Universidad de Colima Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Ingeniería en Mecatrónica Nombre del anteproyecto:
Diseño y construcción de una máquina taladradora cartesiana con control numérico. Integrantes del equipo
JOSÉ MANUEL AGUILAR SILVA HÉCTOR ANTONIO CÁRDENAS DÍAZ …
26/06/2017 1
Contenido I. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 3 1.1 Argumentos que motivaron el desarrollo de este trabajo ........................................................ 3 1.2 Planteamiento del problema .................................................................................................... 3 1.3 Justificación ............................................................................................................................... 4 1.4 Objetivo general ........................................................................................................................ 4 1.5 Objetivos específicos ................................................................................................................. 4 1.6 Identificación de variables ........................................................................................................ 4 1.7 Especificación de la propuesta de solución ............................................................................... 5 II. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 6 2.1 Control numérico ...................................................................................................................... 6 Surgimiento del control numérico .............................................................................................. 6 Evolución del control numérico .................................................................................................. 6 2.2 Máquinas taladradoras convencionales.................................................................................... 7 1. – Taladro sensitiva. .................................................................................................................. 7 2. - Taladro de columna. .............................................................................................................. 7 3.- Taladro radial. ........................................................................................................................ 8 4.- Taladro de dos husillos. .......................................................................................................... 8 5.- Taladro de husillos múltiples. ................................................................................................ 8 2.3 Máquina herramienta con control numérico ............................................................................ 9 1.- Control numérico punto a punto ........................................................................................... 9 2.- Control numérico paraxial...................................................................................................... 9 3.- Control numérico continúo .................................................................................................... 9 Características de las maquinas-herramientas CN ...................................................................... 9 2.4 Máquina taladradora con control numérico ........................................................................... 10 Funcionamiento de las maquinas CN ........................................................................................ 10 III. TRABAJO A FUTURO ..................................................................................................................... 11 REFERENCIAS ..................................................................................................................................... 12
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I. INTRODUCCIÓN 1.1 Argumentos que motivaron el desarrollo de este trabajo Este presente trabajo pretende dar solución a distintas problemáticas que se presentan durante el proceso de elaborar taladrado s en serie, este se realizara para tener un mecanismo mucho más económico para las escuelas.
En este sentido, se diseñará y automatizará un mecanismo cartesiano que resolverá la necesidad de realizar numerosas piezas en serie, con gran precisión y sin intervención de un operado, de igual forma reducir el tiempo de producción. 1.2 Planteamiento del problema
