Máquina para ensayos de microabrasión

Diapositiva 1

Faunier Alonso Zapata RodrguezJaime Andrs Catao BernalCarlos Andrs Gutirrez Bernal

Bogot D.C., noviembre de 2009Departamento de Ingeniera Mecnica y MecatrnicaLnea de Investigacin, Innovacin y Desarrollo TecnolgicoXXV MUESTRA DE MQUINAS Y PROTOTIPOSAUTOMATIZACION MAQUINA PARA ENSAYOS DE MICROABRASION

ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIN

Este equipo se desarrollo inicialmente con el proyecto:

DISEO, CONSTRUCCIN Y PUESTA A PUNTO DE MQUINA PARA ENSAYOS DE MICRO-ABRASIN TIPO BALL CRATERING en 2009-01

Bajo la direccin del ingeniero John Jairo Olaya y desarrollado por estudiantes de ingeniera mecnica como proyecto interdisciplinario


Este proyecto es financiado por la Universidad Nacional de Colombia a travs de la Unidad de Gestin de Proyectos y de la facultad de Ingeniera en la Direccin de Bienestar.


La Universidad espera el equipo automatizado y mejorado para la realizacin de ensayos por parte de los estudiantes de la maestra y el doctorado de materiales

ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACINPresupuesto

De estos recursos se ejecutaron el rubro referente a materiales y suministros adems del rubro referente a equipos.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Realizacin del ensayo de microabrasin.

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE Automatizacin del ensayo. Medicin exacta de la velocidad angular que tiene la esfera. Medicin exacta de la carga ejercida sobre la probeta. Aplicacin continua de la carga sobre la probeta Control de la velocidad del motor. Control de la carga aplicada. Adquisicin de datos referentes a los valores de carga, velocidad, velocidad angular de la esfera.

ANLISIS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING)En el mercado existen varios equipos para realizar un ensayo de microabrasin, a continuacin se presentan algunos de ellos y sus caractersticas principales.Es necesario mencionar que algunos de los fabricantes prestan el servicio de realizacin de las pruebas requeridas por el cliente.

Fabricante: GENCOAEquipo: BCM - Automatic Precision Ball Cratering System

Caractersticas principalesRotacin de la esfera sin excentricidad para garantizar huellas perfectas.Posicionamiento exacto de la prueba (rpida).Control de carga aplicada sobre la probeta entre 0 17N.Control de la duracin de la prueba por el nmero de rotaciones.

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Caractersticas principalesCapacidad de realizar ensayos sobre dispositivos delicados y semiconductores debido a la capacidad de carga baja

Imagen de huellas obtenidas con este equipo

Fabricante: GENCOAEquipo: BCM - Manual Precision Ball Cratering System

Caractersticas principalesCapacidad de realizacin de ensayos sobre probetas de geometras complicadasNo hay restriccin en el tamao de la probetaEquipo portatilEL equipo trae un microscopio de 40x son soporte y luz

Imagen de huellas obtenidas con este equipo

Fabricante: CEMECONEquipo: uso interno de CemeCon para control de calidad de recubrimientos

Caractersticas principalesEl fabricante no presenta las especificaciones tcnicas en la pagina web, se obtiene otra idea de conceptoDimensiones fsicas para mesa de trabajoInterfase de control simpleSoporte nico para el soporte de la probeta, sistema motriz y sistema de aplicacin de carga

Fabricante: FraunhoferEquipo: uso interno de Fraunhofer para control de calidad de recubrimientos

Caractersticas principalesEl fabricante no presenta las especificaciones tcnicas en la pagina web, se obtiene otra idea de conceptoInterfase de control simpleSoporte nico para el soporte de la probeta, sistema motriz y sistema de aplicacin de cargaCarga aplicada por gravedad

ESPECIFICACIONES DE INGENIERA (QFD)

FUNCIONES:DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIN FUNCIONAL

GENERACIN DE CONCEPTOS:VALORACIN DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIN GENERADAS

La generacin de conceptos se desarrollo de acuerdo al desglose funcional.


