la parte de CAM consiste en crear operaciones de maquinado en forma tridimensional, teniendo com o límites la forma d e la pieza, las herramientas disponibles y la capacidad del centro d e maquinado a utilizar. El programador debe establecer una serie d e pasos de maquinado, los cuales se desarrollan teniendo presente la experiencia del programador en el maquinado de piezas. Si se carece de ella no es posible realizar la operación, que aparentem ente es muy sen cilla pero encierra en sí misma un profundo conocim iento d e los paráme tros de maquinado, materiales, desgaste de la herramienta y del centro d e maquina do. Entre las operaciones a realizar se encuentran: ■ ■ ■ ■ ■ ■
Planeado. Contorneado. Barrenado. Cavidades. D esbastes en 3D. A cabados en 3D.
Para demostrar la funcionalidad del proceso C AM se plantean algunos ejem plos con una base m etodológica com o la que se utilizó en el proceso d e torneado, varian do únicam ente en la obtención de la programación d e códigos ISO G & .VI, la cual se realizará em pleando herramientas tecnológicas.
5.3.1
Planeación del proceso de manufactura para centros de maquinados de fresado
1. D iseño de la pieza en 3D y/o plano de la pieza. 2. Especificaciones técnicas del centro de maquinado, herramentales y accesorios. 3. Sistem a de sujeción, operaciones de corte, cálculo de las dim ensiones d e la ma teria prima y plano d e la materia prima.
PARTE TRES
Fundamentes da la automatización industrial
4. Parámetros de maquinado (rpm, avances, profundidad de corte, etcétera). 5. Programación y simulación CAM.
http://goo.gl/oUYFIZ
Escala dal isomètrico
1:1
Esp esor 12
Material: 1023 Chapa de acero al carbono (SS| M asa: 364.974 grarr.os
L_________________________ 90. f ig u r a
5 .B 4
Plano d e la p ie z a en acotación C N C in c lu ye n d o la p ie z a en 3D .
EJEMPLO 5 .4 1.
B loque barrenado de acero herramental D 2
D iseño de la pieza 3D y especificaciones dimensionales. La interpretación del dibujo y del plano de la pieza indica que las di m ensiones del bloque son 90 x 45 mm y requiere el maquinado de varios barrenos sim ples en cuatro dim ensiones colocados en diferentes posiciones. El bloque se recibe con excelentes características de planicidad en todas sus caras. Con esta información se pasa al siguiente punto.
t a b l a
B .1 B
E a p e tif ¡c a d e n e a técnicas del cen tro d e m a q u in a d o d e fresado.
C entro de m aquinado d e fresado CENTROID M400 VIWA
Î -. Hy sm
V ebcida d
B an cad a X, Y. Z y A
SODO rpm
X
Potencia
400 300 290
5 Kw Repetitibilidad
A
0.C01 mm
C a rg a de ¡a m esa
Exactitud
130 kg
0.CO2 mm
A va nce máximo
3601
Carrusel
1200 rrm/min
10 posiciones
Sistema de enfriamiento
CAPÍTULO 5
fig u r a
Técnicas de manufactura automatizada
A rre g lo d e herram ientas d e diversas geom etrías.
5 .6 5
2. Especificaciones técnicas del centro d e maquinado, herramentales y acceso rios El equipo a utilizar es un centro de maquinado de fresado d e cuatro e je s Las herramientas pueden variar dependiendo de las operaciones de ma quinado a realizar; se recomienda que se preparen bloques de herramientas para lograr mayor número d e operaciones, bascando en todo m om ento la flexibilidad en el proceso (figura 5.55 y tabla 5.16). ta b la
6. i B
Lista d e c a rru se l portaherram ientas del cen tro d e m a q u in a d o .
D escripción Palpador de ajuste del cero pieza X, Y y Z.
Im agen
I I
D escripción Cortador de corona para cparscicr.es de planeado.
D im ensiones
D im ensiones
0 10 mm.
0 76 mm, 7 f os. Material
M aterial
I
Acero herramental.
Inserto de carburo TiN.
Cortador recto para o p e ra d o re s de contorneado y cavidades.
Cortador recto para o p e ra d o re s de contorneado y cavidades.
D im ensiones 0 12 mm. 4 fitas.
D im ensiones 0 10 mm, 4 fitas.
Materia!
Materia!
Carburo sólido eco recubrimiento de TiN.
Carburo sólido con recubrimiento de TiN.
Cortador de bola.
Broca recta
Dimensiones 0 6 mm, 4 fitas.
D im ensiones 0 6 mm,
1 fita. Materia!
Materia! Carburo sólido con recubrimiento de TiN.
HSS.
Imagen
o
PARTE TRES
D e s c r ip c ió n
Fundamentos de la automatización industrial
D escripción
Im a g e n
Cortador recto.
Im a g e n
Cortador para chaflanes.
D im ensiones
D im ensiones
0 12 mm,
0 4 mm x 45“ , 4 fitas.
4 fitas.
Materai
M aterial
1
Carburo sólido con recubrimiento de TiN.
HSS.
Broca de centros.
Cortador recto.
D im ensiones
D im ensiones
# 3 (2.78 mm). 1 fita.
0 6 mm. 4 fitas.
Materai
Materai
HSS.
Carburo sólido con recubrimiento de T N.
Estas herramientas se colocan en el carrusel de la máquina: su acom odo depende de la manufactura a realizar. Hay una gran diversidad en el diseño de herramientas: geom etría, m ate riales, sistema de sujeción, enfriamiento, etcétera (figura 5.56).
fig u r a
5.s e
H erram ientas d e d ive rsa s g eom etrías.17
17 Tomado de SANDVTK C O R O M A N T: Nueva C oroD ritl 870. No sólo es diferente, es superior.
CAPÍTULO 5
B .1 7
t a b l a
Técnicas de manufactura automatizada
Lista del carruse l portaherram ientas de! cen tro d e m a q u in a d o p a ra la fab ricación del blo q u e
d e ba rre na do .
D escripción
Ilustración
Palpador de 3juste del cero pieza X, Y y Z.
D escripción Broca de centros. Di'meosvanss
D im ecsio ea s 0 10 mm. Material Acero herraTsntal.
I
Breca recta.
# 2 (1 .9 8 mm). 1 fita.
M ate'ial HSS. Breca recta.
D im ensiones
D im ensiones
0 3.6 mm. 1 filo.
0 4.8 mm. 1 filo .
Material
M ate'ial
HSS.
HSS.
Breca recta.
Breca recta
D im ensiones
D im ensiones
0 3.1 mm 1 filo.
0 7 mm 1 filo .
Mate^l
Material
HSS.
HSS.
Sin embargo, para la pieza en cuestión se tendría que utilizar un arreglo de herramientas com o en la tabla 5.17. O bserve que la tabla muestra una broca de centros del »2, equivalente a: Broca de centros #2 = 1.98 mm Consideración d e relación . * 7 mm = 1.75 mm 4 Y que según las tablas18 la broca d e centros «2 se aproxima al valor de la broca en cuestión. Esta misma consideración19 funciona para las demás herramientas, pues en ocasiones en un proceso d e maquinado d e barrenado se utiliza la misma herramienta. Estas herramientas se deben registrar y calibrar en el centro de maqui nado en cuanto a su dim ensión y com pensación de altura entre el palpador. Cada equipo tiene su propio sistema d e calibración de herramientas, que pue de variar en algún parámetro d e ejecución, pero el concepto es el mismo. Las herramientas se han seleccionado con base en los requerimientos del producto y quedan las siguientes operaciones:
“ Tom ado de M achinery's H an d b o o k , 27a. cd ., N ueva Y ork. 1993, Industrial Press, p. 846. Tabla 12, A m e rican N ational Standard C o m b in ed D rills a n d C ountersinks, P lain a n d B ell TYpcs A N S J /A S \fF B 9Í.IIM . " E s t a consideración se to m a respecto d e la experiencia e n el proceso de m aquinado y las dim ensiones del h erram en tal disponible. Es im p o rtan te saber q u e u n a op eración d e b a rre n a d o e stá lim itada p o r un d iá m e tro de 25 mm ; es decir, despuós d e 25 m m se co n o ce com o cavidad, d onde la operación se realiza con o tra estrateg ia d e m aquinado.
Ilustración
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
http://goo.gl/cjofCi Bloque de materia prima
Barres paralelas
fig u r a
6 .5 7
Sistem a d e sujeción c o n pre nsa d e ap ertu ra variable.
Operación 1: Centrado. La operación de centrado garantiza el correcto posicionam iento de los barrenos; es decir, evita que la bro ca se desfase de su posición. Operación 2: Barrenado de 3.6 mm. Operación 3: Barrenado de 4.8 mm. Operación 4: Barrenado de 3.1 mm. Operación 5: Barrenado de 7 mm. til siguiente punto es sujetar el material que se presenta según especifica ciones de diseño (figura 5.57). 3. Sistem a de sujeción, operaciones de corte, cálculo de las dim ensiones de la materia prima y plano de la materia prima. La opción más viable de sujeción es utilizar una prensa de apertura varia ble, gracias a que la operación sólo es de barrenado. Utilizar barras paralelas entre la prensa y la materia prima para lograr características de planicidad y linealidad de la pieza. Se considera que la materia prima es un bloque sólido, por lo tanto, las características dim ensionales y geom étricas se indican en el siguiente plano: Para lograr un correcto maquinado es necesario determinar los paráme tros de cada operación.
http://goo.gl/Sjl2DC
4S±0.1
90 ±0.1 '•'.C 1n.v FIG URA 6 .6 B
Espesor 1 2 : 0.1
P ia r a d e la m ateria p rim a del b lo q u e p a ra barre na do.
?
i / / 0.1 A i B
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
4 Parámetros de maquinado (rpm, avances, profundidad de corte, etcétera). Para un acero herramental D2 y utilizando herramientas en acero de alta velocidad (H SS) se tiene: Vc = 9.146 m/nim Va = 0.177 mm/rev Considerando la fórmula 5.1, sección 5.1, se tiene: f= V ú*N *N r
(5.1)
donde: ■VT = núm ero de tilos de la herramienta.
1000 * Vr •V =
1000 mm/m *9.146 m/min
* oí
f * "i
77 ™hta
„ , .
------------ = 808.683 rpm
17 3 ” mm
/ = 0.177 mm/rev * 808.685 rpm * 1 = 143.137 mm/min Con este procedim iento se obtienen los parámetros de maquinado com o se muestran en la siguiente tabla: ta b la *
B .1 B
Parám etros d e m a quina do pa ra las operacio nes d e barrenado.
Operaciones
Diámetro HTA (mm)
1 Centrado
1.98
2
FÜ 03
W(rpm)
1
1470.334
\
Vc (m/min)
K (mrrvVev)
Pr (mm)
P, (mm)
(mm)
(min)
260.249
9.146
0.177
1.980
1.98
0.14
0.233
(mm/min) (mm/min) -
\--C A U
Barrenado diámetro 3.1
3.1
2
939.117
-
332.447
9.146
0.177
13.033
0.775
0.23
0.383
3 Barrenado diámetro 3.6
3.6
2
808.684
-
286.274
9.146
0.177
13.200
0.9030
2.26
2.433
4
Barrenado diámetro 4.8
4.8
2
606.513
-
214.7C6
9.146
0.177
13.600
1.2030
1.51
1.850
5
Barrenado diámetro 7
7
2
415.895
-
147.227
9.146
0.177
14.333
1.7500
0.34
0.567 5.467
donde: P7 =
Pp =
profundidad total del barrenado. La consideración es el espesor de la pieza, más \ del diámetro de la herramienta,20 para que se pueda atravesar toda la pieza y el bloque quede totalm ente barrenado. profundidad de picoteo. Se considera la penetración en forma de p e queños increm entos para evitar que la herramienta se rompa por un esfuerzo de torsión por la concentración de viruta en los gavilanes de salida. La recomendación práctica es 1:4 el diám etro de la herra m ienta para diámetros de hasta 20 mm.
E stos valores se pueden determinar autom áticam ente a través de la C AM gracias a una base de datos incluida, por lo que sólo se necesitarán los valores de V'c y Va. Si todo lo anterior se ha cumplido, se puede proceder a realizar el desa rrollo CAM utilizando alguna aplicación de software. 5. Programación C AM y sim ulación CAM. E sta actividad requiere principalmente la pieza en 3D para así definir los parámetros de maquinado y las trayectorias de cada operación. El escenario es el siguiente:
“ P a ra brocas rectas el ángulo d e ataq u e es de 118''.
o
PARTE TRES
Fundamentos de ia automatización industrial
0 £ $ 0 0<
f ig u r a
B .E 8
B lo q u e d a ba rre n a d o e n 3 D .
f ig u r a
6 .B D
E sc e n a rio d e la C A M p a ra el b lo q u e d e ba rre na do .
Trayecto de recorrido de la herramienta Porta herramienta
Broca de centro« #2
B l o q u e d e m a t e r ia p rim a
f ig u r a
B .B
1
E sc e n a rio d e la C A M e n la o p eración d e cen trad o.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Trayecto da recorrido de la herramienta
Portaherramient8
Broca recta
Bloque de materia prima
fig u r a
5 .8 2
Esc e n a rio d e la C A M e n la o p eració n d e barre na do.
Observe que la imagen muestra los ejes X , Y y Z ,y cero pieza. Además, el bloque tiene ubicados los centros d e cada círculo, los cuales serán la trayecto ria de recorrido de la operación de centrado. Con esta definición geom étrica se aplican los parámetros y secuencias d e maquinado correctos. Las aplica ciones C A D /C A M poseen herramientas d e sim ulación que permiten visuali zar las herramientas en sus recorridos d e coite, tiem pos de maquinado y las geom etrías finales de las piezas. Esta información contribuye a evitar malos recorridos, golpes a los accesorios de los equipos y otros problemas. A dem ás sirve para desarrollar planes d e trabajo y determ inar tiem pos de operación (figuras 5.61 y 5.62). Por último, cuando se ha verificado que el desarrollo C A D /C A M es aceptable, se genera el programa d e código G & M con extensión *.nc. Esta operación se logra a través de un postprocesador, el cual contiene bloques de programación lógica en lenguaje d e alto nivel que convierte el desarrollo geom étrico en secuencias d e maquinado al form ato del controlador de cada equipo. El postprocesador se puede disponer por un servicio del proveedor del equipo o crear a través d e herramientas de edición y programación de proto colos. El software antes m encionado contiene un m ódulo para realizar esta actividad. Una vez que el programador tiene el postprocesador se procede a la apli cación en el desarrollo geom étrico anterior,cuyo resultado es el programa de C N C com o se muestra en la tabla 5.19. Observe que el programa C N C corresponde a los códigos ISO G & M que se utilizaron en la programación de centros de maquinados d e fresado, gracias a las regularizaciones d e estandarización a nivel internacional (ISO ). Este programa se envía al controlador del centro d e maquinado, don de previam ente se aseguró el bloque d e materia prima sobre la prensa y se definió el cero pieza. Lo siguiente es verificar a pie de máquina la funcio nalidad del programa C N C m ediante la simulación en máquina, verificando que no existan errores com o ejes fuera d e alcance, caracteres incorrectos, etc.
PARTE TRES
Fundamentos de ta automatización industrial
t a b la
s . 18
P ro g ra m a C N C del b lo q ue d e ba rre n a d o p a ra el centro d e m a q u in a d o
V IW A . N10; H E A D E R N20; P R O G R A M : B L O Q U E DE BARRENADO N30; P R O G R A M M E R : G H L N40; D ATE: 25/10/10 NEO; PR O PR IETAR Y R IG H TS : UP NGO M 25 G 49 N70G17G40 N 8 0 G21 N09OGS0 N1COG90 N110G98 N120G49 H0M 25 N130 GO XO.O YO.O N 140T02M 6 N 1G O S 322 M 3 N160M 8 N 1 7 0 G 4 P 3 .C 0 N180G43D0HG2 N190; Z Tool C h a n g e -V e r i^ Clearance N2CO GO X79. Y 1 1. Z 125. N 2 1 0 G 0 X 7 9 .Y 1 1 .Z 2 . N 2 2 0 G 9 9 G 8 1 X 7 9 .Y 1 1 . Z -2 .9 1 8 9 R2. F7 N230 X 6 4 .Y 1 1 . N 2 4 0 X 7 2 .Y 2 1 . N2GO X72. Y38. N2GO XG4. Y38. N270 X48. Y38. N280 X48. Y6. N290 X 3 0 .Y 2 1 . N 3 CO X19. Y11. N 3 1 0 X G .Y 2 1 . N 3 2 0 X 1 9 .Y 3 8 . N330 XG. Y3S. N340G80
N350 M9 N360 1.45 N370 G 4 9 HO M25 N380 G O XO.O YO.O N390 T 0 3 MG N400 S177 M3 N410 M8 N420 G 4 P3.00 N430 G 4 3 DO H03 N460 G 9 9 G 8 3 X72. Y21. Z -16.6 S 1G R 2. Q .9 F 4 N470 X48. Y38. N480 X30. Y21. N 4 9 0 X 1 9 . Y11. N500 X5. Y21. N510 X19. Y38. N520G80 N530 M9 N540 MG N550 G 4 9 HO M 25 N560 G O XO.O YO.O N570 T 0 4 MG N580 S133 M3 N590 1 .« N600 G 4 P3.00 N 6 1 0 G 4 3 DO H04 N620 G 0 X 6 4 .Y 1 1 .Z 2 . N 6 3 0 G 1 0 P 8 3 R 1 .2 N640 G 9 9 G 8 3 X 6 4 . Y11. Z-18.2421 R 2 .Q 1 .2 F 3 N650 X79. Y11. N660 X72. Y38. N670 X5. Y38. N680 G 8 0 N690 M9 N700 1.45
N710G49HOM 25 N720 GO XO.O YO.O N730 TOG 1 .« N740 S205 M3 N750 M 8 N760 G 4 P3.00 N770 G 4 3 CO HOG N780 GO X48. YG. Z2. N 7 S O G 1 0 P 8 3 R.8 N800 G 9 9 G 8 3 X48. Y6. Z -1 6 .0 3 1 3 R 2 . Q .8 F 4 N810G80 N820 M 9 N830 M 5 N840 G 4 9 HO M25 N8GO GO XO.O YO.O N860 TOG 1 .« N870S91 M3 N880 M 8 N8SO G 4 P3.CO N900 G 4 3 CO HOG N910GOX64 Y3SZ2 N 9 2 0 G 1 0 P83 R1.8 N930 G 9 9 G 8 3 XG4. Y38. Z -2 1 .1 0 3 R 2 .Q 1 .8 F 2 N940 G 8 0 N950 G 9 0 N960 G 4 9 HO M25 N970 G 4 0 N980 M 5 N9SO M 9 N1000G80 N1010 M30
Se ejecuta el programa de la operación y se logra la fabricación del bloque de barrenado.21 Es recom endable que al final del maquinado se verifiquen las dim ensio nes en diám etro y posición de cada barreno a través de un proceso de ins pección. A sí se garantiza la eficacia del proceso, además de poder aplicar un m étodo estadístico que determ ine la vida útil del herramental, o bien, seguir las recom endaciones del proveedor, que permitan el cambio o ajuste de la herramienta para que el proceso siga dentro de las tolerancias dimensionales. El CAM que se em pleó en este ejem plo se llama ESPRIT. Desarrollado por D I’ Technology, es un software muy m etodológico que cuenta con una plataforma estructurada que perm ite obtener secuencias de maquinado de piezas en dos, tres o más ejes, e incluye operaciones de torneado, fresado, corte por hilo, entre otras.
11 Se recom ienda q u e la p rim era ejecución sea a 5 % d e los p arám etros calculados; es decir, q u e los e qui p o s p o seen perillas d e a ju ste de los p a rá m e tro s d e m aquinado, lo q u e posibilita la realización de la o p e ración len tam en te perm itien d o la verificación de las trayectorias d e la h e rra m ie n ta y activar el paro de em ergencia a n te cu alq u ier contingencia d e colisión o sospecha d e u n incorrecto m aquinado.
CAPÍTULO 5
EJEMPLO 5.5
Técnicas de manufactura automatizada
Chumacera
La em presa Rodam ientos de Precisión desea fabricar un sistem a de rodamiento estándar a partir de una chumacera y un rodamiento. La chumacera se fabricará en acero nodular con una preforma obtenida de un proceso de fundición. 1. D iseño d e la pieza en 3D y /o plano d e la pieza.
http://goo.gl/7JHkOn
f ig u r a
6 .8 3
R anderizado d e la ch u m a ce ra m aquinada.
Sección A-A Chaflán ce 1 x 45°
Escala del isomètrico 1:1.5
Material: Fundición de acero gris Peso: 773.720 grarros f ig u r a
5 .6 4
Plano d e la chum acera.
2. Especificaciones técnicas del centro de maquinado, herramentales y acceso rios. El equipo a utilizar es un centro d e maquinado de fresado de cuatro ejes, el mismo que se a só en el ejem plo anterior. Las herramientas a utilizar pertenecen a otro arreglo, el cual se colocará en el carrasel d e la máquina.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Imagen
D escripción
D escripción
Imagen
Cortador de corona para operaciones de planeado.
Palpadcr de ajuste de! cero pieza X. Y y Z.
Dimensiones
D im ensiones 0 76 mm, 7 fitas.
0 10 mm.
Material
Malaria! Acero herramental.
Inserto de carburo TiN.
Cortador recto para operaciones de contorneado y cavidades.
C onadcr recto.
Dimensiones
Dimansiones 0 12.7 mm, 4 filos.
0 10 mm. 4 fitas.
Material
Material
Carburo sólido con recubrimiento de TiN.
Carburo sólido con recubrimiento de TiN.
B 'oca de centros.
B ro ca recta
Dimansiones
D im ensiones 0 10 mm. 1 fita.
a 3 (2.780 mm). 1 filo.
Material
Material HSS.
Carburo sólido con recubrimiento de TiN.
Considere que las operaciones a realizar están dividas en dos partes: I’arte 1: a) Planeado de cara inferior. b ) Centrado de los barrenos de 10 mm. c) Barrenado de 10 mm. Parte 2: a) Centrado en la cavidad para la creación del acceso de la herramienta, la cual realizará la cavidad. b ) Barrenado en la cavidad para la creación del acceso de la herramienta, la cual realizará la cavidad. c) D esbaste de la cavidad. d ) A cabado de la cavidad. £*) Chaflán. 3.
Sistem a de sujeción, operaciones de corte, cálculo de las dim ensiones de la materia prima y plano de la materia prima. O bserve que la pieza requiere maquinado en la vista superior e inferior, d e las cuales la últim a es la más importante por sus características geom étri cas (planicidad y posición), que posteriorm ente servirán para el maquinado d e la cavidad del rodamiento.
CAPÍTULO 5
t a b l a 6.20
Técnicas de manufactura automatizada
Lista de carrusel portaherramientas del centro de maquinado.
D escripción C a r a d o r recto.
Imagen
D escripción C a ra d o r para chaflanes. D im ensiones
D im ensiones 0 6 mm. 4 fitas.
0 4 m m x 45°, 4 fitaB. M ate'ial
Material
Carburo sólido con recubrimiento de T:N.
H SS.
Breca recta.
C a r a d o r recto.
Dimensiones
D im ensiones 0 10 mm. 1 fita.
0 6 mm. 4 fitas. M ate'ial
Material Carburo solido con recubrimiento de TiN.
H SS .
Por lo tanto, la opción más viable d e sujeción es utilizar una prensa flexi ble de propósito específico de accionam iento autom ático y alim entación neu mática (figuras 5.65 y 5.66).
f ig u r a
b .b b
Sistema d e sujeción con prensa de apertura automática variable.
Im agen
PARTE TRES
Fundamentes da la automatización industrial
http://goo.gl/js7i1a
fig u r a
6 .6 8
Sistem a d e sujeción c o n pre nsa d e ap ertu ra au to m á tica variable e n Ice d o s casos.
Se considera que la materia prima es un bloque sólido proveniente de una fundición gris, com o se indican en la siguiente figura.
fig u r a
b .8 7
Preform a d e fundición nodular d e la ch u m a c e ra .
Para lograr un correcto maquinado es necesario determinar los paráme tros de cada operación.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
4 Parámetros de maquinado (rpm, avances, profundidad de corte, etcétera). Para una fundición de acero gris:
Herramienta
#
Operación
V.
(m/mm)
(mm/rev)
1
Cortador de corona inferior.
Planeado inferior.
350
0.010
2
Broca de centro?, de HSS.
Centrado inferior.
30
0.025
3
Broca recta HSS.
Barrenado inferior.
50
0.030
4
Broca de centro? de HSS.
Centrado superior.
30
0.025
5
Broca recta HSS.
Barrenado superior.
50
0.030
6
Cortador recto de carburo con recubrimiento TiN.
Desbaste d e cavidad.
1C0
0.030
7
Cortador recto de carburo con recubrimiento TiN.
A cabado de cavidad.
2C0
0.015
8
Cortador para chaflanes.
Chaflán.
75
0.015
A dem ás, la profundidad de corte para cada operación es: O peración
#
Pcpp (m m )
1
Planeado.
2
Centrado.
0.250 2.780
3
Barrenado.
2.5
4
Centrado.
2.780
5
Barrenado.
2.5
6
Desbaste de cavidad.
0.5CO
7
Acabado de cavidad.
0.1 CO
8
Chaflán.
1
donde: I’qip 65 *a profundidad de corte por pasada, que para operaciones de barre nado corresponde a Pp. P o: es la profundidad de picote. La profundidad de corte por pasada para la operación de centrado es la misma que la profundidad total de la operación y corresponde al mismo valor del diámetro de la punta de la herramienta de centros. Con estos valores se tienen las revoluciones y avances correspondientes.
Operación
#
N (rpm)
F (X &Y) (mm/min)
F(Z) (mm/min)
1
Planeado.
1466
102.620
2
Centrado.
3435
-
102.620 85.875
3
Barrenado.
1592
-
47.760
4
Centrado.
3435
-
85.875
5
Barrenado.
1592
-
47.760
6
De?ba8te d e cavidad.
3183
381.960
38.196
7
A cabado de cavidad.
6366
193.980
19.C9S
8
Chaflán.
5968.310
179.049
17.904
E stos valores se pueden obtener con las fórmulas antes utilizadas, pero también em pleando las aplicaciones de CAM . Para obtener el resultado bas ta sustituir los valores de Ve y V0.
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
http://goo.gl/C2yO8t
fig u r a
6 .8 8
M an ufactura d e la c h u m a c e ra utilizando E S P R IT c o rn o software de CA M .
Observe que para el m ovim iento en el eje Z los valores están relaciona dos a 10% de lo calculado, con el objetivo de evitar m ovim ientos bruscos o que la herramienta se rompa en su tilo durante la penetración al material. En muchas ocasiones se recomienda realizar un barreno por donde ingresará la herramienta de desbaste a una cavidad. Es im portante mencionar que existen más valores que se deben tener en cuenta, los cuales dependen de la experiencia en el proceso y de las capaci dades de cada equipo. 5. Programación y simulación CAM. U tilizando una aplicación de C AM se tiene el proceso de manufactura que detalla la secuencia de maquinado con las herramientas correspondien tes y parámetros obtenidos. Asim ism o, se obtiene la secuencia de códigos ( i & M que se enviarán al centro de maquinado según el control NC. El programa se lleva al control del centro de maquinado de fresado para su ejecución, donde se calibran las herramientas y el cero pieza. A dem ás, se ejecuta la simulación a pie de máquina para ver errores posibles de trayecto rias evitando al máximo colisiones y daños en los equipos. Se recomienda ejecutar el programa a un porcentaje entre 10 y 20% para tener capacidad de respuesta ante cualquier error de programación que pu diera golpear al equipo. U na vez que se fabrica la primera pieza y se verifican sus dim ensiones se puede corroborar el aceptable maquinado, y las dem ás se pueden ejecutar a 100% de las velocidades calculadas.
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Resum en La manufactura ha permitido al hombre generar un mayor grado de bienestar social, para lo cual se cim enta en un desarrollo industrial que crece al paso del tiempo. Para tal fin se requiere tener en cuenta que la manufactura se vale de diferentes procesos para transformar los recursos naturales en bienes y utiliza la tecnología para mejorar los m étodos de trabajo. La transformación de la materia prima en sus diferentes etapas permite dispo ner de una gran variedad de partes para producir los múltiples productos que en contram os en el mercado, por lo que la producción reclama procesos más eficientes. (Cuando los volúm enes d e producción se incrementan, se requieren máquinas cada vez más rápidas y sofisticadas para responder a las demandas del cliente con precio, calidad y variedad, de ahí la importancia d e transformar el lugar de trabajo de acuerdo con esta nueva necesidad. Inclusive, cuando los volúm enes d e producción son elevados, es d e vital impor tancia el cam bio rápido d e herramientas y piezas, así com o el m ovim iento ordenado de los mismos, con la finalidad de disminuir los alm acenes en las diferentes fases del proceso. Esto es vital para la elim inación d e costos indirectos (la fábrica oculta), de modo que para lograr este com etido se utilizan tecnologías, información y manufac tura que elim inen la falta de comunicación de los involucrados. En la sección de torneado automatizado se muestra la importancia d e la planeación de la manufactura utilizando centros d e maquinado para torneado, que da com o resultado documentar toda la información, además se evita dañar los equipos por gol pes o fallas d e programación, ya que todo el proceso se analiza cuantitativamente. Se demuestra cóm o los códigos ISO ( i & M que se estandarizan tienen simili tud entre otros controles A sí también, se hace énfasis en el orden al em plear estos códigos. La programación de centros d e maquinado de torneado no sólo consiste en in troducir códigos a los equipos, sino que es todo un proceso de planeación y control de la producción que analiza las características de cada equipo, d e las herramientas y los materiales, las propiedades d e los fluidos d e corte, la geom etría de las piezas, así com o las necesidades d e consum o de los materiales con base en las órdenes de producción, entre otras. A lgo im portante d e esta sección es el análisis e interpretación d e planos de inge niería propuestos com o ejem plos y ejercicios, donde las coordenadas de cada pieza perm iten la fácil manipulación d e las datos para obtener los valores requeridos al m om ento de determinar los puntos d e la planeación del proceso. Por último, los centros de maquinados d e torneado son actualmente aplicacio nes estándar en los procesos de manufactura; su funcionalidad facilita las condi ciones de seguridad, calidad y volum en d e producción. Con el mismo enfoque de cada sección se muestra el proceso de planeación y desarrollo en la programación de centros d e maquinado de torneado y fresado, dan do la pauta a la aplicación d e todo un proceso integrador d e la manufactura, donde se planea y docum enta la información, la cual siempre está disponible para la mejora continua. El objetivo es brindar las bases de la planeación de la manufactura d e piezas con geom etrías diversas para su fabricación en centros de maquinado de torneado y fresado d e tres o más ejes. Se consideran las herramientas, materiales, dim ensiones, sistem as d e sujeción y centros de maquinado que están relacionados para lograr las calidades dim ensiona les y acabados especiales. El contenido teórico se com plem enta con el uso de aplicaciones digitales de C A D /C A M en un contexto com pleto del proceso de maquinado d e diversas geo metrías
PARTE TRES
Fundamentos da ta automateación industrial
La aplicación C A D /C A M ayuda por la sim ulación en línea del proceso desarro llado y facilita la obtención de los códigos ( i & M que se utilizarán com o el progra ma a ejecutar para la fabricación de la pieza.
S e le c c io n e la re s p u e s ta c o r r e c t a p a r a la s s ig u ie n t e s p re g u n ta s .
1.
S e r e a liz a e l m a q u in a d o d e u n a p ie z a c ilin d r ic a c o n
6 . ¿ C u á l e s la té c n ic a q u e p e r m ite o b t e n e r la s e c u e n c ia
u n d iá m e tr o d e 2 5 .4 m m e n u n c e n t r o d e m a q u i
d e m a q u in a d o e in s t r u c c io n e s G & M d e u n a p ie z a
n a d o d e to r n e a d o , d o n d e e l a v a n c e ( F ) u tiliz a d o e s
q u e s e fa b r ic a r á e n u n e q u ip o d e fr e s a d o d e tr e s e je s ?
d e 8 m m /r e v y 1 2 5 0 r e v /m in . S e u tiliz a u n in s e r to d e
a) C N C . b) C A M .
c a r b u r o c o n r e c u b r im ie n to d e n itr u r o d e tita n io (N iT i). ¿ C u á l e s la v e lo c id a d d e a v a n c e
(Vs) y
la v e lo c id a d d e
(V¿ r e c o m e n d a d a s p o r e l p r o v e e d o r ?
c o r te
a) 9 9 .7 4 5 m n V m in y 1 2 .5 3 1 m Am in b) 1 5 6 6 4 .8 5 6 7 m n V m in y 1 5 .6 4 8 m /m in c)
9 9 .7 4 5 m n V m in y 0 .0 0 6 rrV m in
d) 0 .0 0 0 8 m n V m in y
1 5 .2 0 5 m Amin
c) C A D .
d) P r o g r a m a c ió n 7.
IS O d e c ó d ig o s G & M .
E n u n p r o c e s o d e m a q u in a d o d e t o r n e a d o s e u tiliz a u n a b a r r a d e a lu m in io y
3
T6061
de
50
p rim a . S e g ú n e l p r o d u c to s e u tiliz a n
2.
¿ C u á le s s o n lo s e je s b á s ic o s d e u n c e n t r o d e
El e s p e s o r d e la h e r r a m ie n ta d e c o r te p a r a la p r e p a r a c ió n e s d e
Z y
C.
3
mm.
a) Fc= 0.024 b) Fc= 0.023 c) Fc= 41.095 d) Fc= 42.857
c) X. Y, Z.
S e tie n e a c e r o 1 0 1 8 e n u n a b a r r a c o n d iá m e tr o d e 100 m m ,
Vc
= 4 5 m Amin y l / . = 0 .0 0 2 m n V m in , e l c u a l
8 . ¿ C u á l e s e l s is te m a q u e p e r m ite e l c o n t r o l d e la
s e m a q u in a r á e n u n c e n t r o d e t o r n e a d o c o n in s e r to s
p la n e a c ió n d e la m a n u fa c tu r a m e d ia n te la u tiliz a c ió n
d e c a r b u r o r e c u b ie r to s d e n itr u r o d e tita n io (N iT i).
d e c o n c e p t o s d e m a n u fa c tu r a d ig ita l u tiliz a n d o
¿ C u á le s s o n lo s p a r á m e tr o s d e m a q u in a d o a u tiliz a r?
c u a lq u ie r a p lic a c ió n d e s o ftw a re ?
a) S = 1 4 3 .2 3 9
a) CAE.
rp m
y
f=
1 .1 4 5 m m A e v
b) S= 1 4 3 .2 3 9 r p m y f= 1 .7 1 8 m m A e v c) S= 1 4 3 .2 3 9 r p m y f= 0 .2 8 6 m m A e v d ) S = 1 4 3 rp m y
f=
0 .2 8 6 m n V re v
¿ C u á l e s e l c ó d ig o e s ta n d a r iz a d o G & M q u e p e r m ite
b )
CAPP.
c) CEP. d ) M a n u fa c tu r a e s b e lta
(Loan Manufacíuring).
9 . ¿ C u á le s s o n el d iá m e tr o y la lo n g itu d ó p tim o s d e la
la r e fr ig e r a c ió n d u r a n te e l p r o c e s o d e m a q u in a d o ?
m a te r ia p r im a a u tiliz a r p a r a m a q u in a r la s ig u ie n te
a)
fig u r a , d o n d e s e u tiliz a n h e r r a m ie n ta s d e r e c h a e
M1
b) M 4
iz q u ie r d a c o n d im e n s io n e s d e 12 m m d e a n c h o d e l
c) M8
d e la s m o r d a z a s , in s e r to d e
d) M 9
E l e q u ip o c u e n t a c o n la s o p c io n e s d e s u je c ió n c o n
p o r ta in s e r to .
3
m m d e tr o n z a d o .
m o r d a z a y /o e n tre p u n to s . 5.
m m por cada
a) X.
d) X. y, Z. A y 0.
4.
70
p ie z a . ¿ C u á l e s e l f a c to r d e c o n s u m o d e l m a te r ia l?
m a q u in a d o d e to r n e a d o ?
b)XyZ
3.
m m d e d iá m e tr o
m d e lo n g itu d p a r a la s d im e n s io n e s d e la m a te r ia
¿ C u á l e s e l s ig n ific a d o d e la s le tr a s G y M e n e l c o n te x to te m á tic o d e la p r o g r a m a c ió n C N C ?
a)
G e o m é tr ic a y M a n u fa c tu r a .
¿>) G e o m e tr ía y M is c e lá n e o s .
c)
G e n e r a le s y M a te ria l.
d) G a n a n c ia y
M é to d o .
30°
30 m m 3 mm
y
d e s u je c ió n d e s e g u r id a d ?
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
R7
c) M 4 . M 8 y M 1 7 . d) M 3 , M 8 y M 3 0 .
a ) D iá m e tro 5 0 .8 m m y lo n g itu d d o 1 2 9 .3 9 m m .
b) D iá m e tr o c) D iá m e tr o o) D iá m e tr o 10.
d o 5 7 .1 5 m m y lo n g itu d d o 5 0 m m . d e 5 0 .8 m m y lo n g itu d d o 5 0 m m . d o 5 0 .8 m m y lo n g itu d d o 5 3 m m .