Una máquina de control numérico (CN) es un conjunto de mecanismos automatizados, el cual es operado por comandos de p rogramación, actualmente es también es llamado control numérico por computadora (CNC). El centro educativo de difusión e innovación tecnológica (2009) nos dice que estos últimos años hasta la fecha las maquinas CNC se han estado utilizando en cualquier maquinaría con el fin de obtener una mejor prec isión y una mayor rapidez en los procesos de manufactura, en comparación con el trabajo manual o maquina convencional, la maquinaría con control numérico logra tener una capacidad de realizar cortes, desbastes, taladrados etc. de una manera que manualmente no se pueden realizar. Dentro de las industrias el taladro mecánico automatizado es utilizado en diferentes campos, tales como industria de maquinaria y manufactura, con el fin de garantizar una gran velocidad y alta precisión. Así como en diferentes industrias son necesarias este tipo de maquinaría, en las ingenierías existe la necesidad de máquinas automatizadas como lo son los taladros, ya que aparte de realizar trabajar con ellos, s e puede aprender y al mismo tiempo practicar. Así mismo también puede utilizarse para proyectos donde se requiera el taladrado automatizado para piezas repetitivas. Por otra parte, el uso de esta maquinaria de muy avanzada tecnología para obtener resultados de mayor calidad y con más volumen de producción generan que el coste de estas máquinas sea a un precio muy elevado, pero en el campo de la industria la clave del éxito es la reducción de costos y el mejoramiento de la calidad por lo que un gasto tan elevado es necesario, al contrario que en el ámbito educativo no es algo viable el invertir en una maquinaria tan ostentosa para el apoyo y aprendizaje de los estudiantes. Por estas razones el desarrollar un mecanismo a un bajo coste sería una tecnología de gran apoyo al contar con tan amplios usos que se verán reflejados en el desarrollo de trabajos o proyectos integradores dentro del campo estudiantil. Así pues, de esta manera al elaborar este taladro se les facilitara a los estudiantes una herramienta de gran ayuda en futuros proyectos durante su ca rrera. 3
1.3 Justificación
Sabogal J. (2012) menciona que a través de los siglos el hombre se ha propuesto mejorar sus condiciones de vida, facilitar sus labores cotidianas, mejorar los procesos de producción, ser más competitivo y generar mayor riqueza atreves de su trabajo, evitando desgastarse e incluso, tener que hacerlo por sí mismo. Dada la importancia que conceptualmente tienen estos equipos, se optó por diseñar un mecanismo de taladrado con control numérico menos costosa que, aunque a menor escala que las convencionales en el mercado podrá realizar las mismas tareas que estas, por ejemplo; posibilidad de fabricación de piezas con gran precisión, reducción de tiempos de ciclos operacionales, ahorro de herramientas y material, producción en serie, control de calidad, reducción de piezas defectuosas, menor costos de producción, por mencionar algunas. En otras palabras, este trabajo se pretende crear un mecanismo cartesiano con control numérico el cual tendrá la función de taladrar ya sea de una forma manual o una automática, esto mismo dependiendo de la necesidad del usuario y el trabajo que se realizará. El mecanismo será controlado por medio de un sistema de control desde un microcontrolador, el cual tendrá la capacidad de guardar coordenadas y emitir las ordenes de movimiento para realizar los taladrados en serie, el mecanismo podrá realizar el perforado de manera rápida y precisa. 1.4 Objetivo general
Realizar perforaciones por medio de un taladro con control numérico para garantizar precisión y aumentar la velocidad de taladrado en serie. 1.5 Objetivos específicos
Diseño de la maquina taladradora. Construcción de un prototipo con base a los diseños. Incorporar la programación al prototipo. Determinar si funcionamiento del mecanismo es correcto y evaluar si existen posibles modificaciones.
1.6 Identificación de variables
Variable independiente: construcción de una maquina taladradora cartesiana. Variable dependiente: controlar un mecanismo que realice perforaciones y así reduzca el tiempo de taladrado en serie.
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1.7 Especificación de la propuesta de solución
En este proyecto se basa en el diseño de una maquina taladradora cartesiana que cuente con implementación de control numérico. El método implementado en este proyecto será: el diseño experimental; ya que con esta técnica se puede conseguir mejorar el rendimiento de un proceso, reducir los costos del taladrado en serie, así como aumentar la calidad de los procesos entre otras, este proyecto se estará desarrollando un mecanismo controlable computarizado el cual tenga la capacidad de suplir el mismo p roceso de manufactura que tiene una maquina convencional taladradora. Se realizarán taladrados pre-configurados más rápidos y con una mejor precisión que un taladro convencional. Así mismo esta máquina será desarrollada de una manera óptima para el uso y manejo dentro de rubro educativo.
