BIENVENIDOS
En esta ocasión les vengo a presentar el proyecto de titulación que realicé para terminar la carrera de Ingeniería en Mecatrónica. Se trata de una máquina bobinadora de 4 ejes para fabricar tanques mediante la técnica Filament Winding.
La máquina es semiautomática, es decir que durante todo el proceso de fabricación de tanques, algunas labores son realizadas por el operador.
La máquina es semiautomática, es decir que durante todo el proceso de fabricación de tanques, algunas labores son realizadas por el operador.
Aclaración 1: El objetivo de este post, además de mostrarles un poco de mi trabajo, es entretener con ciencia a la comunidad taringuera, así que voy a omitir todo el análisis matemático que existe de fondo e intentaré explicarles de forma sencilla cómo llevé a cabo este proyecto. Sin embargo, si alguien necesita ayuda en alguna parte puntual del cálculo para un proyecto similar o tiene curiosidad de cómo diseñé algún módulo en específico, no duden en mandarme MP.
Aclaración 2: Todo el proyecto fue desarrollado por mi.
Durante el diseño y simulación no tuve problemas porque básicamente todo lo realizaba desde la computadora, sin embargo, en la construcción tuve que enfrentar serios problemas de presupuesto;
para que me alcance el dinero, tuve que realizar por mi cuenta todos los procesos de manufactura,
incluyendo el uso de distintos tipos de soldadura. No soy el mejor soldador así que algunos de los acabados no son los mejores. Espero sepan tomarlo con buena onda.
Durante el diseño y simulación no tuve problemas porque básicamente todo lo realizaba desde la computadora, sin embargo, en la construcción tuve que enfrentar serios problemas de presupuesto;
para que me alcance el dinero, tuve que realizar por mi cuenta todos los procesos de manufactura,
incluyendo el uso de distintos tipos de soldadura. No soy el mejor soldador así que algunos de los acabados no son los mejores. Espero sepan tomarlo con buena onda.
Resumen level 5: Diseñé, construí e implementé una máquina bobinadora semiautomática de 4 ejes para la fabricación de tanques mediante la técnica Filament Winding.
ETAPA 1: INTRODUCCIÓN
Filament Winding
La técnica de bobinado de filamentos (Filament Winding) es un método para la fabricación de estructuras de materiales compuestos. El proceso se lleva a cabo enrollando filamentos de un material de refuerzo en un molde con la geometría deseada y recubriendo los mismos con una matriz orgánica.
Para llevar a cabo la construcción de una estructura que bobine mediante la técnica Filament Winding, es necesario sincronizar 2 movimientos de rotación con 2 de traslación:
Para llevar a cabo la construcción de una estructura que bobine mediante la técnica Filament Winding, es necesario sincronizar 2 movimientos de rotación con 2 de traslación:
- Eje 1 - Rotación del mandril. Su principio de operación es similar al de un torno, que permite la rotación continua del mandril durante el proceso.
- Eje 2 - Movimiento axial. En este caso la línea de acción es paralela a la dirección del eje rotacional del mandril. Su función es mover un carro longitudinal donde se impregnan los filamentos con la matriz orgánica durante el proceso.
- Eje 3 - Movimiento de ojo. Consiste en un eje de rotación del acople que sostiene el filamento, paralelo al eje del carro transversal. Su función consiste en girar cuando el carro transversal ha avanzado al centro del mandril.
- Eje 4 - Movimiento radial. Constituye el eje de traslación del carro transversal, perpendicular a la línea de acción del carro longitudinal. Este eje permite el avance del filamento hacia el centro de la sección transversal del mandril.
ETAPA 2: Selección de Alternativas
Especificaciones técnicas:
El análisis de requerimientos técnicos se aborda de forma específica utilizando el método QFD (despliegue de la función de calidad), el cual permite recolectar los deseos y expectativas del cliente y transformarlos en especificaciones técnicas de la máquina.
En este caso el cliente es la empresa para la que desarrollé el proyecto. Para realizar el QFD me reuní con el gerente y algunos trabajadores de la planta, quienes me manifestaron en sus palabras lo que esperaban de la máquina.
El método que utilicé permite transformar estas palabras en requerimientos técnicos y estudiarlos con respecto a 2 empresas de la competencia para determinar técnicamente qué es lo que debe tener la máquina para ser competitiva en el mercado actual.
