Marco tericoCaptulo 1. Definicin de conceptos fundamentales.

1. AutomatizacinPara el desarrollo del este proyecto comenzaremos por definir que es la automatizacin:En trminos fciles de entender la automatizacin es: Aplicacin de mecanismos automticos especialmente a diversas fases de un proceso determinado La automatizacin es un sistema donde se transfieren tareas de produccin realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnolgicos. Un sistema automatizado, consta de dos partes principales:

1. Parte operativaLaParte Operativaes la parte que acta directamente sobre la mquina. En otras palabras, son los elementos que hacen que la mquina se mueva y realice la operacin deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadoresde las mquinas como motores, cilindros, compresores y los captadores como fotodiodos, finales de carrera.

2. Parte de mandoLaParte de Mandosuele ser un autmata programable (tecnologa programada), aunque hasta hace poco se utilizaban rels electromagnticos, tarjetas electrnicas o mdulos lgicos neumticos (tecnologa cableada). En un sistema de fabricacin automatizado el autmata programable est en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.

1.1 Objetivos de la automatizacin

Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costos de produccin y mejorando la calidad de la misma. Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos peligrosose incrementando la seguridad. Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente. Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades necesarias en el momento preciso. Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulacin del proceso productivo. Integrar la gestin y produccin.

1.2 Motor de corriente directa

El motor elctrico es un dispositivo que transforma la energa elctrica en energa mecnica por medio de la accin de los campos magnticos generados en sus bobinas. Son mquinas elctricas rotatorias compuestas por un estator y un rotor.Algunos de los motores elctricos son reversibles, ya que pueden transformar energa mecnica en energa elctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores elctricos de traccin usados en locomotoras o en automviles hbridos realizan a menudo ambas tareas, si se disean adecuadamente.Son utilizados en infinidad de sectores tales como instalaciones industriales, comerciales y particulares. Su uso est generalizado en ventiladores, vibradores para telfonos mviles, bombas, medios de transporte elctricos, electrodomsticos, esmeriles angulares y otras herramientas elctricas, unidades de disco, etc. Los motores elctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (DC), y por fuentes de corriente alterna (AC).

1.3 Mecanismo pin-cremalleraEl mecanismo pin-cremallera tiene por finalidad la transformacin de un movimiento de rotacin o circular (pin) en un movimiento rectilneo (cremallera) o viceversa. Este mecanismo como su mismo nombre indica est formado por dos elementos componentes que son el pin y la cremallera.

1. PinEl pin es una rueda dentada normalmente con forma cilndrica que describe un movimiento de rotacin alrededor de su eje.2. cremalleraLa cremallera es una pieza dentada que describe un movimiento rectilneo en uno u otro sentido segn la rotacin del pin.El mecanismo pin-cremallera: funciona como un engranaje simple, esto significa que tanto la cremallera como el pin han de tener el mismo paso circular y, en consecuencia, el mismo mdulo.

1.3.1 Seleccin del mdulo del mecanismo pin cremalleraEl primer paso es calcular la carga tangencial sobre el diente del pin/cremallera y considerar la velocidad lineal de desplazamiento. Con estos datos podemos ir a seleccionar directamente el mdulo apropiado para la transmisin que estamos calculando pero es importante sealar que los datos de carga calculados son datos tericos, vlidos para mecanismos en condiciones ideales de funcionamiento como son por ejemplo ausencia de golpes (choques), de deformaciones estructurales (rigidez), una alineacin perfecta pin - cremallera sin errores de mecanizacin, etc.Por este motivo, se debe de aplicar al dato calculado de carga tangencial un coeficiente de seguridad que oscila entre 1,5 y 3 para lo cual y de forma orientativa se adjunta un cuadro de coeficientes en funcin del tiempo de utilizacin de la mquina y el tipo de carga con que funciona la misma.Tomada la decisin del coeficiente de seguridad a aplicar y una vez multiplicado por la carga calculada empricamente por una parte y por la otra la velocidad lineal, es cuando podemos ir a los diagramas de seleccin.Estos diagramas estn basados en las consideraciones de LEWIS y HERZ y para su clculo se han introducido oportunamente unos coeficientes de correccin al objeto de garantizar el respeto de los valores de flexin en la base del diente y de la presin de Herz adecuada a las caractersticas de los materiales y de los tratamientos trmicos propuesto.A continuacin mostramos una tabla orientativa para seleccionar el coeficiente de seguridad ms adecuado para cada aplicacin.