E x is to n tre s © rro re s d o in s t r u c c ió n e n e l p r o g r a m a si g u ia n te . ¿ c u á l s o r ía la c o r r e c c ió n ?
11.
¿ C u á l e s e l s ig n ific a d o d o la s s ig la s D M . C A D y C A M ? a ) M a n u fa c tu r a d ig ita l, d is e ñ o y m a n u fa c tu r a a s is tid a p o r c o m p u ta d o r a .
b) M a n u fa c tu r a d ir ig id a , d is e ñ o
y m é to d o a s is t id o p o r
c o m p u ta d o r a .
G 90; ABS G 71; m m
c ) M a n u fa c tu r a d ig ita l, d is e ñ o o In g e n ie r ía a s is t id a
T R A N S Z 1 2 0 ; C E R O P IE Z A M 8 T I D 1 : C A M B IO D E H E R R A M IE N T A M 4 G 9 5 S 2 0 0 : E N C E N D ID O D E L H U S IL L O
p o r c o m p u ta d o r a .
d) R e p r e s e n ta n
la s t é c n ic a s d e m a n u f a c t u r a a s is tid a
p o r c o m p u ta d o ra .
M 9 ; E N C E N D ID O D E L R E F R IG E R A N T E G 0 Z1;
1 2 . ¿ C u á l e s la d if e r e n c ia ó p t im a e n tr e m á q u in a d e
G 0 X 2 5 .4 ;
f r e s a d o C N C y c e n tr o d e m a q u in a d o d e fr e s a d o ?
C Y C L E 9 5 (‘ S U B - r . 0 . 5 . 0 . 1 . 0 . 1 . 0 . 1 . 0 .5 .0 .7 5 ,0 .0 0 1 .9 .0 .1 , 1 0 ); C IC L O D E D E S B A S T E
a ) P o r te n e r 3 e je s .
G 0X5O ;
b) Por te n e r 5 e je s .
G0 Z100;
c ) P o r la v e r s a t ilid a d d e m a q u in a d o o n v a r ia s
M 1 7 ; F IN D E U N P R O G R A M A P R IN C IP A L a ) M 6 . M 8 y M 3Q.
b) M 9 . M 8 y
M 17.
s u p e r fic ie s .
d) P o r u s a r a p lic a c io n e s d e
C A D /C A M .
PARTE TRES
Fundamentes da la automatizacién industrial
13. ¿Cuál e s la capacidad da volteo do un centro do
19.
E n u n c e n tro d e m a q u in a d o d e b a r re n a d o s e fa b ric a n
maquinado da torneado?
b lo q u e s c o n b a rre n o s r o s c a d o s d e d iv e r s o s d iá m e tro s
a) La velocidad de avance. b) Las revoluciones por minuto.
t o d o b a rre n o ro s c a d o ?
d e p re c is ió n . ¿ C u á le s s o n lo s p a s o s q u e d e b e s e g u ir
a ) C e n t r a d o , b a r re n a d o p r e lim in a r y m a c h u e la d o .
c) Las dimensiones de maquinado. d) Todas las anteriores.
b ) C e n t r a d o , b a r re n a d o y m a c h u e la d o . c ) C e n t r a d o , b a r re n a d o pre lim ina r, m a c h u e la d o
14. ¿Cuál e s la técnica que contribuye a la realización de
c ó n ic o , m a c h u e la d o s e m ic ó n ic o y m a c h u e la d o
diseños 3D con características paramótricas? a) CAD.
recto .
d)
C e n t r a d o , b a r re n a d o p r e lim in a r y m a c h u e la d o c ó n ic o .
b) CAM. c) CAE. d) CAD/CAM/CAE.
20.
C o m p le t e la s ig u ie n te ta b la d e a c u e r d o c o n el o rd e n y n ú m e ro d e o p e ra c io n e s a realizar, s e g ú n la p ie z a d e la fig u ra s ig u ie n te (o m ita el c o n to r n e a d o d a lo s c o s ta d o s ,
15. ¿Cuál e s la fórmula algebraica que determina el
y a q u e la p ie z a s e p r e s e n ta re c tific a d a e n to d a s s u s
diámetro preliminar de una broca para realizar un roscado?
a) 0 pni = b) 0
f ic I
~ ^ H a r in a
C) Oral = $
^ F rc l = ^ H a r i n a
c a r a s ).
~
^
~
^
16. 16. ¿Cuáles son los tipos de análisis que s e pueden
validar con la aplicación de CAE? a) Análisis estructural. b) Interferencia de material. c) Análisis de teoría de colas. Orden
d) Análisis de vaciado.
5
17. ¿Cuál e s el diámetro preliminar teórico para realizar un
Núm ero de operaciones
.Acabado de la cavidad 30 Centrado de los barrenea
barreno roscado M12 X 1? a) 0 11 mm.
Desbaste de la cavidad 3D Contorneado superio'
b) 0 11.134 mm. c) 0 12 mm. d) 0 10.5 mm.
O peración
2
21.
Barrenado
¿ E n q u é e je s s e p r o g r a m a la v e lo c id a d d e a v a n c e e n u n a o p e r a c ió n d e b a r re n a d o e n u n c e n tro d e
18. ¿Cuál e s el diámetro preliminar teórico para realizar un
m a q u in a d o d e fre s a d o ?
barreno roscado 0W -14? a) XY
a) 0.250".
b) XYZ
b) 0.190". c) 6.35 mm.
c )Z d) C
d) 0.1502". 22.
E n u n a o p e r a c ió n d e b a r re n a d o p r o fu n d o e n u n c e n tro d e m a q u in a d o d e f re s a d o o to rn e a d o , ¿ c ó m o s e le lla m a a l p r o c e s o d e d e s a lo jo d e v iru ta ? a ) C h a flá n . b ) C e n tr a d o .
c)
P ro fu n d id a d d e c o rte total.
d ) P ic o te o .
CAPÍTULO 5
23.
¿ C u á le s s o n las o p e ra c io n e s d e m a q u in a d o a re a liza rs e e n un c e n tr o
Técnicas de manufactura automatizada
de
m a q u in a d o
de
p ie z a ?
Material: Fundición gris
Escala de los isométricos 1:1.5
Mssa: 1005.928 gramos
a ) P la n e a d o posterior, c e n tr a d o y b a rre n a d o .
b)
P la n e a d o posterior, p la n e a d o frontal, c e n tr a d o , b a r re n a d o y c o n to r n e a d o in te rn a d o .
c ) P la n e a d o posterior, p la n e a d o frontal y b a rre n a d o .
o)
P la n e a d o posterior, c e n tr a d o y b a rre n a d o .
f re s a d o
de
la s ig u ie n te
o
PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
24.
¿ C u á le s s o n las o p e ra c io n e s a re a liza r d e la p ie z a s ig u ie n te ? C o n s id e r e q u e la p la c a s e p re s e n ta c o n c a ra c te rís tic a s d e p la n ic id a d y c o n to rn e a d o .
200___________________________
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10
20
4 ctafianes de 3 x 45“ 40
a ) P la n e a d o , c o n to r n e a d o d e la p la c e , c e n tr a d o del b a r re n o d e 6 m m . b a r re n a d o d e 6 m m , c e n tr a d o d e l b a rre n o d e 12 m m . b a r re n a d o d e 12 m m y c o n to r n e a d o d e la c a ja d e 2 2 m m .
b)
C e n t r a d o d e l b a rre n o d e 6 m m , b a r re n a d o d e 6 m m , c e n tr a d o d e l b a rre n o d e 12 m m , b a r re n a d o d e 12 m m y c o n to r n e a d o d e la c a ja d e 2 2 m m .
c ) C e n t r a d o d e l b a rre n o d e 6 m m , b a r re n a d o d e 6 m m , c e n tr a d o d e l b a rre n o d e 2 2 m m , b a r re n a d o d e 2 2 m m y c o n to r n e a d o d e la c a ja d e 12 m m .
o)
P la n e a d o , c o n to r n e a d o d e la p la c a , c e n tr a d o del b a r re n o d e 6 m m . b a r re n a d o d e 6 m m , c e n tra d o d e l b a rre n o d e 2 2 m m . b a r re n a d o d e 2 2 m m y c o n to r n e a d o d e la c a ja d e 12 m m .
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
25. ¿Cuál sería la herramienta a utilizar para el proceso d e contorneado d e la pieza siguiente?
Material: .Acero 201 inoxidable recocido (SSí Mesa: 378.41 gramo3 Espesor = 12
2 x R51
2 x R 12
Detalle A Escala 2 : 1
a) Cortador recto d e 6 mm. b) Cortador recto d e 14 mm. c) Cortador recto d e 12 mm. o) Cortador recto d e 7 mm.
m
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
I.
Com plete las siguientes tablas y realice el procedim iento de sus cálculos.
1. Investigue y anote los valores de V c para los siguientes materiales. Indique su referencia bibliográfica.
Torneado Material Vc (rrv'min) Ac&'o 1108 Molibdeno H21 A cero inoxidable 408 Acero herramental D1 Nylon Latón Cromo Plástico A crilico
2. D eterm ine/ para los siguientes materiales. Justifique los resultados con el desa rrollo. Operaciones de torneado (mm/rev) Material Corte cilindrico (desbaste) Acero 1018 Molibdeno H21 Acero inoxidable 409 Acero herramental D I Nylon Latón Cromo Plástico Acrilico
Corte radial/axial
Corte cilindrico (acabado)
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
II. Elabore la planeación de manufactura en centros de maquinado de torneado de las piezas mostradas en los siguientes planos. U tilice los form atos de la m etodo logía correspondiente que se encuentran al final de esta sección.
Problemas para desarrollar i. Llavero en forma de trompo.
© 24.636 ? 2 4 © 11.684 0 1 0
14 © 1 9 .5 ? 24
Material: Caoba Masa: 3.972 26.911 27.398
Escala del isomètrico
2:1
Qf p la n o
i
Vista frontal en acotación ab so lu ta d e un llavero e n form a d e trom po.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
2. Llavero en forma de botella.
p la n o
2
Vista frontal en acotación ab so luta d e un llavero e n form a d e botella.
3. Eje para rodamientos-
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
A
f'
22Máiquez Oíd«z,Luis Ensebio. Diseño de piezas de ajedrez, ingeniería M ecearónica. Escuela de Ingenie ría de la Universidad fttnam ericana. Generación 2008-2013-
R 42
4. Alfil, pieza de ajedrez 22 Material: Aleación 0061
Masa: 04302 gran*»
PARTE TRES Fundamentos da la automatización industrial
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
PARTE TRES
p l a n o
B
Fundamentos da la automatización industrial
Vista frontal en acotación absoluta del rey (continuación).
CAPÍTULO 5
p la n o
7
Vista frontal en acotación absoluta del rey.
Técnicas de manufactura automatizada
PARTE TRES Fundamerilos de ta automataaci&n industriai 6.
p i-A N O B
Reina, p ie/a de ajedrez.
V ista fra n ta ] en a c o ta c itx i a b s o lu ta d e la re in a .
Vista
frental en aootaoión
absoluta
de la rein a .
R0.50D
CAPÍTULO 5 Técnicas de manufactura automatizada
PARTE TRES
p i-a n o s
Fundamentos de la automatización industrial
Vista frontal en acotación absoluta de la reirta (c o n t in u a c ió n ).
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Peón, pieza de ajedrez.
Detalle D Escala 1 0 :1
Material: Aleación 6061
M asa: 31.9 30
Escala del isomètrico
1:1 p la n o
io
Vista frontal en acotación absoluta del peón.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
CAPÍTULO 5
p la n o
12
Vista frontal en acotación ab so lu ta del p e ó n
Técnicas de manufactura automatizada
(continuación).
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
8.
Torre, pieza de ajedrez.
Material: Aleación 6061
6.064
7.139
t |
10.859
—
Ms3a: 51.834
12331 1 4.441 13.774 137
u
I 35.939
Detalle A Escala 4 :1 p la n o
i 3
Vista frontal en acotación absoluta de la torre.
37.425
Escala del isomètrico
1:1
CAPÌTULO 5
Tócnicas de manufaetura automatuada
Detalls B Escala 5 : 1 p i-a n o
i a
Vista frontal en acotación absoluta de la torre (c o n t ir t u a tió n ).
o
PARTE TRES
Fundamerilcs de ta automatóaci&n industriai
R3
D etalls C Escala 5 :1
p i-a n o
15
Vista frontal en acotación absoluta de la torre (c o n t in u a c iù n ).
CAPÍTULO 5
Planos de acotación absoluta de rin de automóvil de jugu ete .
C ontorno de rin de autom óvil de m odelism o a escala 1 :10.
1e
9.
Técnicas de manufactura automatizada
PARTE TRES
Fundamentos de ia automatización industrial
25.500 24.500
Detalle D Escala 9 :1
PLANO 1 7
P ia ro s d e aco ta ció n ab so luta del rin d e autom óvil d e ju g u e te (cor?/fricracion).
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
E ste contorno de rin de autom óvil de m odelism o se com plem enta con la g eo metría interna del rin, la cual se podrá realizar en centros d e maquinado d e fresado. A lgunos modelos:
f ig u r a
5 .6 8
D is e ñ o s d e riñes p a ra autom óviles d e m ode lism o.
PARTE TRES
Fundamentos de ta automatización industrial
III. Elabore la planeación de manufactura en centros de maquinado de fresado de las siguientes piezas. U tilice los form atos de la m etodología correspondiente que se encuentran al final de esta sección. Estas piezas se han dibujado con una herramienta de C A D para su desarro llo de CAM . Las dim ensiones serán con base en las necesidades y capacidades del interesado, por lo que será necesario hacer un dibujo 3D de la pieza utili zando alguna herramienta de C AD , o bien, se podrán descargar las piezas del sitio digital del libro. Elabore la planeación de manufactura de las piezas siguientes. Utilice el form ato de la m etodología correspondiente que se encuentra al final de esta sección. 1. Maquinado del disco de freno de un minibaja.
2. Maquinado de yin-yan.
3. Portabotellas de plástico fabricado en policarbonato (prototipo).
CAPÍTULO 5
4. M aquinado de b a rre n o s y cajas en u n rin.
5.
Maquinado de una manzana.
6. Maquinado d e un organizador de llaves para el hogar.
Técnicas de manufactura automatizada
PARTE TRES
Fundamentos da ia automatizaci&n industrial
7. M aq u in ad o de u n reloj de fichas de dom inó.
8. Maquinado de una cavidad para inyección de plástico.
CAPÍTULO 5
9. M aquinado de u n copie de tu b e ría especial.
1(1. Maquinado de un portatubo.
Técnicas de manufactura automatizada
PARTE TRES
Fundamentos da ia automatización industrial
Form ato de lle n a d o para la p la n e a ció n de la m a n ufa ctura autom atizada CNC en a p lic a c io n e s de torne a do . 1. Plano del producto. Dibuje la geom etría de la pieza y anote las dim ensiones correspondientes. Dibuje la geometría de la pxeza y anote laa dimensiones correspcrdientes en acotación absoluta (para aplicaciones CNC). Utilice el plano de la pieza designado o aplique un CAD para obtener la pieza
CAPÍTULO 5
2.
Técnicas de manufactura automatizada
Centro de maquinado y herramientas.
Nombre del centro d e maquinado d e tarreado Capacidad de trabajo
Fo tod6 l equipo
Diámetro máximo d e maquinado (X) Longitud máxima d e maquinado (Z) Disponibilidad d e e;e C en al husillo Transmisión de herramientas motrices Máxima velocidad longitudinal Potencia
rpm-~ -
....... -...........................-
Dibuje el husillo a utilizar; anota las dimensiones y las canaidaracicr.es importantes. A pertura de mordazas disponibles Tipo de husillo Diámetro de sujeción Diámetro de sujeción Diámetro de sujeción Diámetro de sujeción Longitud de sujeción de la materia prima en mordaza Valor para el ajuste del cero pieza
Explique y dibuje el proceso d e calibración del cero pieza a pie de máquina.
Código d e ajuste
Herramienta
Código d e ajuste
Herramienta
Código d e ajuste
Herramienta
Código d e ajuste
Herramienta
Código d e ajuste
Herramienta
PARTE TRES
Fundamentes da la automatización industrial
Dibuje el contrapunto de arrastre a utilizar anote las dimensiones y las consideraciones importantes. Dimensiones Diámetro de sujeción en mordaza Longitud de! contrapunto de arrastre Diámetro de arrastre Ajuste de husillo Presión de agarre Dibuje el contrapunto fijo a utilizar; anote las dimensiones y laa consideraciones importantes.
Dibuje los escen&'ios d6 las herramientas a emplear.
CAPÍTULO 5
3. Sistem a de sujeción y p la n o de la m ate ria prim a.
Dibuje el esquema de sujeción a utilizar.
Determine la longitud de la materia prima.
Dibuje el plano de la materia prima.
Técnicas de manufactura automatizada
o 4.
PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
Parámetros de maquinado.
Determine los parámetros siguientes:
N, Vc,V,f,T.Pe,Tml Ly, T v, etcétera
CAPÍTULO 5
5. Program ación de códigos G & M.
Elabore al programa C N C an al controlador a utilizar.
Técnicas de manufactura automatizada
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
CAPÍTULO 5
Técnicas de manufactura automatizada
Form ato de p lan eeció n CAD/CAM Nombre de la pieza: Material: Nombre del centro de maquinado a utilizar: Hoja
1 De: I
1
Elaboró:
Parámetros Nombre d e la operación
Herramienta y material
0
Fllca
0
FÜ 03
0
FÜ 03
0
FÜ 03
0
FÜ 03
0
FÜ 03
0
FÜ 03
0
FÜ 03
1/
c a p í t u lo Q
Técnicas de automatización industrial
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
| Fundamentos de neumática industrial La neumática* es una herramienta tecnológica de gran aplicación industrial. Su im portancia en la automatización estriba en su rapidez y capacidad al utilizar disposi tivos de m ovim iento lineal y rotatorio, así com o aplicaciones d e sujeción con pinzas o ventosas, además de taladros, remachadoras, martillos, destornilladores, etcétera. La neumática industrial se basa en las propiedades del aire comprimido,2 el cual fluye hacia cada elem en to neum ático m ediante señales d e entrada o salida (I/O ) que se traducen en ausencia o presencia de presión. Implementar la técnica de la neumática industrial en el proceso de manufactura requiere la preparación, m antenim iento, distribución y consum o del aire compri mido. La figura 6.1 muestra un bosquejo general de las actividades que se deben considerar en el proceso. E ste sistem a perm ite la funcionalidad d e la neumática industrial dentro del pro ceso de manufactura. Existen otras variantes que se deben considerar, com o el con trol de fugas, la calidad del aire comprimido, la eficiencia en la generación, etcétera. Implementar un sistema d e este tipo requiere considerar el diseño d e la figura 6.2, junto con el concepto general de la red.
Almacenamiento
Ccoectores
Compresores
Tuberías
—Preparación i—
__________
------------- Mantenimiento
Distribución -------------- Aplicsciór
Umpieza
Diseño cte setem as neumáticos
Lubricación
Herramientas reumáticas
Secado
f i g u r a
B .i
C o n s id e ra c io n e s del p ro c e s o d e pre p a ra c ió n , m antenim iento, distribución y c o n s u m o del aire c o m p rim id o .
t a b l a
B .-i
Partes del sistema d e preparación, mantenimiento, distribución
y consum o del aire comprimido. 1
Tubería principal.
10
2
Tubería de distribución.
11
Disco de pared. Empalme con rosca interior.
3
Tubería de unión en forma de gancho.
12
Filtro de eliminación de partículas.
4
Compresor; baja presión (entre 6 y 10 bar).
13
Unidad de lubricación.
5
CodoaSCrV
14
Componente neumático.
6
Horquilla para montaje en la pared.
15
Condensador en tubería inclinada 1o a 2".
7
Tubo de distribución.
16
Tubo flexible.
8
Válvula esférica con medidor de presión.
17
Derivación de la tubeda de distribución.
9
Tubería de distribución.
18
Uave de cierre.
' E l térm in o “n eu m ática" proviene d e la p alab ra griega pneiurta, q u e significa alien to o soplo. E n su a ce p ción original, la n eum ática se o cupaba d e la dinám ica del a ire y de los fenóm enos gaseosos, p e ro la técnica la h a h ech o u n ooncepto p ro p io p o r la aplicación d e sobrepresión o d e depresión (vacío). JE1 aire com prim ido es aire atm osférico som etido a presión, com puesto p o r 78% nitrógeno, 21 % oxígeno y 1%. o tro s gases (e n especial argón).
PARTE TRES
Fundamentos da la automatcaci&n industrial
http://goo.gl/6C3jvK
f ig u r a
B .a
S istem a d e pre p a ra ció n , m antenim iento, distribu ción y c o n s u m o del aire c om prim ido .
O bserve la figura 6.2 en la cual se muestra el diseño funcional de un sistem a de preparación, mantenimiento, distribución y consum o del aire comprimido. B s impor tante considerar el diám etro de flujo de las tuberías, el tipo de conexiones a utilizar, el seccionam iento de la red para actividades de m antenim iento, el sistem a de cierre en cada sección, las estrategias de doblado, inclinación y elevación de la tubería, que sirven para evitar caídas de presión, problemas de condensación y m étodos de limpieza en el interior de las tuberías, además de utilizar unidades de mantenimiento para el filtrado, secado o lubricación del aire comprimido. C om o elem ento principal del sistema se encuentra la preparación de aire com primido, el cual se obtiene a través de un compresor. Para los fines de este tem a se considera el uso de un sistema a baja presión (entre 6 y 15 bar) y se recomienda que la red de aire comprimido trabaje a una presión de 6 bar y los elem entos de mando a una presión de 4 bar con el objeto de m antener un flujo de presión dentro de los parámetros de funcionalidad de los com ponentes y así evitar fallas al eliminar al máximo accidentes que pudieran sufrir el trabajador o el producto. Bs importante considerar que al m om ento de ¡mplementar un sistem a de pre paración, m antenim iento, distribución y consum o del aire comprimido se obtenga información especializada del tem a y se contrate un servicio dedicado al diseño, instalación, m antenim iento y optimización de este tipo de sistemas. Pues además así se cumple con los estándares normalizados de operación. Bl uso de la técnica de la neumática se justifica por las siguientes razones: ■ Posibilidad de generar aire comprimido en cualquier lugar y en cantidades ilimi tadas. ■ Gran eficiencia energética y de flujo, con la consecuente rapidez, capacidad de carga, exactitud y repetitividad. ■ Posibilidad de almacenar el aire comprimido en depósitos fáciles de transportar. ■ El aire comprimido es incom bustible e inflamable (no existe peligro de ex p lo sión).
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
■ Los com ponentes neum áticos quedan protegidos en su diseño contra sobrecar gas. ■ M antenimiento sencillo y facilidad de limpieza. ■ Posibilidad de utilizar varios niveles de presión en función del margen de diseño admitido por los componentes. Para tiñes de seguridad industrial se prohíbe utilizar el flujo del aire comprimi do? para limpiar partículas de metal, madera u otro tipo d e material d e la ropa o piel del trabajador, pues se pueden ocasionar dañas al cuerpo, principalmente en los ojos, ya que las partículas pueden dañarlos con graves heridas. Asim ism o, la presión del flujo de aire comprimido puede romper o bloquear alguna vena del flujo sanguíneo. N o es recom endable usar el aire comprimido para limpiar las áreas d e trabajo, herramentales y /o maquinaria, porque estas acciones dañan directamente los eq u i pos, debido a que las partículas de metal, madera u otros materiales se depositan en los sistem as m ecánicos (cremalleras, engranajes, poleas, guías lineales y rotatorios, entre otros) y afectan la funcionalidad de precisión y repetitividad de los mismos.
6.1.1
Elementos de la neumática industrial
En la aplicación d e la neumática se contem plan dos escenarios. El primero consiste en el uso de herramientas manuales, taladros, remachadoras, martillos, destornilla dores, entre otras, y el segundo se enfoca en el diseño e imple m entación d e equipos sem iautom áticos y autom áticos de coite, ensam ble, sellado, sujeción, manipulación, pegado, posicio nado, etcétera. Crear un equipo sem ¡automático o autom ático requiere conocer el funciona m iento de los com ponentes neum áticos y una m etodología d e diseño de circuitos Los com ponentes neum áticos son diseños m ecánicos por los cuales circula aire comprimido y, de acuerdo con su función, ejecutan una tarea. Para ejemplificar esta acción se tom a com o referencia el actuador4 d e doble efecto, acompañado d e su sim bología normalizada3 y de la explicación del funcionamiento. El actuador de doble efecto es un elem ento d e trabajo que ejecuta la acción final de la operación (ensamblar, pegar, doblar, sostener, fijar, romper, vibrar, etc.). Su funcionam iento se debe al flujo y presión d e aire comprimido en su entrada (figura 6.36), que impulsa la base del ém bolo para llevar el vástago a su posición de final de carrera; cuando la entrada del aire cambia d e posición (figura 6.3c), el ém bolo se impulsa en posición opuesta haciendo que el vástago regrese a su posición inicial de carrera. El flujo y presión del aire comprimido contenido en las cámaras es desalojado por la entrada opuesta con respecto a la entrada d e aire comprimido. Por lo común se ocupan dispositivos de escape rápido que permiten la salida inm ediata del aire, lo cual disminuye los tiem pos d e operación. El diseño d e los actuadores considera detalles de funcionalidad y los materiales que se em plean en su fabricación y aplicación: em paques, sellos, acabados y dim en siones. Entre los actuadores de trabajo más com unes están los que se presentan en la tabla 6.2. Existen otros tipos de actuadores de características especiales para aplicaciones específicas Entre los más comunes están el músculo neumático, actuadores de fuelle, amortiguadores,actuadores d e bloque, actuadores lineales con giro,sujetadores y pinzas. Utilizar un actuador neum ático requiere diseñar un circuito estructurado inte grado por: elem entos d e trabajo, control, señales de entrada y mantenimiento. La figura 6.4 muestra esta estructura de diseño. 3R eferen cia de seg u rid ad industrial: N o rm a d e seguridad D I N N E 983. ^Tam bién llam ado cilindro y/o pistón. 5D IN IS O I219. Sím bolos d e sistem as y equipos d e la técn ica d e fluido.
PARTE TRES
Fundamentos da b automatización industrial
si
b)
f ig u r a
t a b l a
B .3
b
.3
S im b o lo y funcionam iento d e un a c tu a d o r d e d o b le efecto.8
T ip o s d e actuad ores p a ra a p lic a c io n e s d e neum ática industrial.?
Elem ento neum ático
Sím bolo
A ctuador de sim ple efecto.
Actuador giratorio.
A ctuador lineal.
Actuadcre3 multiposición.
Ventosas.
5 A
6 Tom ado de la aplicación d e softw are FluidSIM -P. L icencia d e uso académ ico. 1 T o m ad o d e la aplicación d e softw are FlaidSIM -P. L icencia d e uso académ ico. FE S T O D idáctica México.
CAPÍTULO 6
2
Técnicas de automatización industrial
El
En la parte superior se encuentra un actuador d e doble efecto (LO)9 regulado en su caudal de avance (1.01); todo esto conform a la zona d e trabajo. Hay un control indirecto a través de una válvula 5/2 biestable (1.1); este elem en to ejecuta cambios de posición en su interior perm itiendo que el flujo de aire comprimido llegue a las entradas del actuador de doble efecto. Los cambios de posición d e la válvula se logran gracias al pilotaje proveniente d e la zona de señales d e entrada que pueden ser botoneras, rodillos, palancas y pedales neum áticos en sincronía con elem entos lógicos y/o de seguridad, además d e tem po rizado res Todo el funcionam iento d e este circuito se basa en el flujo de aire comprimido generado y distribuido, com o se ha explicado anteriormente. El uso de esta estructura de diseño en circuitos neum áticos perm ite definir cla ramente los flujos de alimentación para cada elem ento, con lo que se evitan posibles fallas de conexión; y si las hubiera se pueden detectar fácilm ente para su correcta conexión. Es el diseño d e un circuito robusto y funcional.
•La solución del circuito neumático se obtiene de la aplicación de software FluidSTM-P. Licencia de uso académica FESTO Didáctica México. ' l a numeración de identificación de cada dispositivo está en referencia con los elementos de tra b a ja E l valor que toma es (1.0), (2.0),... (n.0) y su elemento de control tom a e l (1.1), (2.1),... (2.n): es decir, es la dependencia que hay entre ellos. Para las señales de entrada se considera que para inicio de carrera sean números paros (1.2), (1.4),... (l.n ),y para retorno de carrera se tienen los impares (1 3 ),(L S ),... (l.n ). Los accesorios toman los valores (0.1), (0.2),... (O.n), y los elementos li&ados a la parte de trabajo se definen por valores (1.01), (1.02),... (l.On).
http://goo.gl/FqSS3V
PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
En el diseño estructural del circuito neum ático se mencionaron otros elem entos, los cuales se analizan en su funcionam iento directamente en ejem plos de autom ati zación con neumática.
6.1.2
Planeación y documentación en el diseño de circuitos neumáticos
Diseñar un circuito de este tipo requiere el uso de una m etodología de desarrollo que incluya lo siguiente: 1. Nom bre del equipo o sistema. 2. Descripción del funcionamiento. 3 . C roqu is d e situación.
4. Diagrama de desplazam iento de fase (D -F ). 5. Lista de com ponentes a utilizar. 6 . C ircu ito neum ático.
Para el desarrollo de esta m etodología se plantean los siguientes ejemplos. E J E M P L O 6.1
1. Nom bre del equipo o sistema: M áquina de corte de barras d e plástico. 2. Descripción del funcionamiento. Se requiere cortar bloques de 20 mm de longitud de una barra redonda de plástico de 0 50 mm y 3 m de longitud. La operación se realiza con una cuchi lla en posición vertical, la cual está adaptada a un sistema de deslizam iento lineal cuyo elem ento de potencia es un actuador de doble efecto (1.0). La operación es semimanual. ya que el trabajador habilita la barra de plástico hasta el tope de ajuste de longitud de corte requerido y, m ediante el accionam iento de dos botoneras neumáticas, el actuador avanza hasta el corte del material. Cuando el trabajador deja de presionar una y/o ambas botoneras, el actuador regresa inm ediatam ente a su posición inicial. 3 . C roq u is d e situación.
f ig u r a
b .e
Croquis de situación de la máquina de corle de barras d e plástico.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
El croquis de situación en estudio representa un actuador (1.0) colocado sobre una estructura de acero en posición vertical, y una cuchilla com o ele m ento final. La instalación es de precisión y excelente ajuste dimensional, con lo que se logra un buen deslizam iento de la cuchilla durante el corte. El equi po está diseñado de forma robusta para obtener funcionalidad en el tiempo. 4. Diagrama de desplazam iento de fase (D-E).
http://goo.gl/iJs1XO
f is u r a
b
.b
D ia g ra m a D -F d e la m á q uina d e corte d e b a rra s d e plástico.
El diagrama D -F indica el estado del actuador en sus dos fases. A l iniciar la operación dos botoneras conectadas en serie activan el inicio de la carrera del actuador, con un avance hasta su final de carrera para el corte de la barra de plástico. Cuando el trabajador deja de accionar cualquiera de las botone ras de inicio, el actuador regresa inm ediatam ente a su posición inicial. Con esta solución del diagrama D -F se pueden seleccionar de la manera siguiente los elem entos neumáticos que se van a utilizar. 5. Lista de com ponentes a utilizar. t a b l a
B .3
#
Lista d e c o m p o n e n te s ne um áticos a utilizar.10 Ele m e nto neum ático
S ím b o lo
Ca ntidad
Actuador de d cb le afecto.
A Válvula de control 5/2 vías moncestable.
1
3
Válvula d e interruptor m a n u a l 3/2 VÍ3S n o rm a lm e n te ce rra d a
f 1 '
_L
Válvula de simultaneidad (Y) o (AND).
Se selecciona una válvula de control S il vías monoestable, que será el elem ento de control del circuito, porque tiene dos salidas que corresponden a las dos entradas del actuador de doble efecto. Se considera un solo pilotaje
“N o rm a s D IN IS O 559 y D IN I S 0 1219.
'.V 3
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
ft 12 Pilotaje neumático ;
J
5 )S
"
Escape de aire
4 ft I f
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2 \
T3
j _I
Escape de aire Ss!id9 de aire comprimido Entrada de aire com primido
Rujo de aire com primido
Salida de aire comprimido
Entrada de aire comprimido f ig u r a
B .7
F u n cion am ie nto d e la válvula d e control 5/2 vía s m ono esta ble .
porque el regreso del actuador no depende de una señal de entrada, ya que el trabajador deberá soltar los interruptores y la válvula de control permitirá este regreso por la tuerza de compresión del resorte. Se dice 5/2 porque tiene 5 vías de flujo y 2 estados. La figura 6.7 explica el funcionam iento de la válvula de control 5/2 vías monoestable. O bserve que en estado de reposo la válvula tiene flujo de aire de l a 2, que representa el flujo de trabajo, con lo que el actuador de doble efecto perma nece en posición de inicio de carrera aun cuando esté en posición vertical y con el peso de la cuchilla;esto es muy importante por cuestiones de seguridad industrial, ya que así se garantiza el estado inicial del actuador. C om o se observa en la figura 6.8, el estado inicial de la válvula se garanti za por la fuerza de com presión del resorte. Ll cambio de estado sólo se puede ver cuando (por 12) se aplica el pilotaje neum ático que representa el flujo de control proveniente de las señales de entrada del sistema. Hl estado de la válvula cambia y ahora el flujo circula de 1 a 4, lo que hace que el resorte se
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
SsJída de aire co m primido
f ig u r a
b
.b
F uncio n am ie nto d e la válvula d e control 5/2 vía s m o nce stab le.
comprima y el actuador realice su recorrido hasta llegar a su final d e carrera. Los flujos 3 y 5 son flujos d e salida d e presión de aire comprimido contenido en las cámaras del actuador y en los ductos d e conexión, lo que permite la funcionalidad del elem ento. El flujo de control que ingresa al pilotaje d e la válvula proviene de una combinación de señales d e entrada por ser un circuito bimanual, y requiere dos botoneras neumáticas conectadas en serie, lo cual se logra con el em pleo de una válvula de simultaneidad, también conocida com o Y o A N D , que exi ge que ambas señales estén presentes para el funcionam iento del sistema. Las señales de entrada provienen de dos botoneras neumáticas idénticas que se identifican con el nombre d e la válvula d e interruptor manual 3/2 vías normalmente cerrada. Su funcionam iento es sem ejante al d e la válvula de control 5/2 vías m onoestable, pero con algunas variantes. En la figura 6.9 observe que en estado de reposo la válvula se encuentra cerrada y el flujo de aire en 1 está bloqueado en el primer estado. El estado inicial d e la válvula se garantiza por la fuerza d e compresión del resorte; el cam bio de estado sólo se puede ver cuando se presiona la botonera, pues en tonces el estado d e la válvula cambia y ahora el flujo circula d e 1 a 2. Regresa a su estado inicial cuando se deja d e presionar la botonera. Existen diversas configuraciones d e las válvulas en su form a d e operación y ejecución. Para la operación se tiene la misma válvula pero en condición inversa, es decir, una válvula de control 3/2 vías normalmente abierta. Su ejecución (forma d e accionar la válvula) es por botoneras, palancas, rodillos, pedales, etc. (tabla 6.4).
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
Botonera
f ig u r a
b
.b
F u n cion am ie nto d e la válvula d e control 3/2 vía s norm alm ente c e rra d a .
Por últim o se encuentra la válvula de simultaneidad, la cual recibe las señales de entrada y las convierte en la señal de pilotaje hacia la válvula de control. Su funcionam iento requiere que ambas señales estén presentes, es decir, una conexión en serie de ambas botoneras, lo que ocasiona una sola salida d e aire comprimido. Para mejores resultados de seguridad industrial se reco mienda utilizar una válvula de control de mando, la cual perm ite bloquear el sistem a en caso de que una de las dos botoneras sea accionada perm anente m ente o por un intervalo de tiem po de seguridad programado (figura 6.12).
1 fig u r a
B .1 Q
3
Válvula d a control 3/2 vías no rm a lm ente abierta.
CAPÍTULO 6
t a b l a
e .A
Técnicas de automatización industrial
Diferentes c o n fig uracio ne s d e válvulas 3/2 vías.
Válvula d e interruptor d6 pedal 3/2 vías normalmente cerrada.
A
1 1
Válvula d e interruptor manual con erclavam iento 3/2 vías normalmente cerrada.
\ *
,\
1
i
2 Válvula d e ¡nterrupto' de pivote con enclavamiento 3/2 VÍ3S normalmente cerrada.
I
1
, \ 1
2 Válvula d e interruptor de hongo 3/2 vías ncrmalmente abierta.
t ,
i
1
1 1
\ 1
w I
3
2 Válvula d e interruptor de rodillo 3/2 vías normalmente cerrada.
® =
1
Sslida de aire comprimido
m LU
Ssíds de aire comprimido
L
1
1 1t
Entr&ds de aire comprimido
Entrada de aire comprimido
Ssüda de aire comprimido
f ig u r a
B .1 1
E s q u e m a d e funcionam iento d e la válvula d e sim ultan eida d.
