SECRETARIA DE EDUCACIÓN PÚBLICA DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA
Informe Técnico De Residencia Profesional Tema: “Diseño de una grúa para el manejo de muestras en un sistema de depósito por Sputtering” Sputtering”
Presentado por: Rafael José Centeno Santana
Matricula: E11080912 Carrera: Ingeniería Mecánica. Ingreso: 10º Semestre
Asesor Interno: Dr. Enrique Josué Chan y Díaz Asesor Externo: Dr. Andrés Iván Oliva Arias
Lugar de realización: Cinvestav-IPN Unidad Mérida. Laboratorio de Microscopia. Microscopia.
Periodo Escolar: Enero – Julio Julio 2016
Contenido
Introducción. .................................................. ............................................................................ .................................................... ................................ ...... 1 Justificación ................................................... ............................................................................. .................................................... ................................ ...... 2 Objetivos .................................................. ............................................................................. ..................................................... .................................... .......... 2 Problemas a resolver...................................................... resolver................................................................................. ......................................... .............. 3 Actividades a realizar .......................... ..................................................... ...................................................... ......................................... .............. 4 Requerimientos ................................................. ........................................................................... ..................................................... ............................. 4 Inspección del lugar ................................................... ............................................................................. ............................................. ................... 5 Antecedentes de grúas para este tipo de sistemas ............................................... ............................................... 12 Propuestas de diseño ................................................. ........................................................................... ........................................... ................. 13 Análisis de movimiento. ................................. .......................................................... .................................................... ........................... 13 Modelo 1. ......................................................................... ................................................................................................... .................................. ........ 14 Modelo 2. ......................................................................... ................................................................................................... .................................. ........ 15 Modelo 4. ......................................................................... ................................................................................................... .................................. ........ 17 Modelo 5. ......................................................................... ................................................................................................... .................................. ........ 17 Mecanismos de funcionamiento. .................................................. ........................................................................ ...................... 18 Sistema neumático. ................................................. ............................................................................ ....................................... ............ 19 Sistema hidráulico............................. hidráulico........................................................ ...................................................... ................................... ........ 19 Sistema mecánico......................... mecánico.................................................... ...................................................... ....................................... ............ 20 ¿Por qué tornillo sinfín? .............................. ........................................................ .................................................... .......................... 21 Resultados y Vistas Finales. ................................................... ............................................................................. .............................. .... 22 Datos y cálculos sobre la grúa. ............................................ ...................................................................... .............................. .... 22 Tornillo sinfín y corona. ....................................... ................................................................. ............................................... ..................... 23 Tornillo de potencia y cálculo del d el motor. ....................................... ............................................................ ..................... 26 Selección del material ma terial y lista de d e materiales. ...................................................... ...................................................... 28 Simulación de materiales. ................................................. ........................................................................... .............................. .... 28 Conclusiones y recomendaciones ............................. ....................................................... ............................................ .................. 33 Competencias desarrolladas y/o aplicadas ...................................... ........................................................... ..................... 33 Referencias bibliográficas .................................................. ............................................................................. ................................... ........ 34
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Contenido
Introducción. .................................................. ............................................................................ .................................................... ................................ ...... 1 Justificación ................................................... ............................................................................. .................................................... ................................ ...... 2 Objetivos .................................................. ............................................................................. ..................................................... .................................... .......... 2 Problemas a resolver...................................................... resolver................................................................................. ......................................... .............. 3 Actividades a realizar .......................... ..................................................... ...................................................... ......................................... .............. 4 Requerimientos ................................................. ........................................................................... ..................................................... ............................. 4 Inspección del lugar ................................................... ............................................................................. ............................................. ................... 5 Antecedentes de grúas para este tipo de sistemas ............................................... ............................................... 12 Propuestas de diseño ................................................. ........................................................................... ........................................... ................. 13 Análisis de movimiento. ................................. .......................................................... .................................................... ........................... 13 Modelo 1. ......................................................................... ................................................................................................... .................................. ........ 14 Modelo 2. ......................................................................... ................................................................................................... .................................. ........ 15 Modelo 4. ......................................................................... ................................................................................................... .................................. ........ 17 Modelo 5. ......................................................................... ................................................................................................... .................................. ........ 17 Mecanismos de funcionamiento. .................................................. ........................................................................ ...................... 18 Sistema neumático. ................................................. ............................................................................ ....................................... ............ 19 Sistema hidráulico............................. hidráulico........................................................ ...................................................... ................................... ........ 19 Sistema mecánico......................... mecánico.................................................... ...................................................... ....................................... ............ 20 ¿Por qué tornillo sinfín? .............................. ........................................................ .................................................... .......................... 21 Resultados y Vistas Finales. ................................................... ............................................................................. .............................. .... 22 Datos y cálculos sobre la grúa. ............................................ ...................................................................... .............................. .... 22 Tornillo sinfín y corona. ....................................... ................................................................. ............................................... ..................... 23 Tornillo de potencia y cálculo del d el motor. ....................................... ............................................................ ..................... 26 Selección del material ma terial y lista de d e materiales. ...................................................... ...................................................... 28 Simulación de materiales. ................................................. ........................................................................... .............................. .... 28 Conclusiones y recomendaciones ............................. ....................................................... ............................................ .................. 33 Competencias desarrolladas y/o aplicadas ...................................... ........................................................... ..................... 33 Referencias bibliográficas .................................................. ............................................................................. ................................... ........ 34
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Introducción.