Figura 1. Tabla de coeficiente de seguridad

1.3.2 Clculos para la seleccin de cremalleras

Partiendo unas condiciones mecnicas previas como son la masa a desplazar, velocidad, aceleracin de la misma y coeficiente de seguridad tenemos que deducir las fuerzas corregidas que nos permitan entrar en las tablas RECTO - HELICOIDAL que nos informarn del mdulo ms adecuado y con l el nmero de dientes del pin.Existen dos opciones inciales: Fuerza Tangencial horizontal o vertical.El clculo es el mismo slo se diferencia en la fuerza a tener en cuenta.

Figuras 2 y 3. Formulas para clculo de fuerza tangencial real y corregida respectivamente

Con este valor se entra en los diagramas RECTO-HELICOIDAL de seleccin del mdulo (se muestran a continuacin). 1.3.3 Diagrama de seleccin del mdulo del dentado

A la hora de seleccionar el mdulo se entra en la tabla con la fuerza tangencial y se cruza con la velocidad lineal. El punto de interseccin marca el mdulo de la transmisin (la lnea roja a la derecha de la interseccin ms cercana). La interseccin de la lnea horizontal con la lnea del mdulo marca la fuerza tangencial mxima.

Figura 4. Tabla DMD. Mdulo dentado recto

Figura 5. Tabla DME modulo dentado helicoidal

Seleccin de material de acuerdo al modulo

Figura 6.Tabla de seleccin del modulo

Se determina entonces el tipo y la dimensin de la cremallera necesaria segn los materiales y los tratamientos disponibles, y con el mdulo el dimetro primitivo del pin:

Figura 7.Formula para determinar el dimetro primitivo.Los datos inciales a tener en cuenta son:

Masa a trasladar/elevar. Velocidad lineal. Aceleracin. Rendimiento mecanismo cremallera. Coeficiente de seguridad.

Con estos datos deducimos los valores del mecanismo:

Fuerza tangencial vertical/horizontal corregida. Mdulo (en funcin del material). Velocidad de giro Par a transmitir

Nota: Si aparecen limitaciones de tipo dimensional (espacio ocupado por el pin, distancia entre ejes, etc.), se puede establecer un nmero de dientes adecuado a las exigencias del mecanismo, escogiendo las caractersticas del motor.

Por ejemplo: Supongamos que tenemos un espacio para el dimetro exterior del pin no superior a 104 mm, se determinan las caractersticas del grupo motor-reductor a aplicar al pin. Deducimos el nmero de dientes del pin y a partir de l los valores de par de giro y revoluciones del pin.

1.4 CortacorrienteEs un dispositivo de seguridad que, como dice su nombre, corta o abre el paso de la corriente elctrica que va hacia el motor para que esta no alimente el motor. Para instalar un cortacorriente requerimos: Una fuente de energa Un interruptor Mecanismo que se activara o desactivaraSi presionamos el interruptor tendremos dos cosas el clic de encendido del motor y en la siguiente posicin el motor funcionando.

1.4.1 Elementos que integran un cortacorrienteLos materiales y equipos a utilizar en la construccin de cortacorrientes son: Aislador: El aislador debe ser de porcelana slida y lisa y completamente libre de imperfecciones en su superficie, con las distancias de fuga mnimas. Vstago o portafusiles: Deber ser rgido, fabricado de material sinttico de base fenolitica recubierto con resina epoxica y fibra de vidrio con una pelcula exterior de pintura o base de poliuretano.

Sistema de contactos: Los elementos que forman parte del sistema de contactos en los cortacorrientes, se instalaran en los dos extremos del porta fusibles, tomando el contacto superior y contacto inferior.

Base y soporte de fijacin: Debe ser fabricado de acero al carbono grado 1020, con un espesor adecuado para garantizar su rigidez.

Terminales para conectores: Los conectores deben ser para conectores, tipo prensa guaya, barracuda o compresin.

Mecanismo de operacin y sistema de seguridad: Este sistema estar conectado en el porta fusibles.

1.5 Invertir el giro del motorPara cada motor existe una manera para que este gire en sentido inverso, esto nos dar el cierre o apertura de la puerta. Si cambiamos la polaridad del voltaje, un motor de corriente continua girara en sentido inverso, si intercambiamos la conexin de embobinado de arranque a un motor monofsico esto har que gire en sentido inverso, para invertir el giro en un motor trifsico tenemos que intercambiar de lugar una de las fase de alimentacin. Solo por mencionar una opcin, aunque existen otras alternativas por ejemplo haciendo uso de uno o relevadores segn convenga al mecanismo.