La conexión de esta válvula se utiliza com únm ente en equipos para do blez, corte, prensado, sellado, etc., donde existe el riesgo de lastimar al traba jador, por lo común en los brazos.
http://goo.gl/FOpsRG
PARTE TRES
Fundamentos da la automataaci&n industrial
Salida de aire comprimido
C on estos elem entos se procede a conectarlos, según la figura 6.13, y el circuito queda com o sigue: 6. Circuito neumático. (1.
http://goo.gl/bHTgKa
f is u r a
b
.13
0)
S olució n del circuito ne u m á tico p a ra la m á q u in a d e corte d e b a rra s d e plástico en po sició n inicial.
Observe que el circuito presenta sus cuatro etapas estructuradas: genera ción y m antenim iento de aire comprimido, las señales de entrada, la parte de control y la parte de trabajo. Por la figura 6.13 se puede observar que el circuito está diseñado para que el actuador (1.0) ejecute su trabajo. La operación inicia al pulsar dos botone ras neumáticas (1.2) y (1.4), es decir, ambas manos están ocupadas (sistem a de
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
<1.01
f ig u r a
B .1 4
http://goo.gl/AMswdP
S olució n del circuito ne u m á tico p a ra la m á q u in a d e c o rle d e b a rra s d e plástico e n posición (¡nal.
seguridad industrial). Esto se logra utilizando una válvula de simultaneidad (1.6). El flujo de aire comprimido circula hacia la válvula de control (l. I), que com o su nombre lo indica, controla la salida del flujo perm itiendo que el actuador esté en posición inicial o final de carrera. Además, por ser un elem ento de mando indirecto se puede regular el flujo de trabajo del sistema. Observe que la unidad de m antenim iento (D.l) registra dos presiones a su salida: 4 y 6 bar, y esta última es la presión de trabajo del actuador. La válvula ( l .l) cambia de posición gracias a la presión de pilotaje de 4 bar, que permite que el flujo de trabajo circule de l hacia 4 para el avance del actuador. Cuando se deja de presionar una o ambas botoneras, el aire del pilotaje deja de existir, por lo que el resorte de la válvula de control hace que regrese a su posición inicial,y asf el actuador regresa tam bién a su posición inicial, ya que ahora el flujo de trabajo circula de l a 2. Observe que el flujo contenido en el actuador se libera a través de los ductos direccionados de 2 a 3 de la válvula ( l.l) . En ocasiones se colocan escapes rápidos para dar rapidez al regreso del actuador y con esto optimizar tiem pos de operación (figura 6.15).
http://goo.gl/5CvTnV
f ig u r a
b
.ib
Válvula d e escape rápido.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatcaci&n industrial
'lod o lo anterior se instala en la estructura del equipo, se asegura que no haya fugas.se realizan pruebas de funcionam iento, se calibra el equipo y que da listo para la puesta en marcha
E J E M P L O 6.2
1. Nom bre del equipo o sistema: Prensa de sellado. 2. Descripción de funcionamiento. U na prensa de sellado funciona m ediante dos actuadores de doble efecto (LO) y (2.0) conectados sobre una cortina que tiene com o elem ento final una resistencia térmica para el sellado de dos placas de plástico. La operación inicia cuando se accionan sim ultáneam ente dos botoneras, y la cortina se desplaza lentam ente hasta llegar a su final, donde perm anece 8 segundos, que es el tiem po de sellado del producto. IVanscurrido este tiem po la cortina regresa a su posición inicial. 3. Croquis de situación.
http://goo.gl/NJVzSF
f ig u r a
B .ie
C ro q u is d e situación d e la p re n s a d e sellado.
El croquis de situación en estudio representa los dos actuadores coloca dos sobre la cortina de acero en posición vertical. La instalación es de preci sión y excelente ajuste dim ensional, con lo que se logra un buen deslizam ien to de la cortina. El equipo en general está disertado de manera robusta para su funcionalidad. 4. Diagrama D -F El diagrama D -F indica el estado de los dos actuadores en diferentes fa ses. A l iniciar la operación dos botoneras conectadas en serie activan el inicio de carrera de am bos actuadores, con un avance lento durante toda su trayec toria. A l llegar al final de carrera ambos actuadores son registrados por los sensores S, y S-, respectivamente, lo que activa el tem porizador que retarda 8 segundos la señal para que ambos actuadores regresen a su posición inicial. Termina el ciclo.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
http://goo.gl/gBAEeA
f ig u r a
B .1 7
D ia g ra m a D -F d e la pre nsa d e sellado.
Con esta solución del diagrama D -F se pueden seleccionar de la manera siguiente los elem entos neum áticos que se van a utilizar: Lista de com ponentes a utilizar.
ta b la
0.6
L ista d e c o m p o n e n te s neum áticos a utilizar en la p re n s a d e sellado.
D escripción
Sím bolo
C antidad
Actuador doble efecto.
t é
tgr
Regulador de caudal.
4
m
Válvula c e control 5/2 vías biestable.
5
Válvula de interruptor manual 3/2 vías normalmente cerrada.
-i
3
~ H \'v
Válvula de interruptor d e rodillo 3/2 '/las normalmente cerrada.
@ =
Válvula de simultaneidad (Y) o (AND).
Vátvula de desaceleración normalmente cerrada (temporiza dcr neumático).
2
$ hnL
i 1
y l
¡
LW
'y >“ 1
T v T
T ^ 3 ............
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Se selecciona una válvula de control 5/2 vías biestable, que será el ele m ento de control del circuito. Se ha designado este elem en to por tener dos salidas que corresponden a las dos entradas de los dos actuadores de doble efecto y se consideran dos pilotajes; el primero para el avance de los actuadores y el segundo para el regreso. Kstos pilotajes están condicionados por las señales de entrada, para el avance se consideran dos válvulas de interruptor manual 3/2 vías normalmente cerradas que representan el inicio de la operación. Observe que el sistem a requiere que la cortina de sellado se desplace len tam ente, para lo cual se utilizan dos válvulas reguladoras de caudal colocadas a la entrada del inicio de carrera de cada actuador. U na válvula de este tipo estrangula el flujo del aire comprimido a través de la reducción del diámetro del ducto en una dirección (figura 6.18).
http://goo.gl/49nBu4
Perilla d e regulación
4=r
P Entrad a d e aire c o m p rim id o
Salida d e aire c o m p rim id o
Perilla d e regulación
Entrad a d e aire c o m p rim id o ¡
Salida d e aire c o m p rim id o
C a v id a d estra ngu lad a
fig u r a
8 .18
Válvula regu lad o ra d e c a u d a l c o n (lujo directo.
La válvula regula el flujo en una dirección, es decir, cuando el aire retorna ya no se estrangula gracias a la liberación del ducto por em paques flexibles, y el retorno del actuador es rápido (figura 6.19). Recuerde que se puede inte-
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
grar un escape rápido del flujo de aire comprimido para lograr la funcionali dad del sistema.
Perilla d e regulación
Salida d e aire c o m p rim id o
Fiesl i r a 6 . 1 8
j
E n tra d a d e aire c o m p rim id o
Válvula regu lad o ra d e c a u d a l c o n flujo invertido.
Para el retorno se consideran dos válvulas de interruptor de rodillo 3/2 vías normalmente cerrada. Estas válvulas funcionan com o un sensor mecánico, es decir, cuando el vástago de los actuadores llega a su final de carrera los senso res se accionan por una fuerza de contacto y la apertura del flujo que alimen tará al tem porizador neum ático en form a de pilotaje. El tem porizador es un elem ento integrado por un regulador que sirve para programar mecánicamente el tiem po de retraso que libera el flujo de salida de aire comprimido (figura 6.20).
http://goo.gl/djrLFM
Pilotaje ne u m á tico
12 Cavidad te m p o riza d o s
Regulación d e flujo
E sc a p e d e aire
Salida de aire c o m prim ido
Entrada de aire co m p rim id o
f ig u r a
e .a o
Te m p o riza d o r ne um ático no rm a lm ente c e rra d o en co n d icio n e s iniciates.
El regulador de flujo disminuye el paso de aire comprimido haciendo que la cavidad tem porizadora demore en su llenado. Cuando la cavidad está llena se libera la presión mecánica ejercida por el re se ñ e interno del sistem a y el flujo de entrada del aire comprimido circula a la salida del tem porizador para alimentar el pilotaje de la válvula de control (figura 6 .2 1).
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Ca vid ad tem poriza dora
Esca p e de aire
Salida d e aire o o m p rim ld o
Entrada d e aire c o m p rim id o
f ig u r a
B .a i
Te m p o riza d o r ne um ático no rm a lm ente c e rra d o eri co n d icio n e s finales.
(Conjuntados los elem entos se procede a conectarlos com o en el siguien te circuito. 6. Circuito neumático.
http://goo.gl/gDNMr7
fig u r a
B .22
S olució n del circuito ne u m á tico p a ra la m á q u in a d e la pre nsa d e sellado e n po sició n inicial.
Observe que el circuito presenta sus cuatro etapas estructuradas: gen e ración y m antenim iento de aire comprimido, señales de entrada, control y trabajo. El circuito está diseñado para que los dos actuadores (1.0) y (2.0) ejecu ten su trabajo simultáneamente. La operación inicia al pulsar dos botoneras neum áticas (1.2) y (1.4), es decir, ambas manos ocupadas (sistem a de seguri dad industrial). Esto se logra utilizando una válvula de simultaneidad (1.6).
CAPÍTULO 6
s»
Técnicas de automatización industrial
E¡
http://goo.gl/F1GDvs
Trabajo
(1.0 (1.01)$ l
Control
(2 . 0 :
ii.02>$3j
(1 .1 )4 (1.91 ( 1. 6)
i .
•S’
Señales de entrada (1 .2 )2 (1 -4 )2 O N ¡ £ v £.V O N l=( ;"\V
$i f ig u r a
\3
B .S 3
1
Generac-ón y mantenimiento
S olució n del circuito ne u m á tico p a ra la m á q u in a d e la pre nsa d e s ellado e n po sició n (¡nal.
Recuerde que para mejores resultados se puede utilizar la válvula d e control de mando. El flujo d e aire comprimido circula hacia la válvula d e control ( l . l ) que, com o su nombre lo indica, controla la salida del tlujo permitiendo qu e las actuadores estén en posición inicial o final d e carrera. Además, por ser un elem ento d e mando indirecto.se puede regular el flujo de trabajo del sistema. Observe que la unidad de m antenim iento (0.1) a su salida registra dos presio nes: 4 y 6 bar, siendo esta última la presión d e trabajo de los dos actuadores. La válvula (1.1) cam bia de posición gracias a la presión d e pilotaje d e 4 bar, perm itiendo que el flujo circule d e 1 hacia 4 y posteriorm ente fluya por los reguladores de caudal (1.01) y (2.02) reduciendo el caudal para que ambos actuadores tengan un trayecto regulado en su velocidad d e avance. (Xtando ambos actuadores llegan a su final de carrera los sensores S, y S3, representados por las válvulas d e rodillo (1.3) y (1.5), registran su presen cia y ejecutan sim ultáneam ente el tem porizador neum ático (1.9) calibrado a 8 segundos. D espués de este tiem po d e espera el tlujo de control pilotea la válvula de control (1.1) perm itiendo que el flujo de trabajo circule d e 1 a 2 y que ambos actuadores regresen rápidamente a su posición inicial. El circuito se iniciará de nuevo hasta que el operador manipule las válvu las de inicio de operación.
E J E M P L O 6.3
1. Nom bre del equipo o sistema: E quipo p a ra transportar placas de madera. 2. D escripción d e funcionamiento. Un equipo de montacargas sujeta una placa de madera de 2.4 X 1.2 m. La placa está sujeta m ediante un arreglo de seis ventosas colocadas en puntos específicos d e una estructura metálica. La operación inicia cuando el opera dor lleva el montacargas a la zona d e carga del producto. En ese mom ento una palanca de accionam iento manual activa las ventosas para tomar el pro-
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
ducto. Las ventosas se desactivan cuando la palanca se lleva a su posición de apagado. 3. Croquis de situación.
http://goo.gl/ycRghn
f ig u r a
B .2 4
#
Nom bre del elem ento
1
Palanca de ajuste de estructura.
2
Manguera de flujo de aire al vacío.
3
Ventosa (1 .0 .... 6.0).
4
Caja de control neumático.
5
Estructura metálica.
6
B a'ra de unión estructural.
7
Placa de madera 2.40 X 1.20 metros.
C ro q u is d e situación del eq u ip a d e transparte d e p la c a s d e m ad era.
4. Diagrama D-E
http://goo.gl/W2yQVE
1
3=1
)ON/OFF
( 1 0 ). (2 .0) . . . . (6 .0)
f ig u r a
b
.s b
D ia g ra m a D -F d e la pre nsa d e sellado.
El diagrama D -F indica el estado de las seis ventosas en sus dos fases: sin succión/con succión. Las ventosas se accionan por la activación de una palan ca O N /O FF por el operador del equipo. La señal de activación permanece mientras carga el producto; para descargarlo es necesario regresar la palanca a su estado inicial. Con esta solución del diagrama D-E los elem entos neum áticos que se van a utilizar se pueden seleccionar de la siguiente manera. 5. Lista de com ponentes a utilizar.
t a b l a
e .B
Lista d e c o m p o n e n te s n e um ático s a utilizar en el e q u ip o d e transporte d e p la c a s d e m ad era.
#
D escripción
S ím bolo
y 1
Ventosa de muelle.
\ 2
G enerado' de vacío.
2
Váívula d e palanca manual 3/2 vías con er.clavamier.to no'm almente cerrada.
C antidad
CAPÍTULO 6
f ig u r a
B .a e
Técnicas de automatización industrial
V entosas d e distintas form as y m ateriales.
Para este ejem plo los elem entos de trabajo constan de un conjunto de seis ventosas, las cuales se alimentan por un generador de vacío. Las ventosas son elem entos de agarre a través de succión, que gracias a la generación de vacío y a las propiedades de sus m ateriales se puede lograr una sujeción segura de geom etrías diversas (figura 6.26). Las ventosas se pueden colocar en estructuras de a so específico, robots industriales o equipos de agarre. Su selección depende de la aplicación que se le dé, com o puede ser el nivel de seguridad en el agarre, el tipo de producto a sujetar, dimensiones del producto, etcétera. Los sistem as de sujeción por vacío" tienen la ventaja de sujetar las piezas suavem ente, sin dañarías. Estos sistem as no arañan las piezas y tam poco d e jan huellas, a diferencia de lo que puede suceder con los sistem as mecánicos. El funcionam iento de las ventosas requiere un sistem a de generación de vacío, com o dispositivos modulares, o sistem as de gran capacidad que ejecu tan su función bajo el principio de Venturi.12 La representación de un módulo generador de vacío es la siguiente:
http://goo.gl/avNmsM
[ Entrada de aire com primido f ig u r a
b
.2 7
Válvula g e n e ra d o ra d e vacs'o c o n tobe ra Venturi.
Conjuntados los elem entos se procede a conectarlos com o en el siguiente circuito.
" E l vacío es el e sta d o d e u n g a s e n el cual la d e n sid a d p a rd a l d e su s partículas e s inferior a la de la atm ósfera d e la superficie terrestre. P o r n o rm a, e n n eu m ática se indica la presión com o sobrepresión (cu i-elación con la presión am b ien te). E llo tam b ién q u ie re d ecir q u e el vacío siem pre se indica con u n valor n egativo (m ed id o con respecto a la p resió n am b ien te). « Principio d e V enturi. E l a ire com p rim id o fluye d esde la conexión de presión hacia u n a cavidad. M e d ia n te u n a reducción d e la sección en la to b e ra V enturi au m e n ta la velocidad de circulación del aire hasta la v e lo d d a d d e l sonido. A la salida p o r la to b e ra V enturi. el aire se expande y fluye a través d e la to b e ra recep to ra h acia la salida d e escape. E sto produce u n vacío e n la cám ara situada e n tre la to b e ra V enturi y la to b e ra recep to ra, lo q u e provoca q u e el a ire sea aspirado de sd e la conexión d e vacío d o n d e está la salida d e flujo d e vacío.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
6. C ircuito neum ático.
A f ig u r a
b
.3 8
S olució n del circuito ne u m á tico p a ra el e q u ip o d e transporte d e p la c a s d e m a d e ra en po sició n d e rep oso .
http://goo.gl/I7BzaM ( 1.0 ). ( 2 . 0 ) . . . . ( 6 . 0 )
(
<1.01)
Trebejo
Control Seríeles cié entrade
( 1. 1 )
ON/OFF
Generación y mantenimiento
f ig u r a
B .a a
S olució n del circuito ne u m á tico p a ra el e q u ip o d e transporte d e p la c a s d e m a d e ra en o p eración.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
Observe que el circuito presenta sus cuatro etapas estructuradas: gene ración y m antenim iento de aire comprimido, señales de entrada, control y trabajo. En esta solución las etapas de señales de entrada y control están integradas con un sistem a directo de operación. El circuito está diseñado para que una palanca O N /O FF (1.1) active el generador de vacío (1.01) localizado en la paite de trabajo del circuito. A l ha cerlo, las seis ventosas comienzan a succionar y sujetar el producto. El equipo de transporte recorre su cam ino hasta llegar a su destino final de descarga. En ese m om ento el operador regresa la palanca O N /O F F a su estado inicial, y el generador de vacío deja de ejecutar su operación y, en consecuencia, las ventosas liberan el producto. Por cuestiones de seguridad industrial se recom ienda que la palanca O N /O FF tenga un elem ento con llave de accionamiento. Esto asegura que las ventosas por ningún m otivo se enciendan o apaguen por un error de op e ración, por vibración o por algún elem ento extraño en la actividad. A sí se evita que el sistem a pueda soltar el producto o tomar algún accesorio que provoque un accidente. Este circuito presenta la desventaja de tener un control directo en su funcionam iento, lo que ocasiona inseguridad en su operación; es decir, nada garantiza que la palanca de accionam iento se desactive por una falla mecáni ca o error humano.
E J E M P L O 6.4
L Nom bre del equipo o sistema: A lim en tador de barras cilindricas en centro de m aquinado d e ¡orneado. 2. Descripción del funcionamiento. Se tienen unas barras cilindricas de diámetro 50 mni y longitud de 200 mm sobre un contenedor inclinado (figura 6.30), las cuales serán alimentadas en un centro de maquinado de torneado. La carga de las barras es por pares, utilizando dos actuadores de doble efecto controlados por la misma válvula de control, pero con m ovim ientos de avance y retroceso invertidos. En condi ciones iniciales el actuador superior (1.0) está en posición retraída, mientras que el actuador inferior (2.0) está en posición final de carrera. (Cuando se inicia la operación el vástago del actuador (1.0) avanza y el vástago del actuador (1.2) retrocede. D o s piezas ruedan hacia el centro de carga y después de un tiem po r, = 1 s. el vástago del actuador (1.0) retrocede, y lo contrario sucede con el vástago del actuador (1.2) con todo ejecutándose al m ism o tiem po. El ciclo siguiente sólo puede empezar cuando ha transcu rrido un intervalo de tiem po r2 = 2 s. La puesta en marcha se puede realizar en dos formas: ciclo único o ciclo continuo. El primero sirve para calibrar el eq u ip o,y al efectuarlo se ejecuta la operación en ciclo continuo. Para la calibración se utiliza una botonera de pulsador manual normal mente cerrada. Para la operación autom ática se usa una botonera de pulsa dor manual con enclavam iento que normalmente está cerrada. Para ambas condiciones de operación es necesario verificar las condicio nes iniciales y finales de cada actuador. Para el avance del actuador (1.0) y retroceso del actuador (2.0) es nece sario regular la velocidad de carrera del vástago.
PARTE TRES
Fundamentos da ía automatización industrial
3. C ro q u is de situación.
f is u r a
B .3 D
C ro q u is d e situación del alim entador d e ba rra s cilindricas en centro d e m a q u in a d o d e torneado.
4. Diagrama D -F
0 f is u r a
b
.3 1
D ia g ra m a D -F d e la pre nsa d e sellado.
El diagrama D -F indica el estado de los dos actuadores en diferentes fa ses y posición de inicio; es decir, el actuador (LO) está en reposo y el actuador (2.0) en final de carrera. A l iniciar la operación dos botoneras conectadas en paralelo pueden ejecutar la operación: un solo ciclo o ciclo continuo. El avan ce del actuador (l.O) y el retroceso del actuador (2.0) son lentos durante toda su trayectoria. A l llegar a su destino final ambos actuadores son registrados por los sensores S, y S 2, respectivamente, activando el tem porizado^ el cual retarda un segundo el proceso hasta hacer que ambos actuadores regresen a su posición inicial. El proceso se reinicia transcurridos 2 segundos, y pasado ese tiem po el trabajador puede ejecutar nuevam ente la puesta en marcha del equipo. Observe que los sensores Sfl y Sj comprueban las condiciones inicia les de la operación. Con esta solución del diagrama D-F; los elem entos neum áticos que se van a utilizar se pueden seleccionar de la siguiente manera:
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
L ista d e com p o n en tes a utilizar. ta b la
8 .7
Lista d© c o m p o n e n te s ne um áticos a utilizar en el alimentado? d e ba rra s cilindricas en centro d e m a q u in a d o d e torneado.
D escripción
S im bolo
C antidad
Actuador d e doble efecto.
tSr
Regulador de caudal.
m
Válvula d e control 5/2 vías biestable.
Vátvula de interruptor manual 3/2 vf3S normalmente cerrada.
vV 1
Vátvula de interruptor manual 3/2 vÍ3s con enclavamiento normalmente cerrada.
•V 1
Vátvula de interruptor d 6 rcdillo 3/2 vías normalmente cerrada
3
vV
Vátvula de simultaneidad (Y) o (AND).
Vátvula selectora (o) u (OR).
Vátvula de desaceleración normalmente cerrada (temporizador neumático).
3
12
S i
Conjuntados los elem entos se procede a conectarlos com o en el siguiente circuito.
o PARTE TRES
http://goo.gl/vF1Rcr
Fundamentos da ta automataacién industrial
f is u r a
6 .3 E
S o lu ció n d e l circuito neum áiioo p a r a e l e q u ip o alim entador d e b a rra s cilin dricas e n cen tro d e m a q u in a d o d e to rn e a d o e n e s a do d e reposo.
CAPÍTULO 6 Técnicas de automatización industrial
f is u r a
6 .3 3
S o lu ció n d e l circuito neum ático p a 'a ia m á q u in a d e la pre nsa d e sellado e n posición final.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
Observe que el circuito presenta sus cuatro etapas estructuradas: gen e ración y m antenim iento de aire comprimido, las señales de entrada, control y trabajo. El circuito está diseñado para que los dos actuadores (1.0) y (2.0) ejecu ten su trabajo de manera inversa. La operación inicia al pulsar una botonera neumática (1.2) para ejecutar un ciclo o la botonera neumática con enclavam iento (1.4) para ejecutar el ciclo automático. Ejecutar la operación en un ciclo se d ebe a cuestiones de calibración del equipo, es decir, el trabajador ajusta la velocidad de los actuadores, el tiempo de retardo de los temporizadores, verifica la correcta instalación de los ele m entos neumáticos y con esto el equipo puede estar listo para funcionar en ciclo continuo. El flujo de aire comprimido circula hacia el temporizador, el cual se ajus tará en el tiem po requerido una vez transcurrido el tiem po de la válvula de control (1.1), para que los actuadores ejecuten su operación en condiciones inversas, pero antes de regular su flujo m ediante las válvulas (1.01) y (2.02) (figura 6.33). Observe que la unidad de m antenim iento (0.1) a su salida registra dos presiones: 4 y 6 bar, siendo esta última la presión de trabajo de los dos actua dores. (Cuando el actuador (1.0) llega a su posición final y el actuador (2.0) lle ga a su posición inicial los sensores S, y S2 registran su presencia y activan el tem porizador que retarda el proceso el tiem po requerido. La válvula de control es piloteada por el sentido opuesto haciendo que am bos actuadores regresen inm ediatam ente a las condiciones iniciales de operación. El circuito inicia hasta que el operador pulsa nuevam ente las válvulas de inicio de operación de un ciclo o ciclo continuo.
E J E M P L O 6.5
1. Nom bre del equipo o sistema: M áquina de ensam ble chumacera-rodamiento. 2. Descripción de funcionamiento. Parte 1. Chumacera, pieza fabricada en acero 1045, con dim ensiones se gún el plano y parte 2. Rodamiento: 0 ^ = 38 mm, 0 inL= 8 mm y espesor de 15 mm. C h a fla n a s d a 1 x 4 6 '1 0 4 6 H 7 T 1E 2 x R17
038T1
E sc ala d el is o m è tric o 1 :1 .5
L
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M a te ria l: F u n d ic ió n d a a c e ro çpis
U
P e s o : 7 7 3 .7 2 0 g r a m o s R edondees de 3
S E C C IÓ N A -A
_33_
A l contar con las piezas que integran el sistema de rodamiento se pasa a la operación de ensamble; el rodamiento se insertará en la chumacera. Se requiere que la operación de ensam ble chumacera-rodamiento sea sem iautom àtica por lo que el departam ento de producción requiere una eva luación m ediante un sistema que d ebe funcionar de la siguiente manera:
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
U n tr a b a ja d o r c o lo c a u n a c h u m a c e r a e n la z o n a d e e n s a m b le . C u a n d o s e d e te c ta la c h u m a c e r a u n a c t u a d o r d e d o b l e e f e c t o c o lo c a e n e lla u n r o d a m ie n to , e l c u a l s e e n c u e n t r a e n u n a lm a c é n d e e le v a d o r . E l a c t u a d o r p e r m a n e c e e n e s a p o s i c ió n y u n s e g u n d o a c t u a d o r d e d o b le e f e c t o e n s a m b la le n ta m e n t e e l r o d a m ie n to ; d e s p u é s d e e s p e r a r 8 s e g u n d o s , a m b o s a c lu a d o r c s r e g r e s a n a s u p ix sic ió n in icial. E l p r o c e s o s e r c in ic ia c u a n d o e l tr a b a ja d o r a c c io n a d o s p u ls a d o r e s n e u m á tic o s ( b im a n u a l) .
En todo m om ento se requiere detectar la posición inicial y final d e los actuadores. 3. Croquis de situación.
http://goo.gl/oqlPHZ
f ig u r a
B .3 4
C ro q u is d e situación d e la m á q u in a ch u m a ce ra -ro d a m ie n to .
4. Diagrama de desplazam iento d e fase.
f ig u r a
B .3 B
D ia g ra m a D -F d e la m á q u in a d e e n sa m b le d e rodam iento en ch u m a c e ra .
f ig u r a
6.3 6
Solución del circuí ti neumático parala máquina de ensamble chumaoera-rodam¡ento.
PARTE TRES Fundamentos de ¡a automatizaci&n industrial
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
http://goo.gl/IMJJ
f ig u r a
8 .3 7
C o n ta d o r neum ático.
El diagrama indica el número de sensores a utilizar. El sistem a d e ac cionam iento es bimanual por seguridad industrial; el trabajador lo pone en marcha hasta que ambas botoneras están ocupadas D e las válvulas que se em plean una es de control d e mando y en muchos casos se requiere una lla v e para desbloquear el accionam iento cuando una señal perm anece por más tiem po del predefinido. El recorrido d e los actuadores tiene velocidad controlada, lo que da se guridad al m om ento del ensam ble del rodamiento. El regreso es por escapes rápidos para la máxima eficiencia del sistema. Los reguladores d e caudal a la entrada de cada actuador no afectan la funcionalidad física del flujo de aire y al m om ento de hacer contacto el vástago con la carga ocasionada por el ensam ble del rodamiento en la caja de la chumacera pudiera afectar su recorrido, por lo qu e el equipo debe contar con un tem porizador que permita verificar que el ensam ble se realice correctam ente hasta que el actuador lle gue al final d e su carrera.
PARTE TRES
Fundamentes da la automatizaci&n industrial
Electroneumática industrial El uso de la electroneum ática surge por la necesidad del desarrollo tecnológico in dustrial en aplicaciones de automatización; es decir, la neumática por sí sola no so l venta soluciones de integración tecnológica. Un desarrollo de automatización requiere un conjunto de tecnologías que per mitan la creación de un sistem a com puesto de máquinas y m edios de comunicación entre sí, com o en la electroneumática. Su funcionam iento depende de la com bina ción de la neumática para la parte de trabajo y una parte eléctrica para el control. En cuanto a la operación, se recomienda utilizar 12,24 y en algunos casos 120 volts.pero lo más común a nivel industrial son 24 volts, con una corriente de 1 a 0.5 am peres y a 60 Hertz de frecuencia. La estructura de funcionam iento se basa en interruptores y relevadores que con jugan el paso de la corriente a un sistema lógico de encendido y/o apagado, que se define con señales de entrada X o S (figuras 6.38 y 6.39).
http://goo.gl/IgbhoX
ct f ig u r a
b
.3 b
a
D iversas con fig uracio ne s d e botonaras industriales: a ) interruptor d e acciona m ien to m anual c o n en clavam ien to no rm a lm ente abierto;
b) interruptor
d e a c c io n a m ie n to m an ual c o n e n c lavam ien to no rm a lm ente ce rra d o ; c ) p u ls a d o r d e acciona m ien to norm alm ente abierto, y
d) p u ls a d o r d e
acciona m ien to norm alm ente
ce rra d o .
Existen diversas configuraciones de interruptores, tanto en su presentación com o en su arreglo interno. En muchas ocasiones las botoneras están com puestas por indicadores lum inosos,perm itiendo así la comprobación del funcionam iento del dispositivo, o bien, incluyen una llave para liberar el interruptor al accionarlo o des bloquearlo. La estructura de los interruptores se com pone básicamente del paso o interrup ción de energía a través de materiales conductores; su equivalente teórico corres ponde a 0 cuando está abierto y a 1 cuando está cerrado. El uso de estos interruptores perm ite el accionar de un equipo o el paro inm ediato si es necesario por cuestio nes de seguridad industrial. El diseño de los botones com prende formas ergonómicas, colores y sim bología estandarizada para su fácil interpretación y funcionamiento. Un relevador es un dispositivo lógico que integra un arreglo por pares de in terruptores; normalmente abierto y norm alm ente cerrado. Su funcionam iento de pende de una bobina que al estar energizada invierte el estado de los interruptores (figura 6.40).
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
http://goo.gl/mUt01W
f ig u r a
B .3 S
D iversas c o n fig uracio ne s d e botoneras industriales: e ) p u lsado r d e acciona m ien to no rm a lm ente abierto y c e rra d o ; /) p u lsado r d e acciona m ien to c o n e n c la v a -
g) c o n ta cto no rm a lm ente ce rra d o ; í) in d ic a d o r a cú s tico , y /) in d ica d o r lum inoso.
m iento no rm a lm ente abierto y c e rra d o ; A) c on ta cto norm a lm ente abierto;
Bobina
Interruptor
Bobina
Interruptor
0 f ig u r a
B .4 Q
1 1
S im b o lo g ia y con fig uració n d e interruptores d e un relevador.
Este tipo de configuración sirve para realizar operaciones lógicas en un circuito eléctrico. Adem ás existen relevadores que integran un reloj que retarda la salida de la señal, denom inados relevadores con tem po rizado r.
W
j
.
Tem porizador con retardo en su arranque f ig u r a
B .a i
Tem porizsdorcon retardo an su paro
S im b o lc g ia y con fig uració n d e un rele vado r c o n tem porizador.
l'odas estas botoneras actúan com o una señal de entrada dentro de un circuito de control, adem ás de otros elem entos que se integran autom áticam ente al detectar la presencia de objetos o condiciones de operación de los equipos. Estos dispositivos se denom inan sensores. Por lo pronto, para esta parte es indispensable mencionar al gunos sensores, que al igual que las válvulas de rodillos que se utilizan en la neum áti ca industrial, ayudan a detectar las condiciones del sistema. A lgunos de los sensores que se em plean son los siguientes:
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PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
O
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T Seri3or inductivo
Sensor m agnético
Ssrisor capacitivo
Sensor óptico
al
C)
F IG U R A
B .4 2
R e p re se ntación s im b ó lica d e sensores utilizados en circuitos electroneum áticos: a ) sensor m e c á n ic o d e rodillo, c apa citivo , c ) s e n s o r ind uctivo y
b) sensor
d] sensor óptico.
El nombre de cada sensor se debe a la acción de su funcionamiento. Un sensor óptico tiene la capacidad de detectar gran variedad de objetos y en materiales dife rentes. Su funcionam iento se basa en la em isión de un rayo de intensidad luminosa que al interferir dentro de su alcance detecta la presencia de un objeto y envía la señal de salida. Por lo común se utilizan en el trayecto de productos para su conteo. U n sensor magnético tiene la capacidad de detectar el cam po magnético de los im anes perm anentes Se suelen utilizar en los actuadores neum áticos para la d etec ción de la posición de inicio y fin de carrera. El sensor inductivo tiene en la mira todos los metales, desde la detección de su presencia hasta la medición de distancias. Su funcionam iento se basa en la genera ción de un campo electromagnético. El sensor capacitivo puede detectar metales, madera, vidrio,papel, líquido, etc., gracias a su cam po electrostático, el cual percibe el producto y cambia la condición en su capacitancia interna, generando una señal de salida. Por lo com ún se usan en la medición de niveles de llenado de aceite, agua o cualquier líquido. Con estos cuatro sensores y la combinación de los interruptores se puede ob te ner multitud de posibilidades en el desarrollo de sistem as autom áticos En conjunto con lo anterior,se tiene la parte de trabajo que sigue siendo la fuerza del airecom prim idom edianteeluso de actuadoresensusdiferentesconfiguraciones13 El control de estos actuadores se logra con una válvula principal, la cual, a través de señales de encendido/apagado [se definen com o señales de entrada (Y )] de una
15 Los elem ento« d e trab ajo , adem ás de a ctuadores neumático«, pueden ser m otores, elem entos m ecánicos accionados p o r u n pulso eléctrico, indicadores lum inosos o acústicos, o bien, u n e q uipo d e propósito espe cial. gracias al m an ejo d e señales de e n trad a y salida que proporciona el circuito eléctrico.
CAPÍTULO 6
4 $
Técnicas de automatización industrial
http://goo.gl/PMO3XD
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g rg j jJ L r ^ « L.
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Pilotaje
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14
1
3
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Funcbromiento d a una vátvula de contrd 5/2 biestabie
ira~n$rb¡zM/Jzcb^
Bobina
5
Bobina 2
3
1 | Representación simbólica de una válvula de control 5/2 biestabie f is u r a
b
.4 3
R e p re se ntación s im b ó lica d e b o bina s e n el acciona m ien to d e válvulas d e control a través d e b o b in a s p a ra circuitos electron eu m á lico s.
bobina, hace posible el cam bio de estado (figura 6.43). A dem ás de bobinas, también se pueden tener indicadores acústicos o luminosos, m otores y cualquier máquina o dispositivo de trabajo. Con la incursión del com ponente eléctrico en los circuitos neum áticos se tiene la técnica de la electroneum ática, que cuenta con una estructura de desarrollo inte grada por el circuito neum ático y el circuito eléctrico (figura 6.44), que representa la solución electroneum ática del ejem plo 6.2 de este capítulo en su forma de ciclo continuo y ciclo único. E J E M P L O 6.6
I. Nombre del equipo o sistema: Prensa de sellado. Observe que en la figura 6.44 el circuito está com puesto únicam ente de accesorios neumáticos, pero la válvula (1.172) ejecuta el control del circuito a través de un pilotaje eléctrico definido com o señales de entrada Y, y Y2. Las señales de entrada de este circuito están definidas por los sensores S,, y S , que verifican el estado inicial de los actuadores en condiciones de reposo; para el final de carrera se encuentran los sensores S, y S3. Por lo común estos sensores son de accionam iento magnético debido al diseño de los actuadores, los cuales poseen un imán en el recorrido del vástago del actuador. Ahora las condiciones del aire comprimido se mantienen en referencia con los requerim ientos del equipo, es decir, la presión de trabajo. Cada equi po debe contar con la unidad de m antenim iento que garantice una entrada de aire limpio, seco o lubricado donde lo requiera. La figura 6.45 muestra un circuito eléctrico que opera la lógica del proce so. Esta estructura consta de botoneras, interruptores, sensores y relevadores. Los sensores Sfl y S 2 de accionar m agnético verifican las condiciones ini ciales del sistema; es decir, se asegura que am bos actuadores estén en posi ción de reposo. Luego están las botoneras de ejecución del equipo en sus dos posibilidades: ciclo único (C U ) o ciclo continuo (C C ), conectadas en un arreglo en paralelo y además en ejecución bimanual para el C U, que es el accionar del equipo manual para la calibración de las velocidades y presiones
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
http://goo.gl/3oQlgJ
f ig u r a
b
.4 4
Estructura d e d isañ o d e u n circuito electron eu m á tico en su parte d e trabajo14 p a ra la c o n d ició n d a los a c tu a d o re s en inicio de carrera.