Luego de realizar el análisis, todo esto queda plasmado en un esquema gráfico que recibe el nombre de "Casa de la calidad"
El análisis de requerimientos técnicos se aborda de forma específica utilizando el método QFD (despliegue de la función de calidad), el cual permite recolectar los deseos y expectativas del cliente y transformarlos en especificaciones técnicas de la máquina.
En este caso el cliente es la empresa para la que desarrollé el proyecto. Para realizar el QFD me reuní con el gerente y algunos trabajadores de la planta, quienes me manifestaron en sus palabras lo que esperaban de la máquina.
El método que utilicé permite transformar estas palabras en requerimientos técnicos y estudiarlos con respecto a 2 empresas de la competencia para determinar técnicamente qué es lo que debe tener la máquina para ser competitiva en el mercado actual.
Luego de realizar el análisis, todo esto queda plasmado en un esquema gráfico que recibe el nombre de "Casa de la calidad"
Si alguien quiere desarrollar esta metodología alguna vez, le recomiendo el libro "Diseño Concurrente" del autor Carles Riba. Explica paso a paso no sólo esta sino todas las herramientas del despliegue de función de calidad.
En fin, a pesar de la enorme cantidad de conclusiones que se pueden emitir en base a la casa de la calidad, les voy a mencionar solamente las especificaciones técnicas consideradas en la máquina hasta esta etapa:
Para finalizar esta parte, se formulan las especificaciones técnicas en base a los requerimientos y deseos del cliente, es decir, lo que necesita que sea estrictamente de una forma, y lo que quisiera que se desarrolle de otra.
En fin, a pesar de la enorme cantidad de conclusiones que se pueden emitir en base a la casa de la calidad, les voy a mencionar solamente las especificaciones técnicas consideradas en la máquina hasta esta etapa:
- Diseño por rigidez con elementos de precisión moderada (deflexión máxima entre L/2000 y L/10000
- Parámetros de inicio definibles por el usuario
- Partes desmontables, uniones empernadas y estandarizadas
- Alimentación de 1 a 5 carretes
- Diseño de HMI amigable con el usuario
- Volumen máximo disponible que puede ocupar la máquina: 3000x2200x2200 (mm)
Para finalizar esta parte, se formulan las especificaciones técnicas en base a los requerimientos y deseos del cliente, es decir, lo que necesita que sea estrictamente de una forma, y lo que quisiera que se desarrolle de otra.
Diseño Conceptual:
El diseño conceptual busca clasificar e interpretar conjuntos de soluciones para cada problemática involucrada en construir la máquina bobinadora. Para esto, el sistema se descompone en bloques o módulos funcionales, y mediante una matriz morfológica se establece el mejor camino en la toma de decisiones, es decir, el mejor conjunto de soluciones para el buen funcionamiento de la máquina.
El "nivel 0" es un esquema general del sistema, e implica que introduciendo materia prima, energía y señales, mediante un módulo de implementación se puede definir lo que deseo sobre la máquina bobinadora.
El "nivel 0" es un esquema general del sistema, e implica que introduciendo materia prima, energía y señales, mediante un módulo de implementación se puede definir lo que deseo sobre la máquina bobinadora.
El "nivel 1" se basa en descomponer el módulo de implementación:
Y el"nivel 2", con el que vamos a trabajar, define los procesos involucrados para fabricar tanques con la máquina bobinadora:
Para terminar, se definen 2 posibles soluciones para cada módulo y en una matriz morfológica se establece el mejor conjunto de soluciones para el proyecto. Se que esto parece algo básico y talvez sin sentido, pero digamos que es una de las maneras con las que se puede justificar por qué utilicé uno u otro elemento para realizar cada tarea.
Seleccioné el "camino B", es decir, la máquina se enciende mediante un interruptor, la verificación de los elementos se realiza con interruptores y la generación de movimiento en los ejes se realiza utilizando controladores para enviar las señales a cada actuador.
Análisis y selección de alternativas
(imagen referencial de un motor a pasos NEMA17. Como verán más adelante, de hecho utilizo motores más grandes tipo NEMA 42 y NEMA 51)
Por último pero no menos importante en esta etapa, se realiza el análisis y selección de alternativas, el cual consiste en descomponer la máquina en subsistemas, y elegir los mejores componentes para cada subsistema mediante el método ordinal corregido de criterios ponderados (es básicamente un análisis matemático que nos permite cuantificar la importancia de cada elemento que se utiliza en la máquina. Los subsistemas en los que descompuse la máquina son los siguientes:
- Subsistema A - Estructura de la máquina (analizo el tipo de estructura en el que son soportados los elementos de la máquina.