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II. MARCO TEÓRICO 2.1 Control numérico Según Benítez Álvarez, J. (1995) dice que, en las industrias, las operaciones indispensables para la creación de una pieza se dividen en diferentes procesos independientes, los cuales se pueden realizar en una sola máquina en particular. En la actualidad los sistemas de producción convencionales requieren un número de procesos tales como precisión, cantidad de piezas manufacturadas y diseños complicados las cuales no pueden ser realizadas por el hombre, debido a esto, se vio la necesidad de introducir los sistemas automáticos en los procesos de producción. Surgimiento del control numérico
De acuerdo con Groover Mikell, P. (1997) menciona que los primeros en realizar investigaciones sobre el control numérico fueron John Parson y Frank Stulen de la empresa Parsons Corporation en los años cuarenta. Durante la segunda guerra mundial, la armada de Estados unidos encomendó a John Par sons con el apoyo del instituto de Massachusetts la MIT, para crear y construir una máquina que fuera capaz de fabricar partes de aviones, el cual para el personal de la época era imposible por falta de precisión en su herramienta, el resultado que obtuvieron fue la máquina de control numérico las cuales eran controladas por bloques de información. Asimismo, Benítez Álvarez, J. (1995) nos explica que, durante la historia, el control numérico ha sufrido una evolución constante debido a los desarrollos acelerados de la electrónica y en la microelectrónica; en las primeras máquinas con control numérico su lógica estaba basada en tubos electrónicos y relés, fue hasta 1965 que esta lógica fue reemplazada por semiconductores, transistores, diodos y tiristores, con esto se logró construir equipos de control más compactos. Además, Benítez Álvarez, J. (1995) también nos cuenta que un par de años después, con el uso de semiconductores, dentro de los circuitos integrados fue posible almacenar elementos lógicos en el mismo soporte, por lo cual fueron máquinas de tercera generación. Para la llegada de la cuarta generación se sitúa en 1974-1975, donde se comenzaron a implementar las computadoras, actualmente una microcomputadora. Así se ha llegado a la lógica por software o lógica programada, es de esta donde surge el CNC (Computer Numerical Control) o del control numérico con lógica programada. Evolución del control numérico
A través del trabajo de tesis sobre Mantenimiento a un Torno CNC bajo Normas QS9000 de Espinosa Herrera, O., Trujillo Martínez,S. (2004) nos dicen que durante más de 30 años el control numérico ha sido una de las herramientas con más uso en las industrias, esto conllevo a que máquinas convencionales fueran rediseñadas y adaptadas al control numérico. Dado que en un inicio no existían las máquinas de 6
control numérico, hasta entonces se utilizaban máquinas convencionales como las fresadoras y los tornos. De la misma manera Espinosa Herrera, O., Trujillo Martínez,S. (2004) explican que años después de que se introdujera el control numérico se percataron de la facilidad de trabajo que proporcionaban estas máquinas. Con la experiencia que se obtuvo, se fueron incorporando y se han estado creando nuevas generaciones de máquinas con control numérico a lo largo del tiempo. 2.2 Máquinas taladradoras convencionales De acuerdo con Santana Vázquez, U. (1991) en su trabajo de investigación nos dice que la función de cualquier máquina taladradora se basa en el barrenado, de ahí, se derivan diferentes operaciones tales como el escalado, abocardado, avellanado, etc.
La herramienta de corte utilizada en una máquina taladradora es sujetada en el extremo vertical de la máquina llamado mandril, así mismo esta gira por de medio de la fuerza proporcionada por el motor principal. Por lo que, para Santana Vázquez, U. (1991) existen cinco tipos de máquinas taladradoras, las cuales son: 1. 2. 3. 4. 5.
Taladro sensitiva Taladro de columna Taladro radial Taladro de dos husillos Taladro de husillos multiples
1. – Taladro sensitiva.
El taladro sensitivo es una máquina pequeña de alta velocidad y construcción simple, similar al taladro prensa vertical ordinario. Es e l tipo más simple de máquinas herramientas destinada al mecanizado de barrenos. Con esta taladradora se efectuar barrenos de diámetro relativamente pequeños, con un máximo de 15 cm. El movimiento de avance de la herramienta lo regula manualmente el operador mediante una palanca; de aquí el nombre de “sensitiva” dado que la
máquina: en efecto, el operador regula la presión del brazo sobre la palanca “sintiendo” la resistencia que presenta el material a la p enetración de la herramienta.