En el Laboratorio de Microscopía que se ubica en el CINVESTAV-IPN Unidad Mérida, se lleva acabo el estudio de las propiedades morfológicas, estructurales, eléctricas, térmicas y mecánicas de nanoestructuras de aleaciones metálicas. Estos estudios requieren del uso de nuevas metodologías experimentales, así como el desarrollo de nuevos diseños novedosos. El laboratorio se especializa por preparar materiales con métodos de evaporación libre y por la técnica de sputtering, en geometría de película delgada, que inciden directamente en el desarrollo desarrollo de tecnologías, como es el caso de materiales para para la microelectrónica, como el oro, aluminio, cobre y plata. El sistema de depósito por sputtering o en español pulverización catódica, es un método físico en el cual se realiza una vaporización de los átomos de un material sólido. Este tiene como objetivo formar películas delgadas sobre un sustrato, para posteriormente ser estudiadas. El proceso de sputtering tiene lugar en una cámara de vacío, esto es necesario para evitar que los gases residuales provoquen contaminación al momento del depósito sobre el sustrato. Para alcanzar un sistema limpio dentro de la cámara de vacío, es necesario realizar un alto vacío (presiones menores a 10 -6 mbar) para retirar todas las impurezas. Para el manejo seguro de estas cámaras que son de mucho peso, se requiere del uso de una grúa simple. En este informe se describe el desarrollo de un diseño preliminar sobre un dispositivo o máquina, el cual permita levantar un sistema de sputtering. Dentro del trabajo se discuten diferentes diseños, así también como las diferentes soluciones y conclusiones del mismo. Cabe mencionar que los diseños que se presentan más adelante son hechos con la ayuda de software avanzados de diseño denominados CAD (diseño asistido por computadora). El diseño para un estudiante, de la carrera en ingeniería mecánica, se enfoca al desarrollo y combinación de conceptos fundamentales. En el cual se encuentran soluciones adecuadas para problemas propuestos, de tal manera que debe Informe Técnico
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familiarizarse tanto en la práctica de componentes y con las bases para toma decisiones. Justificación
El mantenimiento preventivo de la cámara de vacío del sistema de sputtering que compone principalmente el sistema de crecimiento es un proceso crítico al momento de realizarlo, debido a la complejidad del armado y desarmado, así también como el riguroso cuidado al momento de limpiar las piezas. La máquina consta de dos tubos de acero inoxidable de 10 pulgadas de diámetro, con una altura de 23 centímetros cada una, acopladas en forma de brida con sus respectivas juntas. Y cada tubo que conforma la cámara de vacío tiene tubos de menor diámetro adaptados de forma perpendicular a ellas, con la funcionalidad de agregarle componentes para mediciones o simplemente tiene la función de mirillas (imágenes 7 y 8). Debido a la forma en la cual está diseñada la cámara y el lugar en donde está ubicado, se toma bastante tiempo y la necesidad de tener personas extras para poder realizar el mantenimiento o realizar alguna modificación extra al equipo. Además, se requiere realizar entre al menos dos personas con la posibilidad de algún accidente por el manejo manual. Por ello, se recomienda el diseño de una grúa portátil de poco peso y alta rigidez que pueda realizar la actividad de mantenimiento y de cambio de sustrato en el sistema de sputtering. Objetivos Objetivo general
Diseño de una grúa mecánica para realizar las maniobras de desarmado y armado de una cámara de vacío, de forma sencilla, cómoda y segura para el usuario, así como con el menor tiempo empleado. Objetivos específicos.
1.- Conocer la situación actual del sistema de preparación. Informe Técnico
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2.- Estudiar y comprender los requisitos y limitaciones del usuario. 3.- Realizar la inspección del lugar, y los espacios disponibles para su ubicación. 4.- Realizar diferentes propuestas de diseño. 5.- Evaluar cada propuesta con respecto a los requisitos y limitaciones planteadas. 6.- Realizar la elección del diseño más viable. 7.- Realizar un análisis a fondo, así como el estudio de mecanismos. 8.- Presentar conclusiones finales. 9.- Presentar diseños de modelos finales. Problemas a resolver
El problema que se presenta en esta ocasión conlleva a la intervención de la ingeniería para satisfacer las necesidades del usuario. En términos generales lo necesario y más viable para este problema es la ayuda de una grúa que realice las operaciones de maniobra para el desarmado y armado de la cámara de vacío. El objetivo a alcanzar en este periodo a realizar por el estudiante, es proponer el diseño de una grúa de dimensiones específicas, presentando la creatividad y competencia que un ingeniero mecánico puede adoptar para que el usuario se sienta entendido y satisfecho. 1. Identificar las dudas, necesidades y experiencias que presenta el usuario. 2. Generar una investigación de campo sobre el producto a diseñar y con base a los datos obtenidos realizar una retroalimentación para ver qué tanto se pueden satisfacer las dudas planteadas por el usuario. 3. Armar y proporcionar opciones de bosquejos y planos mediante la utilización de software de diseño, el cual ofrezca demostraciones concretas del diseñador hacia el usuario.