1.5 Rodamientos

Los rodamientos son tambin denominados informalmente o vulgarmente rulemn. Es un tipo decojinete, (como se le llama en Guatemala) que es unelemento mecnicoque reduce lafriccinentre unejey las piezas conectadas a ste por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento.

1.5.1 Caractersticas y clasificacin de los rodamientosLos rodamientos estn formados por dos anillos, los elementos rodantes, y una jaula y se clasifican en rodamientos radiales o rodamientos de apoyo dependiendo del tipo de elementos rodantes, se clasifican en rodamientos de bolas o de rodillos y se subclasifican mas en funcin de sus diferencias en diseo o uso especfico.

Los tipos ms comunes de rodamientos y la nomenclatura de las partes de rodamientos se indican en la figura 8 y en la 9 se ofrece una clasificacin general de los rodamientos

Figura 8. Tipos ms comunes de rodamientos.

Las ventajas de los rodamientos son los siguientes: Su par inicial o friccin es bajo y la diferencia entre el par inicial y el de funcionamiento es muy pequea. Con el avance de estandarizacin a nivel mundial los rodamientos se pueden encontrar en cualquier parte y son fcilmente intercambiables. El mantenimiento, la sustitucin y la inspeccin resultan sencillos a consecuencia de la simplicidad de la estructura de montaje. La mayor parte de los rodamientos pueden soportar cargas tanto axiales como radiales de forma simultnea o independiente. Los rodamientos se pueden utilizar en una amplia gama de temperaturas. Los rodamientos se pueden precargar para conseguir holguras negativas y conseguir una mayor rigidez.

A continuacin se muestra una tabla de la clasificacin y caractersticas de los rodamientos.

Figura 9. Caracteristicas de los rodamientos

1.5.2 Criterio de seleccin de los rodamientosEl nmero de aplicaciones para los rodamientos es incontable y de la misma manera vara enormemente las condiciones y los entornos de trabajo. En general la seleccin de rodamientos se hace en funcin de las condiciones de trabajo, espacio disponible, facilidad de montaje, costo, disponibilidad, entre otros.El tamao del rodamiento se selecciona de manera que estos puedan cumplir con la duracin esperada. De esta forma, adems de la vida frente a la fatiga, el ruido y las vibraciones, es necesario tener en cuenta la duracin de la grasa y el desgaste.

No existe un procedimiento determinado para seleccionar los rodamientos, sin embargo el diagrama siguiente muestra un ejemplo del procedimiento para la seleccin de un rodamiento.

Figura 10. Diagrama de criterios de seleccin de los rodamientos

Captulo 2. Clculos para el diseo del mecanismo de automatizacin de la puerta.[]Para el desarrollo de la automatizacin de la puerta comenzaremos por definir cules son los elementos integran la parte operativa y cuales integran la parte de mando. La parte operativa de este proyecto estar integrada por:1. Motor de corriente directa de 0.20 Hp, de 60 RPM2. Rodamientos3. Pin y cremallera

La parte de mando estar integrada por:1. Interruptor2. Relevadores3. Cortacorriente4. Inversor de corriente

2.1 Parte operativa

Para determinar las dimensiones del mecanismo pin-cremallera y el tipo de rodamientos que usaremos, comenzaremos por determinar el peso de la puerta que mover.

2.1.1 Material de la estructura y puertaEl tipo de material que se usara para la fabricacin de la puerta ser lmina galvanizada, usada para la La lmina galvanizada tiene un sin nmero de aplicaciones, en construccin, automviles fabricacin de herramientas. La lmina galvanizada tambin sirve para elementos que estan a la intemperie como hojas de puerta, tinas, soportes internos de estufas etcCaractersticas de lmina galvanizadaLa corrosin que se evita con el proceso de galvanizado es causada por la exposicin de la lmina galvanizada a otros metales en presencia de un electrolito o al oxgeno y agua. Al poner una barrera para cubrir el acero, el galvanizado es capaz de resistir mejor las fuerzas destructivas que puedan actuar contra el acero.Aunque esta capa de galvanizado se puede deteriorar con el tiempo es un recurso til para prolongar la vida del acero.El proceso de produccin de una lmina de galvanizada por lo general implica nada ms que esa hoja de inmersin en zinc muy caliente. Despus de que el acero es galvanizado, el recubrimiento de zinc reacciona con el oxgeno para crear xido de zinc, que reacciona con agua, produciendo hidrxido de zinc. Con el tiempo, hidrxido de zinc reacciona con el dixido de carbono y el carbonato de zinc forma una capa gris que ayuda a disminuir la velocidad de reaccin del zinc y ayuda a proteger el acero.fabricacin de elementos que estn en la intemperie como hojas de puertas, tinas, soportes internos de estufas, entre otros. Es una lmina de acero que ha sido sometida a un proceso de inmersin en caliente, con la finalidad de prevenir la corrosin.