Circuito eléctrico (control) f ig u r a
B .4 B
E structura d e diseño d e u n circuito electroneum ático en su pa rte d e controJ p a ra la c o n d ició n d e los ac tu a d o re s en inicio d e carrera.
“ Tomado de la aplicación de software FluidSIM-R Licencia de uso académico FESTO Didáctica México.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
de recorrido de los actuadores, a fin de m antener ambas manos ocupadas y evitar que las personas puedan sufrir algún accidente. El paso de la energía fluye al relevador K v donde un interruptor normal m ente abierto d e Ai,,ubicado en la línea 6 se cierra perm itiendo que la bobina y, se energice, para que la válvula de control (1.1/2) del circuito neumático cambie de estado y permita el flujo del aire comprimido de 1 a 4, d e m odo que am bos actuadores avancen lentam ente hasta llegar a su final de carrera (figura 6.45). Los sensores S„ y S 2 se desactivan y rompen el paso de energía en el arranque del sistema, pero gracias a la válvula de control (1.1/2), que guarda su estado final, el flujo seguirá m anteniendo a los dos actuadores en final de carrera, pero a la vez los sensores S, v S ,s e activan haciendo que el relevador con tem porizador retarde durante 8 segundos el regreso de los actuadores (figura 6.47). El sistema repetirá su ciclo si la botonera d e enclavam iento está activada, de lo contrario sólo será un ciclo.
Sb
Si
Si
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http://goo.gl/RCG
A Circuito de neurnétioo (trabajo)
f ig u r a
B .4 8
Estructu ra d e diseño d e u n circuito efectrcoeum átlco en su pa rte d e trabajo pa ra la c o n d ic ió n d e los a c tu a d o re s en (inal d e carrera.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
http://goo.gl/LBN8yG
Circuito eléctrico (controll f ig u r a
B .4 7
Estructura d e diseño d e u n circuito electron eu m á tico en su pa rte d e oontrol p a ra la c o n d ició n d e los ac tu a d o re s en final d e c a rre ra
Los elem entos utilizados en los circuitos anteriores son una combinación híbrida, integrando así un circuito llamado electroneumático. Las tablas 6.8 y 6.9 indican los dispositivos que se utilizan. Para energizar el sistem a se utiliza una fuente de alimentación de 24 volts, 0.75 A y 60 Hz. Con esto el equipo está disponible para su operación en planta. Una de las ventajas de utilizar equipos con soluciones electroneumáticas es la capacidad de cuantificar las señales de entrada, ya sea por un pulso eléctrico o m ediante la medición del tiem po. Otra ventaja notable son los dispositivos de control, donde su tam año se em pieza a reducir y, por lo tanto, hay m enos espacio para la circuitería. Por lo general, un desarrollo electroneum ático es una alternativa de ro bustez en su actuar y en la lógica de operación. l*ara demostrar lo anterior se plantea el ejem plo 6.4 de la parte neumática con solución electroneumática, así com o un ejem plo de mayor grado de automatización.
t a b l a
#
1
8 .8
Lista d e c o m p o n e n te s ne um áticos a utilizar en la p re n s a d e sellado. Ele m e nto neum ático
S ím b o lo
A ctuad cr doble efecto.
2
A f 2
Regulador de caudal.
Ca ntidad
--------------------------r 1
2
CAPÍTULO 6
ta b la
B .8
Técnicas de automatización industrial
Lista d© componentes eléctricos a utilizar en la prensa de sellado. E le m e nto ne um ático
S im bolo
4
C antidad
2
Vátvula d e control 5/2 vías te s ta b le , con bobinas Y1 y Y2.
Sensor de proximidad m agnética
O ~T~
Pulsador eléctrico manual con enciavamiento.
Pulsador eléctrico manual sin enciavamiento.
•v
b
Relevador.
Relevador con tem porizatíor con retardo en su arranque.
E J E M P L O 6.7
L Nombre del equipo o sistema: A lim en tador de barras cilindricas en centro de m aquinado d e torneado. La solución del sistem a consta de dos partes: el circuito neum ático y el circuito eléctrico; trabajo y control, respectivamente. El sistem a sensorial se convierte en señales de entrada digitales a través de sensores m agnéticos que detectan las condiciones iniciales y finales de am bos actuadores. A las boto neras de accionam iento de la operación en CU y CC se les integra un indica dor lum inoso para verificar su accionamiento. Para la medición del tiem po se utilizan tem porizadores que retardan el inicio de la operación.
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
(101 http://goo.gl/8xYgJZ
1201
F IG U R A B .4 8 E structura d e d iseñ o d e un circuito e le ctron eu m á lico en su pa rte d e tra ba je p a ra la c o n d ic ió n d e los actuad ores e n inicio y final d e carrera. 11
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C irc u ito a ló c tf íc a (c o n trc i)
f ig u r a
B .4 9
E structura d e diseño d e un circuito electron eu m á tico e n su p a rle d e control p a ra la c o n d ició n de los ac tu a d o re s en inicio y final d e carrera.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
E JE M P L O 6.8 L Nombre del equipo o sistema: Circuito de botoneras p a ra ju ego de mesa. Con este ejem plo se entiende la lógica funcional de los elem entos eléc tricos que intervienen en la electroneumática. Además, es la entrada para el desarrollo d e circuitos lógicos d e mayor complejidad em pleados en PLCs y/o microprocesadores. 2. Descripción del funcionamiento. Se requiere un circuito donde la lógica funcional logre ejecutar un simu lador de un juego de mesa que haga el papel d e un sistem a de dos pulsadores: uno rojo y otro azul. El sistem a debe permitir lo siguiente: Cuando se haga una pregunta, podrán contestar dos jugadores, uno de cada equipo, pero antes deben ganar su tur no. Para ello deben presionar el pulsador de su color correspondiente, con lo que se en cenderá la lámpara y sonará una chicharra. A l mismo tiem po, un reloj iniciará el conteo hasta 30 segundos, o bien, reprogramará el tiem po, dependiendo del grado de dificultad. A l terminar el tiem po sonará la chicharra y el sistem a estará listo para la siguiente pre gunta. 3. Croquis de situación. F I G U R A B .B O
D is e ñ o d e un siste m a de p u lsado re s p a ra ju e g o de m e sa
4.
Circuito eléctrico.
+24 V
f ig u r a
B .B 1
S olució n del circuito eléctrico d e bo to ne ra s p a ra ju e g o d e m esa.
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PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
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S olució n del circuito e ló clrico d e bo to ne ra s p a ra ju e g o d e m e s a c o n el botón rojo e n c e n d id o .
5
+24 V
f ig u r a
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6
S olució n del circuito e ló clrico d e bo to ne ra s p a ra ju e g o d e m esa c o n el bo tó n a zu l e n c e n d id o .
7
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
E JE M P L O 6.9 L Nombre del equipo o sistema: M áquina de ensam ble de rodam iento en chu macera. Con b ase en el ejem plo 6.5, se procede a la conversión electroneumática, además de agregar un sistem a d e inspección que determ ine si el diám etro de interferencia de la chumacera está dentro d e las especificaciones dim ensiona les. Esta prueba se realiza con una cámara integrada en un sistem a d e visión industrial. La operación funciona cuando un sensor detecta una chumacera en la zona de ensamble; en ese m om ento se registra una inspección, la cual deter mina si la pieza es aceptada o rechazada. Si es aceptada se procede al ensam ble, pero si es rechazada se enciende una luz roja acompañada de un sonido de advertencia para que el trabajador retire la pieza de la zona d e inspección y continúe el proceso. La solución del diagrama d e desplazam iento de fase es la siguiente:
http://goo.gl/voLa7E
f ig u r a
B .B 4
D ia g ra m a D -F d e la m á q u in a d e e n s a m b le d e ro d a m ie n to en c h u m a c e ra .
o
PARTE TRES
Fundamentos de ta automatización industrial
Con esta solución del diagrama D-F. el circuito electroneum ático es el siguiente:
http://goo.gl/FLaZJS
Sn
Sn
Si
Si
http://goo.gl/59NlMu
+24 V 1
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CAPÍTULO 6
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Técnicas de automatización industrial
Hidráulica industrial
En las diferentes épocas históricas de las sociedades se han desarrollado m ecanis mos para la generación de trabajo mecánico y el suministro de agua. H a sido tal la importancia de disponer de fuentes constantes y seguras de agua, que este logro fue la base de los primeros grupos sedentarios. En sus orígenes, las antiguas sociedades griega y romana se enfocaban sólo en la conducción del agua a través de canales y acueductos. Con el mismo fin se utilizaron las ruedas de paletas que aprovechaban el flujo de los ríos, lo cual permitía moler los granos o abastecer de agua; su impor tancia radicaba en utilizar las fuentes naturales de energía con una potencia mucho mayor a la que se realizaba con el trabajo hum ano o con ayuda de animales. A sí, el agua ha sido y es un recurso importante para satisfacer las necesidades humanas, pero también se ha usado com o base de instrumentos que solucionan necesidades más com plejas de trabajo y movimiento. Los principios de la hidráulica, palabra de origen griego que significa tubo de agua, se remontan a los griegos, con Arquíniedes,15 quien desarrolló estudios sobre hidrostática.16 La hidráulica basa sus fundam entos de com portam iento en la hidrostática, importante rama de la mecánica, la cual a su vez form a parte de la física. La necesidad de potenciar el trabajo humano es lo que ha permitido a las socie dades disponer de los elem entos naturales (de ahí la importancia de la revolución industrial), com o la energía hidráulica, la cual perm ite obtener potencias superiores a las de cualquier otro m edio en la manipulación de objetos cada vez más grandes. U n caso actual es la operación de las prensas en las que se tiene que dar form a a láminas de acero para su uso en diversas aplicaciones: carrocerías de autom óviles, electrodom ésticos, equipos militares, etcétera. Los sistem as hidráulicos tienen muchas aplicaciones en la actualidad. Se en cuentran en fábricas y en construcciones para realizar trabajos específicos com o la sujeción y transporte de piezas metálicas, además del manejo de materiales. Una aplicación que también se puede encontrar y que sigue los principios de los m olinos hidráulicos se aprecia en los m olinos de viento. A diferencia de los primeros, en éstos el tam año de las alas era mayor y se tenían que ajustar a la dirección del viento, lo que hizo posible el uso de la energía eólica para muchas aplicaciones en la Edad Media en Europa. La hidráulica industrial, tal com o se conoce hoy, vin o a formar parte de la in geniería mecánica y se desarrolló com o una técnica especializada para obtener los mejores beneficios del fluido y de los com ponentes para manejar dicho fluido. El agua es un importante vehículo para convenir el m ovim iento en energía hidráulica. Para obtener los beneficios del m ovim iento del fluido hace falta una serie de ele m entos físicos y dispositivos para formar un sistem a hidráulico. Éstos se denominan com ponentes y accesorios hidráulicos. Los elem entos básicos del sistem a son: ■ ■ ■ ■ m
D epósito de fluido. M otor eléctrico. Bomba. Válvula de retención (válvula check). Válvula de alivio.
“ A rqufm edes (287-212 a. C. Siracusa, Sicilia) c o n sid erad o com o el científico y m atem ático m ás im por ta n te d e la E d a d A ntigua. A lgunos d e sus d escubrim ientos son: el tornillo sinfín utilizado para elevar agua, la po lca com puesta, el to rn o , la ru e d a d e n ta d a, ad em ás d e l principio d e la h id ro s tá tk a y la ley de la palanca. “ La h id ro stática estab lece q u e cu alq u ier c u erp o sólido q u e se encuentre sum ergido to ta l o p arcialm ente en u n fluido s e rá em p u jad o e n dirección ascen d en te p o r u n a fuerza igual al peso del volum en d e l líquido desp lazad o p o r el c u erp o sólido. L a hid ro stática e s p a rte de la m ecánica q u e estudia el e quilibrio de los líquidos y la presión q u e ejercen y trasm iten.
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PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
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f ig u r a
■ ■ ■ ■ ■
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A p lic a c io n e s d e la h id rá u lic a e n la in d u s tria y la c o n s tru c c ió n .
Válvula direccional. Cilindros o m otores hidráulicos. Filtros respiraderos. Filtros de retorno. Lote de accesorios, mangueras y conexiones.
La hidráulica es una técnica para el manejo de objetos pesados, manipulación y transporte. Su gran capacidad de carga facilita las operaciones en los am bientes de la industria y la construcción (figura 6.56). Los elem entos que com ponen un sistema hidráulico son el cilindro hidráulico, la bom ba hidráulica, las mangueras, las válvulas, los sensores, los cables de comunica ción y el PLC o m edio de control. Con estos elem entos es posible que el cilindro abra o cierre (se extienda o se contraiga) o ejecute el trabajo para el cual se ha diseñado. Un equipo hidráulico tiene com o fuente de energía el flujo de aceite, que es la paite de trabajo del sistema. Para su control cuenta con la lógica funcional de la pro gramación de válvulas y otros dispositivos com o los que se utilizan en la neumática y la electroneum ática, pero adaptados a esta técnica. La hidráulica aplicará la misma técnica de diseño en el desarrollo de equipos automatizados: 1. Nombre del equipo o sistema. 2. Descripción del funcionamiento. 3. Croquis de situación. 4. Diagrama de desplazam iento de fase (D -F ) y diagrama de flujo. 5. Lista de com ponentes a utilizar. 6. Circuito hidráulico. Para el conocim iento de esta m etodología se plantean algunos ejercicios, pero antes se estudiarán los principios de la fuente de energía de la hidráulica. Los sistem as hidráulicos funcionan por la circulación de aceite en los diferentes dispositivos. Hl aceite se som ete a u n proceso de compresión para que tenga la capa cidad de cumplir con todas las condiciones de trabajo.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
Los líquidos tienen la característica de ser incompresibles, por lo que cuando se som eten a una presión absorben la energía y la trasmiten a un cuerpo que realiza el trabajo mecánico, d e esta forma se cumple con el principio de la trasformación de la energía. Este proceso no está libre d e pérdidas d e energía. La distribución de las mangueras, el número de codos y la distancia disminuyen la potencia generada por la bomba, de ahí la importancia de que todo esto se considere cuando se va a diseñar un circuito hidráulico, pues de lo contrario el sistem a no podrá cumplir con las expectativas del usuario, ya sea por ser muy lento o. en el peor d e los casos, por no vencer las resistencias de la carga. El fluido utilizado en la hidráulica tiene su comparativo en la sangre d e nuestro cuerpo. Si tenem os sangre buena tendrem os un cuerpo sano, y si tenem os un buen fluido tendrem os un sistem a hidráulico óptimo. En los primeros sistem as hidráulicos se utilizó agua com o el agente que viajaba dentro de la tubería y era el transmisor de la energía; sin embargo, el agua ocasiona ba fuertes problemas de oxidación y el resultado era una considerable reducción en la vida de los com ponentes, y por ende los costos por m antenim iento eran muy altos, dism inuyendo así los beneficios obtenidos con la generación de energía con este sis tema. Tiem po después se descubrió que el aceite tenía las características ideales para ser usado en un sistem a hidráulico, pues 110 oxida las piezas, antes bien, las lubrica; adem ás,su grado d e ebullición es mucho más alto que el del agua, por lo que se pue de trabajar con mayores presiones sin sobrecalentar los componentes. C o n c e p t o s im p o r ta n te s , n e c e s a r io s e in h e r e n t e s p a r a d ise ñ a r , e s tu d ia r o r e p a r a r a lg ú n s is t e m a h id r á u lic o :
Presión. Relación d e la fuerza entre una unidad d e superficie (área) dada en libras sobre pulgada cuadrada (pou n d square inches, PS1), atmósfera, Pascal, bar y kg/cm2, de los cuales los más usuales por su facilidad y comercialización d e instrumentos son bar y kg/cm2. Fuerza. Resultado de la aplicación d e una presión sobre un área determinada, cuyo resultado es una magnitud con dirección y sentido, y sus unidades son kg o libras (pounds). Á rea. Superficie en la que se aplica una presión, y sus unidades están dadas en cm2 o pulg2. Caudal. G asto que entrega la bomba hidráulica al sistema, dado generalm ente en galones por minuto (gpni), la cual es la unidad que los fabricantes de equipo re com iendan asar; tam bién se registra en pulgVrev (pulgadas cúbicas por revolución). El principio d e funcionam iento de un sistem a hidráulico lo constituye la trans form ación de la energía mecánica de rotación d e una bomba, que genera el movi miento de un fluido dentro d e una tubería y encuentra una resistencia que genera una presión, la cual dará m ovim iento a las piezas del sistema hidráulico, llámense m otores o cilindros hidráulicos. R especto a lo anterior, el fundam ento de la transmisión de presión en un fluido es la ley fundamental de la hidrostática: La diferencia de presión entre d o s p u n to s de un líquido en equilibrio es proporcion a l a la densidad del líquido y al desnivel entre los puntos. Gomo consecuencia d e lo anterior, el principio d e Pascal (figura 6.57) establece: Im presión aplicada a un fluido con finado en un recipiente se transmite sin dism inución a cada pu n to d e l flu ido y de las paredes del recipiente. Un pistón de sección pequeña (u) se utiliza para ejercer directam ente una pe queña fuerza ( / ) sobre un líquido (aceite). La presión p a = f / a se transmite, a lo
Fundamentos de ta automatización industrial
1 ' - +
- p
r
a
; 1
T
f ig u r a
B .E 7
PA
E s q u e m a del principio d e P a scal.
largo de un tubo, a un cilindro mayor provisto también de un pistón más ancho, de área A . Entonces, de acuerdo con la ley de Pascal, p a = PA queda simplem ente P. Ihiesto que la presión es la misma en ambos cilindros: P = L a'
P = A *f a *
Se concluye, por lo tanto, que la fuerza transmitida (/•') es igual a la fuerza apli cada ( f ) , multiplicada por un factor que relaciona las áreas (A/a). C on estos conceptos básicos se pueden ahora considerar los com ponentes bási cos de un sistem a hidráulico. Los sistem as hidráulicos m odernos son mecanism os com plejos en la mayoría de los casos, pero los principios básicos que los rigen son muy sencillos. La instalación de un sistem a hidráulico requiere equipos y accesorios robustos, capaces de soportar las grandes presiones del Huido; además, las conexiones deberán ser lo suficientem ente seguras para evitar fugas, las cuales se convierten en pérdidas d e energía. Las partes principales son: a) D epósito o tanque hidráulico: Se utiliza para confinar el Huido (por lo general aceite hidráulico con viscosidad SA E -20 o SA E-24). A dem ás, debe contar con im portantes características com o las siguientes: ■ ■ ■ ■
Fácil de limpiar. Tamaño adecuado (aproximadamente tres veces la capacidad de la bomba). A m plia tubería de retorno. D ivisiones verticales con orificios en el fondo para separar el fluido que re gresa y el que sale hacia la bomba. ■ Filtración adecuada. ■ Respirador con desecante, preferentem ente para atrapar contam inantes y humedad antes de que ingresen al depósito. El flujo del aceite lo alimenta una bom ba que proporciona la presión que se convertirá en la fuerza con que el cilindro hidráulico sujetará o moverá el objeto. Al disminuir la presión los objetos no se caerán porque las válvulas están dise ñadas para mantener la posición, de m odo que la seguridad de los operarios está asegurada en caso de que el sistem a se quede sin energía o que se descom ponga la bom ba o ante cualquier otro imprevisto. La bom ba hidráulica es la unidad que suministra la potencia al sistem a hi dráulico y se le considera el corazón del sistema. Los principales tipos de bomba que se utilizan para este sistem a son de pistón, engranes o paletas, y su selección dependerá del tipo de aplicación que el diseñador tenga en mente.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
b ) Reciprocantes (pistón). Presentan las siguientes características. ■ ■ ■ ■
A ltas presiones de trabajo. Flujo intermitente. Trabajan bien en condiciones extrem as de frío y calor. Tienen diferentes controles para hacer más versátil su funcionamiento.
c ) Engranes. Presentan las siguientes características: ■ Su eficiencia depende mucho d e las holguras entre piñones, y entre éstos y la carcasa. ■ Presión relativamente baja. ■ Bajos caudales. ■ Flujo intermitente. ■ Compactos. ■ Bajo costo. ■ Pueden provocar incrementos de temperatura en los Huidos que manejan. d ) Centrífugas o d e paletas.' llen en las siguientes características: ■ N o presentan intermitencias. ■ Trabajan con la fuerza centrífuga, ya que las paletas que se encuentran en el interior se desplazan hacia el anillo que controla la salida del fluido hacia el sistema. ■ Presiones bajas. ■ A ltos caudales. e) Válvulas hidráulicas. Son los elem entos más com plejos del sistema. Casi en su totalidad se clasifican en las siguientes categorías: ■
Válvulas d e control direccional: dirigen el flujo a diferentes vías por m edio de un carrete d e mando (bobina, palanca, etcétera). ■ Válvulas de control d e volumen: limitan la cantidad del flujo hacia el sistema. ■ Válvulas de control de presión: limitan la cantidad de presión hasta la mínima que requiere el sistema.
Por lo general, el fluido es también el lubricante d e las válvulas y, al igual que con las bombas, las holguras son muy exactas; d e ahí la importancia de que los fluidos estén limpios d e m ateriales abrasivos y tengan las propiedades lubri cantes adecuadas. El control para el m ovim iento del carrete en las válvulas puede ser manual, mecánico, eléctrico, neum ático o hidráulico. f) Cilindros. El trabajo fundamental d e los cilindros es convertir la presión de un fluido en fuerza mecánica para realizar un trabajo. A l igual que la neumática y la electroneum ática, este ordenam iento será representado con sím bolos,siguiendo un patrón d e las normas ISO 1219-1 e ISO 1219-2.17 El costo de un sistem a hidráulico es elevado, principalmente por el conjunto de partes que lo integran para su funcionam iento, la vida útil del equipo y el mante nim iento requerido. A partir de estos datos se puede determ inar si es la aplicación
"N o rm a s ISO 1219-1 e ISO 1219-2. A nivel internacional se encargan de representar los símbolos y los circuitos hidráulicos, respectivamente, que se usen para generar un sistema hidráulico. Loa símbolos sólo representan el funcionamiento del sistema, mas no el aspecto constructivo de los elementos hidráulicos.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
adecuada. Hay que tener presente que en ocasiones la necesidad es tan obvia que se podría pensar que el ejercicio propuesto es innecesario; pero debe considerarse que todo lo que la em presa gasta en capital productivo se debe cuantificar en su retorno de la inversión,para que de esta manera se determ ine cuánto corresponde a cada equipo en el costo total de operación. D e esta form a se podrán determinar los futuros puntos de mejora. C uando se decida utilizar un equipo hidráulico se debe tener presente que tie ne fuerza pero no rapidez y precisión, lo cual es una lim itante que no d ebe pasarse por alto. En ocasiones, algunos fabricantes deciden utilizar sistem as hidráulicos en robots industriales; el robot tiene la característica de ser niultifuncional y reprogramable, por lo que el comprador espera que se cumpla este aspecto, pero lo que se ha observado es que el robot es lento, no puede repetir la precisión de los puntos, hay que estarlo vigilando constantem ente, ajustarlo de nuevo ante una desviación muy grande, o si el usuario cambia de rutina se atoran las mangueras y a veces se rompen. Con el paso del tiem po termina abandonado y la empresa ha hecho un gasto que no es posible recuperar. También debe tenerse presente que la bomba hidráulica es ruidosa. (Cuando los operarios están som etidos mucho tiem po a este ruido suele causarles m olestia,por lo que en ocasiones se decide aislar dicho equipo,con el resultado de un calentam iento general del a ceite,y si el equipo tenía imprecisión, ésta crece considerablem ente,por lo tanto, aumentan los problemas. Se recom ienda que cuando se decida comprar un equipo se considere el nivel de m ido con un instrumento similar en las instalaciones del vendedor; de este m odo se pueden tomar las medidas respectivas, así com o los gastos del caso, y se evitaría generar sin querer un mal am biente de trabajo. La aplicación de los sistem as hidráulicos es una parte central en las empresas de trabajo en lámina donde se em plean prensas y troquelados. Los sistem as hidráulicos se han hecho indispensables para el cambio rápido de herramientas, com o la técnica S.V1ED, que consiste en cambiar en m enos de 10 minutos prensas de hasta 800 ton e ladas, lo cual es im posible a la manera tradicional. Veamos ahora el diseño de un circuito hidráulico utilizando la m etodología an tes m encionada A dem ás se explicará el funcionam iento de cada elem en to em plea do en el circuito hidráulico. E n esta sección deberán buscar las soluciones de los ejercicios, aplicando la m etodología vista hasta alwra. E n tas páginas siguientes hay varios espacios disponibles p ara com pletar el ejercicio.
E J E R C IC IO 6.1
1. Nom bre del equipo o sistema: Z ona de com pactación de basura en camión recolector. 2. Descripción del funcionamiento. Un camión recolector de basura requiere un sistem a de compactación en la zona de carga de la parte trasera El sistem a funciona m ediante dos actuadores hidráulicos de doble efecto. En condiciones iniciales, el sistem a se encuentra en posición de reposo; es decir, am bos actuadores están en condi ciones iniciales de carrera. La operación consiste en accionar manualm ente el inicio del proceso con una palanca pulsadora. El sistem a consta de una pala, la cual tiene acoplados los dos actuadores en su parte lateral. A l ser accionada, esta pala se desplaza sobre una guía que cubre la zona del depósito de basura. Cuando el opera dor observa que la pala contiene toda la basura a compactar, acciona una segunda palanca para regresar la pala a sus condiciones iniciales, con lo que se realiza el proceso de com pactación de basura y depósito en el contenedor del cam ión, y deja, al mismo tiem po, liberada la zona de carga para seguir recolectando basura.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
3. (T oquis d e situación.
FIG URA B.E5B
C a m ió n recolector d e b a su ra c o n sistem a d e c o m p a c ta c iú o .
4.
Diagrama de desplazam iento de fase (D -F ) y diagrama d e flujo.
o
PARTE TRES
Fundamentes de ta automatización industrial
5.
Lista de com ponentes a utilizar.
CAPÍTULO 6
6, Circuito hidráulico.
Técnicas de automatización industrial
PARTE TRES
Fundamentos da la automatczaci&n industrial
EJERCICIO 6 .2 1. Nom bre del equipo o sistema: E levador hidráulico p a ra servicio d e taller au tom otriz. 2. Descripción del funcionamiento. El funcionam iento de un elevador hidráulico para el servicio de un taller automotriz consiste en un actuador de doble efecto, el cual, en condiciones iniciales, se encuentra en su posición de reposo. Cuando se requiere inspec cionar un vehículo por su parte inferior, el sistem a detecta el autom óvil en la posición de carga y m ediante una botonera se puede controlar el nivel de elevación, hasta que el actuador llega a su final de carrera. El sistem a en posición elevada deberá tener un sistem a de seguridad, de m odo que si debajo del sistema se encuentra una persona o algún objeto extraño, éste no pueda ejecutar su regreso. El regreso del sistem a a su posición inicial se podrá controlar en su nivel de elevación, igual que al m om ento de subir el vehículo. Para ambas condiciones el avance del actuador será controlado en su ve locidad. 3. Croquis de situación.
fig u r a
B .G 8
E s q u e m a d e un s is te m a d e e le v a c ió n p a ra e l s e rv ic io d e un ta lle r a u to m o triz .
CAPÍTULO 6
Diagrama de desplazam iento d e tase (D -F ) y diagrama d e flujo.
Lista de com ponentes a utilizar.
Técnicas de automatización industrial
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
6. C ircuito hidráulico.
J | Controladores lógicos programables Los controladores industriales Program m abte Logic C ontroller (PLC, por sus siglas en inglés) son equipos electrónicos muy adecuados para automatizar cualquier pro ceso industrial. Funcionan m ediante el procesam iento de señales de entrada y salida (1 /0 ). Se consideran entradas de todo tipo de sensores (interruptores, temperatura, posición, velocidad, luz, entre otros) y com o salidas de muchos tipos de actuadores: motores, válvulas electroneumáticas, indicadores lum inosos y sonoros, etcétera. Los PLC (figura 6.60) son procesadores digitales secuenciales programables que actúan sobre las variables de salida m ediante la ejecución de una secuencia de instrucciones. En la actualidad los PLC cuentan con una unidad central de procesa miento (C P U ) y son capaces de realizar operaciones aritméticas y lógicas. A dem ás tienen una memoria interna no volátil para almacenar el programa y los datos de control. Pueden trabajar con señales digitales y analógicas.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
Puerta tí© comunicaciones
Bsjo voltaje Alimentación AC 85-264 Vac. 50/60 Hz fig u r a
B.8 0
Alimentación DC
E s q u e m a d e un P L C .
Las conexiones de las entradas y salidas de los PLC están aisladas del interior del equipo, ya sea con relevadores o con acopladores ópticos. Esto perm ite conectar tod o tipo de sensores de corriente alterna o directa sin necesidad de circuitos adi cionales. Principales ventajas de los PLC’: ■ Rápidos y fáciles de programar. ■ Poseen operaciones aritméticas, de con teo y tem po rizado res. ■ Modulares, es decir, que se puede incrementar el número y tipo de entradas y salidas que manejan. ■ Construcción robusta para am biente industrial. ■ (irán velocidad de procesam iento de información. Las formas de programar un PLC son variadas. La primera y más antigua es por lógica de escalera y lógica de contactos. Otra es por medio de mnemónicos, que son líneas de código de pocas letras para acciones específicas.También es posible progra mar m ediante bloques de funciones predefinidas Inclusive, algunos PLC permiten el uso de diagramas de flujo tipo Cirafcet.17 Cada PLC tiene su propio software de programación, el cual permite la escritura de un programa en las diferentes formas mencionadas. En este capítulo se analizan ejem plos de programación em pleando diagrama escalera, m nem ónicos y bloques de funciones Se utilizarán algunos ejem plos de las secciones de neumática industrial y electroneum ática industrial, pero ahora la inten ción es resolver el control de los ejem plos con la ayuda de un P L C Con la incursión de los PLC en los circuitos neum áticos y electroneum áticos se tiene la técnica de programación lógica de un PLC que cuenta con una estructura de desarrollo integrada por un circuito eléctrico lógico.
’’ Grafcec es un diagrama funcional de símbolos normalizado que ejecuta un PLC en su procesador; el cual recibe señales de entrada y salida (T.'O) y mediante una lógica funcional se realiza la tarca automati zada, la cual se considera de eventos discretos.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatcaci&n industrial
6.4.1
P laneaclón y d o c u m e n ta c ió n en el d is e ñ o de c irc u ito s a u to m a tiza d o s con PLC
Según el objetivo de este libro, Planeación y docum entación de los diseños d e au to m atización, la m etodología a em plear para desarrollar sistem as autom atizados con un PLC es la siguiente: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 8.
Nom bre del equipo o sistema. Descripción del funcionamiento. Croquis de situación. Diagrama lógico del proceso. Lista de com ponentes a utilizar. Circuito de trabajo (circuito electroneum ático). Esquem a de conexión física del PLC y las señales I/O. Diagrama de programación del PLC.’.
E J E M P L O 6.10
1. Nom bre del equipo o sistema: Programación de un sem áforo vehicular. 2. Descripción del funcionamiento. Un sem áforo vehicular de funcionam iento tradicional inicia su opera ción m ediante un botón ST A R T ,el cual enciende la luz roja, que permanece encendida durante 15 segundos. Cuando han transcurrido 10 segundos la luz amarilla parpadea junto con el zumbido de una alarma durante 5 segundos. A l cumplirse los 15 segundos ambas lámparas y el zumbido se apagan, al mismo tiem po la luz verde se enciende y perm anece por un tiem po de 10 segundos. El ciclo se ejecuta en forma continua con las siguientes variantes: a) Inicio del ciclo (O N ). h) Paro total del ciclo (O FF). 3. Croquis de situación.
f ig u r a
B .a i
Semáforo vial representado en un kit d e trabajo con PLC.
CAPÍTULO 6
4
Técnicas de automatización industrial
Diagrama lógico del proceso.
(
INICIO i
~ r Inicio del ciclo (ONI
k Os
Encendido luz roja
i 10 s —
Encendido luz amarilla parpadeando
i
Encendido zumbador
Apagado ¡uz roja
Apegado luz Bmarilla
Encerdido luz verde
Apagado zumbador
15 s — -
25 s
Apagado luz verde
Fin de ciclo (OFF) fig u r a
5.
B .8 2
D ia g ra m a ló gico d e funcionam iento d e un sem áforo.
Lista de com ponentes a utilizar.
#
1
Lista d e c o m p o n e n te s eléctricos a utilizar.
B. i o
tabla
Cantidad
Componente
1
PLC Mitsubishi FX3G.
2
1
Tcrreta de focos de tres colores con zumbador (rojo, verde y amarillo).
3
3
Botoneras normalmente abiertas.
4
-
Juego de cables para conexién.
Conjuntados los elem entos se procede a conectarlos com o en el siguien te circuito. 6. Circuito de trabajo (circuito eléctrico). 7. Esquem a de conexión del PLC y de las señales 1/ 0 . Para estos puntos se considera un circuito único, ya que son sólo los ele m entos eléctricos que se conectarán directamente al PLC Las señales 1 /0 son:
t a b l a
Señal X001
a. 1 1
Lisia de componentes eléctricos a utilizar. Tipo
Entrada
Observaciones Botón de inicio del sistema
YOCO
Salida
Luz roja de la lámpara.
Y001
Salida
Luz ámbar de la lámpara.
Y002
Salida
Luz verde de la lámpara.
T1 K150
Control
Temporizador 1 con constante de 15 s.
T2 K100
Control
Temporizatíor 2 con constante de 10 s.
PARTE TRES
Fundamentos da b automatización industrial
Señal
Tipo
O bservaciones
T3K100
Control
Temporizador 3 con constante de 10 s.
T4K10
Control
Temporizatíor 4 con constante de 1 s.
T5K10
Control
Temporizador 5 con constante de 1 s.
M1
Control
Memoria 1 para manipulación de aeAales.
M2
Control
Memoria 2 para manipulación de aeAales.
M3
Control
Memoria 3 para manipulación de aeAales.
X003
Entrada
Botón que frena el ciclo.
Conexión http://goo.gl/10iXkX
B .B 3
f ig u r a
C irc u ito d e tra b a jo y e lé c tr ic o p a ra e l s e m á fo ro ( o p c ió n 1. v is u a l iz a c ió n física ).
Conexiones a la to rra de corriente
Botón Start Botón Stop
........ [ • r g ^ l
| X 3 | X 5 [X 7
[ E Í t l tü | XOIX2IX4IX6I
» I « I » I
F X 3 G - 1 4 M T /E S
10 V |
| Y 1 | Y21Y31Y4 | Y5~f
Zumb8dcr Luz verde Luz ámbar Luz roja
f ig u r a
B .B 4
C irc u ito d e tra b a jo y e lé c tr ic o p a ra e l s e m á fo ro (o p c ió n 2 . v is u a liz a c ió n e s q u e m á tic a ).
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatizacién ir
LJn sem áforo tradicional y de a so práctico no se programa con un PLC, m ediante un controlador de uso específico. El a so de un PLC en este pío es para facilitar el diseño de la lógica funcional del sem áforo y de las entes variables que se pudieran presentar, rama de programación del PLC.
X001
o
[S E T
MI K1S0
MI 2
-(T I
MI
h
MI -[S E T
M2 K io n
M2 10
T2 li
T4
-M -
K10
K 10
20
<14
Y001
72
2Í. 27
------------------- (YE03
71
Bsr
MI
-B s r
M2
■SET
M3
71 29
n
71 K100
Mí
33
37
T3 39
-[R S ?
M3
[R S ?
MI
H RSr
M2
M3
73 41
X 003 43
—\ H
Í8SD
47
f ig u r a
B.B B
D ia g ra m a es ca le ra rea lizad o en el software M E L S O F T d e M itsubishi.
PARTE TRES
Fundamente« da la automatización industrial
Para los siguientes ejercicios deberá buscar las soluciones de acuerdo con el equipo disponible.
EJERCICIO 6 .3 1. Nom bre del equipo o sistema; M áquina de corte d e barras de plástico. (E jem plo 6.1 de la primera sección). A hora la máquina funcionará con un control m ediante un PLC, el cual recibe las señales de las botoneras y sensores correspondientes. Ya que se utiliza un PLC’. la estación se convierte en un equipo totalm en te autom ático con las ventajas de ciclo continuo y accesorios de seguridad industrial. El funcionam iento m ejorado de este equipo es el siguiente: 2. D escripción del funcionamiento. (Cuando el material está listo en la zona de corte, un sensor detecta su presencia. A dem ás, una botonera O N /O F F inicia el proceso continuo con siderando que el actuador esté en su inicio de carrera y por cuestiones de seguridad no se detecte la presencia de las m anos del trabajador. En ese m o m ento el PLC ejecuta el accionam iento de la electroválvula. perm itiendo que el actuador se desplace lentam ente hasta cortar la barra de plástico; al llegar a su final de carrera, el actuador perm anece por un tiem po de 2 segundos y regresa rápidamente a su estado inicial. El ciclo se inicia de nuevo cuando la barra de plástico se desplaza a la zona de corte y el sensor detecta su presencia. 3. Croquis de situación.
http://goo.gl/XRt23H
fig u r a
B .a e
C ro q u is d e situación d e la m á q u in a d e c o rte d e barras d e plástico.