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Actividades a realizar
1. Revisión bibliográfica sobre el tema. Consiste en investigar los antecedentes, así como la búsqueda de modelos existentes y el estudio de los diferentes tipos de grúas en el mercado. 2. Aprendizaje del programa de diseño Solid Works. Se tendrá a disposición de un cierto tiempo en la cual aprenderá o terminará de aprender el uso del dicho programa. Mediante la ayuda de otras personas capacitadas o de explicaciones en foros de internet. 3. Requisitos y limitaciones en el diseño de la grúa de acuerdo con las necesidades del equipo de sputtering. Consiste en reconocer los requisitos del cliente, así también como las limitaciones del lugar en donde se colocara la grúa. 4. Propuestas de diferentes diseños de la grúa. 5. Evaluación de las propuestas y selección de la más viable. Requerimientos
Los requerimientos del usuario son muy importantes al momento de diseñar. Ya que éstos tiene una gran influencia dentro de los modelos y propuestas a presentar. A continuación se presentan los requerimientos que el usuario presentó: 1- Fácil de utilizar. 2- Facilidad para el mantenimiento. 3- Que cumpla la función en los espacios establecidos. 4- Que sea económico, comparadas a las del mercado ($10,000.00 MXN). 5- Que sea seguro. 6- Que la velocidad del movimiento de elevación y descenso sea rápido. 7- Accesible para el mantenimiento y otra operación. 8- Que sea portátil.
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Inspección del lugar
El proyecto se realizara en el CINVESTAV-IPN Unidad Mérida, dentro del Departamento de Física Aplicada ubicada en las instalaciones del Laboratorio de Microscopía. Por lo general, el laboratorio se encarga de preparar y caracterizar materiales metálicos y semiconductores en forma de películas delgadas, y caracterizarlos mediante diferentes técnicas, como son la Microscopia de Efecto Túnel (STM), Microscopia de Fuerza Atómica (AFM) y Microscopía electrónica. A continuación se presentan imágenes de las instalaciones en donde se pretende construir la grúa así como las de la cámara de vacío. Estas se muestran en las imágenes de la 1 a la 6.
Imagen 1.- Áreas dentro del
Imagen 2.- Ubicación de la
laboratorio de microscopia en
cámara de vacío por el método
Imagen 3.- Ubicación de la
donde se ubican las cámaras
de Sputtering.
cámara de vacío por el método
de vacío.
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de Sputtering.
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Imagen 4.- Cámara de vacío del
Imagen 5.- Parte superior
sistema de evaporación por
“Campana” de la cámara de
Imagen 6.- Parte inferior “Base”
Sputtering.
vacío.
de la cámara de vacío.
Como se puede apreciar en las imágenes 1 y 2, el espacio es bastante reducido, (los pasillos con poco menos de 70 cm), lo cual es ideal para 1 persona. Cuando se destapa la cámara de vacío, es necesaria la ayuda de otras personas con lo cual lleva a estar incomodo cuando son más de 2 ó 3 personas. Cuando se utiliza la cámara de vacío, es necesario retirarla axialmente, ya que el sello entre las partes de las cámaras es bastante sensible y un desplazamiento brusco puede llegar a pellizcar el sello y dañarlo al momento de retirar o colocar la cámara. Para ello es necesario de un desplazamiento constante y en una sola dirección a la vez.
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Imagen 7.- Tubos perpendiculares a la cámara de vacío colocadas en la parte de la “base” , tienen la función de instalar sensores extras.
Imagen 8.- Sensores de temperatura y de vacío actualmente conectados en la cámara de vacío.
El método actual con el cual se buscaba realizar las operación de desarmado y armado, es bastante rudimentario debido a las limitaciones del lugar. En la parte del techo, ubicado arriba de la cámara, imagen 9, tienen empotrado una barra de sección cuadrada, en el cual se amarra un cordón de nailon con varios carrillos, intentando ser una especie de sistemas de poleas, imagen 10, el cual tiene función de levantar la cámara en forma axial, y posteriormente reubicarlo en otra parte para realizar las operaciones correspondientes.
Imagen 9.- Tubo cuadrado empotrado en el techo.
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Imagen 10.- Cordón colocado con carrillos y sujeto a la cámara de vacío.
A continuación se mostrarán los esquemas y diagramas, en las cuales se plasmaron las medidas con las cuales se cuenta para empezar a realizar los primeros bosquejos y diseños de la grúa. Para ello, se necesitó de la ayuda de varios software de computadora (como es el AutoCad y el Solid Works) para poder revisar a detalle los espacios disponibles y tener en cuenta bien la limitación sobre la mesa y la cámara de vacío, estas se muestran en las imágenes de la 11 a la 15.
Imagen 11.- Diagrama general de medidas de la mesa, así como la ubicación de la cámara de vacío en la misma mesa. Dimensiones en centímetros. Informe Técnico
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Imagen 12.- Vista del perfil y dimisiones de la cámara de vacío. Unidades en centímetros.
El gabinete en donde se pretende colocar la grúa, tiene un espesor de 3.7 cm (imagen 12). Pero dada la estructura en la cual está apoyada la mesa de madera, ésta tiene por debajo un marco el cual refuerza la mesa (imagen 13) y se une con la estructura metálica, como se aprecia en la imagen 14.
Imagen 13.- Forma del marco el cual refuerza la estructura de madera.
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Imagen 14.- Visualización en 3D, de la cámara de vacío sobre la mesa de madera.
En base a esa configuración, la estructura de madera tendrá que respetarse, debido a su importancia.
Imagen 15.- Esquema de la estructura del marco de madera que conforma el gabinete donde se colocara la grúa. Dimensiones en centímetros.