- Subsistema B - Motores (estudio varios tipos de motores que podría utilizar y el análisis me dice en forma numérica cuál debería elegir para la máquina)
- Subsistema C - Controlador lógico programable (lo mismo que las anteriores, en base a ciertos criterios defino cuál PLC utilizar para el proyecto).
Subsistema A - Estructura de la máquina
Las alternativas son: máquina ENTEC FW750, máquina VIDATEK de 4 ejes y máquina bobinadora marca CNC Technics.
Los criterios de selección introducidos al análisis numérico son: complejidad en los procesos de fabricación, rigidez, montaje, dimensiones y atractivo visual.
La estructura ganadora de acuerdo al análisis es la ENTEC FW750, por lo que la geometría de la estructura de mi máquina tendrá algunas similitudes con este modelo:
Los criterios de selección introducidos al análisis numérico son: complejidad en los procesos de fabricación, rigidez, montaje, dimensiones y atractivo visual.
La estructura ganadora de acuerdo al análisis es la ENTEC FW750, por lo que la geometría de la estructura de mi máquina tendrá algunas similitudes con este modelo:
Subsistema B - Motores
Las alternativas son: motores a pasos, motores DC o servomotores DC.
Los criterios de selección introducidos al análisis numérico son: estabilidad, torque, disponibilidad, mantenimiento y costo.
El motor ganador de acuerdo al análisis es a pasos, así queda definido el tipo de motor a utilizar (sin embargo como verán más adelante, para el eje rotacional utilizo un motorreductor trifásico y un variador de frecuencia, dado que la carga es variable durante el proceso porque el molde que debe mover inicialmente es más liviano que el tanque construido al final, entonces se debe mantener la misma velocidad en condiciones de torque hiperbólico)
Los criterios de selección introducidos al análisis numérico son: estabilidad, torque, disponibilidad, mantenimiento y costo.
El motor ganador de acuerdo al análisis es a pasos, así queda definido el tipo de motor a utilizar (sin embargo como verán más adelante, para el eje rotacional utilizo un motorreductor trifásico y un variador de frecuencia, dado que la carga es variable durante el proceso porque el molde que debe mover inicialmente es más liviano que el tanque construido al final, entonces se debe mantener la misma velocidad en condiciones de torque hiperbólico)
(imagen referencial de un motor a pasos NEMA17. Como verán más adelante, de hecho utilizo motores más grandes tipo NEMA 42 y NEMA 51)
Subsistema C - Controlador lógico programable
Las alternativas son: PLC Siemens S7-1200, PLC Allen Bradley ControlLogix 5580 y PLC OMRON CP1H.
Los criterios de selección introducidos al análisis numérico son: costo, compatibilidad, disponibilidad, confiabilidad y soporte técnico.
El PLC ganador de acuerdo al análisis es el OMRON CP1H, sin embargo al final por disponibilidad,
compatibilidad y en especial costo, decidí comprar un PLC Controllino Maxi, el cual puede ser programado desde la platafora Arduino, haciendo la programación un poco más sencilla que con el tradicional lenguaje ladder (es mi opinión porque estoy acostumbrado a trabajar con software y hardware libre, y manejo mejor la plataforma Arduino que una en la que deba utilizar lenguaje ladder.
Los criterios de selección introducidos al análisis numérico son: costo, compatibilidad, disponibilidad, confiabilidad y soporte técnico.
El PLC ganador de acuerdo al análisis es el OMRON CP1H, sin embargo al final por disponibilidad,
compatibilidad y en especial costo, decidí comprar un PLC Controllino Maxi, el cual puede ser programado desde la platafora Arduino, haciendo la programación un poco más sencilla que con el tradicional lenguaje ladder (es mi opinión porque estoy acostumbrado a trabajar con software y hardware libre, y manejo mejor la plataforma Arduino que una en la que deba utilizar lenguaje ladder.