Las tablas de generacin y evaluacin de conceptos se generaron de acuerdo a los siguientes parmetros:Control sobre las variables de trabajo: carga aplicada sobre la probeta, velocidad del motor y tiempo de la prueba(5).Certeza de fiabilidad en los valores correspondientes a las variables de control (5).Aplicacin de fluido sobre la probeta segn se necesite(3).Opcin de cancelacin de la prueba si el usuario lo requiere(1)Mantenimiento mnimo(3)Aislamiento del fluido(1)Bajo costo(4)

GENERACIN DE CONCEPTOS:

Administracin de energa (elctrica y neumtica):Fuente DC con cilindro de aire comprimido (PASA)Fuente DC con fuente de aire de la red del laboratorio.Adaptador DC con cilindro de aire comprimido.Adaptador DC con fuente de aire de la red del laboratorio.


Someter probeta a carga:Prensa actual con pistn neumtico(PASA).Prensa actual con servomecanismo.Prensa actual por gravedad.Prensa nueva con pistn neumtico.Prensa nueva con servomecanismo.Prensa nueva por gravedad.


Sujecin y movimiento de la esfera:Tornillos directamente al eje(PASA).Ejes auxiliares con la preforma de la esfera por friccin.Eje roscado que penetra la esfera(PASA).Modulo de la esfera acoplada al eje(PASA).


Suministro y recoleccin de fluido abrasivo:Vlvula manual y embudo(PASA).Vlvula elctrica y embudo.Bomba y embudo.Vlvula manual recipiente en acrlico(PASA).Vlvula elctrica y recipiente en acrlico.Bomba y recipiente en acrlico


Sistema de control:PLC(PASA)Microcontrolador, teclado y pantalla LCD(PASA)Microcontrolador y computador(PASA)


EVALUACIN DE LOS CONCEPTOS

De las tablas de PASA-NO PASA, se descartaron la mayora de las opciones.


Sujecin y movimiento de la esfera:Tornillos directamente al eje(70).Eje roscado que penetra la esfera(70).Modulo de la esfera acoplada al eje(75).


Suministro y recoleccin de fluido abrasivo:Vlvula manual y embudo(57).Vlvula manual recipiente en acrlico(75).


Sistema de control:PLC(85)Microcontrolador, teclado y pantalla LCD(75)Microcontrolador y computador(82)

DISEO DOMINANTEEl diseo dominante obtenido es el siguiente:Administracin de energa: Fuente DC y suministro de aire comprimido de la red del laboratorio.Someter Probeta a carga: Prensa actual con pistn neumtico.Sujecin y movimiento de la esfera: Modula de esfera acoplada al eje de transmisin.Suministro y recoleccin de fluido: vlvula manual con recipiente en acrlico.Sistema de control: A pesar que el concepto ganador fue el de implementar un PLC, este se descarta por su elevado costo y su demosra en la entrega pues es importado.

GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTO

GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTOSELECCIN DE MATERIALES: Estos fueron escogidos dependiendo la aplicacin que fueran a ejercer, en este proyecto se presentan tres casos representativos, los cuales son:-Eje principal de rotacin, este fue fabricado en un acero 1020, laminado en frio (CR) ya que no tendr contacto alguno que pueda generar una reaccin qumica, adems que no estar expuesta a fuerzas cortantes ni esfuerzos de tensin que puedan sobrepasar los lmites permitidos para dicho material.

GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTO-Esfera para generar huellas, esta fue realizada sobre un acero inoxidable STAVAX, para que no se corroa despus de realizar un ensayo, ya que estos no se realizaran con mucha frecuencia, adems del tiempo que durara el receso de actividades acadmicas por motivos de vacaciones. Esta seleccin se baso tambin en un material que permita fcil maquinabilidad, en especial operaciones de corte y que posteriormente admita un tratamiento trmico de endurecimiento. -El tercer caso representativo de materiales es el de la cola de milano, esta se realizo en un acero 1020, laminado en frio igual que el eje principal de rotacin, con la gran diferencia que en este caso se parti de una lamina cuyas caractersticas se especifican en la seccin del proceso de manufactura.