En este ejem plo desarrolle el proceso de diseño del circuito autom ati zado.
CAPÍTULO 6
4.
Técnicas de automatización industrial
Elabore el diagrama lógico del proceso.
f ig u r a
B .B 7
D ia g ra m a d e flujo d e la o p e ra c ió n d e la m á q u in a d e corte d e b a rra s d e plástico.
5.
Lista de com ponentes a utilizar. C onsiderando los com ponentes de la tabla 6.3 de la sección Neumática industrial, se agregan los siguientes elem entos:
-
Lista de com ponentes neum áticos a utilizar.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
6. Circuito de trabajo (circuito electroneum ático). En todo problem a se podrá distinguir una conexión física y una parte lógica de control. La conexión física se refiere a todos aquellos elem entos electrom ecánicos que deben estar presentes en el sistema (botoneras, electroválvulas, actuadores, sensores, etc.). La parte lógica es aquella que determina el control de los actuadores que corresponde a la programación del PLC Elabore el diagrama electroneum ático de conexión de las señales l/O.
fig u r a
b .b b
D ia g ra m a eléctrico d e la c on exión d e las seña le s 1/0 en el P L C .
Los diagramas a utilizar tendrán la conexión eléctrica com puesta de se ñales de entrada (sensores) y señales de salida (actuadores, motores, lámpa ras, etc.) que forman la parte de trabajo y, por último, la sección lógica que será el control del sistem a a través del P L C
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
7. Elabore el diagrama eléctrico de conexión de las señales 1 /0 en el PLC
fig u r a
b .b s
C o ne xión del P L C y d e las señ a le s 1/0 p a ra la m á q uina d e c o rle d e ba rra s d e plástico.
K. Diagrama de programación del PLC. En este esquem a el PLC.' se representa por la p a n e de control, que es un diagrama de contactos o diagrama escalera, el cual indica las señales con contactos eléctricos, que tendrán un valor de O si están abiertos (no dejan pasar corriente), y un valor de 1 si están cerrados (si dejan pasar corriente). La señal de salida se representa con un relevador circular, que tendrá un valor de O si está inactivo y de 1 si está activo.
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
La programación de los diferentes m odelos de PLC se realiza m ediante un software específico para cada marca.
f ig u r a
B .7 D
Diagrama escalera realizado en eí software MELSOFT de Mitsubishi.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
E JE R C IC IO 6.4 L Nombre del equipo o sistema: Prensa de sellado. 2. Descripción del funcionamiento. Se selecciona una electroválvula biestable, que será controlada por el PLC. Se ha designado este elem en to porque tiene dos salidas que corres ponden a las dos entradas d e los actuadores de doble efecto, y se consideran dos pilotajes: el primero para el avance d e los actuadores y el segundo para el regreso. 3. Croquis d e situación.
f is u r a
B .7 1
C ro q u is d e situación d e la p re n s a d e sallado.
Se utilizan dos interruptores eléctricos de botón normalmente abiertos. A l presionarlos enviarán una señal eléctrica al PLC, el cual recibe las señales de los interruptores eléctricos y decide cuándo activar la electroválvula. Los actuadores de doble efecto tienen instalados sensores magnéticos para detectar el final de carrera. A l llegar el ém bolo a la posición del sensor, éste se activa mandando una señal eléctrica. 4. Diagrama lógico del proceso.
f ig u r a
B .7 2
Diagrama de flujo d e la operación d e la máquina de corte de barras de plástico.
PARTE TRES
Fundamentes de la automatización industrial
5.
Lista de com ponentes a utilizar.
Lista de com ponentes neum áticos a utilizar. Conjuntados los elem entos se procede a conectarlos com o en el siguien te circuito. 6. Circuito de trabajo (circuito electroneum ático).
fig u r a
B .7 3
Solució n del circuito electron eu m á tico p a ra la pre nsa d e sellado e n po sició n inicial.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
E sq u em a d e co n ex ió n del P L C y de las señales I/O.
fig u r a
B .7 4
C o ne xión del P L C y d e las seña le s l/O p a ra la p re n s a d e sellado.
Diagrama de programación del PLC.
fig u r a
B .7 B
D ia g ra m a e s c a le ra rea lizad o en el software M E L S O F T d e M itsubishi.
PARTE TRES
Fundamentos de ta automatización industrial
R esum en En la sección de neumática se dem ostró la importancia de estructurar una red de trabajo de aire comprimido estableciendo cuatro etapas: preparación, m antenim ien to, distribución y aplicación; esta estructura nos permite comprender mejor un siste ma neumático, así com o aplicarlo de manera más sencilla. También se debe considerar que para la com prensión y solución de una aplica ción neumática se recomienda analizar el problem a desde distintos puntos, com o la descripción de la actividad, el croquis de situación y el diagrama D-F, con el fin de generar una lista de com ponentes y ser capaces de plantear un circuito que com prenda los cuatro estados fundam entales de la manipulación del aire: generación, señales de entrada, control y trabajo. El seguim iento de la estructura propuesta y el conocim iento de los com ponen tes neum áticos permiten apreciar de mejor manera las bondades de la neumática para su uso en diferentes escenarios gracias a su sencillo manejo, lim pieza en el pro ceso, sin cam bios de temperatura (proceso frío), bajos costos y versatilidad. En la sección 6.2 se muestra cóm o se pueden combinar la neumática y la eléc trica para crear la electroneum ática y que el proceso sea más eficaz. Los voltajes más com unes en uso a nivel industrial son 24 volts y la estructura y funcionam iento se basan en interruptores y relevadores que conjugan el paso de la corriente en un sistem a lógico de encendido o apagado, además de que existen distintos tipos de in terruptores tanto en su presentación com o en su arreglo interno. La estructura de un interruptor se com pone del paso o interrupción de la energía a través de materiales conductores utilizando la sim bología binaria para indicar su posición de abierto o cerrado.También existen distintos tipos de sensores, los cuales reciben su nombre de acuerdo con su funcionamiento. En conjunto con la parte eléctrica,en la zona de tra bajo hay una parte neumática, la cual es la base de fuerza al utilizar aire comprimido a través de los actuadores en sus diferentes configuraciones. Otro de los elem entos del sistem a son las botoneras, las cuales sirven com o señal de entrada dentro de un circuito de control. Su diseño com prende formas ergonómicas, colores y sim bología estandarizada para su fácil interpretación y funciona miento. Los equipos de soluciones electroneum áticas cuantifican las señales de entrada; los circuitos ocupan m enos espacio debido a los dispositivos de control y es una gran alternativa de robustez en su actuar y en la lógica de operación. A ctualm ente los sistem as hidráulicos tienen una gran diversidad de aplicacio nes; se pueden encontrar en tornos de CNC, montacargas, bulldozer, etc. Lo impor tante es considerar las condiciones de trabajo en que van a operar y ser conscientes de que se tiene mucha fuerza, pero poca precisión y velocidad lenta, además de que el ruido de la bom ba es alto, por lo que su instalación no es recom endable en lugares cerrados. La hidráulica nace de la necesidad del hombre de contar con dispositivos capa ces de transmitir de forma constante una gran fuerza. Con tal propósito se constru yeron m olinos hidráulicos a las orillas de los ríos, y se diseñó un conjunto de álabes sujeto a un eje para realizar un trabajo (por ejem plo,un m olino de trigo) y que en el agua transmitían un m ovim iento rotatorio, com o en las motonaves. A medida que la ciencia avanzó fueron apareciendo multitud de dispositivos de control, tanto manuales, com o automáticos, logrando diversas aplicaciones. Hay que tener presente que el costo de un equipo hidráulico es alto y requiere m antenim ien to constante. Los Program m able L ogic C ontroller ( l ’L C ) funcionan a través del procesa m iento de señales de entrada y salida (I/O ), ejecutándolas m ediante una secuencia de instrucciones.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
Su estructura interna está aislada con relevadores o acopladores ópticos, de co rriente alterna o directa, sin necesidad de circuitos adicionales. Los PLC presentan varias ventajas, com o rapidez, facilidad de programación, versatilidad operacional: son modulares y robustos y trabajan a gran velocidad. Se pueden programar con lógica de escalera y lógica de contactos, m nem ónicos, bloques de funciones predefinidas o diagramas de flujo tipo (irafcet.
1.
S e s a b e q u e p a r a la im p le m e n ta c ió n d e la n e u m á tic a
6.
n e u m á tic a s c o lo c a d a s e n s e rie , ¿ c o n q u ó s e lo g ra
¿ cu áJ d e la s s ig u ie n te s n o e s u n a e t a p a d e l p ro c e s o ?
d ic h o c ircu ito ?
a ) P re p a ra c ió n .
a ) V á lv u la s d e rodillo.
b ) E je c u c ió n .
b) A c t u a d o r d e
c)
c)
M a n te n im ie n to .
d ) D is trib u c ió n . 2.
U n c irc u ito b im a n u a l re q u ie re d o s b o to n e ra s
e n u n p r o c e s o industrial s e e s ta b le c e n c u a tro e ta p a s .
d o b le efe c to .
V á lv u la d e s im u lta n e id a d .
d ) V á lv u la d e con trol.
¿ C u á l d e los s ig u ie n te s s ím b o lo s m u e s tra u n a v á lv u la
7.
¿ C u á l d e los s ig u ie n te s s is te m a s s e e je c u ta ba jo
d e in te rru p to r m a n u a l d e 3/2 v ía s c o n e n e r v a m ie n t o ?
el p r in c ip io d e V enturi?
3)
a ) G e n e r a d o r a s d e e n e rg ía .
b) V e n to s a s . .
_ r
c)
b)
M a n g u e ra s .
d ) R e g u la d o ra s . T
_
8.
t\
¿ P a r a q u ó s o lu c ió n d e a p lic a c ió n n e u m á tic a se r e c o m ie n d a a n a liz a r el p r o b le m a d e s d e d istin tos
c)
p u n to s d e v is ta ? a ) D ia g r a m a F -S . T
b ) D ia g r a m a T -S .
c)
d)
D ia g r a m a D -F .
d ) R e la c ió n c o sto /be ne ficio . n
3.
9. E l u s o d e l a ire c o m p r im id o tie n e s u s v e n ta ja s , ¿ c u á l d e
¿ C u á l d e los s ig u ie n te s n o e s u n o d e los c u a tro e s ta d o s d e la m a n ip u la c ió n d e a ire?
la s s ig u ie n te s n o es u n a v e n ta ja ? a ) R e s o lu c ió n . a ) E s u n re c u rs o m u y eficiente.
b)
N o n e c e s ita re g u la c ió n d e te m p e ra tu ra .
c)
R u id o s o .
b) G e n e r a c ió n . c ) S e ría le s d e e n tra d a . d ) T ra b a jo .
d ) E s u n re c u rs o ilim itado. 10.
4. ¿ Q u é e le m e n to m e c á n ic o a c t ú a c o m o s e n s o r p a ra a c tiv a r o tro s e le m e n to s ? a ) V á lv u la s d e rodillo. b ) A c t u a d o r d e d o b le efe c to .
c)
V á lv u la d e s im u lta n e id a d .
d ) V á lv u la d e con trol.
5 . ¿ Q u é tie n e u n a v á lv u la d e c o n tro l d e 5/2 v ía s ? a ) 2 v ía s d e flujo
y y
5 e s ta d o s .
b)
5 v ía s d e flujo
c)
2 e n tra d a s y 5 v ía s d e flujo.
2 s a lid a s.
d ) 5 v ía s d e flujo y 2 e s ta d o s .
¿ E n c u á l d e lo s p u n to s d e la im p le m e n ta c ió n d e la n e u m á tic a s e d e s c r ib e la ta re a a re a liza r e n el s is te m a ? a ) T a b la d e c o m p o n e n te s . b ) C r o q u is d e la situ a c ió n .
c)
D ia g r a m a D -F .
d ) D e s c r ip c ió n d e la a c tiv id a d .
PARTE TRES
11
Fundamentes da ia automatizacién industrial
¿ C u á l e s ©I d is p o s itiv o q u e p e r m ite re ta r d a r la s e d a l d e e je c u c ió n e n u n c ir c u ito n e u m á tic o ?
¿ C u á l e s e l d is p o s itiv o n e u m á tic o q u e p e r m ite la m a n ip u la c ió n d e p ie z a s y /o p r o d u c to s a l a d a p ta r s e a la g e o m e tr ía y e v ita d a ñ a r lo s e n s u m a n ip u la c ió n ?
3)
b)
12.
■=b 1 4f§Hnkp : ioo%
Iv 3
5)
c)
c )__
di
f t
\ 13.
¿ C u á l e s e l n o m b r e d e lo s e le m e n to s 1 .0 y S , q u e s e m u e s tr a n e n e l s ig u ie n t e c ir c u ito ?
a)
A c tu a d o r d e
ó ) A c tu a d o r d e
s im p le e fe c to y s e n s o r m a g n é tic o ,
d o b le e fe c to y s e n s o r m e c á n ic o .
c) A c tu a d o r d e
d o b le e fe c to y v á lv u la d e 3 /2 v ía s n o r m a lm e n te c e r r a d a c o n in te r r u p to r d e
d ) A c tu a d o r d e
d o b le e fe c to y v á lv u la d e 3 /2 v ía s n o r m a lm e n te a b ie r ta c o n in t e r r u p to r d e r o d illo .
r o d illo .
CAPÍTULO 6
a ) U n r e g u la d o r d e p re sió n .
14. ¿ C u á l e s ©I d ia g r a m a q u e p e rm ite la in te rp re ta c ió n d e la s e c u e n c ia d e a c tu a d o r e s n e u m á tic o s ?
b) c)
a ) D ia g r a m a d a flujo.
b) c)
Técnicas de automatización industrial
D ia g r a m a d e b lo q u e s .
U n r e g u la d o r d e c a u d a l. U n a u n id a d d e m a n te n im ie n to ,
o ) U n a lla ve d e c ie rre .
D ia g r a m a d e d e s p la z a m ie n to d e fase. 17.
d ) D ia g r a m a d e re c o rrid o .
¿ C u á l d e las s ig u ie n te s e s u n a v á lv u la 5/2 b ie s ta b le q u e s irv e c o m o e le m e n to d e co n tro l d e un a c t u a d o r d e d o b le e fe cto ?
15. ¿ Q u é e le m e n to d e tra b a jo o b lig a a d o s s e ñ a le s d e
a)
e n tra d a y d e s p u é s d e un tie m p o p re d e fin id o se b lo q u e a ? a ) C irc u ito b im a n u a l. b ) V á lv u la d e c o n tro l b im a n u a l.
c)
V á lv u la d e a c c io n a m ie n to m a n u a l.
b)
d ) V á lv u la A N D .
2
® =)
16. ¿ Q u é e s el e le m e n to q u e está m a r c a d o c o n un c írc u lo
1 '
e n la fig u ra ?
s0
C)
(2.01
( 1.0 ) S2
'
3
l
S3
5
3
2
O)
18.
¿ C u á l e s la fu n c ió n d e lo s s e n s o r e s S , y
e n el
s ig u ie n te d ia g r a m a d e d e s p la z a m ie n to d e fa s e ?
Circuito neumático
Itrabajo)
,V
(control)
a ) D e te c ta r la p o s ic ió n inicial d e a m b o s a c tu a d o re s .
b)
D e te c ta r m ateria l e n la p o s ic ió n final d e a m b o s a c tu a d o re s .
Circuito eléctrico
o ) D e te c ta r la p o s ic ió n final d e l a c t u a d o r 1.0.
o) 19.
D e te c ta r la p o s ic ió n final d e a m b o s a c tu a d o re s .
¿ C u á l e s el v o ltaje d e m á s u s o a nrvel in d ustrial en e le c tro n e u m á tic a ? a ) 12 volts. b ) 24 volts.
c) 12 0 volts. o) 220 volts.
P A R TE TR E S
20.
21.
Fun d am e nte s da la autom atización industrial
¿ Q u ó n ú m e ro es el e q u iv a le n te te ó ric o d e un
27.
¿ C u á l e s e l s e n s o r c u y o c a m p o e le c tro s tá tic o p e rm ite
in te rru p to r c u a n d o e s tá a b ie rto ?
d e te c ta r m e ta le s, m a d e ra , v id rio , e tc .? P o r lo g e n e ra l
a) 1
s e u s a p a r a m e d ir ios n iv e le s d a lle n a d o d e líq u id o s .
b) 10
a ) ó p t ic o .
c) 0
b) Magnético.
d) 1 0 0
c) Inductivo.
d)
¿ Q u é n ú m e ro es el e q u iv a le n te te ó ric o d e un in te rru p to r c u a n d o e s tá c e rra d o ?
28
¿ C u á l d e las s ig u ie n te s n o e s u n a v e n ta ja d e utilizar
a) 1
e q u ip e s c o n s o lu c io n e s e le c tro n e u m á tic a s ?
b) 10
a ) E x is te m á s c o n tro l e n c u a n to a c u a n tific a r se ria le s d e e n tra d a .
c) 0
22.
d) 1 0 0
b)
E s m á s e c o n ó m ic a q u e la n e u m á tic a .
¿ C u á l es el d is p o s itiv o ló g ic o q u e in te g ra u n a rre g lo
c) d)
E x is te m e n o s e s p a c io e n la circuiterta.
p o r p a re s d e in te rru p to re s ? a ) B o tó n .
b)
23.
C a p a c it iv o .
El ta m a rio d e los d is p o s itiv o s d e c o n tro l s e r e d u c e n .
2 9 . ¿ C u á le s s o n las p rin c ip a le s c a ra c te rís tic a s d e un P L C ?
Interruptor.
a ) V e rsá tile s y p e q u e ñ o s .
c ) T e m p o r iz a d o s
b)
d) R e le v a d o r.
c ) S e c u e n c ia le s y m o d u la re s .
¿ C ó m o s e le c o n o c e a u n re le v a d o r q u e In te g ra un
d) Obsoletos.
In fla m a b le s e im p e rm e a b le s .
reloj q u e re ta rd a la s a lid a d e la s e ria l? 3 0 . ¿ C u á l e s e l d is p o s itiv o q u e p e rm ite re ta rd a r la s e ria l de a ) R e le v a d o r c o n b o tó n .
b)
e je c u c ió n e n u n c irc u ito e le c tro n e u m á tic o ?
R e le v a d o r c o n a d ita m e n to .
a)
I
c ) R e le v a d o r c o n te m p o riz a d o s
d) R e le v a d o r c o n 24.
interruptor.
¿ C u á l es el s e n s o r q u e d e te c ta la p r e s e n c ia d e un o b je to ?
b)
a ) ó p t ic o .
b)
M a g n é tic o . :
c ) In d u c tiv o .
100%
d) C a p a c itiv o . 25.
c)
¿ C u á l es el s e n s o r q u e d e te c ta la p o s ic ió n d e in icio y final d e c a r r e r a e n lo s a c tu a d o r e s n e u m á tic o s ? a ) ó p t ic o .
b)
M a g n é tic o .
c ) In d u c tiv o .
d) C a p a c itiv o . 26.
_
¿ C u á l es el s e n s o r q u e g e n e ra u n c a m p o e le c tro m a g n é tic o al d e te c ta r la p r e s e n c ia d e m e ta le s
31
.*
¿ C u á l e s el o b je tiv o d e lo s s is te m a s h id rá u lic o s ?
y la d is ta n c ia q u e re c o rre n ? a ) T e n e r u n a fu e n te c o n s ta n te d e a g u a . a ) ó p t ic o .
b)
b ) P o te n c ia r el tra b a jo h u m a n o . M a g n é tic o .
c ) In d u c tiv o .
d) C a p a c itiv o .
c) o)
T e n e r u n a c o n d u c c ió n e fic a z d e fluidos. M o v e r un o b je to rá p id a m e n te .
CAPÍTULO 6
3 2 . ¿ C u á le s s o n a lg u n o s a lo m e m o s d e l s is te m a
40.
V á lv u la r á p id a , d e s fo g u e , e n c e n d id o .
c)
A c e ite , m e c a n is m o d e re to m o , re tro c e s o rá p id o .
Id e n tifiq u e las p a rte s d e l P L C e n e l s ig u ie n te d ia g ra m a .
h id rá u lic o ?
a) b)
Técnicas de automatización industrial
H id rá u lic a d e flu id o s , p o te n c ió m e tro , a m p e rím e tro . # i
d ) M o to r e lé c tric o , b o m b a , v á lv u la d e alivio. 2
3 3 . ¿ C u á l e s la fu n c ió n d e u n a b o m b a h id rá u lic a ?
a)
M a n d a r flujo.
b)
M o v e r la c a rg a .
c)
C o m p r im ir el ac e ite .
3 4
d ) M o v e r el a c e ite r á p id a m e n te .
5
3 4 . ¿ C u á l e s la c ie n c ia q u e e s tu d ia la h id rá u lic a ?
a)
L a h id ro s tá tic a .
b)
L a e le c tro n e u m á tic a .
c)
L a física d e l c u e r p o ríg id o .
6 7 8
d ) L a m e c á n ic a c u á n tic a . 9 3 5 . ¿ P a r a q u é s irv e n la s b o m b a s d e p istó n?
a)
P a ra b a ja s p re s io n e s d e tra b a jo .
b)
P a ra a lta s p re s io n e s d e tra b a jo .
c)
P a ra m e d ia n a s p re s io n e s d e tra b a jo .
10 11
d ) P a ra u n r á p id o flujo d e a c e ite . 3 6 . ¿ C u á le s s o n las d e s v e n ta ja s d e un s is te m a h id rá u lic o ?
a)
15]
O x id a c ió n d e la s p a rte s .
b)
R e q u ie re m a n te n im ie n to m ayo r.
c)
A lta v e lo c id a d y m u c h a p re c is ió n .
16]
d ) B a ja v e lo c id a d y p o c a p re c is ió n .
17] 37.
18]
¿ C u á le s s o n las p o s ib ilid a d e s d e c o n e x ió n d e un P L C en tre o tro s e q u ip o s d e a u to m a tiz a c ió n ?
a)
A tra v é s d e s e ñ a le s l/O.
b)
P o r re d a lá m b ric a .
19]
c ) P o r re d in a lá m b ric a . d ) T o d a s las a n te rio re s. 3 8 . ¿ C u á le s s o n los tip o s c o m u n e s d e p ro g r a m a c ió n d e un P L C ?
a)
C + + y V is u a l B a s ic .
b)
E s c a le r a y m n e m ó n ic o s .
c ) Ic o n o g rá fic a y d e texto. d ) O r ie n t a d a a o b je to s .
41.
¿ Q u é tip o d e s e ñ a l se tra n s m ite d e m a n e r a c o n tin u a y s ig u ie n d o u n a fu n c ió n d e o n d a ?
a)
A n a ló g ic a .
b ) D ig ital.
c)
C u a lita tiv a .
d ) C u a n tita tiv a . 3 9 . D e ta lle la u tiliza c ió n d e la n o m e n c la tu ra b á s ic a u tiliza d a p a r a los P L C M its u b is h i. X Y T rv
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
E je r c ic io s d e n e u m á t ic a y e le c t r o n e u m á t lc a 1. Resuelva el ejem plo 6.2 en forma automática, es decir, que la operación se eje cute con una botonera de enclavam iento y que cada ciclo de corte sea de 5 segundos, que es el tiem po en que la barra de plástico es alimentada en el área de corte. El tiem po de espera en la zona de corte es de 3 segundos. Verifique en todo m om ento las condiciones iniciales y finales del actuador. 2. Resuelva el ejem plo 6.3 para una operación automática; es decir, que la prensa de sellado realice su operación cada 10 segundos, tiem po que sirve para colocar y retirar el producto 3. Ihierta autom ática de un autobús.
Descripción del problem a Se requiere diseñar el circuito neumático para la apertura y cierre de la pueita d e un autobús escolar. El sistem a funciona a través de botoneras que ejecutan las secuencias abrir puerta y cerrar puerta. La ejecución cerrar o abrir se hace en form a lenta: la velocidad de recorrido del actuador en am bos sentidos es re gulada para no lastimar a los pasajeros o para cuidar las partes que conforman la puerta. El sistem a debe tener un segundo sistem a de botoneras colocado en el ex te rior del autobús, para abrir o cerrar la puerta desde el exterior cuando el opera dor lo requiera.
4. Con datos del ejercicio anterior, agregue un sistema de seguridad para evitar que la p u eita se cierre cuando un pasajero se encuentre en la zona de descenso de pasaje e identifique cuando la puerta está cerrada o abierta. 5. Equipo de mezclado de líquido base.
Descripción del problem a El departam ento de ingeniería de la empresa M ezclas Químicas requiere una cuchara para el mezclado y vaciado de producto. La operación consiste en vaciar un líquido contenido en un tanque de dis tribución. El líquido se tom a con una cuchara y se deposita por un ducto en el interior de la cuchara, en el canal de llenado de la m ezcla principal. El sistema está integrado por un actuador (1.0), el cual sostiene una cuchara que en estado inicial perm anece fuera del tanque. La operación de m ezclado inicia siempre y cuando haya producto en el tan que y en estado de encendido; además, la cuchara depositará líquido sólo cuando
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
se requiera, es decir, al recibirse una señal de mezclar producto se inicia un ciclo completo. LA M EZCLA S Ó LO PERMITE UNA C A R G A DE HASTA 10 VACIADOS.
La velocidad de avance para el actuador está controlada a 10% de apertura del caudal. En todo m om ento se requiere detectar las condiciones de recorrido del ac tuador. La velocidad de regreso del actuador está controlada a 15% de apertura del caudal. C ro q u is d e situ a c ió n
Obtenga: u) El diagrama de desplazam iento de fase para el circuito neumático. b ) La lista de com ponentes a utilizar. c) El circuito neumático. 6. Sistema de manipulación de cajas en un montacargas. D e s c r ip c ió n d e l fu n c io n a m ie n to d e l a m á q u in a Un montacargas requiere un sistema de manipulación de cajas; las dim ensiones de la caja son 250 X 250 X 250 mm. El sistema funciona m ediante dos actuadores de doble efecto y cuatro ven tosas colocadas en una estructura. El actuador llega al final de carrera por el accionam iento de dos palancas; el producto lo tom an las ventosas accionadas por otra palanca. Para reiniciar sólo se requiere desactivar las palancas Tomar la caja requiere la maniobra del montacargas y el accionamiento de las palancas por un operador. Obtenga: «) Un diagrama de desplazam iento de fase. b) La lista de los com ponentes a utilizar. c) El circuito neumático.
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
7. Sistem a de manipulación y sujeción de placas de vidrio de una grúa sem iautomática.
Descripción del problem a S e requiere un sistem a de manipulación y sujeción de placas de vidrio para una grúa industrial. La sujeción se realiza m ediante cuatro ventosas agrupadas en una estructura metálica. E l sistema sirve para mover estas placas desde un depósito hasta la línea de montaje. Las placas se encuentran en posición vertical y en paralelo con respecto a las ventosas. E l sistem a se com pone de una base giratoria cuyo giro se efectúa m ediante un actuador neumático. El m ovim iento es de 180“ en dos posiciones y la v e locidad del giro en ambos sentidos se controla al regular el caudal a 65% de apertura. En la base se encuentra un actuador de doble efecto con la estructura de las cuatro ventosas, su carrera lo posiciona enfrente de las placas. En esta última posición las ventosas se activan de forma automática, sujetan el producto y después de 8 segundos el actuador se retrae. La velocidad de avance y regreso de este actuador están controlados en su caudal a 45% de su apertura A n tes de iniciar el giro hay una pausa de 2 segundos; el actuador giratorio regresa a su posición inicial y las ventosas liberan la placa. Las ventosas solam ente se activarán si hay materia prima en el depósito. K. Máquina compactadora de latas com erciales de alum inio de 355 mi.
Descripción del problem a S e quiere compactar latas de aluminio. La compactación se realiza en pares en un sistem a autom ático, para lo cual se utilizará un actuador de doble efecto. La máquina funciona en ciclo único y continuo; para el primero la activa ción es por m edio de dos botoneras, la operación podrá funcionar siempre y cuando exista producto a compactar (forzosam ente las dos latas). U na vez compactada la lata, un segundo actuador retira el producto de la zona de compactación y el actuador 1 regresa a su posición inicial en forma inmediata. En el ciclo continuo el operario pondrá en operación la máquina a través d e un botón ON/O FF; el proceso iniciará siempre y cuando haya producto a compactar (forzosam ente las dos latas). La máquina sólo podrá compactar hasta mil latas por jom ada de trabajo. El desplazam iento de avance del actuador se debe controlar a una regula ción de caudal de 45%. La presión para los elem entos de control para los dos ciclos se regulará a 4 bares y para los elem entos de trabajo a 10 bares. 9. Programación con PLC de la lógica funcional de un semáforo.
Descripción del problem a Elabore la lógica funcional de un sem áforo utilizando los conceptos de pulsa dores y relevadores. La operación de un sem áforo tradicional se inicia m ediante un botón de encendido (O N /O FF). La luz roja se enciende por un tiem po de 30 segundos. Cuando han transcurrido 25 segundos se enciende la luz amarilla; al cumplirse los 30 segundos ambas luces se apagan y la luz verde se enciende. D espués de transcurrir 30 segundos el ciclo vuelve a iniciar.
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
10. D iseño d e una puerta autom ática con electroneumática.
Descripción del problem a Se requiere automatizar una pu eita de acceso en una estación de manufactura; dos actuadores d e doble efecto permiten cerrar y abrir la puerta. Los actuadores en la condición de puerta cerrada están en su posición final de carrera y para la puerta abierta en estado inicial. La puerta se debe abrir siempre que haya una persona, ya sea dentro o fuera de la estación de manufactura. En el m om ento que no haya personas las puertas se vuelven a cerrar. La velocidad del recorrido d e apertura y cierre está regulada a 35% de aper tura del flujo del regulador de caudal. Se requiere verificar las condiciones iniciales y finales d e los actuadores que accionan las puertas, para lo cual utilice sensores magnéticos. U tilice un sensor óptico de presencia para el interior y exterior de la puerta. 11. D iseño de un compactador d e basura industrial.
Descripción de! problem a Se requiere un sistema neum ático d e accionam iento sem iautom ático para el ac cionam iento de cuatro actuadores que logren comprimir la basura de un co n te nedor; los cuatro actuadores están estratégicam ente colocados uno frente a otro, de manera que todos se activan al mismo tiempo. Los actuadores inician el proceso de compresión de la basura hasta llegar a su final de carrera donde permanecen haciendo presión durante 3 segundos; en este tiem po se enciende una luz verde que indica que la tarea se está realizando. Por últim o se retraen dejando la basura en forma de bloque, el cual es retirado para iniciar de nuevo la operación. La carga del compactador se realiza con la ayuda de una banda transporta dora d e m ovim iento continuo; si hay basura en la zona d e com presión el op e rador activa dos botones d e arranque. Si no hay basura el sensor activa una luz. roja y un zumbador durante 5 segundos, lo que indica que no hay basura para comprimir. El accionam iento o recorrido d e los actuadores requiere una velocidad con trolada d e avance a 45% del regulador del caudal,y el regreso es rápido, pues la tarea es repetitiva y se requiere optimizar la operación. Obtenga: a) El diagrama d e desplazam iento fase. h) La lista d e com ponentes a utilizar. c) El circuito de trabajo (parte neumática). d) El circuito de control (parte eléctrica).
E je r c ic io s d e h id rá u lic a e le c t r o h id r á u llc a
Descripción del funcionam iento de la m áquina 12. Regulación de la velocidad de avance d e un cilindro de doble efecto para que su
retroceso sea rápido; la válvula d e accionam iento debe ser con un botón pulsa dor y no se deben utilizar válvulas de memoria. 13. Un cilindro de doble efecto debe salir al accionar un botón pulsador o una vál vula de palanca; pero a condición de que el vástago del cilindro esté retraído. Al llegar a su final d e carrera deberá permanecer fuera durante 5 segundos; trans currido este tiem po regresará autom áticam ente a su posición de reposo.
o
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
14. Control de un cilindro de doble efecto, de tal form a que el avance pueda ser provocado desde dos puntos: avance y retroceso, lo que se logra con el acciona m iento de un tercer interruptor. 15. En un proceso de producción se tiene un material que se coloca en un carro de transporte. El material requiere calentarse a cierta temperatura, para lo cual el carro se m ueve hacia el interior del horno. Una vez dentro, se cierra una com puerta para protección de los operarios. Tara realizar esta actividad se tiene un sensor A colocado en la posición inicial del carro, otro en la posición tinal B y dos sensores C y D que indican la posición de la compuerta. Para mover el carro hacia dentro del horno se activa la salida S, y para sacarlo la salida S2. Para bajar la com puerta se usa S4 y para subirla se utiliza la salida Sv El accionam iento de los dispositivos hidráulicos es de form a arbitraria; es decir, los dispositivos se pueden activar en cualquier momento. Compuerta
<
> S,
S*
Obtenga: a ) Diagrama desplazam iento fase (D -F ) y diagrama de flujo. b) Lista de com ponentes a utilizar. c ) Circuito hidráulico. E je r c ic io s d e P L C 16. Convierta los ejem plos de las secciones de neumática industrial y electroneumática industrial a circuitos controlados por PLC. Incluya las consideraciones necesarias de control y de accesorios para la funcionalidad del sistema. 17. Con base en el ejem plo 6.10, Programación de un sem áforo vehicular, agregue una pantalla de interfaz para que el usuario pueda modificar los tiem pos de ejecución de cada lámpara. Duración de encendido de la luz roja: 30 segundos. A los 25 segundos se enciende la luz amarilla con parpadeo y zumbido; por ú lti mo, la luz verde se enciende 30 segundos. 1K. Máquina inyectora de plástico. D e s c r ip c ió n d e l p r o b le m a Se tiene la necesidad de automatizar una máquina de inyección manual de 45 gramos. La inyectora está acoplada con un actuador giratorio y un actuador li neal, además de sensores para determinar la posición de cada actuador. La operación inicia cuando se oprim e un botón pulsador, además de que un sensor d etecte la presencia del molde en la zona de inyección. El actuador lineal avanza a una velocidad regulada en su caudal de 40% hasta llegar a cerrar el molde. En ese m om ento un actuador giratorio inicia su operación de presionar el plástico (PE T) contenido en el em budo de carga, el cual previam ente fue e le vado a una temperatura de 250' C para llegar a su estado líquido. La operación
CAPÍTULO 6
Técnicas de automatización industrial
de inyección se realiza en un solo paso de inyección a una velocidad controlada en su flujo de 35%; es decir, el actuador giratorio realiza m edio giro hasta llegar a su posición final; en ese m om ento se realiza una inyección de 45 gramos dentro del molde. El actuador giratorio regresa a su posición inicial, y después de 2í) segundos (tiem po de curado) el actuador lineal regresa a su posición inicial para proceder a la apertura del molde y a la extracción de la pieza inyectada. La operación vuelve a iniciar cuando se oprim e nuevam ente el botón pulsa dor de inicio de ciclo. C r o q u is d e s itu a c ió n
Inyectara de plástico rediaeftada a un proceso automático.