ETAPA 3: Diseño Mecatrónico
Aquí es donde talvez se pone más interesante el post. Como les había dicho,
además de omitir una gran parte de la teoría, también estoy omitiendo todos los cálculos realizados,
pero trataré de explicar a breves rasgos la metodología.
además de omitir una gran parte de la teoría, también estoy omitiendo todos los cálculos realizados,
pero trataré de explicar a breves rasgos la metodología.
Diseño Mecánico
El diseño mecánico permite determinar con certeza los materiales y dimensiones de todos los elementos de la máquina que se encuentran sujetos a cargas. Adicionalmente facilita la cuantificación de los parámetros necesarios para la selección de motores (potencia, torque, rpm).
Esta etapa inicia con la creación de un modelo 3D de la máquina cuya finalidad es definir la geometría de los elementos que la conforman. El modelo fue desarrollado mediante el software Autodesk Inventor 2017 con licencia estudiantil.
Esta etapa inicia con la creación de un modelo 3D de la máquina cuya finalidad es definir la geometría de los elementos que la conforman. El modelo fue desarrollado mediante el software Autodesk Inventor 2017 con licencia estudiantil.
Elementos principales
- Bancada o estructura (1). Dimensiones: 2500 x 800 x 1980 mm (longitud, altura, profundidad)
- Eje distribuidor (2). La función principal del distribuidor móvil es dirigir los filamentos a lo largo del molde. Al sincronizar el movimiento de traslación del distribuidor con el de rotación del mandril, se obtienen los patrones de bobinado circular y helicoidal.
- Contenedor de matriz orgánica (3). Elemento donde se vierte la matriz orgánica (resina termoestable + acelerador + catalizador)
- Gabinete de control (4). Gabinete metálico de 200 x 400 x 600 (profundidad, longitud, altura)
- Eje rotacional (5). El sistema está constituido por el motor, mecanismo y soporte, situados a los extremos de la máquina en sentido longitudinal.
- Eje radial (6). Este sistema proporciona el avance del homogeneizador hacia el centro del tanque, permitiendo que los filamentos recorran hasta la entrada y salida del mismo en sus extremos
- Eje de ojo (7). El homogeneizador de fibras es el elemento encargado de separar los filamentos provenientes de distintos carretes y mantenerlos fijos a medida que rota cada vez que ha alcanzado uno de los extremos longitudinales del tanque.
Cálculos y diseño
Selección del perfil de la estructura
Para definir cuál es el perfil indicado para construir la estructura de la máquina, me baso en el diseño por rigidez con elementos de precisión moderada.
En resumen level 3, defino todas las cargas que va a soportar la estructura, luego selecciono la viga de mayor longitud de la estructura (crítica) y concentro todas las cargas en esta viga. La idea es concentrar las cargas en el centro geométrico de la viga y resolver el problema como si fuese una viga con doble empotramiento (es decir, sumatorias de fuerzas igualadas a cero, sumatoria de momentos en un punto igualados a cero, calcular el valor de las reacciones, determinar la ecuación de carga del sistema, luego integrar para sacar la ecuación de cortantes y hacerlo nuevamente para obtener la de momentos, realizar los diagramas respectivos como DCL, diagrama de cortantes y momentos, y determinar el valor de la carga en función de las reacciones. Con estos valores integramos la ecuación de momentos para obtener el ángulo de deflexión máxima y finalmente integrando por última vez obtener la deflexión máxima. Una vez obtenidas las constantes de integración que quedaron por ahí en todo el análisis, se reemplazan los valores y se despeja la inercia. El valor obtenido de inercia considerando que la viga puede tener una deflexión de longitud/2000 es el valor con el que vamos a un catálogo de perfiles estructurales de acero y seleccionamos el perfil cuya inercia coincida con el valor calculado, en este caso queda bien un perfil cuadrado de 75 x 75mm y espesor de 4mm).