2. - Taladro de columna.
Las taladradoras de columna así llamadas por la forma de su montante, son taladradoras de tamaño variable y con gran capacidad de trabajo, con la taladradora de columna es posible obtener barrenos de hasta 80 milímetros de diámetro. En estas taladradoras se ha provisto no solo el avance sensitivo, sino también el avance automático. A diferencia con las taladradoras sensitivas, estas máquinas 7
permiten desplazar verticalmente la mesa porta piezas para el posicionamiento en altura de la pieza que se desea taladrar. 3.- Taladro radial.
La taladradora radial sirve para taladrar barreno en piezas voluminosas, puede además efectuar fresados, roscados y refrentados. Con una taladradora radial es posible taladrar completamente hasta un diámetro radial es posible taladrar completamente hasta un diámetro de 100 mm. El cabezal motor está dispuesto de manera que pueda deslizar a lo largo de un brazo horizontal que, a su vez, gira alrededor de un eje vertical llamado columna, además, el brazo puede moverse en dirección vertical a lo largo de la columna. Gracias a la gran libertad de movimiento del cabezal de una taladradora radial es posible trabajar no solo sobre piezas de grandes dimensiones, sino también sobre aquellas de formas especiales y voluminosas. 4.- Taladro de dos husillos.
En las operaciones de taladrado para trabajar en serie suelen utilizarse taladradoras de dos o más husillos; existen dos clases de taladradoras, ideales para realizar este trabajo: A. Taladradora con dos o más cabezales de acción simultánea, para taladrar varios barrenos al mismo tiempo. B. Taladradoras con dos o más cabezales independientes para taladros sucesivos de diferente diámetro y con herramienta a distancia-velocidad. 5.- Taladro de husillos múltiples.
Los cabezales de este tipo de máquinas tienen un tipo de husillos especiales con dos variables: A.
B.
Con puntas de husillos fijas. Con puntas de husillos ajustables.
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2.3 Máquina herramienta con control numérico Según Benítez Álvarez, J. (1995) no dice que, así como existen diferentes tipos de máquinas que utilizan control numérico, también existen diversos tipos de control numéricos tales como:
1. Control numérico punto a punto. 2. Control numérico paraxial. 3. Control numérico continúo. 1.- Control numérico punto a punto
Este sistema controla el posicionamiento de la herramienta e n los sucesivos puntos donde debe efectuarse una o varias operaciones de maquinado. La trayectoria seguida para pasar de un punto a otro al siguiente no tiene importancia, pues las funciones de posicionamientos y de maquinado son distintas. 2.- Control numérico paraxial
Con este sistema es posible controlar, además de la posición el órgano móvil, la trayectoria seguida por el mismo según la dirección de algunos de los ejes coordenados. 3.- Control numérico continúo
En los sistemas de posicionamiento continuo, los desplazamientos del órgano móvil son controlados en todo momento, de manera que la posición sucesiva del mismo debes corresponder siempre a la trayectoria preestablecida. Se consigue un resultado relacionado entre si los movimientos elementales realizados según los distintos ejes de coordenadas, do modo que estos movimientos elementales sigan cada uno una ley prescrita por una trayectoria común. El control numérico continuo generalmente se utiliza para mantener la herramienta de corte en contacto constante con la pieza de trabajo mientras este la corta. Características de las maquinas-herramientas CN
Dadas las circunstancias del funcionamiento del control numérico en las máquinas, la demanda de crear una maquina con fiabilidad de precisión y rapidez exige a la tecnología una fabricación distinta a la de una maquina convencional. Para Márquez Ramírez, R. (2007) Los puntos en los que se centran el proceso para la fabricación de mecanismo con control numérico son: a) Mecanismo de posición b) Sistemas de medida c)
Diseño de maquinas
d)
Sistema de cambio de herramientas y piezas 9
e) Arquitectura general de un control numérico Independientemente de los componentes que incorpore el sistema CN y de las relaciones que se establezcan entre unas y otras, siempre aparece un conjunto de dispositivos electrónicos esenciales para cualquier configuración como los comparadores digitales básicos y los circuitos de control.