En la imagen 15, se observa la parte sobrante donde se puede aprovechar el espacio para colocar el mecanismo de la grúa está marcada con las líneas moradas, por lo tanto se tiene que adaptar en esa área. En la imagen 16, se muestra el espacio real disponible debajo de la mesa para aprovechar. También, como se ve en la imagen 14, la mesa principal está conformada por una estructura metálica fabricada de PTR de 1 pulgada. La forma que tiene este diseño es debida a que en éste se colocan cajones extras (imagen 17), con el fin de Informe Técnico
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aprovechar todo el espacio disponible en esa área. También se aprovecha el espacio sobrante para el sistema de bombeo de vacío, imagen y el sistema de refrigeración del sistema de sputtering, imagen 18, dando como resultado un espacio reducido; sin embargo, es posible su acceso.
Imagen 16.- Espacio disponible, que se muestra
Imagen 17.- Cajonera adaptada a la estructura
en la imagen 15 con las líneas moradas.
metálica donde se coloca la cámara de vacío.
Imagen 18.- Sistema de refrigeración de la cámara de vacío y bomba de vacío colocados dentro de la estructura metálica.
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Antecedentes de grúas para este tipo de sistemas
En la actualidad no solo el Laboratorio de Microscopia realiza los crecimientos de películas delgadas de materiales. Dentro del Cinvestav-Mérida, existen otros departamentos que realizan estos métodos para diferentes fines (imagen 19), debido a ello, encontrar una máquina específica para dichas funciones se vuelve un reto y que en su caso es casi imposible solucionar. Sin embargo, a lo largo de la experiencia de los trabajadores y alumnos que han cursado servicios y prácticas profesionales han diseñado su propio sistema para realizar el desarmado de estas cámaras. Por el hecho de que el mercado para este tipo de máquinas es muy limitado y eso lo hace bastante costosos.
Imagen 19.- Sistema de evaporación por el
Imagen 20.- Sistema de evaporación por el
método de sputtering en los años 1990.
método de Sputtering en el año 2014.
Como se ve en la imagen 19, la cámara de vacío en los años 90 era destapada por una grúa manual, y se conformaba por un marco de hierro el cual funcionaba como riel para desplazarlo hacía otra parte de la mesa. En la imagen 20 se aprecia un sistema parecido al de los años 90, pero debido a las situaciones y tamaños que hoy en día presenta, se puede apreciar que usa motorreductores eléctricos o conocidos como wincher.
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Los diseños que se han realizado y construido dentro de las instalaciones, han sido inspirados en verdaderas grúas que existen en la industria. Pero han sido modificados para situaciones diferentes y de menor tamaño. Como es el caso de las imágenes anteriores.
De igual forma para este proyecto ha servido la investigación de grúas, así como su funcionamiento. Es importante destacar que los modelos presentados más adelante, tienen una cierta inspiración de otras máquinas ya existentes, debido a que en el mercado no existen una gran variedad de modelos. Propuestas de diseño
A nális is de movimiento.
Una vez conociendo las estructuras en la cuales se desea construir la grúa, se realizara el estudio del movimiento de traslación de la campana de la cámara de vacío. Se desea que éste realice un movimiento en arco (imagen 21), generando por un brazo de una longitud considerable al lugar. Dado a este movimiento el lugar de ubicación de la grúa es importante para la estructura de madera, así como el espacio disponible.
Imagen 21.- Esquema de la ubicación más viable para colocar la grúa, así también como su posible trayectoria en circunferencia.
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Dado que en el diseño estos movimientos y ubicaciones son temporales, pueden modificarse según a la complejidad del diseño. Para eso se estudiará cada modelo en particular que más adelante se presentan. La propuesta es la proyección o idea que se presenta para su posible aceptación y genere la conformidad para realizarlo. A continuación se presentan 6 modelos los cuales fueron estudiados, analizados y presentaron debates, y los cuales tuvieron lugar a nuevos modelos a partir del anterior.
Modelo 1.
Imagen 22.- Vista del modelo de la grúa número 1 en Solid Works.
El modelo 1, mostrado en la imagen 22, fue inspirado en las grúas usadas en la construcción de edificios, como se muestra en la imagen 23, debido a que todo el centro del pivoteo, es relativamente pequeño, aprovechándolo como centro de giro y así teniendo gran espacio en la mesa en donde estaría empotrado. Al igual que la imagen 24, este tipo de grúa tuvo inspiración en el primer modelo, debido a que es una de las que se comercializa hoy en día.
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Imagen 24.- Grúa portátil, usadas en camiones Imagen 23.- Grúa torre, usada para construcción
para cargas medianas, como son tambores de
de edificios y rascacielos.
substancias, tanques de gas, cargas sólidas.
La función de este modelo, es que la grúa tenga una altura adecuada para retirar la mitad de la cámara de vacío por medio de un sistema de poleas y cables. Que posteriormente el brazo giraría un ángulo, desplazándolo del lugar a trabajar o para poder trabajar con él. En este diseño se basa en encontrar dos tubos de diferentes diámetros, colocándolos de manera concéntrica, intentando hacer una especie de bisagra. Generando así un mecanismo de 1 grado de libertad. Modelo 2.
El modelo 2, fue una modificación en el modelo 1, presentado anteriormente. La única diferencia entre éste y el anterior, es que este presenta 2 grados de libertad, como es el de la grúa telescópica (imagen 25). Es decir, tendría un movimiento axial en la parte que conforman los tubos concéntricos, con el fin de que cuando no esté en funcionamiento, esté en una posición baja y prácticamente sea casi imperceptible, como es el caso de las grúas telescópicas. También se pensó en este grado de libertad por alguna situación, en la cual sea necesario sacar la cámara de vacío con todo y mesa fuera de las instalaciones y no tenga problemas para salir o entrar por puertas de baja altura. En la imagen 26 se presenta el esquema del modelo 2.