Obtenga:
c a p í t u lo
J
Robots y algo más
CAPÍTULO 7
1 2 1
Robáis y algo más
Inspiración e historia de los robots
Actualm ente, la robòtica es un desarrollo tecnológico de gran aplicación en la in dustria en general (automotriz, alimentaria, farmacéutica, etc.). N o obstante, en sus principios se le veía com o una am enaza para el sector laboral, pues se argumentaba que la tecnología de la automatización eliminaría fuentes de trabajo. Sin embargo, siendo objetivos, la mayor parte de las funciones que los robots efectúan se rela cionan con operaciones de gran repetitividad y de mucho esfuerzo físico, las cuales conllevan altos riesgos cuando las realizan los seres humanos. C iertos conflictos de carácter ético y social han hecho que el avance de la ro bòtica en la industria de la manufactura haya sido relativamente lento hasta ahora, pero la im plementación de un robot en cualquier ám bito se basa en tres relevantes conceptos: seguridad, calidad y volum en de producción. En consecuencia, la robòtica es una técnica esencial y versátil en la industria de la transformación, la cual comprende desde un control robusto teórico hasta una integración tecnológica, previo estudio de las características de funcionalidad de un robot industrial que definirá los requisitos para su im plem entación en un proceso de manufactura. A ntes de abordar los conceptos de integración de la robòtica industrial daremos un vistazo a sus orígenes. Aun cuando hay muchas fuentes bibliográficas y de consulta sobre la historia de la robòtica, en esta sección nos enfocarem os en el surgimiento de la robòtica a través de los autores que la idearon, los inventos que le empezaron a dar forma y su desarrollo. La creatividad del hombre ha sido, es y será parte primordial de la vida, con im plicaciones para el desarrollo social, laboral y cultural, así com o para la comodidad y el entretenim iento. La imaginación com o fuente de inspiración se concreta con el estudio de la ciencia y en este entorno la robòtica tiene un desarrollo muy peculiar en la literatura, la cual presenta en los escenarios y la pantalla la visualización de objetos m ecanizados que al paso del tiem po culminarán en el desarrollo de la tecn o logía robòtica y su aplicación industrial. En principio tenem os las ideas conceptuales y creativas de escritores com o Karel Capek,1 Fritz Lang- o Isaac Asimov,3 cuyas obras marcan el inicio de la robòtica moderna. Luego, el gusto musical del hombre lo llevó a desarrollar instrumentos que fun cionaban “por sí solos’,’ y que en principio reproducían m elodías muy simples. Pero pronto fueron sustituidos por mecanism os de relojería conectados a flautas y otros instrumentos musicales, con un repertorio mucho más am plio y sofisticado, mostran do que, con ayuda de otras disciplinas, se puede lograr un avance significativo. La producción cinematográfica ha llevado a la pantalla grande algunos robots surgidos de la literatura de ciencia ficción (M aría,Tik-Tok, R 2D2-A rturito, C3POCitripio, A1BO, Asim ov, etc.), que forman ya parte de nuestra cultura. En el mundo de la ciencia ficción se piensa: Q u e la lite r a tu r a e s lo m á s c e r c a n o a l m u n d o f u tu r is t a , d o n d e s e s ig u e p r o p o n ie n d o u n fu tu r o e n e l q u e la s m á q u in a s y a n o s e r á n u n e m p le a d o d o m è s tic i) y m u c h o m e n o s
' K arcl C ap e * fu e u n o de los escritores influyentes del siglo xx. nom inado para el prem io N obel de L i te ra tu ra e n 1936 y c read o r d e la p alab ra robot, la cual surge e n u n a d e su s m ejores creaciones teatrales. ¡ F ritz L an g se inició e n el cinc en 1909, e n B rujas, Bélgica. Sus m ejore« tra b a jo s son: L o s nibehutftfta (1924). M etrópolis (1927), L a m ujer en Ja L iuia (1928) y E l vam piro tle D u sse ld o rf (1931). ’ Isaac A sim ov nació e n 1920 e n la U n ió n Soviética. E l espectro literario de A sim ov n o se lim ita a la cien cia ficción. A los 11 año» empezó a escribir sus obius, y a los 18, hech o un m anojo d e nervios, se decidió a p resen tar su p rim er relato, el cual fue rechazado. Sin em bargo, cuatro m eses después consiguió v e n d er su prim era h isto ria,}' así c o n tin u ó h a sta el d ía d e su m u e rte ,e l 6 de abril d e 1992.
PARTE TRES
fig u r a
7. n
Fundamentos de la automatcacién industrial
R obots d a la c ie n c ia lic c ió n y ju g u e te s tecn ológico s.4
u n g u a rd iá n , y d o n d e a lg ú n d ía la f r o n te r a e n tr e lo s h o m b r e s y la s m á q u in a s d e s a p a r e c e r á d e l to d o y te n d r á n q u e c o n v iv ir c o m o si f u e r a n ig u a le s. H a b r á u n a n u e v a g e n e r a c ió n d e r o b o ts : m á q u in a s q u e s e r e p a r a n p o r s í s o la s , q u e s e e n s e ñ a n a s í m is m a s , in c lu s o e v o lu c io n a n . M u c h o s c ie n tífic o s c r e e n q u e n u e s tr o d e s ti n o n o e s c o m p a r tir e l p l a n e t a c o n m á q u in a s m á s f u e r te s c in te lig e n te s q u e n o s o tr o s , s in o q u e q u iz á ta m b ié n te n d r e m o s q u e c o m p a r tim o s a n tx s o lro s m is m o s .5 A lg u n a v e z la h u m a n id a d h a p e n s a d o : ¿ N o s e r ía m á s fácil si c r e á r a m o s a n u e s tr a m e d ia n a r a n ja ta l c o m o n o s o tr o s la q u e r e m o s ? ¿ Q u é e s lo q u e n o s im p id e c r e a r a n u e s tr a im a g e n y s e m e ja n z a ? 'Pal v e z p r o g r a m a r s e n s a c io n e s q u e n o s c a r a c te r iz a n a d ife re n c ia d e o t r a s e sp e c ie s . Y e n to n c e s , ¿ a l g u n a v e z p o d r e m o s c r e a r r o b o ts c o n in te lig e n c ia ? 6
Crear un ser artificial ha sido el sueño del hombre desde que nació la ciencia; se basca que sea un simulacro perfecto del hombre, con extrem idades articuladas, lenguaje huido y reflejos.
4 Im ágenes o b ten id as d e las siguientes fuentes: 1. G rin g cr, C livc (2002). D iseño btieUgenie. Producios q u e cam bian nuestra vida. M cG raw -H ill. 2. T h e G re a t R o b o t E xhibition (2007). Japón. 3. E n busca d e l ro b o t s o p la n , e n revista Q uo, núm . 100, fe b re ro d e 2006, P.C154-58. México. 4. \fa¡(ia y tecnología, e n revista M u y Interesante, ¡\úia d e 2007, P C . 26-51, México. 5. M u y interesante, “últim os desarrollos de la robótica", arto X X II, P .C 48-55. n á m . 10, México. 1 L a inform ación contenida e n e ste p á rra fo es p arte d e l docum ental F uturo fantástico, transm itido e n la d écad a d e 1990, e n siete series d e ciencia y tecnología, una d e ellas c o n el título “R o b o ts ’.’La transm isión fu e realizada p o r d canal 11, México. T om ado d e los principios de desarrollo del ro b o t A sim ov d e H O N D A p a ra en treten im ien to de hum anos. ’ Tom ado d e R o b e rt M alone (2004). UUlmale Robot. Toys, film s, fa n la sy a n d fu tu r e , D K . p. 9 ,1 1 ,1 2 , 13, 66 y 161.
CAPÍTULO 7
fig u r a
7 .a
Instrum entos m usicales d e funcionam iento au to m á tico.8
En 1921 Karel Capek realizó la muestra teatral Rossurn’s Universal R obots (ti. U. R ) , donde se representaba a trabajadores com o máquinas imparables que con quistaban al hombre, llam ados Róbala, palabra checa que significa “esclavo” . Estos trabajadores tenían un parecido con la idea moderna de los androides. En la Edad Media hubo instrumentos autom áticos que tocaban minués, concier tos d e piano, canciones populares y oberturas d e óperas (figura 73). Las teclas del piano se movían com o si las tocara un fantasm a,y los m isteriosos armarios d e donde emergían las m elodías son ejem plo d e los autómatas m usicales que hicieron posible escuchar música sin que el ser humano pulsara instrumento alguno. C ientos y cientos de rollos se perforaban para marcar las notas m usicales que, por la acción de un rodillo, daban el ritmo perfecto y un sonido inigualable.9 IJn diálogo en la película M etrópolis refería: “Y bien, Joh Fredersen, ¿no vale la pena haber perdido una mano para construirles a los hombres? El futuro es: el HOMBRE-.V1AOU1NA. 24 horas más d e trabajo y ... ¡nadie, Joh Fredersen, nadie podrá distinguir al hombre-máquina de un mortal cualquiera!”. M etrópolis es un filme d e 1927, creado por Fritz Lang, en donde la estrella prin cipal era el robot M aría, que representaba la honestidad y la verdad. Es una película cruda y oscura del cine mudo, un ¡cono en el desarrollo social e incluso de la robótica (figura 7.4). El cine ha sido uno d e los principales im pulsores d e la robótica; en las pantallas se han narrado m últiples relatos d e ciencia ficción para los cuales se han desarrolla do efectos especiales de todo tipo, com o robots d e metal o digitalizados y escenarios fantásticos que han contribuido al éxito d e muchas películas com o las siguientes: 1927: M etrópolis. 1931: Frankenstein. 1956: E l planeta p roh ibido. 1970: E l hom bre d e los 6 M D D . 1977: La guerra de las galaxias. 1978: M azinger Z, el robot de tas estrellas. 1984: E xterm inador I. 1987: R obocop.
’T ornado de "K arakuri. anim e a n d th e la te st ro b o ts”. The. areal ro b o t exhibition, Japdn, octubre d o 2001 'P n e u m a tic W orld. The A m azing W orld o f P neum atics, FE STO . Mini. 100 tips fo r executives in au to m a tion. E l aire est4 carg ad o d c miisica. L a v arie d a d d e l aire, p. 13.
Robáis y algo más
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
fig u r a
7 .a
R ob ot 'M aria* d a la película
Moírópolis,10
1991: Exterm inador II. 1992: S oldado universal. 1999: E l hom bre bicentenario. 2001: Inteligencia artificial. 2004: Yo Robot. 2004: Exterm inador III. 2005: Robots. A principios del siglo xix surgieron relatos insólitos e ideas fantásticas, sueños im posibles y cosas inimaginables. U n o de ellos era la historia del hombre mecánico Tik-Tok, construido para ser sím e n te del Rey Evoldo: su nombre se debía a que su nariz hacía tik -to k cuando estaba en funcionamiento. Hacia 1933 estos relatos e historias se empezaron a convertir en aportaciones científicas, com o las tres leyes de la robótica de Isaac Asim ov, que tratan de regir el com portam iento de los robots hacia los hombres (figura 77). Las tres leyes de la robótica: 1.
fig u r a
7 .E
U n robot no puede hacer daño a un ser humano, o, por m edio de la inacción, permitir que un ser hum ano sea lesionado.
A n d ro id e s d e la película
Yo RobotV
‘“ L as im ágenes son creación artística d e l d irector d e fotografía K arl F re u n d (1927), Metrópolis. 11 L as im ágenes son creación artística d e l d irector d e fotografía Sim on D uggan.
CAPÍTULO 7
fig u r a
7.0
Bhombre bicentenàrio, película
b a s a d a en relates d e Isaac A sim o v.12
2. Un robot debe obedecer las órdenes recibidas por los seres humanos, excepto si entraran en conflicto con la primera ley. 3. Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que esta protec ción no sea incom patible con la primera y la segunda leyes. Isaac A sim ov utiliza por primera vez la palabra “robótica”,a la cual define como: “Ciencia o rama d e la tecnología que estudia el diseño y construcción d e máquinas capaces de desem peñar tareas realizadas por el ser humano o que requieren el uso de inteligencia”. Sin em bargo.esa idea de la ficción aún no se hace realidad; hay grandes desarro llos en la robótica, robots increíbles, pero lo cierto es que la industria ha sido la más beneficiada por el avance de esta ciencia, ya que existe una gran variedad de brazos robot que ejecutan diversas tareas en condiciones severas y peligrosas para el ser humano. Por lo tanto, los robots industriales son una herramienta d e productividad que ha fortalecido las operaciones de manufactura.
f ig u r a
7 .7
Is a a c A sim o v, p a d rin o d a la robotica y escritor d e c ie n c ia ficción .13
n Las im ágenes son creación artística d e l d irecto r d e fo to g rafía Phfl M cbcux. “ Tornado de: A simov, Isaac (2007), H a la rla y cronología d e ¡a ciencia y los descubrim ientos. M adrid, A riel.
Robots y algo más
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
A ctualm ente la Organización Internacional de la Estandarización (ISO ) define al robot industrial como: " M a n ip u l a d o r m u ltif u n c io n a l r c p r o g r a m a b lc c o n v a r io s g r a d o s d e lib e r ta d , c a p a /, d e m a n ip u la r m a te r ia le s , p ie z a s , h e r r a m ie n ta s o d is p o s itiv o s e s p e c ia le s s e g ú n tra y e c to r ia s v a ria b le s , p r o g r a m a d o p a r a r e a liz a r d iv e rs a s ta r c a s ’’. w
Otras organizaciones,com o la Federación Internacional de la R obòtica (IFR ) y la A sociación Francesa Nacional de la Robòtica (A F N O R ), impulsan el desarrollo de la robòtica industrial. Los robots que se utilizan actualmente en la industria se caracterizan por su configuración geom étrica y su aplicación.
Configuraciones geométricas de los robots induustriales 1. (.’artesianoi XY Z . A esta configuración también se le con oce com o rectilíneo. Se caracteriza por poseer tres m ovim ientos lineales, los cuales corresponden a los m ovim ientos localizados en los ejes X, Y y Z , los cuales son perpendiculares entre sí.
fig u r a
7.B
G eo m e tria del robot carte sian o X Y Z y robot lineal F E S T O c o n p in za d e tres puntos.15
2. Cilindrico. Esta configuración puede realizar dos m ovim ientos lineales y uno rotacio nal; tiene tres grados de libertad al igual que el cartesiano, pero por su falta d e flexibilidad actualmente está fuera de uso o só lo se utiliza en aplicaciones limitadas.
u N o f Shim non, Y. ( 1999), U a n á B o o k o f Industrial R o b o ik s . E U : Jo h n W iley S¿ Sons Inc. 11 T icn d FE STO , A u to m a tiza r ca n neum ática. 16a. od., P esto A G & Co. Essi ingerì, p. 24.
CAPÍTULO 7
fig u r a
7 .H
R obot cilin d rico .16
3 . Esférico.
También se le conoce com o configuración polar. E ste robot se caracteriza porque tiene varias articulaciones y cada una de ellas puede realizar un movi miento distinto: rotacional, angular o lineal. Igual que en la configuración cilin drica. la flexibilidad de este robot tam bién es limitada. Sin embargo, es el punto clave del desarrollo de la robótica industrial, ya que gracias a esta configuración se creó el primer robot industrial: Program rnable Universal M achine fo r A ssem bly, o P rogram m able Universal Manipulatio n A rm (P U M A , por sus siglas en inglés) desarrollado por Víctor Scheinman17 de UN1M ATE y General M otors en 1956 con el apoyo de (ieo rg e D ev o l18y Joseph Engelberger.19
fig u r a
7 . *l □
R obot esférico.20
**Nof Shim non, Y. (1999), UanáBook ofIndustrial Robotks, E IJ: John W iley & Sons Inc. " V íc to r Scheinm an inventó, e n 1969, e n la U n iv ersid ad d e Stanford, el brazo ro b o t articulado d e seis ejes to ta lm e n te eléctrico,capaz d e alcanzar cu alq u ier posición e n el e spacio,controlado p o r u n a com putadora. “ G co rg e D ev o l estableció las base» d e l ro b o t industrial m o derno, así c o m o los objetivos para dtscóar u n a m áq u in a flexible, a d ap tab le al en to rn o y de fácil manejo. F u e la prim era p a te n te e n 1948 d e un robot industrial com o diseño conceptual. MJ. E n g e lb e rg e r fu n d ó U n im atio n Inc., p rim era em p resa en el m undo d e la robótica. G roover. M ikell P., M ítchell W eiss, R o g cr, N agcl, N. y O diey. N icholas O. (1990). Robótica industrial. Tecnología,programación y aplicaciones. M cG raw -H ill.
Robáis >• algo más
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
4 Angular. Este tipo de robot es el de mayor em p leo en la industria, ya que su con figuración parecida a la del brazo humano y su volum en de trabajo permiten obtener gran versatilidad en diferentes aplicaciones gracias a su diseño de cinco ejes o más.
fig u r a
7 .1 1
R ob ot angular. A p lic a c io n e s d e s o ld a d u ra c o n robots M O T O M A N .21
"YASKAW A MOTOMAN, México.
CAPÍTULO 7
fig u r a
7. 1 a
“ FANT JC Robotico, M éxico.
R o b o ! angular. A p lic a c io n e s c o n robots F A N U C .22
Robáis y algo más
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
5. Brazo robot articulado selectivam ente versátil, Selectively C om pliant A rticu lated R obot A n n (S C A R A , por sus siglas en inglés).
F IG URA 7 . 1 3
Robot SCARA de Mitsubishi. Los robots con esta configuración tienen libertad total en los ejes X y Y, pero están limitados severam ente en sus desplazam ientos en el eje Z. Esto sig nifica que tienen un com portam iento similar al del brazo humano, que permite ubicar el extrem o de la mano en cualquier ubicación con alto grado de precisión y exactitud, pero siempre sobre un solo plano. En el eje vertical sólo realizan manipulaciones simples que habitualmente consisten en presionar y desplazarse.
fig u r a
.
7 *1 «
Especificaciones técnicas de un robot Mitsubishi.23
15Robots Mitsubishi, Mitsubishi Electric, Allerbest technology.
CAPÍTULO 7
6. Paralelo. Este tipo de robot se distingue por sus uniones rotacionales; por lo regular consta de tres ejes que concurren en un mismo vértice, el cual es el punto de funcionalidad donde se encuentra el elem en to final de sujeción para las tareas asignadas.
fig u r a
7 .ib
R ob ot paralelo d e A B B y su d ia g ra m a (¡sica.
Esta configuración tiene gran aplicación en la industria alimentaria, farma céutica y de empaque, por su rapidez y versatilidad al m om ento d e tomar las piezas en diferentes puntos dentro del alcance del robot. Su configuración se deriva del robot llamado p ic k an d place, e\ cual permite sujetar un producto en un punto determ inado y trasladarlo rápidamente a otro punto.
fig u r a
14ABB Robòtica, México.
7 .1 8
L ín ea s autom áticas c o n rob ots flexpicker d a A B B .14
Robots y algo más
PARTE TRES
Fundamentes de la automatización industrial
Su integración está acom pañada de un sistem a de visión industrial,que ayu da a determinar la posición del producto para que el robot pueda establecer su coordenada y tom ar la pieza. Para más detalles al respecto vea el capítulo 8. Todas las configuraciones anteriores están integradas por una serie de com ponentes que hacen que un robot se convierta en todo un sistem a integrado de automatización (figura 717).
Componentes y aplicaciones de un robot industrial I Ccntróadcr. Gripper. Sistema sensorial. Sistema de comunicación. Caja de enseñanza. Elementos de trabajo. Elementos de seguridad. Ejes adidcrales.
fig u r a
7 .1 7
C o m p o n e n te s d e un robot industrial en un p ro c e so com pleto.
Chorno parte del proceso com pleto es importante que el robot cuente con una instalación, ya sea en el piso o en una estructura elevada, para que funcione libre de vibraciones o m ovim ientos externos y mantenga segura su posición de instalación.
C om ponente
# 1
Brazo robot.
2
Cables d e alimentación de potencia y conexión de! control.
3
Controlador.
4
Caja de enseñanza. fig u r a
7.i a
C o m p o n e n te s b á sico s d e un robot industrial sin integración a un p ro c e s o .15
“ Tomado de Robots K IJ K A R oboter Gm bH. Q U A N T E C proV2 (2011),en S e r ia Product D ocumcnla¡lon. Versión Spez K R . México, Robots K U K A .
CAPÍTULO 7
f ig u r a
7 .1 8
Estaciones automatizadas con robots KUKA.
C om o parte d e la selección de un robot industrial se deben considerar los aspec tos de capacidad d e trabajo, repetitividad, capacidad de carga, precisión y exactitud, entre otros (figura 719), ya que cada aplicación es diferente en todos los aspectos. A plicaciones de robótica industrial: ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
Fundición. Carga y descarga de subproductos. Embalaje y paletizado. Plásticos. Fabricación metálica. Madereras A cabados y pintura. A lim entos
Robots y atgo más
PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
fig u r a
7 . a *1 A p lic a c io n e s d e e n s a m b le y unión c o n robots A B B .
CAPÍTULO 7
Características generales de los sistemas de control de robots industriales Los robots para los diferentes procesos de manufactura cuentan con un elem ento de control, denom inado controlador del robot (figura 722). Se le conoce com o la caja negra, aunque de hecho es una computadora de uso específico, cuya función es controlar la unidad mecánica. La diferencia con una computadora personal radica en que está diseñada para ejecutar com andos y funciones para los requerimientos del robot, y cuando el usuario haga la prueba de cualquier función debe estar cons ciente de que ésta puede generar un movimiento, señal o sincronización del equipo. t i controlador es de tipo Proporcional, Derivativo e Integral (P D I), es decir, que el usuario puede grabar un conjunto de puntos, y lo primero que el controlador hace es dividir el desplazam iento de la articulación en pequeñas fracciones de grado (ejem plo 360“/2tó = 0.04“), lo que se conoce com o resolu ción. D e esta forma no hay posibilidad de que el robot realice algún m ovim iento extraño, ya que es monitoreado en esa fracción de grado, y en el m om ento en que no cumple con el recorrido en tiem po y espacio, el controlador manda corregir el valor. Una vez realizado lo anterior se procede a generar una trayectoria, para lo que es necesario obtener una resultante. Se tiene que generar una cadena cinem ática que com ienza en el piso y va al eje 1, luego del eje 1 al eje 2, del eje 2 al 3, y así hasta llegar a la herramienta. Si el usuario graba el punto 1, la trayectoria se genera del punto de calibración del robot al punto 1; si graba un punto 2 se calcula una trayectoria entre estos dos puntos. De esta forma no importa en qué punto inicie o termine, siempre se generará la trayec toria respectiva, lo que da al usuario la libertad de mover el robot com o lo considere conveniente. Se debe considerar que hay una desviación en el punto de trabajo (o punto fi nal) por la tolerancia con que se han maquinado las partes (por ejem plo,0 .0 0 1 mm ), lo que al final dará una p recisión de 0.5 mm. Esta variación determinará la posible aplicación del robot; si se deseara hacer un ensam ble cuya precisión fuera de 0.1 mm, no se podría realizar. Por último, las articulaciones se deben mover con base en la velocidad a que se haya programado el robot. Con ese dato el controlador determ ina si la distancia es tal que puede funcionar a la velocidad solicitada. En caso contrario, determ ina una velocidad alternativa; es decir, se m ueve proporcionalmente. Hay que considerar la tolerancia con que se maquinaron sus partes,pues esto influye en la trayectoria que se genera en la punta de la herramienta. Esto es muy importante cuando la aplica ción requiere precisión, por lo que se d ebe considerar que ésta variará cada vez que se ejecute (por ejem plo, 0.3 m m ). A lo anterior se le conoce com o exactitud.
f ig u r a
7 .3 2
Controladores d© robots A B B y FA N U C .
Robots y algo más
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
E s p ecificacio nes técn icas d e un robot ABB en térm inos d e repeb'tividad
7 .1 y e xa ctitud.
t a b l a
Descripción
Valores
Repetibilidad unidireccional de pose
RP = 0.03 mm
Exactitud d e trayectoria lineal
AT = 1.0 mm
Repetibilidad de trayectoria lineal
RT = 0.15 mm
Tiempo mínimo de posiaonam iento hasta 0.5 mm de la posición
0.2 seg (en in a trayectoria lineal d e 35 mm)
La resolu ción , la p recisión y la exactitud son elem entos importantes a conside rar al m om ento de decidir sobre la compra de un robot, ya que ellos determinarán los trabajos que podrá realizar. Por ejem plo, si el ensam ble de un objeto requiere una precisión de 0.1 mm, habrá que ver la ficha técnica del fabricante para saber si cum ple con este requisito. Actualm ente los controladores PDI son los de más uso en la industria de la au tom atización (figura 723).
R
CPU
RELEVADORES l/F PDU
E/S
l/F IMPRESORA
i i
l/F TEACH P. MEMORIA
F
1
DATOS ENSENAR 1
DATOS SISTEMA
RED
USB
1
TECLADO Y DAMCI
n c
FUNCIÓN
l/F E N C O D E R {R ESO LV ER )
ARNÉS DEL ENCODER DE SEÑAL
DSP SERVO MOTOR
VELOCIDAD Y CONIANDO DE CORRIENTE COMANDO DE CORRIENTE
RGSO
UNIDAD DE SERVOPOTEN CIA
i AMPLIFICADOR
CNTLFRENO CNTL SECUENCIA VOLTAJE M O . —
B24V
f is u r a
7 .3 3
FRENO
Diagrama del conlrolackx PDI.
+ 5 VCD + 12 VCD - 1 2 VCD + 24 VCD
CAPÍTULO 7
Lo primero que se debe considerar es que existen dos canales de comunicación, uno externo (B u s l/O 26) y otro interno (B us V.V1E27). El primero perm ite la com uni cación con el usuario y con otros dispositivos electrónicos, lo que hace posible que el programador introduzca un programa y genere o ejecute un comando. Con las entradas y salidas el robot puede comunicarse con otras máquinas para sincronizar el trabajo de dos o más dispositivos. D e esta manera el trabajo se ejecuta con los lincam ientos que dem anda el proceso. Una vez que el programa contiene tod as las instrucciones del proceso se tradu cen en acciones concretas com o mover el robot a un punto determ inado, activar la herramienta de trabajo, esperar los perm isos para moverse al siguiente punto, entre otras, hasta terminar su programa. El controlador tiene muchos sistem as de seguridad para evitar un accidente. Por ejem plo, cuando la operación está en ejecución el canal de comunicación exter no se desenergiza, lo que lo inhabilita tem poralm ente hasta que el botón regresa a apagado, esto evita que el robot se pueda m over con cualquier instrucción externa garantizando la seguridad del programador. D entro de la tigura 723 se encuentra la tarjeta R , cuya función es generar las entradas y salidas que el robot necesita para sincronizarse con otros dispositivos, una conexión USB o R ED, las cuales están contenidas en la tarjeta F y, por último, el teclado (en la mayoría d e los robots actuales el teclado está dentro de la caja de enseñanza). La tarjeta A contiene el procesador, el responsable de generar la trayectoria de los m ovim ientos del robot. También está el control de la pantalla, la impresora, la caja de enseñanza y la memoria R A M . Con este conjunto de partes el usuario puede ver el programa, imprimirlo, saber del espacio disponible y manipular el ro bot. Para que la información no se pierda cuando se apaga el controlador se cuenta con el respaldo de baterías alcalinas, las cuales no permiten que la memoria R AM se desenergice, pues ahí se almacenan los programas y los datos d e referencia de la posición del robot. (Xiando el usuario desea ejecutar el programa se pasa a la tarjeta B ,cuya fun ción es generar un voltaje determ inado para qu e el servoamplificador lo interprete, y así se genera la velocidad definida; para este fin se cuenta con un coprocesador de punto flotante, el cual puede leer números fraccionarios. Se debe tener presente que el motor se puede mover en sentido horario y antihorario (en el sentido d e las manecillas del reloj o en sentido contrario), para dicho fin se tienen dos fuentes de corriente, las cuales generan + 1 2 y - 1 2 volts; además, dependiendo de la velocidad que se determ ine, es necesario que se fraccionen los volts en décimas, d e m odo que 0 indicaría robot estático y + 1 2 volts robot en m om ento máximo en sentido horario, pero si el signo es negativo se m ueve en sentido antihorario; de este m odo la tarjeta genera el voltaje respectivo para que el servoam plificador lo interprete y produzca el movimiento. El servoam plificador tom a la corriente del transformador que se encuentra den tro del controlador, para lo cual debe ajustarse al voltaje de trabajo d e la planta. Para que el control del servom otor se realice d e manera estable, el servoamplificador transforma la corriente senoidal en corriente cuadrática, la cual tiene la caracte rística de que puede variar el ancho de pulso con lo cual aumenta o disminuye el amperaje (1) mandado a los servom otores, el cual entra en correspondencia con el voltaje generado por la tarjeta B; de esta manera, el motor se m ueve a la velocidad programada. La tarjeta H controla el m ovim iento del motor, para lo cual en el servom otor se colocan el freno mecánico y el sensor de m ovim iento híbrido (este sensor tiene valo
;rB us I/O : L in ca d e com unicación de sefiale» físicas (¡npuiÁmtput). -’’B us V M E : l i n c a d e com unicación de tran sferen cia de datos; e ste sistem a se basa e n u n puertoTCP/TP.
Robots y algo más
PARTE TRES
Fundamentes da la automatizaci&n industrial
res increm éntales y absolutos). A los sensores de m ovim iento también se les conoce com o encoder o resolver. A l girar, el motor genera 24 pulsos de com unicación, cuyo análisis indica el desplazam iento del motor (número de vueltas) y el m ovim iento de las articulaciones del robot, las cuales tienen un límite mecánico (por ejem plo, eje 1: de 0" a 3(X)°), por lo que el control del robot d ebe saber en tod o m om ento la posi ción de estos dos elem entos. Para grabar posiciones en el robot, tod o lo que el usuario d ebe hacer es m o ver las articulaciones en el sentido horario y antihorario deseado. Con esta sencilla manipulación se indica al sistema que agregue o reste pulsos. El fabricante calibra el robot con los parámetros y la definición del punto de inicio; de esta manera los robots tienen una posición de referencia para todos los ejes, lo que permite al siste ma sumar o restar pulsos. Lo mismo sucede con la posición del eje, la cual se ajusta a la posición de origen y, una vez definida, el sistem a puede controlar la posición de cada eje. Los parámetros de los robots son exclusivos de cada m odelo, por lo que los controladores no se pueden intercambiar. Si se hace caso om iso a esta recomenda ción, con el paso del tiem po se verá que al ejecutar su tarea el robot se va desajus tando, debido a los errores que se traen desde el maquinado. Los controladores no coinciden con el ajuste previsto porque pertenecen a otra unidad mecánica. Una vez que se han efectuado los m ovim ientos indicados por el coprocesador, se informa al procesador para que determine el seguim iento de la trayectoria indi cada. Si no, el procesador realiza el ajaste respectivo. Si vuelve a producirse error.se genera un paro general del robot, lo que indica que en algún sensor de movimiento no coinciden los valores dados, de m odo que el responsable del área debe efectuar el cam bio correspondiente.Todo esto se realiza en tiem po real. El controlador cuenta con cuatro fuentes de corriente para cada necesidad: ■ ■ ■ ■
0 a + 1 2 V en sentido horario. 0 a - 1 2 V en sentido antihorario. + 5 V en tarjetas de control. + 24 V en tarjeta de entrada y salida.
Es importante considerar que los robots tienen puntos de singularidad, lo que significa que los ejes pueden estar en el envolvente de trabajo, pero no se puede grabar el punto. Esto se debe a que los ejes se m ueven en form a rotativa. Para obviar esta situación se debe considerar la siguiente matriz de rotación:
T = R(z, o)R(y, 4>)R(x, «) =
COC0 SOC0 L- 5 0
C0 0
0
-5 0
0
-S O + CO 0Sa CU O , + <¡H0Sa C 0Sa
1
505b
- C t i S , + 50505« C 0O x
En esta matriz, constituida por senos y cosenos que tienen la característica de 0 ’, 90", 1X0°, 270° y 360“; sus valores son 0 o 1. CXiando se produce un 0 en la matriz el resultado de la posición del eje es (),por lo que el controlador no la puede definir. Por esta razón los fabricantes de robots hacen sas ajustes en el software del robot, que consiste en m over el eje 0.0010 de dichos ejes; es un salto que no afecta en la mayoría de las aplicaciones, y así se soluciona el problem a de singularidad. La serie de pulsos absolutos que se generan cuando el motor gira se convierten en valores angulares, los cuales indican la posición del eje y la trayectoria que la he rramienta d ebe seguir para que realice correctam ente la tarea. Los pulsos incremén tales muestran el control de velocidad y el sentido de giro del motor; al combinarse
CAPÍTULO 7
estas dos señales se garantizan la resolución, la precisión y la exactitud del trabajo, lo que verifica que el brazo mecánico nunca se salga de sus tolerancias permitidas Por último, está una tarjeta P. la cual determ ina el funcionam iento del freno me cánico. El usuario debe oprimir el botón d e encendido, lo que genera en un primer instante que la corriente fluya por las bobinas del freno; si todos los pulsos regresan se manda la orden d e encendido del motor; de lo contrario se inhibe esta orden y aparece un mensaje para el usuario acerca del daño en el freno X , para que realice las acciones correspondientes. El esquem a de la figura 724 expone cóm o fluye la corriente eléctrica que ali menta los motores. Se consideran los sistem as de retroalimentación que dan un con trol en tiem po real. A continuación se describe el funcionam iento de cada sección, atendiendo a las letras indicadas. La etiqueta A indica que la corriente sale del transformador, el cual debe estar conectado previam ente a la alim entación de la planta y calibrado con los contacto res para que proporcione el voltaje requerido. En el punto B se indica que tiene un optoacoplador, cuya función es analizar el voltaje que manda el transformador, para lo cual contiene un circuito que analiza la intensidad de la corriente que se produce. Si está dentro del rango programado la deja pasar;en caso contrario se abre e interrumpe el flujo de corriente,con lo que se garantiza que nunca se quem e algún dispositivo eléctrico o electrónico. En el punto C se encuentra el servoamplificador, el cual se encarga d e trans formar la corriente eléctrica senoidal en corriente cuadrática, tam bién llamada m o dulación de ancho de pulso (PW M , por sus siglas en inglés), la amplitud d e dicha onda dependerá del voltaje que proporcione la tarjeta B, d e la cual se m encionó que genera un voltaje. Esta amplitud d e onda variable perm ite mandar más, o menos, corriente a los m otores, con lo que se tiene un control d e los mismos. Gomo la señal com ando corriente es variable, el ancho de pulso es variable. También se debe considerar la cuestión d e que el controlador tiene en cuenta la distancia de la trayectoria, por lo que genera una señal d e error y, dependiendo del valor de ésta,generará mayor o menor velocidad en las articulaciones; de esta forma el m ovim iento del robot se realiza de manera suave, por lo que el usuario verá un desplazam iento armónico. En el punto D se analiza la corriente que se suministra a los m otores, para lo cual se colocan dos sensores d e cam po que detectan el cam po magnético que se produce en el cable al m om ento que se transmite y, dependiendo d e la cantidad, la señal aumenta o disminuye. Esta señal llega al detector de corriente, que la man da a la tarjeta B para compararla con la que determinará previamente. Dado que la tarjeta B manda una señal d e volts, si la señal entrante coincide con la de salida, es correcto; si no, se hace el ajuste, con lo que se cierra el ciclo al tener esta señal de retroalimentación. En el punto E la corriente llega al motor. El energizado d e las bobinas del esta tor se establece por m edio d e un circuito de fase. Dado que las bobinas nunca se encienden al mism o tiempo, sino que más bien se energizan en forma progresiva, se facilita establecer el sentido de giro del motor en cualquier momento. Solam ente que el robot tenga que esperar una señal,por seguridad el sistem a energiza todas las bobinas, de m odo que el robot nunca se moverá de su posición de espera. En el punto F el sensor d e m ovim iento genera un tren d e pulsos 24 (canales) al mism o tiem po, por lo que de este m odo se informa al sistem a que el motor está en m ovim iento o en estado de reposo, lo cual tiene la conveniencia de que la com uni cación es directa a la tarjeta B, con lo que se tienen los datos de posición, velocidad y giro del motor. Esta información permite ajustar en todo m om ento la corriente que requieren los m otores,con la certidumbre de que el robot siempre mantendrá la precisión y exactitud definidas por el fabricante. En el punto (i, con la retroalimentación recibida se determ ina la cantidad de corriente que requieren los m otores C om o se indicó anteriormente, la información
Robots y algo más
PARTE TRES
f ig u r a
7 .a «
Fundamentos da la automatización industrial
D ia g ra m a a b lo q u e s del se rvo a m p lid ca d o r 1.
Voltaje
Voltaje
Corriente
Corriente
Comente cusdrética
f ig u r a
7 .3 6
Tra nsform a ció n d e corriente senoidal a cu a d rá tica .
llega a la tarjeta B, la cual produce una señal de control, que al ser interpretada por el servoamplificador y con base en el voltaje recibido, aumenta o disminuye el ancho de pulso (aumenta o disminuye la corriente), y así se inicia de nuevo el ciclo de control. En la figura 7.26 se destacan otros elem entos que constituyen el servoamplifi cador. Se han colocado varios recuadros que indican algunas diferencias para tener una idea más clara de su funcionam iento, el cual se explica a continuación. En el punto 1, además de tener el optoacoplador, también hay un fusible de lis tón, el cual funciona com o elem ento de protección eléctrica redundante. En el punto 2 se definen los transistores de potencia, los cuales son NPN.
CAPÍTULO 7
Robots y algo más
S E N SO R ES DE
RECTIFICADO R 210 Va 80 H r
f ig u r a
7 .a e
D ia g ra m a a b lo q u e s del servo am plificad or 1A .
En el punto 3 se indica que el sensor de m ovim iento está m ontado en el eje del motor. En el punto 4 las señales de sensor de m ovim iento llegan a una tarjeta especia lizada, la cual recolecta la información de todos los sensores m ontados en cada uno de los motores. En el punto 5 se indica que los seis sensores mandan su información a la tarjeta B. por lo que de esta forma es posible generar la trayectoria que seguirá la herra m ienta que está montada en el extrem o del robot. En el punto 6 se indica que una vez que se recibe dicha información se establece el sistema de fase para cada uno de los motores. En el punto 7 se indica que la señal de corriente se genera en 450/t segundos. En el punto 8, con la señal anterior, se define la modulación de ancho de pulso (PW M ) y así se establece la corriente de trabajo del motor. En el punto 9 la señal de retroal i mentación se genera en los sensores de campo, la cual sirve de comparación con la primera señal para hacer los ajustes respectivos. Los servom otores tienen la capacidad de ajustar su velocidad y sentido de giro en todo momento; para ello, al rotor se le coloca un imán perm anente que hace las funciones de bobina. La ventaja es que se eliminan las escobillas que se utilizan en el motor tradicional y con ello la eliminación de la corriente parásita. En el caso del estator se cuenta con un conjunto de seis juegos de bobinas. C.'ada juego lo forman
SERVO M O TO R CA (D E V A N A D O E S T R E L L A )
PARTE TRES
M O T O R DE A R M A D U R A M A G N E T IC A P E R M A N E N TE
f ig u r a
7 .3 7
Fundamentos da la automatización industrial
(5?)