Para finalizar, realizo la simulación de la deflexión aplicando la carga máxima en todas las vigas y considerando una aceleración de la gravedad de 9.81m/s^2. La deflexión máxima se da en la zona roja con un valor de 0.1478mm. Este valor es más bajo que el obtenido a través del cálculo, por lo tanto la estructura soporta las cargas para las que está diseñada
En resumen level 3, defino todas las cargas que va a soportar la estructura, luego selecciono la viga de mayor longitud de la estructura (crítica) y concentro todas las cargas en esta viga. La idea es concentrar las cargas en el centro geométrico de la viga y resolver el problema como si fuese una viga con doble empotramiento (es decir, sumatorias de fuerzas igualadas a cero, sumatoria de momentos en un punto igualados a cero, calcular el valor de las reacciones, determinar la ecuación de carga del sistema, luego integrar para sacar la ecuación de cortantes y hacerlo nuevamente para obtener la de momentos, realizar los diagramas respectivos como DCL, diagrama de cortantes y momentos, y determinar el valor de la carga en función de las reacciones. Con estos valores integramos la ecuación de momentos para obtener el ángulo de deflexión máxima y finalmente integrando por última vez obtener la deflexión máxima. Una vez obtenidas las constantes de integración que quedaron por ahí en todo el análisis, se reemplazan los valores y se despeja la inercia. El valor obtenido de inercia considerando que la viga puede tener una deflexión de longitud/2000 es el valor con el que vamos a un catálogo de perfiles estructurales de acero y seleccionamos el perfil cuya inercia coincida con el valor calculado, en este caso queda bien un perfil cuadrado de 75 x 75mm y espesor de 4mm).
Para finalizar, realizo la simulación de la deflexión aplicando la carga máxima en todas las vigas y considerando una aceleración de la gravedad de 9.81m/s^2. La deflexión máxima se da en la zona roja con un valor de 0.1478mm. Este valor es más bajo que el obtenido a través del cálculo, por lo tanto la estructura soporta las cargas para las que está diseñada
Velocidad de bobinado
la velocidad óptima de bobinado oscila entre 60m/min y 90m/min. Con la finalidad de obtener la cantidad de revoluciones por minuto a las que debe girar el eje 1 de la máquina, transformo el valor de velocidad óptima para el caso de mi máquina considerando el radio del molde. El rango de velocidad del eje rotacional de mi máquina deberá oscilar entre 19rpm y 29rpm, es decir, entre 20 y 30 revoluciones por minuto.
Velocidad de distribución de fibras
Representa la velocidad a la que se desplaza el eje 2 de la máquina. Esta velocidad, para cumplir con el algoritmo de funcionamiento de la máquina, debe ser equivalente por lo menos a la mitad de la velocidad lineal del mandril, por lo que se considera un rango de valores de 30 a 45 m/min y en base al mismo análisis de la velocidad de bobinado pero considerando el radio del piñón en esa transmisión se determina que el rango para este eje está entre 96rpm y 144rpm (debe girar más rápido porque el radio es menor)
Tiempo de bobinado
Es el tiempo que tarda la máquina en bobinar un tanque de 1m de diámetro por 1.50m de altura. Los metros de fibra enrollados por minuto se obtienen a partir de la velocidad máxima de bobinado y su valor equivale a 90m/min. La empresa utiliza carretes con 5000m de fibra cuyo peso es de 21kg. Considerando la proporción de fibras-matriz orgánica, se determina la cantidad de filamento para bobinar un tanque y con esto el tiempo que se demora en cubrir la superficie del molde. El tiempo es de 1 hora con 4 carretes de filamentos, y aumenta 1 hora por cada carrete no utilizado, es decir, si bobinamos un tanque con 1 solo carrete de filamento como verán más adelante, el tiempo de bobinado asciende a 4 horas
Selección de banda-polea para el eje de ojo
El procedimiento de selección requiere el cálculo de la potencia y velocidad del sistema, a fin de seleccionar el perfil y dimensiones de la banda y poleas dentadas de perfil trapezoidal En base a un cálculo y la observación de valores en el gráfico que verán a continuación, se determinan las características de la transmisión para el eje de ojo.
La transmisión seleccionada es una banda 285L050 (longitud 28.5", paso ligero y media pulgada de ancho) y 2 poleas 36L050 (36 dientes, paso ligero, media pulgada de ancho)
Selección de banda-polea para el eje de rotación del molde
El procedimiento de selecciónes igual que en el eje de ojo, pero en este caso necesitamos una transmisión de paso pesado: banda 750H100 (75" de longitud, paso pesado y 1" de ancho. Poleas: 36H100 (36 dientes, paso pesado y 1" de ancho)
Selección de piñón-cremallera para el eje distribuidor
Los parámetros necesarios para la selección del sistema de transmisión son la fuerza tangencial que actúa sobre el diente del piñón y la velocidad lineal de desplazamiento. COn estos valores vamos al gráfico que verán a continuación y seleccionamos el módulo de la transmisión.