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Imagen 25.- Grúa telescópica. Imagen 26.- Esquema del modelo 2, en donde se aprecia la altura total cuando la grúa esta retraída, y cuando está en su punto más alto. Unidades en centímetros.
Modelo 3.
En la imagen 27 se aprecia el mismo mecanismo de tubos de concéntricos, conservando los 2 grados de libertad. Solo que en esta versión tiene una especie de tenazas la cuales tiene la función de abrazar como una faja la parte de arriba de la cámara de vacío. Siendo así un sistema libre de cables y poleas.
Imagen 27.- Modelo 3 en 3D en SolidWorks.
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Modelo 4.
En el modelo 4, (imagen 28) se redefinió el brazo, el cual levantaría la cámara de vacío. En los modelos anteriores se ha visto un brazo de un solo eslabón el cual tiene una trayectoria circular. A diferencia de las anteriores el modelo 4 tiene la intervención de un mecanismo de cuatro barras, como el que se usa en varias máquinas para la transición de movimientos (Imagen 29). En este caso el mecanismo tiene el fin de generar un arco más pequeño al momento de girar sobre el eje principal.
Imagen 29.- Mecanismo de 4 barras aplicado en Imagen 28.- Modelo 4 en 3D. SolidWorks.
el modelo 4.
En esta versión del modelo está contemplando los mecanismos que se han visto previamente, como es el deslizamiento telescópico. Sin embargo, al integrar un eslabón mas, para generar un mecanismo de cuatro barras, modifica el modo en el que se quiere sujetar la cámara de vacío. El cual se necesita de un rediseño. Modelo 5.
Como se presentó anteriormente, la idea de usar un mecanismo de cuatro barras para la grúa, fue un gran avance debido a que podría generar un arco más pequeño que cuando solo es una barra. A continuación se presenta la versión del modelo 5, que conservo el mecanismo de 4 barras. Esta se presenta en las imagen 30.
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Hay que aclarar que éste recibió más detalle, a diferencia de los anteriores, debido a que los grados de libertad aquí son más importantes y son de indispensable necesidad estudiarlos. Y gracias al software usado, en este se estudia la dinámica de los movimientos.
Imagen 30.- Modelo 5 en 3D, Vista de arriba.
Mecanis mos de func ionamiento.
Para poder expresarnos específicamente de la grúa, consideramos que se constituye en dos partes importantes. El primero es la disposición en la cual el mecanismo puede moverse con libertad, y a eso se refiere a todas las formas disponibles de colocar la cámara de vacío. La segunda parte importante de la grúa es el mecanismo primordial que cuya función hace que la máquina sea una grúa. Eso se refiere al mecanismo que levanta la carga que en este caso es la cámara de vacío. El ingeniero mecánico, sabe todo con respecto a los mecanismos, ya que ello son conocimientos fundamentales de su formación. Para realizar un movimiento lineal, que en su caso se necesita para levantar una altura una cierta carga, existen un número de mecanismos. La primera solución que se tuvo para levantar una carga, fue usar la solución neumática, debido a que la fuerza de la neumática en fácil de conseguir. En la Informe Técnico
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segunda solución se pensó en un sistema hidráulico. Y en la tercera solución se consideró un simple mecanismo de tornillo sinfín. A continuación se presentan las ventajas y desventajas de cada mecanismo. Sistema neumático. Un sistema neumático (imagen 31) es un circuito de conductos que por medio de la presión adquirida de un fluido gaseoso este logra generar fuerza para poder ser aprovechado.
Imagen 31.- Elementos básicos de un sistema neumático, 1.- Compresor, 2.- Tanque receptor, 3.Filtros, 4.- Regulador de presión, 5.- Pistón de carga. Ventajas
Desventajas
Levanta con cierta facilidad la carga
Es un mecanismo caro. Se requiere de un sistema de compresión de aire. Es voluminoso Mantenimiento delicados Refacciones con un poco de dificultad de encontrar.
Sistema hidráulico. Un sistema hidráulico consta de un circuito de conductos que por medio de la presión de un fluido líquido se logra generar fuerza (imagen 32).
Imagen 32.- Elementos básicos de un sistema hidráulico.
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Ventajas
Desventajas
Levanta con cierta facilidad la carga
Es un mecanismo caro. Se requiere de un sistema de compresión Es voluminoso y ruidoso. Mantenimiento delicado Refacciones con dificultad de encontrar.
Sistema mecánico. Un sistema mecánico, es una configuración de eslabones simples, y que al momento de unirlos realizan movimientos precisos como lo muestra la imagen 33.
Imagen 33.- Mecanismo de tornillo sinfín-corona. Ventajas
Desventajas
Levanta la carga con facilidad
Desgaste natural de las piezas.
Es un mecanismo económico a diferencia del neumático e hidráulico. Cuenta con elementos robustos Casi siempre no necesita de refacciones o en su caso se pueden fabricar. Mantenimientos sencillos. Es silencioso y no necesita de un mecanismo aparte. Ocupa poco espacio.