O
(•)
^
Principias d e rotación del motor.
tres bobinas (U , V, W); de esta manera se energizan dos bobinas a la vez. en cada juego, con lo que se puede establecer la polaridad norte y sur y que se siga un orden. Previamente, en un circuito de control se define el orden en que se energizarán las bobinas, ya sea en sentido horario o antihorario. Si el m ovim iento es en el sentido de las manecillas del reloj (horario) en la tabla 7.2, el circuito energizará las bobinas siguiendo la secuencia de arriba abajo; en el caso del sentido antihorario la selección se hace de abajo hacia arriba; no importa la secuencia de la energización de las bobinas, pues el cambio se puede hacer en cualquier momento. También es importante que en el caso de este m otor el desplazam iento angular que se genera sea de 60“, el cual corresponde al número de juegos de bobinas que se tenga. Para otros casos el número de bobinas puede aumentar o disminuir, por lo que el número de fases aumentará o disminuirá en la misma proporción. Si se requiere energizar el m otor se debe observar la secuencia de energización mostrada en la tabla 7.2. Los robots industriales vienen equipados con un sensor híbrido (encoder híbri do), el cual está constituido por un sensor incremental y otro absoluto. En la figura 728 hay un sensor incremental, constituido por un disco de cristal al cual se le han grabado 128 rayas, 64 transparentes y 64 opacas, en dos secciones (A y B), las cuales están alineadas a 90“ eléctricos. Hay un tercer elem en to (C ), el cual sólo es una ranura. En estos tres elem entos tenem os un fotoem isor y un fotorreceptor, con lo que se puede generar un tren de pulsos transparentes y opacos. E l diodo lum inoso sólo abarca la sección de la ranura opaca o transparente; de esta form a se genera un tren de pulsos cuando gira el motor. Hay tres diodos lum inosos cuyas funciones se definen a continuación.
CAPÍTULO 7
Robots y algo más
Disco ¿ptico t a b l a
7 .2
P rincipios d e rotación del motor.
Horario Etapas
U
V
w
1
1
1
0
2
1
0
1
3
0
1
1
4
1
1
0
5
1
0
1
6
0
1
1
Foto emisor
Antihorario
f ig u r a
7 .a a
S en so r d e m ovim ien to ¡ncrem ental (e o c o d e r increrrental).
(fia n d o en el fotorreceptor llega primero la señal del diodo A , el m otor gira en sentido horario; por el contrario, si la señal del diodo B llega primero, el motor gira en sentido antihorario; la señal C se produce cuando el disco d e cristal da una vuelta de 360°, por lo que nos sirve para determ inar la velocidad. A l definir la llegada de las señales al sistema sucede lo siguiente: si la señal A es la que se considera primero, la tarjeta B de la figura 728 sum a los pulsos que se pro ducen; si es la señal B, resta los pulsos y así se realiza el control de pulsos. La suma o resta de pulsos se define desde que el usuario m ueve el robot; para ello, en cada eje se coloca un signo d e + o d e —, y de esta manera el control sabe si tiene que sumar o restar puntos al comparar el valor real con el valor deseado. Si el primero es mayor que el segundo, el sistema determ ina que debe m overse en sentido antihorario; de lo contrario, se prepara para moverse en sentido horario, predeterm inando así la acción a ejecutar (una discriminación de señales). Lo anterior garantiza que por nin guna razón el controlador perderá la cuenta de señales y por consiguiente siempre se mantendrá en las condiciones de trabajo diseñadas por el fabricante. La función d e la señal C es determinar la velocidad del motor. Con esta infor mación se determ ina la velocidad de la herramienta, con la posibilidad d e ajustes en cualquier momento. El sensor de m ovim iento absoluto (encoder absoluto) tiene 13 bandas alineadas concéntricam ente y en cada una de ellas hay un diodo óptico. Chorno se aprecia en la figura 7.29, el disco de cristal está ranurado con base en un codo gray, el cual tiene 8192 posiciones diferentes en una vuelta; d e esta forma el controlador sabe con pre cisión cuántos grados se m ovió la articulación del robot. Cuando llega a sus límites, manda al usuario una señal sonora d e límite mecánico de m ovim iento, con lo que sabe que ya no puede seguir m oviendo esa articulación en ese sentido d e giro. Los dos sensores de m ovim iento realizan una función específica. El ¡ncremental controla los m ovim ientos del motor y el absoluto los m ovim ientos de la articulación
P A R TE TR E S
Fun d am e nto s da la autom atización industrial
Decimal
B inario
Gray
0
ocoo
oooo
1
0001
0001
2
0010
0011
3
0011
0010
4
0110
0110
5
0101
0111
6
0110
0101
7
0111
0100
3
1COO
1100
9
1001
1101
10
1010
1111
11
1011
1110
12
110D
1010
13
1101
1011
14
1110
1001
15
1111
1000
f ic 3u r a
7 .s a
Zona de conmutación múltiple
S en so r d e m ovim iento absoluto.
del r o b o t de esta forma, si se genera una falla eléctrica el robot se detiene, pero cuando regrese el Huido eléctrico puede continuar con su trabajo en la posición en que se quedó. Lo que aparece en la figura 730 es el concentrado de señales, para lo cual se puede apreciar que las señales A , B y C tienen un canal de comunicación exclusivo, y los datos absolutos tienen otro. HI sensor híbrido tiene 24 canales de comunicación, los cuales se producen en 384gt seg; en 20 seg no se considera ninguna señal; estos canales se obtienen de la siguiente manera: 2 S = 256 pulsos (256 ranuras en el disco incremental). 23 = 8 pulsos (3 sensores A , B y C en el disco incremental). 2'3 = 8192 pulsos (13 sensores en el disco absoluto). lo d o lo anterior es el diseño robusto del controlador, que en térm inos de con trol es el sistem a general del robot.M
« P a r a fines d e investigación y d esarrollo se recom ienda consultar libros q u e am plíen el tem a del diselVo del co n tro lad o r d e l robot.
C A P ÍT U L O 7
f ig u r a
7 .3 0
2 0 ji s o g
D ia g ra m a d e b to q u e del sensor d e m ovim ien to (e n c o d e r).
1 ß ji s e g X 2 4 = 3 S 4 n s s g o m á s
Señal síncrona
1 6 ji s a g X 2 4 = 2 8 4 ( l s e g o m é e
S e rie cíe d atos afcso'utos
S a i * d e d a to s Iß b its }
2 " d a to s a t e o u t o s 1 3 b its
In d ica d o r d e señ a l y o tro s {3 b i s )
Fase A
C io 'o d e p u s o s A . B =
T 1 .T 2 .T 3 .T 4 = | t
Faso 3
f ig u r a
7 .3 1
D ato s d e la señal d e s alida y síncrona.
±
í
^ T
R obots y algo m ás
o
PARTE TRES
Fundamentos da la autom atización
MEM
industrial
G a r ra s y m a n o s de lo s r o b o ts in d u s tr ia le s
tJna vez que se tienen estos elem entos (el control del sistem a y el brazo robot), toca el turno al diseño del elem ento final conocido generalm ente com o el gripper del robot o garra, el cual perm ite sujetar el producto que se va a manipular o ensamblar, o bien, la herramienta con que se va a soldar, pegar, inyectar, cortar, pulir, etcétera. La figura 732 muestra un gripper de diseño flexible, el cual tom a una pieza m etá lica de forma variable permitiendo su manipulación; este gripper facilita la sujeción de cualquier pieza metálica dentro de las dim ensiones de la zona de agarre. tiste tipo de diseños es ideal para líneas de manufactura flexible donde se pro ducen dos o más productos de características similares, con lo que se evitan cambios de herramental y se disminuyen tiempos, además de bajar costos por la compra de grippers para cada producto.
S u je c ió n fle x ib le
F IG URA 7 . 3 3
G rip p e r d e sujeción flexible.®
Flexibilidad
fus l i r a
7 .3 3
C o m p a ra c ió n entre desarrollo y flexibilidad en el diseño d e gripp ers/*’
" A n d r e a s W olf, R alf S tein m an n y H e n rik Scunk (2005). Grippers ln Motion. Tite Fascination o f Aulom a ted Handling Tasks, Springer-V erlag. B erlin, H eidelberg,, p. 94.
M Idem.
C A P ÍT U L O 7
f ig u r a
7 .3 «
R obots y algo m ás
D is e ñ o y ap licació n d e un g rip p e r c o n b a s e e n u n a p in za angular.
El desarrollo de grippers ha evolucionado desde una sim ple pinza lineal o angu lar, o desarrollos integradores de garras, hasta diseños parecidos a la mano humana (figura 733). Un gripper basado en una sim ple pinza angular es de gran aplicación en tareas de manufactura y ensamble. Su diseño sencillo y funcional en su mecánica lo hacen un elem ento importante en aplicaciones de robòtica. Su aplicación es simple: debe sujetar barras cilindricas de acero para su proceso en un centro de maquinado de torneado (figura 735). El gripper puede estar dotado de sensores que indiquen si está en posición de cerrado o abierto, además de contar con sensores que detecten si hay material en los dedos del gripper. Inclusive podría
f ig u r a
7 .3 6
A p lic a c ió n d e c a rg a / d e s c a rg a e n cen tros d e m a q u in a d o d e to rn e a d o .31
51M anual M fc t.F A M I T S U B I S H I .
P A R TE TR E S
Fun d am e nte s da
ü
autom atizaciön industrial
f ig u r a
FIGURA 7 . 3 7
7 .3 S
In terca m b iad ores universales S C H U N K .32
G rip p e rs universales S C H U N K .35
31SC H U N K G m b H & Co. K G Spann-und G reiftechnik. xvwwAchunk.com. C atalog. R o b o t accessories A u to m atio n . C om plete R an g e o f products. 35 R o b o t accessories A u to m atio n. C om plete R a n g e o f products. SC H U N K G m bH & C a K G Spann-und G rciftcchnik. wxvw.schunk.com. C atalog 9948 S20-18M-04-*2fl07.
C A P ÍT U L O 7
tener un sensor de presión para no maltratar la carga en el caso de materiales deli cados y frágiles. Su funcionam iento se basa en el Hujo neumático y está dotado de accesorios intercambiables. Esto significa que el robot podría tener una gran variedad de grippers con sólo adaptarle un intercambiador universal. Actualm ente la industria de la manufactura requiere procesos flexibles y ver satilidad en la línea de producción, por lo que se basca diseñar herramentales que cumplan con estas características, además de aplicar técnicas com o el SMEI>M y utilizar SMF. En la robótica la ventaja está en la flexibilidad, ya que un robot, en especial de coordenadas angulares (brazo robot), puede cumplir con esta función y si se consi dera un sistema de intercambiador de herramientas está la posibilidad de múltiples opciones de tareas. Ya que la robótica es una tecnología de vanguardia e innovación, los grippers de los robots se han convertido en la búsqueda de un diseño similar a la m ano del ser humano, que sin duda alguna es el diseño perfecto de adaptabilidad y flexibilidad (figura 7.37). El diseño de los grippers se basa en características com o los m ateriales de cons trucción, la fuente de energía, el tipo de mecanismo, el sistem a sensorial, etc. Sin
f ig u r a
7 .3 B
G rfppBr d e d e d o s flexibles p a ra la m a n ip u la ció n d e esferas, hue vo s, etcétera.
14Single-M inute Exchange o f D ie: cam b io d e h e rra m ie n ta e n u n solo dígito d e minutos.
R obots y algo m ás
PA R TE TR E S
Fun d am e nte s da ta autom atización industrial
f ig u r a
7 .3 a
G rip p e r d e tres d e d o s p a ra m an ip ula ción d e esferas h ue ca s.
embargo, la causa principal de desarrollo es el tipo de aplicación, ya sea para la industria metal mecánica, alimenticia, farmacéutica o médica. Actualm ente existe un nicho de oportunidades para em presas integradoras y d e desarrollo tecnológico, así com o para líneas de investigación en m anos robóticas, porque al m om ento de adquirir un robot éste no cuenta con el elem ento final, lo que se debe desarrollar con base en las necesidades de la tarea y su diseño es vital para la funcionalidad del robot (figuras 7.38 y 739). En general, existe toda una gam a de grippers que contribuyen a la integración d e un robot industrial, o bien, una aplicación especial com o en la medicina. En la siguiente sección se hace referencia a la necesidad de que un gripper cuen te con un sistem a sensorial que m onitoree su estado.
f ig u r a
7 .4 0
G rip p B rs c o n v e n to s a s .
CAPÍTULO 7
S is te m a de c o m u n ic a c ió n y s is te m a s e n s o ria l de un r o b o t Existen sensores que interactúan con la estación del robot; es decir, el área de traba jo del robot realiza diferentes actividades m onitoreadas por sensores que indican el estado de cada elem ento de trabajo: motores, actuadores neum áticos o sistem as de control. El monitoreo se define com o una señal de entrada registrada por el contro lador del robot a través de una tarjeta de adquisición de señales físicas (tarjeta 1 /0 ), o bien, por datos recibidos desde una comunicación en red de conexión tipo LAN.35 La señal proviene de un sensor, cuyo tipo puede ser variado, dada su infinita gama: capacitivos, inductivos, ópticos, etcétera. Esto corresponde a la form a de comunicarse entre los dispositivos que confor man la estación: sensores, elem entos de trabajo, el controlador del robot.el P L C etc. Por lo común esto se logra con una tarjeta de señales de entrada y salida (tarjeta 1 /0 ) y su conexión es a través de un puerto estándar de comunicación (RS-232*1), o bien, m ediante una red LAN. Un ejem plo de este tipo de comunicación es el proto colo CC-LINK (figura 741). Es im portante mencionar que existen otros protocolos de comunicación com o D evice N et, Profibus, por mencionar algunos, todos con la misma funcionalidad y versatilidad, aunque se recom ienda utilizar un solo sistem a. Su combinación y em pleo son posibles pero se requieren convertidores que pueden ser muy costosos. C om o parte del sistem a de comunicación del robot se tiene el dispositivo llama do caja de enseñanza del robot. Es una interfaz de com unicación del robot, la cual perm ite la manipulación de sus ejes por m edio de teclas de doble función, o bien, con una palanca (joysíick). Este dispositivo tiene incluidos los ejes del robot mostrados en la figura 7.42.
Robot industrial
M ódulo re m o to CC-LINK f ig u r a
7 .4 1
Sistem a d e c o m u n ic a c ió n integral C C -L I N K M IT S U B IS H I d e un robot industrial.37
“ R e d local de com unicación e n tre varios dispositivos. “ ■Comunicación esta n d a riz a d a d e intercam bio de d a to s binarios. S u conexión es p o r m edio d e un p u e rto D B -9 (9 pinos) q u e co rresponde a u n a conexión d e u n p u e rto serial IO IO . ’■Tomado del M anual M E L F A M E L S E C M itsu b ish i,co n fines didácticos.
Robots y algo más
o
PARTE TRES
Fundamentos da la a utom atización industrial
Eje
N o m b re del eje
J1
Cintura.
J2
Hombro.
J3
Codo.
J4
Giro del brazo.
J5
M uríeqoeo de la pinza.
JG
Giro de la p in za
f ig u r a
7 .4 a
Ejes d e un robot d e seis m ovim ientos.
Los tipos de cajas de enseñanza más com unes funcionan bajo el principio de teclas de doble función; además, sirven para introducir la programación en lenguaje d e alto nivel de la operación que el robot realiza, monitorear señales, ejecutar pro gramas y verificar el estado de servicio y datos del robot (figura 7.43). R etom ando el proceso de integración de un robot industrial en los procesos d e manufactura, se deben considerar dispositivos que ayudan a la realización de la tarea: m otores, guías lineales, transportadores, actuadores neumáticos, lámparas, indicadores acústicos, entre otros, conocidos com o elem entos de trabajo. Estos elem entos se accionan por las señales de salida (O U T P U T ) en un PLC o en una tarjeta de señales I/O. Por último, están todos los elem entos de seguridad industrial, los cuales ayudan a m antener los estándares y evitar accidentes o daños a los equipos. Existen diferentes opciones de seguridad, pero lo primordial son las guardas de seguridad (figura 744), las cuales cubren el área de trabajo del robot evitando que golpee a las personas También hay sensores de cortina o de presencia, que al detectar a una persona dentro de la zona de trabajo del robot impiden que el robot inicie su actividad. El aspecto de la seguridad es muy im portante en térm inos de robòtica industrial, ya que dados sus materiales de construcción, la velocidad a que se pueden mover y las conexiones eléctricas que los alimentan, los robots pueden ocasionar un acciden te fatal. El color de los robots depende en gran parte de los aspectos de seguridad. Por ejem plo, los colores más com unes son el naranja y el amarillo (colores contrastantes) por ser máquinas en m ovim iento, aunque también su ele ser distintivo de la marca de cada robot. U n robot blanco lo es por cuestiones de higiene, ya que está dedicado a aplicaciones médicas y farmacéuticas.M A continuación se plantean ejem plos y conceptos para diseñar, integrar y pro gramar una estación de trabajo con robots industriales.
** P a ra n o rm atividad de colores consulte la N O M -026-STPS d e W S . Colores y seJUtles de xeguridad e htglene. Tambiiin W o rld R o b o tic s Industrial R obots. Statistics, M ark et, Forcscats and C ase Studies, IF R Statistical D e p artm e n t.
C A P ÍT U L O 7
R obots y algo m ás
YASNAC MRC
W □ H 0I - a
7
i0 S®@@ J S 0 0 B 0 ^
R& EEDCl
SSÍS 0 DO
an a x » 3 0 0 S 3 S
A
Conector.
B
Psntalla táctil.
C
Pulsador de paro tí® emergencia.
D
Dispositivo de habilitación.
E
Joystick.
F
O 03 botones holtí-to-run (no disponibles en los sistemss sumistradc>3 después de 2005). f ig u r a
7 .4 3
C a ja s d a e n s e ñ a n z a d e rob ots K U K A . A B B . M O T O M A N y F A N U C .
PARTE TRES
Fundamentos da !a automataación industrial
f ig u r a
7 .« «
wsm
G u a rd a s d s s e g u rid a d d e la estació n d e c a rg a /d e sc a rg a co n R ob ot A B B IRB24COL.
Aplicaciones y desarrollos de robots industriales
Con el fin de documentar y planear este proceso se presentan ejem plos en los que se muestra el diseño, integración y programación de un robot industrial aplicando la m etodología a utilizar, la cual incluye: 1. 2. 3. 4. 5.
Descripción de la operación. Croquis de situación. Selección del robot a utilizar. Determ inación de las trayectorias de recorrido del robot. Enseñanza de las trayectorias de recorrido (a pie de máquina o en programa ción fuera de línea). 6. Diagrama lógico de la operación. 7. Programación de la lógica funcional del robot. Existen dos m étodos de programación para un robot industrial: programación a pie de máquina y programación fuera de línea (off-line). El primer m étodo es una tarea muy común en el am biente industrial, donde el programador registra posicio nes del robot según la necesidad de la operación. Estas posiciones representan las coordenadas de cada eje (J l, J 2 ,..., J6)39 y/o coordenadas en los ejes X , Y y Z . Al mismo tiem po desarrolla la lógica funcional de la operación m ediante instrucciones de alto nivel incluidas en una programación. Este m étodo es muy em pleado por la facilidad de obtener secuencias de m ovi m ientos rápidos, de precisión, de seguridad (sin accidentes o golpes a los equipos); sin em bargo.su programación requiere uso del tiem po de producción, lo cual en mu chas ocasiones no es lo óptim o en la industria cuando se tienen cambios constantes del producto, por lo que se utilizan aplicaciones fuera de línea. 3®J l - C in tu ra (B asé), J 2 - H o m b ro (Shoulder), B - C odo (H /x n v ), .14 - R otación del h o m b ro (RoU), JS - M uflequco (P iích) y J6 - R otación de la m uileca (RoU).
CAPÍTULO 7
P a letiza d o d e cajas c o n p a ñ a les para b e b é sob re tarim a dc term inad o
EJEM PLO 7.1
L Descripción de la operación. Un robot de coordenadas angulares instalado en una guía lineal aérea y que tiene com o elem ento tina! un sistem a de sujeción a través de ventosas, traslada cajas de pañales sobre una tarima acom odándolas en form a de pale tizado. Las cajas provienen de una máquina de em paquetado y sellado, que alimenta en proporción de una caja por ciclo. La tarima debe contener 32 cajas en una configuración de 4 x 4 en dos niveles. Las dim ensiones de cada caja son 500 x 500 x 500 mm y 1.5 kg de peso. La ejecución de la operación es m ediante un botón de puesta en marcha y un sistema sensorial que registra las condiciones de funcionalidad com o sigue: t a b l a
7 .3
Señales d e en trad a d e la estación d e paletizado. D e s c r ip c ió n de la se ñ a l d e entrada
1 'o
Sen8cr capacitivo que detecta el producto a la salida de 19 máquina de em paquetado y sellado.
1.
Sensor capacitivo que detecta la sujeción de! producto eco la ventosa
1»
Sensor capacitivo que detecta la tarima en la zona de paletizado.
l3
Sensor óptico que detecta la presencia c e personas dentro de la estación de trabajo.
1*
Interruptor de inicio de la operación.
A dem ás, las señales de trabajo en el sistem a son: t a b l a
7 .4
Señales d e salida d e la e sta ción d e paletizado.
O
D e s c r ip c ió n de la se ñ a l d e sa lid a
°o
Accionamiento de la ventosa.
o, o.
Actuador d e sujeción de la tarima en el área ce paletizado. Lámpara d e indicación de inicio d e la operación (0 2 = 1 luz verde: Ox = 0 luz roja).
(Cuando el robot com pleta su tarea de acomodar las 32 cajas, la tarima se libera para seguir su trayecto del proceso sobre una banda transportadora de flujo continuo. E scen a rio g en era l d e la o p e r a c ió n 2. Croquis de situación.
fig u r a
7 .4 5
R o b o ts A B B ; c o n fig u ra c io n e s a n g u la r y e n p a ra le lo .
Robots y algo más
o
PARTE TRES
Fundamentos da ta automataaci&n industrial
La operación se repite mientras hay productos y tarimas en preparación para su transporte. La estación se desactiva cuando se apaga el botón de e n cendido del sistema. La estación cuenta con sistem a de guardas de seguridad y acceso con trolado por sensores de presencia, que evitan que el sistem a se ejecute si hay personas dentro de la estación. H1 escenario de la estación perm ite conceptual izar el diagrama de reco rrido del robot buscando en todo m om ento trayectorias óptimas de desplaza m iento en el menor tiem po de operación, evitando colisiones y permitiendo que el robot efectúe m ovim ientos cinéticos estables. Además, puede im pe dir que los cables y /o accesorios de conexión del elem en to final se enreden con la estructura del robot o con algún accesorio de la estación. 3. Selección del robot a utilizar. Al considerar las especificaciones de la operación, las dos variables ini ciales a tomar en cuenta son la capacidad de carga y el alcance del robot, además de considerar un factor de seguridad de 1:3 para la carga y de 1:2 para el alcance. Se requiere manipular una caja con pañales que pesa 1.5 kg, además de considerar el peso del sistema estructural de ventosas que estaría alrededor d e los 2 kg. por lo que la carga total del robot sería de 3.5 kg y respecto al factor de seguridad, la carga de referencia sería de 10.5 kg (ficha técnica 7.1). El sistema estructural de ventosas se puede diseñar en una aplicación d e C A D que permita medir las propiedades físicas del sistem a y asegurar el p eso final. l’ara el alcance lo ideal sería desarrollar el trazo de la estación que per mita identificar el alcance que el robot debe tener: este traz,o estaría en refe rencia con las máquinas instaladas en la planta y se buscaría aproximar cada máquina al robot dejando a este últim o en una zona de confort dinámico que permita el diseño de trayectorias óptimas y libre de colisiones. En referencia con el croquis de situación, se observa que la distancia entre máquinas es de 1.5 m y con base en el factor de seguridad el alcance óptim o del robot sería de 3 m. 4 Determ inación de las trayectorias de recorrido del robot.
Soporte de robot angular
Sal¡d9 del producto
fig u r a
7 .4 8
R o b o ts A B B ; c o n fig u ra c io n e s a n g u la r y e n p a ra le lo .
CAPÍTULO 7
Este diagrama de recorrido es una conceptual izad ó n ideal para los des plazam ientos del robot dentro de los lím ites perm itidos de operación y de la instalación de los equipos en general. Es im portante mencionar que estos puntos se definen con respecto al punto central de la herramienta (TCP, por sus siglas en inglés), y con m ovi m ientos en orientaciones eje por eje o por movim ientos cartesianos del robot. Los puntos registrados corresponden a las siguientes consideraciones.
7 .B
t a b l a
Lista d e puntos registrad os p a ra las iraye ctoria s del robot.
Punto
T ip o de m ovim iento
D e s crip c ió n
1
Punto general de inicio de la operación (punto de confort).
J
2
Punto de acercamiento para tomar la caja en la salida d e la m áquira d e empaque y sellado.
J
3
Punto de sujeción d e la caja con la ventosa.
L
4
Punto de salida con producto de la m áquina de empaque y sellado.
L
5
Punto da traslado a la zona d e la tarima (comodín 1).
J
6
Punto de liberación del producto acóre la tarima (comodín 2).
L
7
Punto de salida de la z c ra d e la tarima (comodín 3).
L
La creación de esta secuencia de puntos es posible por la asistencia de la caja de enseñanza del robot; el programador manipula el brazo robot lle vando el TCP al punto deseado, siempre con m ovim ientos cinéticos estables y evitando que cables y accesorios de conexión se enreden en la estructura del robot. 5. Enseñanza de las trayectorias de recorrido. Estos valores se definen por cada punto alm acenado en la memoria del robot y se pueden interpretar numéricamente m ediante el sistem a sensorial de cada servomotor. La actividad consiste en registrar cada punto definido en la trayectoria antes diseñada, lo cual se hace m ediante la caja de enseñanza del robot, o bien, se logra con el apoyo de geom étricas definidas en la programación fuera de línea. C om plete la siguiente tabla según el robot utilizado.
t a b l a
7 .8
C oordenadas d e los pu n io s registrados pa ra las trayectorias
del ro b o t Punto 1 2 3 4 5 6 7
J1
J2
J3
J4
J5
J6
Robots y algo más
o
PARTE TRES
Fundamentos de ta automatización industrial
R obot IRB 4600-20/2.5 Ficha técnica 7.1. Especificaciones técnicas d el robot IRB4600.
A lc a n c e
C a p a c id a d d e carga
C a rg a d el brazo
IRB 4600-602.05
2.05 m
60 kg
20 kg
IRB 4600-45,2.06
2.05 m
45 kg
20 kg
IRB 4600-402.55
2.55 m
40 kg
20 kg
IRB 4600-202.50
2.51 m
20 kg
11 kg
V e rs io n e s
6.
Diagrama lógico de la operación. Elabore el diagrama de flujo de la operación.
CAPÍTULO 7
Robots y atgo más
Programación de la lógica funcional del robot. La lógica funcional de la actividad se basa en las señales 1 /0 y con el apoyo de un lenguaje de alto nivel (software A C L ) se tiene:
t a b l a
7 .7
S ecue ncia ló g ic a d e la o p e ra c ió n del robot.
In stru c c ió n
D e s c rip c ió n
RESET 0.,
Lámpara roja encendida: la estación se encuentra en estado d e OFF.
RESET 0 0
Ventosas apagadas.
RESETO,
Actuador d e detección de tarima en zona d e peletizada. apagado.
WAIT l«= 1
Se inicia la operación con un botón de encendido.
IF IS= 1
Sentencia que determina si una persona &3tá dentro d e la estación d e manufactura. Si el sensor de presencia se encuentra en estado 1 la operación nunca inicia.
WAIT l s = 0
Obliga a esperar que la sefia) del sensor de presencia se encuentre en estado cero.
SET O..
Lámpara verde encendida la estación se encuentra en ejecución.
MOVED PUMTOJ_V1CO_ZO
El robot se mueve al punto 1 en movimiento e e por eje con velocidad de 100 mrrv'min y un ajuste exacto en su3 coordenadas d e posicionamiento.
WAIT la = 1
El sensor capacitivo detecta producto a la salida de la máquina de em paquetado y sellado.
WAIT \¿= 1
El sensor capacitivo detecta la tarima en la zona de paletizado.
SETO,
El actuador se encendió para detener la tarima en !a zona de paletizado.
MOVED PUMTO _2 V250O_Z0
El robot se aproxima al producto en movimiento eje per eje con una velocidad de 2GC0 mm/min, que está a la salida de la máquina de empaquetado y sellado.
MOVED PUNTO, 3_V5CO_ZO
El robot se colcca sobre la caja d e p a rales para temarla en movimiento lineal hacia abajo a una velocidad de GCO mrrVmín.
WAIT ls = 1
El sensor óptico detecta que el robot está en contacto con una caja.
SET O0
Se enciende la ventosa y el robot tom a la caja.
MOVED PUNTO 4_V1C00 ZO
El robot se retira con la caja d 6 pañales en movimiento lineal hacia arriba con una velocidad de 10CO mrryVnin.
FOR 1 TO 32
Se establece una rutina que corresponde al número da cajas que se deben patetizar per cada tarima: en este caso son 32 cajas.
MOVED PUNTO 5_V1G00 ZOJ_a
El robot se mueve a la zena d e paletizado en un punto com ún que tiene variables de posición correspondientes al ancho (a) y largo (I) de la c a ja es decir. PUMTO G + I + a.
MOVED PUNT 0_ 6_V5QO_ZOJ_a_h
El robot se mueve al punto de acomodo d e la caja d e panales sebre la tarima en la posición acumulada, por el número de caja que corresponde. Movimiento lineal a una velocidad de 500 mrrv'min.
RESET 0 0
Se apaga la ventosa y el producto es liberado.
MOVED PUNTO 7_V2G00 ZO_l_a_h
El robot se mueve al punto de salida de la tarima en movimiento lineal con incremento en los ejes X. Y y Z del valor del ancho, largo y alto de la caja. La velocidad es de 2500 mrrv'min.
MOVED PUNTO.,2_V2GOO ZO
El robot se aproxima al producto en movimiento eje por eje con una velocidad de 2GC0 mmímin, qu6 está a la salida de la m áquina de empaquetado y sellado.
ENDFOR
Si la tarima está com pletada con las 3 2 ca;3s. termina el ciclo d e la preparación.
RESETO,
Se apaga el actuador que d e to n e la tarima en la zona de paletizado.
MOVED PUNTO 1_V2G00 ZO
El robot se mueve a au punto ¡nidal en movimiento eje por eje a una velocidad de 2G00 mnv'min.
CC
La operación está en c id o continuo y vuelve a iniciar. La operación termina cuando se quita la serial de arranque l4.
PARTE TRES
fig u r a
7 .4 7
Fundamentos da ta automatización industrial
P ro g ra m a ció n virtual d e robots industriales.'40
La operación se ejecuta con esta lógica y se verifica su funcionalidad. Pol lo común se requiere hacer ajustes de posicionam iento o insertar alguna ins trucción de tiem po u otra que permita mejorar la programación. La programación fuera de línea es óptim a para cam bios constantes del producto, ya que el programador elabora la programación del robot en un am biente virtual sin afectar el tiem po de producción. E ste m étodo permite un sistem a robotizado virtualmente en el que se pueden apreciar todos los detalles de diseño de una estación, los m ovim ientos de recorrido del robot, los ajustes de velocidad, e inclusive se pueden detectar fácilm ente situaciones d e colisión del robot con los accesorios que lo rodean. Su aplicación requiere el conocim iento de aplicaciones de C A D , de programación a pie de máquina d e robots industriales, así com o una serie de conocim ientos en procesos de manufactura.
Resum en Este capítulo presenta una visión del pasado y presente de la robótica; se centra en los robots industriales, objetivo del texto. Sin embargo, conocer los orígenes de esta tecnología ayuda a comprender el alto nivel de conocim iento que se requiere. Indu dablem ente, un robot industrial es un elem ento altamente tecnológico cuya aplica ción ayuda a los procesos de manufactura para lograr seguridad, calidad y volumen de producción. Es un equipo versátil y flexible. C om o en todo el texto, este capítulo muestra de form a sencilla y m etodológica la im plem entación de robots industriales en los procesos de manufactura. Una vez más, nuestro objetivo no es hacer la programación de los m ovim ientos del robot o decidir qué robot utilizar para determ inado proceso, sino crear la docum entación de desarrollo para el m om ento de integrar un robot industrial en un proceso de fundamentación y planeación de manufactura automatizada. Es importante observar que en cierta parte del capítulo se ven aspectos tinos de la estructura interna de un robot industrial y de las partes que lo integran, lo cual se ha hecho con la finalidad de vislumbrar el avance del gran desarrollo tecnológico. ■“ T o rn ad o d e a) Factory D esign Suite. A ll the to o k y o u need to bring a Factory to Ufe. C adalyst, invierno d e 2012, vol. 29, nú m . 1. E U : L o n g itu d e M edia. U T O D E S K . E M A D esign A utom ation, p. 29. b) F M S d e los lab o rato rio s d e la Facultad d e In g en iería d e la U n iversidad P anam ericana, México.
CAPÍTULO 7
1.
¿ Q u ié n d e finió las tra s la y a s d e la ro b ó tic a ?
a)
8 . ¿ C u á l e s el d is p o s itiv o q u e re tro a l¡m e n ta a tos s e rv o m o to re s del ro b o t p a r a la p o s ic ió n d e c a d a e je
F rltz L a n g .
y/o la p o s ic ió n c a rte s ia n a ?
b ) J o h F re d a rs e n .
a) b)
c ) Is a a c A s im o v .
d)
Robáis >• algo más
K a re l C a p e l.
E n c o d e r. S e n s o r c a p a c itiv o .
c ) S e ñ a le s l/O. 2.
d)
¿ C u á l e s a l o b je to d e las s e ñ a le s fís ic a s d e e n tra d a y
El c o n tro la d o r.
s a lid a (l/ O ) q u e se in s e rta n e n un p r o g r a m a ló g ic o de u n ro b o t industrial?
9 . ¿ Q u é t é c n ic a d e p r o g r a m a c ió n s e utiliza p a r a o b te n e r la s e c u e n c ia ló g ic a d e u n ro b o t in d ustrial a p ie de
a ) T e n e r u n tra b a jo a rm ó n ic o .
m á q u in a ?
b ) E s ta b le c e r p u n to s d e con trol.
c)
a ) P ro g ra m a c ió n fu e ra d e línea.
In d ic a r la p re s e n c ia d e s e n s o re s y a c c io n a m ie n to
b)
d e d is p o s itivo s . d ) E s ta b le c e r u n a c o m u n ic a c ió n c o n la s m á q u in a s y las p e rs o n a s .
3 . ¿ C u á l d e los s is te m a s s ig u ie n te s e s e l p u n to cen tral
P ro g ra m a c ió n e n le n g u a je d e m á q u in a .
d)
P ro g ra m a c ió n b o o le a n a .
1 0 . ¿ Q u é d is p o s itiv o s irv e p a r a el co n tro l a u to m á tic o
d e la h e rra m ie n ta e n u n s is te m a ro b o tiz a d o ?
d e c u a lq u ie r p r o c e s o d e m a n u fa c tu ra m e d ia n te
a ) RCP.
e l u s o d e s e ñ a le s l/O o c o m u n ic a c ió n E th e rn e t?
a) b)
b) TC P .
c)
TA R G ET
d ) JO IN T .
4.
P ro g ra m a c ió n e n le n g u a je d e alto nivel.
c)
CAPP. C o n tro la d o r.
c)
PLC.
d)
PC.
¿ C u á le s s o n los m o v im ie n to s d e u n ro b o t a n g u la r?
11.
a ) A rtic u la d o , S C A R A y G a n try .
c)
¿ C u á l e s la c o n fig u ra c ió n d e u n ro b o t ind ustrial q u e c o m o m ín im o tie n e u n d e s p la z a m ie n to ro ta c io n a l, u n o
b ) L in e a l, c irc u la r e in te rp o la d o .
a n g u la r y u n o lineal?
L in e a l, c irc u la r y ro ta c io n a l.
d ) E je p o r eje . ta n g e n c ia ) y lineal.
5 . ¿ Q u é ro b o t s e d e s p la z a lin eaJm en te g r a c ia s a su c o n fig u ra c ió n d e g e o m e tría ?
a) b)
C o n fig u ra c ió n c a rte s ia n a . C o n f ig u ra c ió n c ilin d ric a .
c)
C o n fig u ra c ió n polar.
d)
C o n f ig u ra c ió n a n g u la r.
a) SCARA. 1 2 . ¿ C u á le s s o n la s p rin c ip a le s v a ria b le s té c n ic a s a
b) XYZ.
c)
c o n s id e ra r p a r a la e le c c ió n d e un ro b o t in d u stria l?