Con el módulo y los cálculos realizados, se selecciona la transmisión para este eje: Cremallera CKR-I-CTR-400-1920 (dentado recto, acero bonificado, agujeros de taladrado en línea recta, módulo 4 y longitud 1920mm), piñón PKR-III-400-25-2 (dentado recto, material cementado templado, módulo 4, 25 dientes y eje sólido).
Selección de piñón-cremallera para el eje radial
Se realiza el mismo análisis que para la transmisión del eje distribuidor. La cremallera es CKR-I-CTR-200-0550 (dentado recto, acero bonificado, agujeros de taladrado en línea recta, módulo 2 y longitud 550mm) y el piñón PKR-III-200-25-2 (dentado recto, material cementado templado, módulo 2, 25 dientes y eje sólido).
Selección de cojinete de bolas de 1 hilera
Este cojinete o rodamiento se selecciona en base al catálogo FAG, y en base a un procedimiento similar a los realizados anteriormente (calcular un par de valores de la máquina,
compararlos en gráficos, tablas, obtener otros valores, seleccionar el elemento que cumpla con los criterios). El rodamiento seleccionado es el FAG 6010 con una capacidad de carga dinámica igual a 20.8kN
compararlos en gráficos, tablas, obtener otros valores, seleccionar el elemento que cumpla con los criterios). El rodamiento seleccionado es el FAG 6010 con una capacidad de carga dinámica igual a 20.8kN
Selección de chumaceras
De acuerdo al diámetro del eje, tipo de chumacera requerida, características de sellado especial y capacidad de carga dinámica, se selccionan las chumaceras necesarias para acoplar los ejes de la máquina (UCP204D1)
Diseño Electrónico
Dispositivos de entrada y salida
Selección de elementos para el eje de rotación del mandril
El principio de funcionamiento del eje de rotación del mandril se basa en adaptar la velocidad de rotación mediante un motorreductor y controlarla por medio de un variador de frecuencia. Estos elementos son necesarios porque a diferencia de los otros ejes, el eje de rotación del mandril opera con carga variable, es decir que además de reducir la velocidad a un valor nominal, necesita controlar que ésta no cambie a medida que incrementa la carga.
En base a la potencia requerida del motor, factor AGMA y velocidad nominal, selecciono un motorreductor compuesto por un motor trifásico ABB de 1hp que gira a 1700 rpm, y una caja reductora con factor 1/38, dando una salida de 44rpm.
En cuanto al variador de frecuencia, se selecciona en base al comportamiento del torque en función de la frecuencia (torque hiperbólico en este caso, revisen la imagen de abajo), rango de variación de velocidad, información del motor, datos nominales de la red eléctrica, condiciones ambientales, control y monitoreo del equipo. El variador que utilizo es el IST230-T15B.
En base a la potencia requerida del motor, factor AGMA y velocidad nominal, selecciono un motorreductor compuesto por un motor trifásico ABB de 1hp que gira a 1700 rpm, y una caja reductora con factor 1/38, dando una salida de 44rpm.
En cuanto al variador de frecuencia, se selecciona en base al comportamiento del torque en función de la frecuencia (torque hiperbólico en este caso, revisen la imagen de abajo), rango de variación de velocidad, información del motor, datos nominales de la red eléctrica, condiciones ambientales, control y monitoreo del equipo. El variador que utilizo es el IST230-T15B.
Selección de elementos para el distribuidor móvil
El funcionamiento del distribuidor móvil se basa en la rotación de un motor a pasos junto con el piñón para lograr el desplazamiento a través de la cremallera. De acuerdo con el cálculo, el torque a vencer es de 18.148Nm. Considerando que el motor trabajará al 60% de la carga máxima, el torque necesario es de 30.25Nm.
En base al requerimiento, de acuerdo con el catálogo de motores a pasos de alto torque de JVL, se requiere un motor tipo modelo MST512, con un torque de 40Nm montado sobre una carcasa NEMA51 junto con el controlador 2DM2280 que facilita las salidas hacia el PLC.
En base al requerimiento, de acuerdo con el catálogo de motores a pasos de alto torque de JVL, se requiere un motor tipo modelo MST512, con un torque de 40Nm montado sobre una carcasa NEMA51 junto con el controlador 2DM2280 que facilita las salidas hacia el PLC.