SELECCIN DE COMPONENTES STANDARIZADOS: Esta se baso inicialmente en las restricciones dimensionales que se tenan tales como la longitud del eje principal, la de la prensa porta probetas y la cola de milano usada para guiar la probeta de manera optima, garantizando la excentricidad de esta con la esfera. Para estos casos se utilizaron tornillos estandarizados de 3/16 de pulgada con rosca NC, al igual que arandelas y tuercas para dichos tornillos.En la parte que tiene que ver con la unin de la cola de milano y el soporte porta mordazas, se utilizaron ngulos con uniones atornilladas, cuyos clculos se encuentran almacenados en el informe final.


MEJORA DE DETALLES: Estos detalles se enfocaron principalmente en la forma de agilizar y facilitar las operaciones de reparacin y de mantenimiento de la maquina. Adems en la rigidez de la misma para poder generar una huella que se encuentre dentro de los rangos permitidos por las normas establecidas para el ensayo. Por otra parte se distribuyeron las diferentes partes de la mquina de manera que un nico operario pueda manejar desde un espacio muy reducido por completo la maquina.

GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTOExperiencia sobre la aplicacin de herramientas de ingeniera: El subsistema de diseo que resulto ms interesante fue el de la esfera que genera las huellas de desgaste en las probetas, debido a los procesos que se llevaron a cabo para lograr el producto final. Las herramientas de ingeniera utilizadas fueron:En la parte de software se utilizo Solid Edge para crear la pieza en 3D y posteriormente generar el plano con dimensiones reales. Estas se basaron en el ensamble final de la maquina realizado en el mismo programa, ya que se tenan restricciones dimensionales que se deban tener en cuenta. Como paso final se paso el material base a mecanizado CNC y como final al tratamiento trmico para dar la dureza requerida.

DESCRIPCIN DE LA MQUINA



DESCRIPCIN DE LA MQUINAEXPLICACIN DEL MODO DE FUNCIONAMIENTO: El usuario ingresa los parmetros de la prueba a travs de la interfaz HMI, la maquina ajusta la velocidad de rotacin gracias en encder ubicado en el eje, posteriormente activa el pisto que une la probeta con la esfera y ajusta la presin de sta gracias a un motor que acciona la vlvula reguladora y a la celda de carga ubicada entre el pistn y la probeta. Posteriormente la maquina aguarda la orden de iniciar la prueba con la que activa el motor del eje de transmisin durante el tiempo preestablecido mientras se visualizan en el computador las variables en tiempo real, una vez finalizada la prueba, todos los parmetros son retornados a sus valores inciales y la maquina aguarda para una nueva prueba.

DESCRIPCIN DE LA MQUINAASPECTOS DE ERGONOMA CONSIDERADOS: la ubicacin de los componentes que van a ser manipulados por el usuario estn dispuestas de tal forma que se puedan operar desde un solo sitio evitando el desplazamiento alrededor de la maquina.

Adicionalmente el computador esta ubicado a una altura apropiada para una persona de pie, la probeta cuenta con fcil acceso y es fcil de montar y desmontar, la cual es la operacin mecnica mas comn que debe realizar el operario.

DESCRIPCIN DE LA MQUINAASPECTOS DE SEGURIDAD:Teniendo en cuenta que la maquina ser operada bajo condiciones de laboratorio y bajo la supervisin de personal capacitado, adems de que su funcionamiento no representa mayores riesgos para la integridad de las personas, no consideramos necesario implementar medidas de seguridad representativas.El eje de transmisin no contiene bordes pronunciados que puedan herir al operario si tiene contacto con este funcionando.El pistn esta regulado para que tenga un accionamiento relativamente lento y adems no ejerce una presin que pueda llegar a herir al operario.

Esquema electrnico

AcelerarNoSiIgual?

Obtener datos.-Tiempo en segundos-Velocidad angular en RPM-Presin en NewtonTransformar datos a formato apto para el microcontroladorTransmitir datos del PC al microcontroladorActivar motorComparar la velocidad actual con la deseadaActivar motor de la vlvula en sentido horarioNoSiIgual?

Desactivar motorComparar la presin actual con la deseadaActivar pistnEsperar 10 segDiagrama de flujo(1):uCuCuCuCuCuCuCuCPcPcPc

Diagrama de flujo(2):NoIgual?