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¿Por qué tornillo sinfín? En mecánica existen varios tipos de mecanismos, como son la palanca, poleas, engranes bandas etc. Dentro de cada tipo de mecanismos, existen diferentes tipos de configuraciones de estos mismos. Como es el caso de engranes rectos, helicoidales, bandas dentadas, bandas planas, en V, sistemas de poleas etc. Y también
existen
combinaciones
de
configuraciones
que
realizan
nuevos
movimientos, ya sean complejos o difíciles de lograr por otros métodos.[3]. Como es el caso de la imagen 34. En este caso el sistema elegido fue el sistema mecánico. Pero en consecuencia siendo más específicos tiene sus propias ventajas y desventajas.
Imagen 34.- Mecanismo tornillo sinfín con su corona, diseñado en solidworks.
En general un sistema mecánico aprovecha un movimiento lineal o rotatorio, ya sea para convertirlo o transmitirlo en otro lugar. Así también para disminuir, aumentar o invertir su dirección o magnitud. En su mayoría un sistema mecánico depende de un motor eléctrico o a combustión, para realizar una tarea. En este caso se escogió un sistema de tornillo sinfín conectado a una tuerca de potencia. Esto es debido a que el mecanismo tornillo-corona, es un multiplicador de fuerza, que conecta un eje a alta velocidad (tornillo sinfín) y se lo transmite a un engrane helicoidal, con el fin de aumentar el par de fuerzas.
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Resultados y Vistas Finales.
En la sección anterior fueron presentados, diferentes modelos de grúas en los cuales se atendían diferentes formas y funcionamientos, a lo largo de cada modelo este sufrió mejoras o cambios radicales. También se hizo la comparación de ciertos mecanismos de funcionamiento en relación a la grúa, de forma que estos fueron diferenciados por ventajas y desventajas. El modelo seleccionado para el tipo de grúa el cual es el propósito de la residencia profesional, tiene como la elección el modelo número 5. Debido a que este fue el que tuvo más impresiones con respecto a la dinámica, las dimensiones, y funcionalidad. En tanto el mecanismo que se usara para su debido funcionamiento se usara de dos tipos de sistemas mecánicos, uno denominado tornillo sinfín y el otro tornillo de potencia. En este capítulo del informe, realizaremos aclaraciones de datos principales sobre la grúa, como son la carga nominal, deflexiones, potencias nominales para levantar la carga, etc. Datos y cálculos sobre la grúa.
Los datos principales del proyecto, fueron a decisión y criterio del diseñador. Debido a que este es el objetivo de las competencias demostradas en la empresa. Anteriormente ya se explicó con qué materiales está hecho y las formas que tiene la cámara de vacío, imágenes de la 4 a la 8. A continuación se describen más específicos datos relevantes para el diseño de la grúa.
Carga máxima de la grúa 50 kilogramos.
Altura de elevación 30 centímetros.
*Velocidad de elevación promedio 10 cm/min.
Tiempo máximo de elevación de 2.5 a 3 minutos.
(* los valores pueden variar, debido a la selección del tipo de motor *)
A continuación se presentan en las imágenes 35, 36 y 37 los detalles de la grúa.
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Imagen 35.- Modelo 5 en 3D.Vista de perfil.
Imagen 36.- Modelo 5 en 3D. Vista de las Imagen 37.- Modelo 5 en 3D. Vista de arriba.
conexiones.
Tornillo sinfín y corona.
Es un engrane helicoidal, con un ángulo de hélice tan grande que un solo diente se enrolla de manera continua alrededor de su circunferencia. El tornillo sinfín se parece a la rosca de un tornillo común, y la rueda es como su tuerca. [6]. Dentro de la literatura de diseño, presenta el consentimiento bajo ciertas normas como en este caso es el AGMA (American Gear Manufacturers Association). Dentro de las normas de la AGMA, recomienda como fórmula general (ecuación 1) usar la siguiente ecuación. Informe Técnico
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Donde C es la distancia que existe entre el centro del tornillo sinfín y la corona, y d es el diámetro de paso del tornillo sinfín. Esta ecuación reafirma el buen funcionamiento entre el tornillo y corona. La mayoría de los cálculos presentados aquí, están realizados con ecuaciones de importancia estándar. En las imágenes 38 y 39 se presentan las partes importantes de un tornillo sinfín y corona que se necesitan para el cálculo.
Imagen 38.- esquema del tornillo sinfín [4]. Imagen 39.- Esquema de la corona [4].
Como cualquier diseño, se parte de datos de inicio, y este es a criterio del diseñador, a continuación se presentan datos iniciales para el tornillo sinfín:
Modulo (M) = 1
Paso (P) = 3.14 mm
Angulo entre dientes (α) =29º
Angulo en el flanco del diente (β) = 14.5º
Número de dientes de la corona = 60 dientes
Utilizando las ecuaciones del libro “Cálculos de taller, A.L. Casillas” [4]. Se
presentara los resultados correspondientes dado a los datos anteriores.
Diámetro exterior (de) = 17 mm
Diámetro primitivo (dp) = 15 mm
Diámetro base (d) = 12.66 mm
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Altura total del diente (h) = 2.167 mm
Altura de la cabeza del filete (L) =1 mm
Altura del pies del filete (l) = 1.167 mm
Distancia entre centros de la rueda y sinfín (C) = 37.5 mm
A continuación se presenta en la imagen 40, el diseño del sinfín en solidworks.
Imagen 40.- Tornillo sinfín diseñado con los datos calculados.