Selección de elementos para el sistema de avance radial
De manera similar, el sistema de avance radial lleva un piñón que se acopla al motor a pasos para desplazar linealmente al homogeneizador de fibras hacia el centro geométrico del tanque a mecanizar. El torque a vencer es de 10.29Nm. Considerando que el motor trabaja al 60% de su carga máxima, el torque para seleccionar el motor es de 17.15Nm.
En base al requerimiento, de acuerdo con el catálogo de motores a pasos de JVL, se requiere un motor tipo modelo MST431C213 , con un torque de 21Nm montado sobre una carcasa NEMA43 junto con el controlador 2DM2280 que facilita las salidas hacia el PLC
En base al requerimiento, de acuerdo con el catálogo de motores a pasos de JVL, se requiere un motor tipo modelo MST431C213 , con un torque de 21Nm montado sobre una carcasa NEMA43 junto con el controlador 2DM2280 que facilita las salidas hacia el PLC
Selección de elementos para el eje de ojo
El movimiento del homogeneizador de fibras se basa en la rotación de un motor a pasos conectado a una polea dentada que, a través de una banda transmite el movimiento y permite que los filamentos roten una vez que el distribuidor móvil haya llegado a los extremos del tanque. El torque a vencer es de 0.011Nm de acuerdo con el cálculo. Considerando que el motor trabaja al 60% de su carga máxima, el torque para seleccionar el elemento es de 0.02Nm.
En base al requerimiento, de acuerdo con el catálogo de motores a pasos de JVL, se requiere un motor tipo modelo MST171A02, con un torque de 0.13Nm montado sobre una carcasa NEMA23 junto con el controlador DM542D que facilita las salidas hacia el PLC.
En base al requerimiento, de acuerdo con el catálogo de motores a pasos de JVL, se requiere un motor tipo modelo MST171A02, con un torque de 0.13Nm montado sobre una carcasa NEMA23 junto con el controlador DM542D que facilita las salidas hacia el PLC.
Selección del PLC
Además de la selección de alternativas del subsistema C que les mostré anteriormente, los criterios específicos que necesito para seleccionar un modelo de PLC son los siguientes:
• Cantidad de entradas/salidas disponibles: 24
• Comunicación RS485 para transmitir desde/hacia el HMI
• Comunicación USB o ETHERNET para la programación del PLC
• Voltaje de alimentación: 12/24V DC
• Salidas de relé: 6
En base a los parámetros mencionados, el PLC elegido es un Controllino Maxi del fabricante austríaco CONELCOM
• Cantidad de entradas/salidas disponibles: 24
• Comunicación RS485 para transmitir desde/hacia el HMI
• Comunicación USB o ETHERNET para la programación del PLC
• Voltaje de alimentación: 12/24V DC
• Salidas de relé: 6
En base a los parámetros mencionados, el PLC elegido es un Controllino Maxi del fabricante austríaco CONELCOM
Tabla de estados
Esto quiere decir que la máquina no realiza ninguna acción mientras el interruptor esté apagado. Una vez encendido, la máquina funcionará siempre y cuando se encuentren posicionados el molde, filamentos y baño de resina, y se detendrá cuando haya finalizado el proceso o tan pronto se oprima el pulsador de emergencia. La ecuación booleana es esta:
Diseño del sistema de control
(no, no sueldo así XD. Lo que pasa es que nadie me tomó una foto mientras estaba soldando la estructura y quise tener una para el recuerdo)
programando la pantalla táctil por primera vez
primera prueba de una secuencia de programación y comunicación entre PLC/HMI
inicio del cableado, prueba de continuidad
ubicando los elementos en la base para el gabinete de control. La pantalla debería ir afuera en un corte rectangular a la tapa del gabinete, sin embargo la puse adentro porque el ambiente en la empresa es muy hostil debido a los elementos que utilizan para llevar a cabo sus procesos.
colocando las bases para empernar el gabinete de control
pude haber pulido más la técnica de cableado, pero estaba en una carrera contra el tiempo y contra el estrés (se estaba acabando el tiempo, llevaba aproximadamente 8 meses desarrollando el proyecto y si me demoraba más de 1 año tenía que matricularme nuevamente en el último semestre de la facu. Eso no iba a suceder.
para que el cableado móvil no toque el piso, más adelante lo distribuyo de otra forma.