Transmitir seal ReadyActivar motorTransmitir Tiempo, Presin y Velocidad angularTransformar datos a formato apto para el usuarioComparar tiempo actual con el deseadoTransmitir seal StartVisualizar en la pantalla los datosMedir Tiempo, Presin y Velocidad angularuCuCuCuCPcuCuCPcPcSi

Diagrama de flujo(3):Activar el motor de la vlvula en sentido anti horarioDesactivar el motorComparar presin actual con la presin mnimaEsperar 10 segTransmitir FinishDesacelerarDesactivar motorNoSiIgual?

NoSiIgual?

Desactivar el pistnActivar el motorComparar velocidad actual con la velocidad mnimauCuCuCuCuCuCuCuCuCuC

Interfaz grafica (1):

Interfaz grafica (1):

APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEOCon la automatizacin de este equipo se benefician los estudiantes de postgrado de la universidad de tal forma que no tienen que realizar los ensayos con equipos ajenos a los de la universidad

ANLISIS ECONMICODescripcinCantidadCostoFuente 12V 3.33A1$30.000Motoreductor 6V1$50.000Polea2$1.856

ANLISIS ECONMICODescripcinCantidadCostoTubo poliuretano 6mm Dia externo2 m$5.308Tubo poliuretano 10mm Dia externo1 m$6.630Conector 1/8 para tubo de 6mm3$12.159

ANLISIS ECONMICODescripcinCantidadCostoSilenciador plastico 1/82$13,507Electrovalvula 5/2 doble mando 12V DC1$238,960Cable Serial-Usb1$28,000

ANLISIS ECONMICODescripcinCantidadCostoMicrocontrolador ATMega81$7,000Demas componentes electronicos1$70,000Impresion y soldadura en vaquela1$40,000

ANLISIS ECONMICODescripcinCantidadCostoEsfera final1$192.000Eje de transmision1$58,000Cola de milano1$56,000

ANLISIS ECONMICODescripcinCantidadCostoDemas componentes mecanicos1$15.000Acople motor vlvula reguladora1$15.000Total21$840.000

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESTanto la universidad como los ingenieros y profesores encargados de los talleres y laboratorios estn siempre prestos a apoyar e incentivar el trabajo de los grupos interesados en desarrollar actividades extracurriculares; con la debida gestin se pueden acceder a recursos y maquinas para desarrollar dichos proyectos.A pesar de la costumbre que tenemos como estudiantes de realizar proyectos en su parte de diseo paralelamente con la de construccin y en la mayora de los casos sin finalizacin, en esta asignatura tuvimos la oportunidad de corroborar la importancia del debido proceso para garantizar el xito y la calidad del producto lo cual es de vital importancia en el sector laboral que se nos aproxima.Este proyecto en particular fue muy interesante pues integraba aspectos electrnicos, de programacin, automatizacin y mecnica propios de las carreras de Mecatrnica y Mecnica, lo que permiti utilizar conocimientos de materias como Programacin, Microcontroladores, Sensores y Actuadores, Resistencia de Materiales, Diseo Mecatrnico, Circuitos Electrnicos, Control, Diseo de Maquinas, Procesos de Mecanizado entre otros.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE INGENIERA EMPLEADASULRICH KARL y EPPINGER STEVEN. Diseo y Desarrollo de Productos, EnfoqueMultidisciplinario, McGraw Hill Interamericana, 2004.ULLMAN DAVID. The Mechanical Design Process, McGraw Hill International Editions,1992.ALCALDE JORGE y DIEGO JOSE. Diseo de Producto, Metodos y Tecnicas, UniversidadPolitecnica de Valencia: Alfaomega, 2004.Datasheet ATMega8- AtmelDatasheet Celda de carga S35Datasheet Encoder Serie E50S8

HERRAMIENTAS DE INGENIERA EMPLEADASSolid Edge V. 20.Matlab V. R2008a.AVR Studio 4.PonyProg2000.Microsoft Office 2007.

MUCHAS GRACIASFaunier Alonso Zapata Rodrguez- [email protected] Andres Catao Bernal- [email protected] Andres Gutierrez Bernal- [email protected]

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