Conociendo los datos preliminares del tornillo sinfín, podemos calculas los datos de la corona. A continuación se presentan los resultados, así también como su diseño en la imagen 41 en solidworks.
Modulo (M) = 1
Paso (P) = 3.14 mm
Diámetro externo (DE) = 62 mm
Diámetro Primitivo (DP) = 60 mm
Ancho de la rueda (A) = 13.47 mm
Concavidad periférica (R) = 7 mm
Angulo de las caras (α) = 45.23º
Imagen 41.- Diseño de la corona con los datos calculados.
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Tornillo de potencia y cálculo del motor.
Los tornillos de potencia (imagen 42) sirven para convertir movimiento rotatorio en movimiento lineal en actuadores, máquinas de producción y gatos elevadores, entre muchas otras aplicaciones. Son capaces de obtener ventajas mecánicas muy elevadas y, por lo tanto, tienen capacidad para elevar o mover grandes cargas. En estos casos se requiere una forma de rosca muy resistente. [1]. Roscas cuadradas proporcionan la mayor resistencia y eficiencia, además de que eliminan también cualquier componente de fuerza radial entre tornillo y tuerca. Sin embargo, son más difíciles de cortar, debido a su cara perpendicular. Para mejorar su manufactura se fabrica una rosca cuadrada modificada, llamada La rosca ACME. [6].
Imagen 42.- Tornillo de potencia, tipo rosca ACME. [1].
Datos de inicio para el cálculo del tornillo de potencia.
Diámetro mayor (dM)= 15 mm
Paso (P) = 4 mm
Numero de hilos = 1
Carga máxima a levantar = 50 kilogramos
Dado los datos iniciales, los cálculos arrojaron lo siguiente:
Diámetro medio o primitivo (dp) = 13 mm
Diámetro menor (dm) = 11 mm
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Diámetro medio del collarín (dc) = 29.2 mm Angulo de la rosca (2α) = 30º
Torque necesario para levantar 50 kilogramos = 13.908 kgf-cm
Imagen 43.- Tornillo de potencia diseñado en solidworks a partir de los cálculos obtenidos.
Imagen 44.- Collarín o tuerca de potencia diseñado en solidworks.
Las imágenes 39 y 40 muestran detalles y combinación del diseño de esta propuesta, según con los datos calculados.
Imagen 38.- Mecanismo tornillo
Imagen 39.- Diseño final del
corona, Versión básica usada
mecanismo tornillo-corona para
Imagen 40.- Mecanismo tornillo-
para el mecanismo de la grúa,
la grúa.
corona, acoplado en la grúa.
diseñado en solidworks.
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Conociendo el torque necesario para levantar la carga de 50 kilogramos en el tornillo de potencia, podemos calcular la potencia del motor. Sin embargo hay que tener en cuenta que es un mecanismo combinado. Es decir que el sinfín trasmite un torque a la corona y debido a la naturalidad del mecanismo, la corona multiplica un par torsional que transmite al tornillo de potencia, mediante un acople. (Ver imágenes de la 38 a la 40). Y el torque necesario para levantar, depende de la velocidad del motor, por el cual a continuación se presentan varios resultados en base a motores comerciales. Núm.
Velocidad RPM
Potencia Watt.
Potencia hp
Velocidad de elevación.(cm/min)
Tiempo para elevar 30 cm.(min)
1
1000
4.24
0.00569
6.6
4.54
2
1500
5.95
0.00798
10
3
3
1800
6.95
0.00933
12
2.5
4
2000
8.48
0.01138
13.33
2.25
5
2500
10.6
0.01422
16.64
1.8
6
3000
12.72
0.01707
20
1.5
7
3500
14.84
0.01991
23.3
1.28
Analizando los datos pretendiente para la selección de un motor, recomienda que pudieran ser los motores 2, 3, 4, y 5. Selección del material y lista de materiales.
Simulación de materiales. Analizando los materiales por medio de simulaciones en software, hace más confiable el diseño, así evitando posibles fallos en la operación de la maquina en caso de una construcción futura. A continuación se presenta el análisis estático de la grúa. Tomando como referencia las imágenes 35, 36 y 37, la estructura base que presenta es una viga en voladizo. Para estos análisis, se tomó la situación más críticas posible para esta configuración presentada.
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Datos:
Carga: 50 kilogramos Longitud de tubo 55 centímetros Diámetro del tubo 24.15 mm Espesor = 1.13 mm
Imagen 41.- Análisis estático de tensiones sobre un tubo de acero 1020 (tubo comercial).
Imagen 42.- Análisis estático de desplazamientos sobre un tubo acero 1020 (tubo comercial).
En la imagen 41 y 42, se observa el resultado de tenciones y desplazamientos debido a una carga de 50 kilos (490 néwtones) en un material comercial que vende en los mercados locales de Mérida. A continuación se presentan la comparación de los resultados obtenidos por medio de las ecuaciones del libro mecánica de materiales [2]. Informe Técnico
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Libro Mecánica de materiales.[2]
Tensión máxima 58.2 Mega-pascales
SolidWorks
Tensión máxima 59.89 Mega-pascales
Limite elástico 352 Mega-pascales
Limite elástico 351.6 Mega-pascales
Desplazamiento máximo 0.1602 mm
Desplazamiento máximo 0.1251 mm
Analizando los resultados obtenidos, por medio del libro y la simulación, tiene muy poca diferencia, esto se puede deber a datos como el momento de inercia, y los dígitos para el modulo elástico del material. Para sacar conclusiones más precisa, se realizara de nuevo un análisis más complejo que este, es decir agregarle una palanca al tubo en forma de viga en voladizo. Datos:
Carga: 50 kilogramos Longitud de tubo 55 centímetros Longitud de palanca (tubo cuadrado) = 54 centímetros Diámetro del tubo 24.15 mm Espesor = 1.13 mm
Imagen 43.- Análisis estático de tensiones sobre un tubo de acero 1020 (tubo comercial), con una palanca de tubo cuadrado de 25.4mm.