2.1.2 Dimensiones de la puertaSegn las especificaciones tcnicas una lmina galvanizada de 0.343 mm de espesor y de 115x25cm pesa 35.5 kg aproximadamente, que equivale aproximadamente a las dimensiones reales de la puerta de la unidad a ( en escala 2 :, la puerta medir 35 c de ancho por 50 cm de altura y 0.3 cm de espesor) las medidas equivalen a la mitad de las dimensiones reales de la unidad , por lo que el peso de 35.5 kg se dividir a la mitad, falta agregar el peso del cristal que llevara en la ventana.El peso de la hoja de vidrio es de 2.5 kg por mm de espesor y se estima 0.5 kg de marco. Se le agregara una estructura de soporte cuyo peso aproximado ser de 3.7 kg.

Figura 12.Vista frontal de la puerta Figura 13. Vista interior de la puerta

Las dimensiones de la ventana sern: 360x230mm, el espesor del cristal es de 5mm, por lo tanto lo hoja pesara 0.414 kg. Las medidas de las estructura total sern de 50 cm de altura, 1.10 m de largo y tendr un espesor de 0.3 mm. Para determinar el peso total de la puerta sumaremos los siguientes datos:

Peso de la puerta + marco + cristal + estructura de soportePeso total = (0.414+35.5/2+0.5+3.7)

El peso total de la puerta ser de 22.364 kg para hacer ms exactos los clculos redondearemos a 22.5 kg.

2.2 Diseo del mecanismo pin-cremallera 2.2.1. Material pin-cremalleraMaterial para pin y cremallera: Acero estructural SAE 1045El material seleccionado para el mecanismo pin-cremallera es acero de mediano contenido de carbono, utilizado ampliamente en elementos estructurales que requieren mediana resistencia mecnica y tenacidad a bajo costo.

Figura 14. Acoplamiento pin-cremalleraComposicin qumica

%C%Mn%Si%P%S

0.18-0.230.30-0.600.15-0.350.040.05

La lmina galvanizada tiene un sin nmero de aplicaciones, en construccin, automviles fabricacin de herramientas. La lmina galvanizada tambin sirve para elementos que estan a la intemperie como hojas de puerta, tinas, soportes internos de estufas etcCaractersticas de lmina galvanizadaLa corrosin que se evita con el proceso de galvanizado es causada por la exposicin de la lmina galvanizada a otros metales en presencia de un electrolito o al oxgeno y agua. Al poner una barrera para cubrir el acero, el galvanizado es capaz de resistir mejor las fuerzas destructivas que puedan actuar contra el acero.Aunque esta capa de galvanizado se puede deteriorar con el tiempo es un recurso til para prolongar la vida del acero.El proceso de produccin de una lmina de galvanizada por lo general implica nada ms que esa hoja de inmersin en zinc muy caliente. Despus de que el acero es galvanizado, el recubrimiento de zinc reacciona con el oxgeno para crear xido de zinc, que reacciona con agua, produciendo hidrxido de zinc. Con el tiempo, hidrxido de zinc reacciona con el dixido de carbono y el carbonato de zinc forma una capa gris que ayuda a disminuir la velocidad de reaccin del zinc y ayuda a proteger el acero.

Propiedades mecnicas del acero

Dureza(HB)Fluencia(min.)(Kg/mm2)Esfuerzo traccin(KG/mm2)Elongacin(min.)%

110-1302740-4520

Figura 15. Composicin qumica y propiedades mecnicas del material que se usara para maquinar el pin y cremallera.

2.2.2 Seleccin del mdulo del mecanismo pin cremalleraEl primer paso es calcular la carga tangencial sobre el diente del pin /cremallera y considerar la velocidad lineal del desplazamiento.Clculos para el diseo de la cremalleraPartiendo de datos como: masa a desplazar, velocidad y coeficiente de seguridad, tenemos que deducir las fuerzas corregidas que nos permitan consultar las tablas recto-helicoidal, que nos ayudaran a determinar el modulo ms adecuado con dientes del pin.Datos disponibles para los clculosLos datos requeridos para el diseo del pin son los siguientes: Numero de dientes del pin (N) = 14 Dimetro interior del pin: 3.5 cm. Longitud de la cremallera 30 cm. Numero de dientes de la cremallera por centmetro 4 Peso de la puerta: 22.5 Kg Velocidad lineal 0.035/m/s Rendimiento Pin-cremallera 90% Coeficiente de seguridad 2.25Con este valor, determinamos el tipo y dimensin de la cremallera adems del mdulo del dimetro primitivo del pin.