A n g u la r.
a)
N ú m e ro d e e je s e n m o v im ie n to y c a p a c id a d
b)
C a p a c i d a d d e a lm a c e n a m ie n to y v e lo c id a d
d ) E s fé ric o . 6.
de c a rg a .
¿ C u á l e s e l m e d io p a r a p r o g r a m a r u n ro b o t ind ustrial
d e o p e ra c ió n .
a p ie d e m á q u in a ? a ) C o n tro la d o r.
c ) V e lo c id a d d e o p e r a c ió n y a lc a n c e .
b ) C a ja d e e n s e ñ a n z a .
d)
c)
P r o g ra m a c ió n fu e ra d e lín e a
(off-lina).
d) C o m p u ta d o ra .
7.
¿ Q u é ro b o t in d ustrial o fre c e fu n c io n a lm e n te m a y o r v e rs a tilid a d d e fle x ib ilid a d e n los p r o c e s o s d e m a n u fa c tu ra ?
a)
SCARA.
b ) C a rte s ia n o .
c) d)
P a ra le lo . A n g u la r.
C a p a c i d a d d e c a r g a y a lc a n c e .
o
PARTE TRES
Fundamente« da la automatización industrial
Ejercicio 71
Programación fuera de línea
1. Descripción de la operación. Proceso de unión de dos placas de acero A1S1 1(145 con especificaciones dim ensionales com o se muestra en la figura 748.
fig u r a
7 .4 8
E sp e c ific a cio n e s dim en sion ale s d e la p la c a d e acero A IS I 10 45.41
A m bas placas se deben unir por un proceso de soldadura MIG.42 D ado su espesor, las placas presentan un corte en V que beneficia la unión perfecta de ambas placas. El departam ento de ingeniería ha determ inado que la aplicación correcta d e la soldadura sea a una velocidad de 200 mm/min, y considerando un ángulo d e 30° sobre la horizontal. A dem ás se requieren tres líneas de aplicación de soldadura, lo que perm ite la fusión de todo el espesor de las placas por ambas caras (figura 749).
41 Se realiza la u n ió n d e estas d o s placas p a ra el aprovecham iento d e m aterial sobrante. M ed ia n te esta u nió n se p u ed e o b te n e r u n a placa d e acero A IS I 1045 con dim ensiones 250 X 500 y chaflán d e 8 X 4 5 '. 41 M IG es u n proceso de so ld ad u ra llam ado así p o r el em pleo d e u n gas in e rte com o p ro te c to r de arco cliíctrico.
CAPÍTULO 7
El gripper es una pistola para soldadura del proceso M IG equipada con to dos los accesorios de funcionalidad y con las señales de I/O para sincronización del proceso. El gripper pesa 15 kg y tiene definido un T C P en el centro de la punta de la pistola con 5 mm de separación. Para la operación de unión se colocan ambas placas sobre una mesa de pro ceso cuyas dim ensiones son 600 x 600 y 1000 mm de altura. La mesa de proceso se coloca frente al robot exactam ente al centro y a 1500 mm de distancia. Las placas se colocan sobre la mesa, exactam ente en el centro. Considere las señales l/O que correspondan. 2. Croquis de situación. Elabore el croquis de situación utilizando un dibujo a m ano alzada o una programación fuera de línea.
3. Selección del robot a utilizar. A n ote los fundam entos para la determ inación del robot a utilizar.
Robáis y algo más
o
PARTE TRES
Fundamentes da b automatización industrial
4
Determ inación de las trayectorias de recorrido del robot. Dibuje la trayectoria d e recorrido del robot y determ ine los puntos necesarios a programar.
5. Enseñanza de las trayectorias de recorrido (a pie de máquina o en programa ción fuera de línea).
CAPÍTULO 7
D iagram a lógico d e la operación.
Programación de la lógica funcional del robot.
Robáis y algo más
m
PARTE TRES
Fundamentos da ia automafeación industrial
Ejercicio 7.2 Seguim iento de trayectorias 2D (programación a pie de máquina y programación fuera de línea). 1. Descripción de la operación. Se desea realizar el recorrido de una geom etría circular cuyo diámetro es d e 300 mm. La geometría circular está ubicada en un panel de lámina de 800 x 600 X 10 mm ubicado exactam ente al centro y a una altura de 1500 mm con base en el eje Z. La distancia de separación con respecto al robot en el eje X es de 800 mm; el robot está m ontado en una base fija a una distancia de despla zam iento de 806.7 mm sobre el eje Z. E l robot tiene com o elem ento final un aplicador de pegam ento, el cual ser virá para fijar una tapa que el producto requiere. C om o el pegam ento es un so l vente altamente peligroso para las vías respiratorias, es una operación im posible d e realizar por un operador,y de este m odo se cuida su integridad física. E l elem ento final tiene un T C P con coordenadas en X97.415/0 mm, Y(V 97415 m m ,y Z 152.165 mm; el gripper pesa 920 g. 2. Croquis de situación.
W fig u r a
7 .b q
R obot IR B 1 4 0 A B B c o n p a n a l d e circunferencia.
3. Selección del robot a utilizar. El robot es el m odelo 1RB140 ABB, angular de seis ejes. 4. Determ inación de las trayectorias de recorrido del robot.
CAPÍTULO 7
Enseñanza de las trayectorias de recorrido (a pie de máquina o en programa ción fuera de línea).
Robáis y algo más
PARTE TRES
Fundamentos da la automatización industrial
6. Diagrama lógico de la operación.
CAPITULO 7
7.
Programación de la lógica funcional del robot.
Robots y algo más
c a p í t u lo
q
% Inspección automatizada
CAPÍTULO 8
msm
Inspección automatizada
Sistem as de visión
Los sistem as de visión tienen gran aplicación en diversos procesos d e manufactura. A ctualm ente la inspección de visión se utiliza junto con otras técnicas d e control y m ejoramiento d e la calidad,con lo que se logra una inspección total d e los productos y /o partes fabricadas. U n sistem a d e visión está ligado directamente con m étodos estadísticos que permiten analizar y determ inar las variables a manipular para man tener la calidad en térm inos d e control o cero defectos. B1 proceso d e inspeccionar las piezas y/o productos es clave para lograr la cali dad y coníiabilidad del producto, tem a de este libro en el que se hace énfasis com o la segunda variable importante para la automatización d e un proceso u operación. Thidicionalmente, la actividad de inspección se hace bajo la observación y el registro d e datos de una muestra confiable a un cierto porcentaje d e error (95% de coníiabilidad), lo cual puede resultar muy costoso y. en algunos casos, ineficiente. Por lo com ún, en las actividades de inspección los datos d e una pieza y /o produc to que se han de medir son las dim ensiones, apariencia, niveles de llenado, códigos de barras, código de matriz, colores, sellado, calidad d e impresión, entre otras, lo cual, en un proceso de inspección tradicional puede ser una tarea difícil, laboriosa, minuciosa o repetitiva, por lo que es oportuno introducir un sistem a d e visión. A continuación se ilustran algunas de las aplicaciones más frecuentes.
fig u r a
B .i
A p lic a c io n e s d e visión industrial.1
Tomado del catálogo SICK Vision producto. New dimensión in visión. STCK Sensor Intelligencc.
PARTE TRES
f ig u r a
B .a
Fundamentos da la automatización industrial
Aplicaciones de visión industrial.1
3Tomado de manuales y catálogos de OOGNEX.
CAPÍTULO 8
fig u r a
8 .3
A p lica cio n e s d e visión industrial.3
’ Tomado do la revista de novedades y ciencia iY « w .í INPA1M ON.
Inspección automatizada
PARTE TRES
Fundamentes da la automatización industrial
Aunque la visión artificial se puede aplicar a cualquier proceso industrial,su uso es imprescindible en las industrias autom otriz, electrónica, de envase y embalaje, alimenticia, farmacéutica, aeronáutica, metalúrgica, cerámica y o tra s. La visión artificial se aplica inclusive a sistem as de seguridad y vigilancia de altas prestaciones como: ■ ■ ■ ■
Inspección de tráfico. R econocim iento de personas. Seguim iento de personas y reconocim iento de objetos. Inspección y transporte de equipajes
j 8.2.1
Fundamentos de un sistema de visión
Cámaras para un sistema de visión
Las cámaras de video han tenido una rápida evolución en años recientes, desde las primeras equipadas con tubos Vidicon hasta las más modernas provistas de sensores Charge C oupied D evice (C C D ) y CMOS. Las cámaras que se utilizan en visión ar tificial requieren una serie de características específicas, com o el control del disparo para capturar las piezas que pasan por delante de la cámara exactam ente en la p o sición requerida. Las cámaras de visión artificial son más sofisticadas que las convencionales, ya que ofrecen un com pleto control de los tiem pos y señales, de la velocidad de obtu ración, de la sensibilidad y de otros factores fundam entales tanto en aplicaciones científicas com o industriales. Por lo general, este tipo de cámaras se considera que pertenecen a tecnologías com pletam ente distintas; sin embargo, hay muchas características que se superpo nen. A lgunos tipos de cámara son: ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ m ■ ■ ■ ■ ■ ■
M onocromáticas. A color. D e alta resolución. D e alta velocidad. D e alta sensibilidad. Lineales monocromáticas. Lineales T D I (T im e D elay Integralion). Lineales a color. Inteligentes. D e3 D . Infrarrojas/térmicas. Multiespectrales. D e multisensor. D e sensores4
La selección de la cántara a utilizar depende directam ente de la aplicación de inspección que se va a realizar.
8.2.2 Ópticas para sistemas de visión Las ópticas se utilizan para transmitir la luz al sensor de la cámara de manera con trolada y así obtener una imagen enfocada de uno o varios objetos.
4Tomado parcialmente del catálogo TNFATMON. Su asesor en visión artificial.
CAPÍTULO 8
Inspección automatizada
Para saber exactam ente la óptica que se debe utilizar para la aplicación requeri da se deben tener en cuenta una serie de parámetros. Por una parte, se debe conocer el tam año del sensor de la cámara y a qué distancia de la cámara estará el objeto, y por otra, es necesario saber el cam po de visión que se desea abarcar en la aplicación. U na vez conocidos estos parámetros, se puede calcular la óptica a utilizar mediante la siguiente formula: D istancia = (Tamaño del sensor * Distancia al ob jeto )/T a m a ñ o del objeto En los sistem as de visión artificial es necesario utilizar ópticas de calidad para obtener la mejor imagen posible y disponer de las medidas con la precisión deseada. Hay muchos fabricantes de ópticas que pueden producir lentes de distintas cua lidades, pero ninguno cuenta con un rango tal que pueda cubrir todas las necesida des de las aplicaciones de los sistem as de visión. Para definir el tipo de óptica que se requiere en una industria en particular se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: ■ ■ ■ ■
'Pipo de iluminación que se utiliza. Especificaciones del sensor de la cámara. Tamaño y geom etría del objeto. Distancia y espacio disponibles.
En la mayoría de las ocasiones la selección de una óptica no es sencilla, porque si no se hace correctam ente, aun utilizando una óptica de excelente calidad, no se obtiene el resultado deseado. Las más de las veces se utilizan ópticas de foco fijo para aplicaciones de visión; no es habitual usar ópticas zo o m y m enos ópticas m oto rizadas, aun cuando sean de gran utilidad. En visión industrial lo común es que la distancia entre los objetos y la cámara sea siempre la misma y que el tam año de los objetos en una aplicación determ inada también permanezca constante. Es importante también ajustar la calidad de la óptica al resto de los com ponen tes de visión. Por ejem plo, si se utiliza una cámara de alta definición será necesario poner una óptica de calidad para aprovechar al máximo las características de la cá mara. Del mism o modo, no tiene sentido poner una lente de mucha calidad en una aplicación donde sólo se necesite distinguir entre objetos oscuros o claros. La óptica ideal sería aquella que reprodujera exactam ente el objeto enfocado, con detalles y variaciones de iluminación.
8.2.3
Sistemas de Iluminación
La iluminación se considera vital y es la parte más crítica dentro de un sistema de vi sión. D e mom ento, las cámaras son mucho m enos sensibles y versátiles que la visión humana, por lo que las condiciones de iluminación se deben optimizar al máximo para que una cámara pueda capturar una imagen que el ojo humano podría dis tinguir sin necesidad de contar con una iluminación especial. Esto es mucho más evidente cuando el objeto a iluminar presenta formas complejas o superficies muy reflejantes. Las cámaras capturan la luz reflejada de los ob jetos El propósito de la ilumi nación que se utiliza en las aplicaciones de visión es controlar la forma en que la cámara va a ver el objeto. La luz se refleja de forma distinta si se ilumina una bola de acero o una hoja de papel blanco. Este control de iluminación es vital en el funcionam iento de un sistema de v i sión y para ello existe un gran número de técnicas de iluminación: ■ Frontal. ■ Lateral.
PARTE TRES
Fundamentes da ta automatización industrial
Iluminación frontal
Iluminación lateral
Iluminación por campo oscuro ¡darkfiekf)
Iluminación difusa
Iluminación difusa tipo dom o plano
f ig u r a
B .4
Iluminación por contrasta {backl/ghfí
Iluminación difusa tipo domo
Iluminación por léser
A p lic a c io n e s d s visión industrial.5
■ Por cam po oscuro (dark field). m Por contraste (backtighi). m Con tecnología ¡iglú conducting tu r f ace. ■ Difusa. Y para estas técnicas existe una amplia gama de tipos de iluminación: ■ Led. ■
F i b r a ó p t ic a .
■ Led fibra óptica. ■ Fluorescente. ■ Láser. Los m étodos y técnicas de iluminación anteriores están ligados a la experiencia del programador y de las características del producto, con lo que se convierte en un k n o w how (saber hacer) especializado.
’ Tomado do la revista novedades y ciencia N ews INFAIM ON. IN F A IM O N es una marca registrada; su mención en este libro es de carácter didáctico e ilustrativo.
CAPÍTULO 8
Diseño f ig u r a
b
.e
Inspección automatizada
Integración
Procaso d e diseño e ¡m plem entación d e un sistem a d e visión industrial.
El desarrollo de los sistem as de visión continúa, al igual que el hardware y las capacidades de procesam iento: por lo tanto, habrá aplicaciones de mayor resolución y mejor procesamiento. Para que un sistema de visión se pueda integrar a las actividades industriales se debe observar una m etodología del tipo plan ear y docum entar de diseño e implem entación para todo el proceso (figura 8.5). La m etodología para el diseño, integración y programación d e un sistem a de visión industrial es la siguiente: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Nombre del proceso de inspección. Descripción d e la actividad. Definición de las variables a inspeccionar. Diagrama lógico d e operación. Selección del equipo d e inspección e iluminación. A juste de imagen y programación del sistema.
EJEM PLO 8.1
1. Máquina de inspección de ejes simétricos. 2. Descripción d e la actividad. Se tiene un eje simétrico (plano de la figura 8.6) donde los diám etros de 15.160 mm que representan el ajaste de inferencia son una variable que im pacta la calidad dim ensional del producto, por lo que todos los ejes se deben inspeccionar al 100%: es decir, cero defectos. Este impacto se debe al ensamble d e rodamiento en eje, que por facilidad de maquinado se ajustará al diámetro de ajaste de interferencia de 15.160 mm. Los rodam ientos se adquieren d e un proveedor externo y sus dim ensio nes se muestran en la figura 8.6 d e la página siguiente. 3. Definición de las variables a inspeccionar. En este caso la variable a controlar es la dim ensión del diám etro de 15.160 mm con tolerancia en límite superior d e 15.250 mm y para el límite in ferior de 15.050. A m bos corresponden a un ajaste d e interferencia que habrá entre la chumacera y el rodamiento. El ajuste d e interferencia será el material excedente del eje para ensam blar el rodamiento, el cual deberá quedar unido al eje para que realice su tarea de disminución del coeficiente de fricción m ediante un movimiento continuo en revolución. Para dejar datos importantes y dem ostrativos d e la importancia d e los sistem as de visión, la inspección se realizará d e forma manual, con lo que se verifica la efectividad del sistema. La actividad d e inspección manual se realiza utilizando un vernier para identificar las dim ensiones del diámetro en cuestión.
PARTE TRES
Fundamentos de la automatización industrial
0 Ext: 25 m m 0 |rt¿ 1 5 m m Espesor: 11 mm
f ig u r a
b
.b
P ia ra d e e je s im étrico con tole rancia del diám etro a inspeccionar.
El proceso de inspección manual es una tarea que demanda concentra ción, es minuciosa y repetitiva, además de requerir un control de las con diciones de iluminación. D e este proceso se deriva la tabla 8.1, la cual indica la inspección de 10 ejes simétricos. Observe que dicha tabla muestra datos variados tanto en la inspección manual com o en la automatizada; sin embargo, a sim ple vista se observa la efectividad del sistema de inspección automático. La siguiente gráfica (figura 8.7) ilustra el resultado de la prueba. Se descartan las inspecciones donde no se pudo identificar el valor; por lo tanto, la gráfica só lo considera siete valores Es importante considerar que en un proceso industrial el número de ejes es lo que correspondería al lote de producción, de m odo que si se tiene un millón de ejes para inspeccionar resultaría realm ente tedioso si el proceso fuera manual, aunque para tal fin se calcularía a partir de una muestra de contiabilidad para realizar la inspección en una p a n e del lote de producción. Con un sistem a autom ático se puede inspeccionar el 100 por ciento.
CAPÍTULO 8
t a b l a
a.i
In s p e c c ió n m anual y autom atizada utilizan do vernier y un sistem a
d e visión, respectivam ente. Lim ite s d e c o n tro l C o n d iciones del p roceso de inspe cción
Inferior
Superior
15.050
15.250
Inspección manual
Visual
Inspección automática
1
15.200
Buena
15.226
A ceptaca/aceptaca
2
15.1
Buena
15.186
Aceptada/aceptada
3
15.2
Buena
15.180
Aceptada/aceptada
4
15.1 dallada
Mata
15.325 dañada
Rechazada/rechazada
#
5
15.3
Buena
15.109
Rechazada/aceptada
6
14.6
Buena
14.944
Rechazada/rechazada
7
15.2
Buena
15.859
Aceptada/rechazada
8
15.2
Buena
15.732
Aceptada/rechazada
9
14.1 dañada
Mata
No identificó el diámetro
Rechazada/rechazada
13.6
Mata
No identificó el diámetro
Rechazada/rechazada
10
El sistem a autom ático detecta si las piezas tienen las dim ensiones co rrectas, e inclusive daños, en cuyo caso la pieza queda rechazada. Adem ás, el tiem po de inspección ocurre en milésimas de segundo, lo que hace que este proceso sea realm ente efectivo en cuanto a presión y velocidad de la prueba. Para lograr mejores resultados es oportuno aplicar un m étodo estadístico de correlación de variables que ayude a determinar cuáles variables afectan el proceso de maquinado del eje. En una lista sencilla se encuentran: ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
Filo y diseño de la herramienta. Calidad de la materia prima. Parámetros de maquinado {N ,f, t\„ etcétera). Limpieza del equipo. Calidad y m antenim iento del refrigerante. Optimización del rompimiento de la viruta. M anejo y transporte de las piezas dentro del proceso.
fig u r a
B .7
G rá fica d e control resultante d e la in spe cción autom ática oon el sistem a d e visión industrial.
Inspección automatizada
PARTE TRES
Fundamentos da la automataaci&n industrial
4
Diagrama lógico de operación.
( INICIO
fig u r a
b .b
)
D ia g ra m a ló gico d e la o p eración d e in spección en el p ro c e so autom ático.
El diagrama es sim ple y hay una decisión que tomar. Si el valor registra do por el sistem a de visión está dentro de los límites de control, el sistema enciende una luz verde en muestra de aceptación de la pieza; de lo contrario, si se enciende la luz roja indica que la pieza no cum ple con las dim ensiones requeridas. La prueba autom ática se realizó utilizando un sistem a de visión inte grado. 5. Selección del equipo de inspección e iluminación. El sistem a a utilizar es una cámara C O G N E X In-Sight 5100 instalada en un SMFrtpara pruebas de inspección de las piezas producidas. El software de programación es In-Sight 4.8.4.
ta b la
B .2
E sp ecificacio nes g enerales C OGNEX In-Sight 5100.
Memoria d e procesamiento d e imagen.
256 MB.
Resolución.
£40 X 480 píxeles.
Velocidad de disparo.
16n seg hasta 1CC0 ms.
Captura de imágenes.
60 imágenes‘'aeg.
Tipo de cámara.
Monocromática.
Comunicación.
Ethernet 10/100 Base TCP/IP.
Tarjeta l/O.
12 entradas y 12 salidaB.
La luz recomendada para la estabilidad del foco de la imagen es un sis tem a Backlighí en combinación con un anillo de led de INFAIM ON, línea estándar de iluminación.
! SFM (Sistema de Manufactura Flexible) de los laboratorios de la Facultad de Ingeniería de la Universi dad Panamericana, Campus México.
CAPÍTULO 8
Inspección automatizada
inmimon LED ILUMINACIÓN BACKLIGHT
► L E D B A C K L IG H T C O N V E N C IO N A L
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Sistem a d e ilum inación IN F A IM O N in te gra d o en un S M F7
Sistem a d e visión C O G N E X in te gra d o en un SMF.
’ Tomado do la revista de novedades y ciencia N e m INFAIM O N . IN F A IM O N es una marca registrada; su uso en este lib ro es con fines didácticos c ilustrativos.
PARTE TRES
Fundamentos da ta automatización industrial
6. A jaste de imagen y programación del sistem a La programación es relativamente sencilla. Hay dos formas de lograr la tarea lógica del proceso; la primera consiste en una serie de pasos m etódica m ente establecidos en el software del sistema: ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
Captura de la imagen. Localización de la parte. Inspección de la parte. Definición de las señales de entrada. Definición de las señales de salid a Definición de la comunicación entre otras máquinas del sistema. Guardado de la tarea. Ejecución de la tarea.
fis u r a
B .1 1
Software del siste m a d e visión In -S ig h t d e C O G N E X .
La segunda forma es m ediante una hoja de cálculo en Excel, utilizando funciones de programación para indicar las variables y características a ins peccionar; es un proceso más com plejo pero muy efectivo cuando se requie ren mejores resultados. Para este ejem plo se aplica el primer m étodo,cuyo resultado es el progra ma de inspección del diám etro en cuestión. A l realizar la prueba se obtuvo la medición del diám etro en diferentes piezas, com o se muestra en la tabla 8 .1 y en la figura 8.7 Por último, observe que la imagen anterior muestra el valor de 15.224 mm y una esfera verde en la parte inferior izquierda, que indica pieza aceptada al estar dentro de los límites de control superior e inferior. La tarea fue sim ple, definir un diámetro capturado con la cámara y la luz apropiada: sin embargo, un sistem a de visión puede inspeccionar más carac terísticas, sim ples o complejas, en una misma tarea. Es una técnica eficaz para procesos industriales de inspección.
CAPÍTULO 8
fig u r a
B .1 2
Inspección automatizada
In s p e c c ió n en linea en el software In-Sight d e C O G N E X .
Resum en A l crecer el com ercio mundial surge la necesidad de contar con sistem as que permi tan un control al 100% de los bienes que circulan por los diferentes países, el cual se debe realizar de una forma rápida y sin demoras, razón por la que se justifica el uso de los sistem as de visión. La necesidad de controlar el manejo y la calidad, así com o la seguridad de los productos que se fabrican en una empresa, hace indispensables los sistem as de vi sión en la industria e inclusive en la vida diaria, por lo que su uso tiende a aplicarse cada día de forma más común. Tomar la imagen de un objeto y determinar alguna(s) de sus características per mite su control en tiem po real, con 100% de confianza en que así se mantendrán a todo lo largo de la cadena de producción, además de la confiabilidad de que el siste ma es capaz de regularse a sí mismo. Los sistem as de visión tienen una gran variedad de aplicaciones, los podem os encontrar en la industria y en oficinas o com o auxiliares de seguridad pública y pri vada, y en cada sector tienen un propósito específico que se cum ple ampliamente. En consecuencia,se eliminan cuestiones de subjetividad e interpretaciones erróneas, lo que garantiza su uso.
PARTE TRES
1.
2.
3.
Fundamentos de ia automatización industrial
¿ P a ra q u ó s irv e e l s is te m a d e v is ió n e n la
6.
c r u z a u n a c a ja d e lu z?
a ) P a ra c o n tro la r o b je to s .
a ) Ilu m in a c ió n d irecta.
b) c) o)
P a ra c o n tro la r la c a lid a d d e los p r o d u c to s .
b)
Ilu m in a c ió n rad ia l.
P a ra v e r las c a ra c te rís tic a s d e lo s o b je to s .
c)
Ilu m in a c ió n a m p lia d a .
P a ra la s e g u rid a d d e los o b je to s .
d ) Ilu m in a c ió n difusa.
¿ D ó n d e e s m á s c o m ú n u s a r u n s is te m a d e co n tro l
7.
¿ C ó m o se in d ic a al u s u a rio el re s u lta d o d e la
d e c a lid a d ?
in s p e c c ió n ?
a ) E n la s e g u rid a d d e las e m p re s a s .
a ) P o r la s im á g e n e s q u e s e to m a ro n .
b)
b ) C o n la c o m p r a d e la s fotog ra fía s.
E n e l m a n e jo d e m ateria le s.
c ) E n la in d u stria a u to m o triz.
c)
d)
d ) P o r m e d io d e s e ñ a le s e lé c tric a s .
E n to d o s lo s c a s o s an te rio re s.
¿ C ó m o tra b a ja e l s is te m a d e v is ió n ?
8.
A l d e finir la ilu m in a c ió n .
¿ P a r a q u ó s irv e la m e to d o lo g ía d e d is e ñ o e im p le m e n ta c ió n ?
a ) S e d iv id e la p a n ta lla e n p íx e le s y éstos d a n la re s o lu ció n .
a ) P a ra tra b a ja r e n tie m p o real.
S e tra b a ja e n tie m p o real c o n im á g e n e s to m a d a s .
b)
P a ra h a c e r u n a b a s e d e d a to s o r d e n a d a .
c ) S e to m a n dife re n te s fo to g ra fía s y s e g u a r d a n .
c)
P a ra s o lu c io n a r m e jo r los p ro b le m a s .
o)
d ) P a ra e n c o n tra r los p o s ib le s p ro b le m a s .
b)
4.
¿ C u á l e s u n a t é c n ic a d e ilu m in a c ió n d o n d e la v is ió n
m a n u fa c tu ra ?
S e h a c e u n tra b a jo d e b ú s q u e d a d e im á g e n e s .
¿ C ó m o s e re g is tra la d im e n s ió n d e u n o b je to ? a ) P o r la s im á g e n e s q u e s e p r o d u c e n .
b)
S e e m ite u n ra y o lá se r
y
9.
¿ C ó m o s e p u e d e to m a r u n a d im e n s ió n e n e s p e c ífic o ? a ) C o n u n c o n ju n to d e ra y o s lá se r s e d e fin e n el o rig e n y la d e s v ia c ió n d e a lg u n o d e ellos.
la reflexión d e l m is m o
d e fin e la d e s v ia c ió n . c ) S e c o m p a r a el o b je to real c o n u n a b a s e d e d a to s. d ) S e s o b r e p o n e n fo to g ra fía s y si s o n s im ila re s s e t o m a c o m o a c e p ta d o .
b)
C o n u n c o n ju n to d e c á m a r a s , y s e c o m p a r a n las im á g e n e s s o b re p u e s ta s .
c ) C o n u n co n ju n to d e fotografías q u e s e c o m p a ra n co n la b a s e d e d a to s . d ) S e t o m a la im a g e n
5.
¿ C u á l e s la p a rte c rític a d e un s is te m a d e v is ió n ? a ) L a re s o lu ció n .
b)
E l a n c h o d e la im a g e n .
c ) L a ilu m in a c ió n .
o)
L o s c o lo re s .
línea.
y
s e c o m p a r a e n tie m p o en
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índice
A
C
acabado,25 actuadores neumáticos, 33 ajuste de máquina, 160 álgebra binaria, 65 booleana, 66 de Boole, 65 lógica, 65 análisis de varianza, 27 analizar virtualmente, 68 Aplicación Práctica de Elementos Finitos (FEA), 103 aplicaciones tecnológicas, 19 arco de gas, 26 autómata programable, 66 automatización industrial, 39,63
cabezal o husillo, 152 CAD, 73,74,77,81,88,89,91,111,114, 121,184,195,202,204,230,234,360, 364 cad/cae/cam,7 CAD/CAM , 46,48,68 CAD/CAM /CAE, 50 CAE (Ingeniería Asistida por Computadora), 101,113,117,120 cálculo de requerimientos de material, 182 calibración, 160 calidad, 63 CAM (Computer Aided Manufacluring), 154,165,176,184,187,188,193,194, 195,196,202,204,230 cambio tecnológico, 19 capacitores (condensadores), 65 carrusel portaherramientas, 152 celda(s) de manufactura, 33,40,41 centrado, 87 ciencia de los materiales, 18 y tecnología, 7 8 CÍM, 49,50,51,53,56 circuitos neumáticos, 248 CNC (Control Numérico Computarizado), 42,99,152,155, 234,312 códigos de programación, 161
B barrenado preliminar, 87 barreno avellanado, 88 de caja. 86 de forma, 88 de precisión o rimado. 88 roscado, 86 simple, 86 barrenos, 95 tridimensionales, 110 biotecnología, 16
Computer Aided Manufacturing (CAM ). 154 Computer Numerical Control (CNC), 152 condiciones de frontera, 112 conocimiento científico, 13 contexto tecnológico, 23 control automático, 42,67 controlado por LAN, 42 neumático, 67 numérico computerizado, 42,152 Control Estadístico del Proceso (CEP),69 Control Numérico Programable (CNC), 68 Controlador Lógico Programable (PLC), 33 controladores lógicos programables, 298 Controladores Programables, (PC), 66 corriente alterna (C A ),64 directa (CD), 64 corle, 24 costo de producción, 8
D desarrollo científico. 14,16 de la automatización, 64 del producto, 6 desbaste cilindrico, 168 dibujos a mano alzada, 81 discretización, métodos de, 104 Diseño Asistido por Computadora (C AD ), 6,7,33,73 diseño mecánico, 79 Diseño para la Manufactura y el Ensamble (D P M E ),3t doblado, 24 E
ejercicios de PLC, 322 elasticidad, 105 electrohidráulica, 66 electroneumática industrial,274 elementos de la neumática industrial, 245 finitos, 110 embutidos, 102 ERP (Planeación de Recursos Empresariales), 55 escantillones, 151
estadística avanzada, 27 estándares y normas de manufactura, 81 extrusión, 24,102 F
fábrica automática, 39,43,55 oculta, 49 Fábrica Automatizada (FA), 63 FEA , (Aplicación Práctica de Elementos Finitos), 103,111,112, 113,116,118 FEM, (Método del Elemento Finito), 102,103,105,111, 112 flexibilidad, 33,101 FODA, vea fortaleza, oportunidades, debilidades y amenazas, 9 forja, 102 forjado, 24 formado, 24 formulación de FEM, 105 Fortaleza, Oportunidades, Debilidades y Amenazas (FODA), 9 fundamentos de neumática industrial, 243 fundición a compresión, 23 de acero gris, 92 fusión, 26 futuro tecnología», 15 G
genoma humano, 16,18 herramientas estadísticas, 26 H hidráulica industrial,287 historia de los robots, 325 Hooke, ley de, 106 husillo, 152 I idea conceptual, 81 iluminación, sistemas de, inductores, 65 industria de la transformación, 78 información científica y tecnológica, 64 Ingeniería Asistida por Computadora (CAE), 7,68,69,101 ingeniería genética, 18
innovación, 6 instrumentos tecnológicos, 49,50 inteligencia artificial, 17 internet en tiempo real, 10 investigación científica, 11,13,14,15 ISO, 85 J Justo A Tiempo (JIT), 39,56
L laminado, 24 lazo abierto, sistema de, 67 68 cerrado, sistema de, 68 lenguaje de comunicación gráfica, 64 ley de Ilooke, 106 leyes de la termodinámica, 14 línea automatizada, 37 computadora-red-servidor, 49 líneas computan zadas, 35 lubricación, 157 158 lubricantes, 159
M manipulador multifuncional reprogramable, 33 manufactura, 5,144 automatizada, 37,38,54 digital, 43,45,67,68 flexible, 54 automatizada, 54 computarizada, 42 integrada por computadora, 46 manual, 30,38,39,54,55 moderna, 38,63 Manufactura Asistida por Computadora (CAM), 7,33,68,69,183 Manufactura Integrada por Computadora (CTM),63 máquina computarizada, 43 maquinado, 25 maquinados avanzados, 25 Máquinas Herramienta de Control Numérico (C N),68 matriz de rigidez, 108 elemental, 106 mecánica de fluidos, 66
mejora continua, 9 memoria RAM, 77 M étodo del Elemento Finito (FEM), 102, 103 métodos de discretización, 104 microprocesador, 35,66,67 modelación y simulación por computadora, 69 modelo perdido, 23 moldeo en arena, 23 moldes permanentes, 23 motor eléctrico, 64 nanolecnología, 16 N neumática, 65 industrial, 243,245 O operaciones booleanas, 115 de barrenado, 86,89 de doblez de lámina, 89 organización de tipo horizontal, 6 de tipo vertical, 6 por proceso, 52 Organización Internacional de la Estandarización (ISO), 85
P parámetros de maquinado, 155,165,180 partículas subatómicas, 16 PC (Programmable Controllers), 66 Petri (redes de), 67 planeación de la manufactura, 48 Planeación de Recursos Empresariales (E R P),55 planeación del proceso asistida por computadora, 69 planos de producción, 81 PLC (Programing Logic Controller), 66, 300,301,303,304,306,307,309,312, 313,320,355,356 Poka-Yoke, 31 por arco eléctrico, 26 proceso(s) de manufactura, 6,26,27,32 procesos de deformación, 24 producción, 63 Programing Logic Controller (PLC), 66
propiedades mecánicas, 112 prototipado, 25 R redes de Petri,67 refrigeración. 157,158 refrigerantes, 159 renderizado, 77 resistores, 65 revolución tecnológica, 50,51 rigidez elemental, matriz de, 108 robó tica, 16,325,329,351,353 industrial, 69 robots, 17 inteligentes, 17 rolado, 24 roscado, 87 roscas, 99 S
seguridad, 63 servomecanismos, 67 servomotores, 67 sistema de lazo abierto, 67 de lazo cerrado, 68 de manufactura integrado por computadora, 43 de producción de Toyota, 28,43,46 de sujeción, 142 de visión, 68,378,384,386 inteligente, 18 Sistema de Manufactura Flexible (SMF), 32 sistemas de iluminación, 379 de sujeción, 141,142 de visión, 375,381,387 digitales, 65 Sistemas Flexibles de Manufactura
(SFM ),69 SMF automatizado, 33 SMFa, 34,35,36 software de las aplicaciones CAD, 79 soluciones tecnológicas, 17 sujeción en general, 150 para ensamble, 145 para inspección, 146
T tecnología, 6 de la automatización industrial, 47 de la información, 10,16 de la instrumentación, 67 de manufactura, 44 del CNC, 68 e innovación, 5 tradicional, 8 Tecnología de la Información (TI), 10,33 tecnologías de automatización, 46 de información, 16 electrónicas, 52 termoestables, 25 termoplásticos, 25 tiempo de respuesta, 67 en línea, 35,46 real, 11 Toyota, sistema de producción, 28.43,46 tr (tiempo real), 10 trabajo en lámina, 24 tridimensionales, 110 unidimensionales, 110
V vaciado de hilo, 23 visión, sistema de, 378,384,386 volumen de producción, 35
Este texto es ideal para quienes se desempeñan en la industria de la ma nufactura y para estudiantes de licenciaturas en ingeniería mecatrónica, mecánica e industrial y, sobre todo, sistemas integrados de manufactura. El libro reúne la experiencia del rediseño, la reestructuración y la repro gramación de equipos de manufactura flexible automatizada, y muestra, a través de ejemplos concretos, los cambios más recientes en los procesos de manufactura, a fin de implementar las mejoras tecnológicas en los sis temas actuales, con el fin de migrar al concepto de manufactura digital. Entre las características sobresalientes de este texto se encuentran las siguientes: • Cada capítulo ofrece un cuestionario sobre el contenido, de modo que el estudiante comprenda el beneficio de lo que está aprendiendo. • Cada tema se presenta en un contexto de ingeniería y tecnología de la manufactura, y está apoyado con diagramas, gráficos e imágenes representativas. • Comparaciones entre las ventajas y desventajas de un proceso tradi cional y un proceso tecnológico. • Aplicaciones reales de automatización utilizadas en los procesos de manufactura de la industria. A lo largo del libro encontrará códigos QR que lo llevarán a imágenes a todo color, en algunos casos con movimiento. Visite la página web de este libro en: www.pearsonenespañol.com/hemandezlopez