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Imagen 44.- Análisis estático de desplazamientos sobre un tubo de acero 1020 (tubo comercial), con una palanca de tubo cuadrado de 25.4mm.
A continuación se presentan la comparación de los resultados obtenidos por medio de las ecuaciones del libro mecánica de materiales [2]. Libro Mecánica de materiales.[2] Tensión máxima 330.3 Mega-pascales
Limite elástico 352 Mega-pascales Desplazamiento máximo 12 mm
SolidWorks
Tensión máxima 331.9 Mega-pascales Limite elástico 351.6 Mega-pascales Desplazamiento máximo 11.75 mm
Analizando los resultados de las dos simulaciones en situaciones críticas, podemos decir que el material es bastante resistente, para lo que se quiere usar. Dentro el mercado en el estado de Yucatán, que se pueden encontrar una gran variedad de materiales. Como son los metalúrgicos, eléctricos, electrónicos, ferreteros, etc. Pueden abastecer los materiales principales para una
futura
construcción de la grúa mecánica. Los materiales más importantes para una futura fabricación, pueden ser necesarios materiales comunes o comerciales, ya que hasta los materiales más básicos queda Informe Técnico
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sobrados de resistencia. Como son: barras de hierro dulce, barras de latón, tubos de hierro 1018 (tubo negro), barras de aluminio. A continuación se enlistan los materiales que serían útiles para su construcción: Materiales: Metales 1- Tubo de acero cédula 30 (tubo negro), de 1 ½ in. 2- Tubo de acero cedula 30, (tubo negro), de 1 in. 3- Barra redonda de latón de 3.5 in 4- Barra redonda de latón de 2 in 5- Barra redonda de aluminio de 5 in. 6- Tubo cuadrado (PTR) de 1 in. 7- Barra redonda de acero de 1 ¾ in. (1/2 metro) 8- Barra redonda de acero de 1 ¼ in. (1 metro) 9- Placa de acero de 3/16 espesor. (50 x 50 cm) 10- Placa de acero de 3 /8 de espesor. (15 x 15 cm) 11- Barra plana rectangular ancho 20 mm y espesor 3 mm (2 metros). 12- Buril de carburo de tungsteno 1/4 Tornillería 13- Tornillo hexagonal, di = 3/8, L=1.5 in, (con tuerca), 8 piezas. 14- Tornillo allen, di= ¼ in, L=1 in, 4 piezas. 15- Tornillo allen, di= ¼ in, L=3/4 in, 1 pieza 16- Tornillo hexagonal, di= 9/16 in, L=1 1/8 in, 1 pieza. 17- Tornillo hexagonal, di=3/8 in, L=3 3/8 in, (con tuerca) 1 pieza. 18- Tornillo allen, di= 3/16 in, L=1in (10 piezas) 19- Tornillo hexagonal, di=9/16, L=1 ¼ in, 1 pieza. Eléctrico/Electrónico 20- Un switch de balancín, de 1 polo, 1 tiro, 2 posiciones (on-off), con piloto. 21- 2 Micro switch con botón, para videojuegos o alarmas. (verde y rojo) 22- 2 Micro switch con palanca de lámina. (limit switch) 23- Fuente de poder de 12 voltios, fuente de pc 24- Banco de terminales de 2 filas, 24 tornillos. 25- Terminal de latón tipos faston, hembra, con forro completo. (varios) 26- Terminal de latón tipo faston, macho, con forro completo. (varios)
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Conclusiones y recomendaciones
La etapa de prácticas profesionales, es muy importante para el crecimiento profesional de un estudiante, ya que es un periodo en donde se está en un trabajo de la vida real, y por lo tanto tiene deberes y obligaciones con respecto a la institución o empresa. Se tiene que reconocer que durante el periodo de diseño tuvieron lugar varias dudas, debido a que es la primera vez de un proyecto de este tipo y sobre todo que estaría bajo la supervisión de ingenieros con experiencia. Sin embargo los conocimientos, prácticas y asesorías por parte de los profesores en Instituto Tecnológico de Mérida fueron de una gran ayuda. Por tal motivo me encuentro muy agradecido con ellos. Por parte del Cinvestav-IPN agradezco la oportunidad que me ofrecieron, así también como las personas que estuvieron al tanto de las asesorías. Como estudiante, recomiendo al Cinvestav como una empresa que promete a la ayuda del desarrollo académico y profesional del estudiante. Competencias desarrolladas y/o aplicadas
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Reconocer e identificar la necesidad real.
-
Definir el o los problemas.
-
Aplicación de diversos conocimientos adquiridos en la carrera.
-
Tener el liderazgo para el criterio de las ideas.
-
Tomar decisiones importantes.
-
Aplicar técnicas y principios científicos con el propósito de justificar y definir ideas.
-
Resolver el problema mediante el análisis y optimización.
-
Sintetizar y estructurar ideas u opiniones de otras personas.
-
Evaluar.
-
Presentar resultados.
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