Dnde:Ftv 0 Fth fuerza tangencial horizontal/vertical, dp dimetro primitivo (mm), M es el modulo y finalmente n es rendimiento pin/cremallera.Entonces la fuerza tangencial horizontal real es:

La fuerza tangencial horizontal corregida es:

89.40 NDespus con el valor de la fuerza tangencial entramos en la tabla de seleccin para diente recto y deducimos el tipo y dimensiones de la cremallera.Figura 16. Tabla de seleccin del modulo del mecanismo pin-cremallera

La tabla nos muestra los resultados siguientes:Dentado recto =0Modulo seleccionado: M= 2Fuerza tangencial mxima: 4000N Seleccionado el modulo suponemos, para deducir el par necesario un numero de dientes, en este caso ser:Z= 14M= 2

A partir de aqu se determina la dimensin del Pin y el par necesario para transmitir esa fuerza.Dimetro primitivo horizontal (dp)

Siendo M el par de giro (Nm) de 0.6180 NmDp= Numero de dientes (Modulo)Dp= (14) (2)= 24Para la cremallera:Numero de dientes para la cremallera por centmetro: 4Longitud de la cremallera: 30 cmDp= ZMDp= (14) (2) = 28Pc= M = ()(2)= 6.28mmDe= Dp + 2M = 28 + (2) (2) =32mmS= Pc (21)/40 = 6.28 (21)/40 = 3.297mmDi = Dp -2(1.25) (M) = 28-2(1.25) (2) = 23mmCabeza del diente = M = 2Pie del diente = 1.25 (M) = 1.25 (2) = 2.5Altura del diente = 2.25 (M) = 4.5

2.2.3 Velocidad de giro que se pretende alcanzarSi la velocidad de giro del pin (N) se da en revoluciones por minuto (rpm), la velocidad lineal de la cremallera (v) resultara en centmetros por minuto (cm/minuto)..Dnde: Z es el nmero de dientes del pin, N es el nmero de dientes por centmetro de la cremallera.

La velocidad de avance (V) o retroceso de la cremallera ser:

2.2.4 RodamientosSegn la tabla siguiente los rodamientos que se usaran son de uso poco frecuente, usados en aparatos de demostracin o puertas correderas su vida en horas es del 90% y es de 500 a 2000, segn se muestra en la figura 17.

Figura 17. Duracin o vida til para rodamientos giratorios.Los rodamientos que existen en el mercado son diseados para soportar cargas superiores a los 360 kg, sin embargo como se esta trabajando en un prototipo cuya carga es inferior a los 25 kg, trabajaremos con rodamientos de bolas que soportan una carga radial Fx = 360 kg y una carga de empuje axial de Fz = 315 Kg a 1750 rpm. El servicio que ofrecera es de 7 dias a la semana y continuo seproyecta para 18,000 horas. El funcionamiento sera suave y con poca vibracion.Fr= (B) ^ (1/3) (Fe)Mr= Millones de revoluciones, Br=1, K=3 para cojinetes de bolas rgidos18,000 hrs a rpm se convertir a 1750 rpm en millones de revolucionesB=18,000(60) (1750) (10^6)=1890MrTomamos un valor supuesto para Ct =1.8 aunque este valor lo comprobaremosCr = 1.2 (para el arco exterior giratorio).La carga equivalente (Fe)Fe= (0.56) Cr. Fx + Ct . Fz es: (0.56) (1.2) (360)+ (1.8) (315)=810 KgDe la ecuacin de Fr Fr = (1890) [(1/3) (810) ]=10.012 kg

Figura 18: Tabla de numero de rodamiento y factor axial de rodamientos de bolas rgidas

De la tabla observamos que cualquiera de los rodamientos de bolas numero 221 o 317 tiene capacidad de carga mayorFs. = Capacidad de carga esttica iniciaremos con el de 221[F2/Fz] = 315/9117 = 0.0345[F2/Cr Fx] = 315 /1.2 (360) = 0.729Segn la tabla el valor es mayor que (0.22