2.4 Máquina taladradora con control numérico
Según Espinosa Herrera, O., Trujillo Martínez,S. (2004) nos cuentan que todas las taladradoras cuentan con dos características comunes; un cabezal de husillo con husillo de taladrado vertical, que aloja y ejecuta el movimiento de avance. Y una bancada sobre la que sujeta la pieza, respecto a los ejes X y Y, debajo del husillo de taladrado. La taladradora de control numérico más sencilla solo cuenta con una mesa de coordenadas con control numérico. Y la profundidad de taladrado se prefija mediante topes mecánicos o accionadores de levas. El ciclo de taladrado se inicia una vez realizado el posicionamiento, mediante una señal emitida mecánica o electrónicamente sin participación del control numérico. Funcionamiento de las maquinas CN
De la misma manera Benítez Álvarez, J. (1995) nos dice que los ejes para una máquina CN se establecen por las normas de EIA RS 267A, las cuales son: 1. Los movimientos de los ejes primarios se establecen de acuerdo a la regla de la mano derecha 2. Los movimientos del husillo se realizan primariamente sobre el eje Z. los movimientos hacia la pieza sobre el eje -Z y los movimientos desde la pieza en el eje +Z 3. En la mayoría de las fresadoras, así como también en casi cualquier máquina CN, los movimientos sobre el eje X son aquellos que se realizan en el eje con mayor longitud y que es perpendicular al eje Z. los movimientos en -X, son directamente opuestos a los indicados en +X. El eje X es paralelo al sujetador de la pieza y se encuentra en el plano horizontal. los movimientos del eje X sobre un plano se realizan hacia la derecha, tal como lo ve el operador. 4. El movimiento sobre el eje Y es el más corto y es perpendicular al eje Z. Los movimientos indicados en dirección -Y son directamente opuestos a los indicados en +Y. El eje Y está en el mismo plano que el eje X. Observando el plano, el operador notará que el eje Y es perpendicular al eje X.
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III. TRABAJO A FUTURO
ACTIVIDAD INVESTIGACION DETALLADA SOBRE EL MECANISMO DISE O DEL MECANISMO PRUEBAS DEL MECANISMO Y REVISION DE DETALLES RESULTADOS CONCLUSIONES
TIEMPO DEL 2O DE MAYO AL 30 DE MAYO DEL 2017 DEL 1 JUNIO AL 6 DE JULIO 2017 DEL 8 DE JULIO AL 8 DE NOVIEMBRE 2017 DEL 10 DE NOBIEMBRE AL 21 DE NOVIEMBRE 2017 DEL 22 DE NOVIEMBRE AL 10 DE SICIEMBRE 2017
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REFERENCIAS Benítez Álvarez, J. (1995). Diseño e implementación de un controlador electrónico digital para convertir una máquina conv encional en un taladro con control numérico. (Tesis de licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México.
Groover Mikell, P. (1997). Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas . (Prentice-Hall Hispanoamericana, México, 1a. edición) pag. 925-926. Espinosa Herrera, O., Trujillo Martínez,S. (2004). Mantenimiento a un Torno CNC bajo Normas QS-9000. (Tesis de Licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México. Santana Vázquez, U. (1991). Medición de las fuerzas de corte durante el maquinado en taladro y torno. (Tesis de Licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México. Márquez Ramírez, R. (2007). Diseño e implementación del sistema de control para la fresadora cnc-932 del laboratorio de control. (Tesis de licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México. Manual curso de CNC torno (2009) recuperado el 29 de marzo del 2017, de http://www.conchambavivismejor.com/Descargas/Manuales/Manual%20Completo %20de%20Torno.pdf
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