Me disponía a enviar un código de prueba para ver si todo funcionaba:
Probando el variador de frecuencia:
Probando todos los elementos del gabinete a la vez:
Pruebas programación eje distribuidor (todas las pruebas iniciales de programación consistían en rotar 1 revolución el motor de cada eje a una velocidad muy lenta; quería probar en primer lugar que los motores trabajen bien con carga, y en segundo lugar, al principio tenía un poco de temor porque importé los elementos más trascendentes que no había en mi país, así que no quería quemar nada).
Pruebas de programación eje radial y eje de ojo:
(lo que ven encerrado en el círculo rojo son 2 pernos , las tuercas están soldadas, por lo que el movimiento de los pernos permite ajustar las chumaceras de modo que la banda no se desplace hacia los lados durante el proceso. Originalmente debí haber diseñado las poleas con una especie de canal o algo en lo que la banda no pueda desalinearse, pero no pensé en ello, y como las transmisiones constituyeron uno de los elementos más costosos del proyecto, preferí solucionar con los pernos.
Tiempo de bobinado: 1 minuto
Tiempo de bobinado: 5 minutos
Tiempo: 30 minutos
Tiempo: 1 hora
Tiempo: 2 horas
Tiempo: 3 horas
Tiempo: 4 horas
Desmontando:
No noté hasta ahora que el post se está haciendo demasiado largo y teórico,
incluso habiendo omitido los cálculos. Les prometo que a partir de ahora me voy a concentrar en poner más imágenes que texto. Esta etapa solamente les explico brevemente: defino el algoritmo general del proceso, el algoritmo de la máquina, se trata de un control en lazo abierto,. Realizo los diagramas de flujo y diseño el HMI.
A continuación les dejo la pantalla principal del HMI.
incluso habiendo omitido los cálculos. Les prometo que a partir de ahora me voy a concentrar en poner más imágenes que texto. Esta etapa solamente les explico brevemente: defino el algoritmo general del proceso, el algoritmo de la máquina, se trata de un control en lazo abierto,. Realizo los diagramas de flujo y diseño el HMI.
A continuación les dejo la pantalla principal del HMI.
ETAPA 4: Construcción, pruebas, resultados
Ya no voy a explicar mucho esta parte para intentar salvar el post
(no, no sueldo así XD. Lo que pasa es que nadie me tomó una foto mientras estaba soldando la estructura y quise tener una para el recuerdo)
programando la pantalla táctil por primera vez
primera prueba de una secuencia de programación y comunicación entre PLC/HMI
inicio del cableado, prueba de continuidad
ubicando los elementos en la base para el gabinete de control. La pantalla debería ir afuera en un corte rectangular a la tapa del gabinete, sin embargo la puse adentro porque el ambiente en la empresa es muy hostil debido a los elementos que utilizan para llevar a cabo sus procesos.
colocando las bases para empernar el gabinete de control
pude haber pulido más la técnica de cableado, pero estaba en una carrera contra el tiempo y contra el estrés (se estaba acabando el tiempo, llevaba aproximadamente 8 meses desarrollando el proyecto y si me demoraba más de 1 año tenía que matricularme nuevamente en el último semestre de la facu. Eso no iba a suceder.
para que el cableado móvil no toque el piso, más adelante lo distribuyo de otra forma.
En teoría, si en este punto conectaba todo, los elementos del tablero debían encenderse y el sistema estaría listo para ser programado.
Me disponía a enviar un código de prueba para ver si todo funcionaba:
Probando el variador de frecuencia:
Probando todos los elementos del gabinete a la vez:
Pruebas programación eje distribuidor (todas las pruebas iniciales de programación consistían en rotar 1 revolución el motor de cada eje a una velocidad muy lenta; quería probar en primer lugar que los motores trabajen bien con carga, y en segundo lugar, al principio tenía un poco de temor porque importé los elementos más trascendentes que no había en mi país, así que no quería quemar nada).
Pruebas de programación eje radial y eje de ojo:
Luego de que todo funcionó como esperaba, empecé a programar una secuencia de bobinado helicoidal para un tanque, pero con el afán de no desperdiciar material,
hice las pruebas utilizando en primer lugar una cuerda:
hice las pruebas utilizando en primer lugar una cuerda:
(lo que ven encerrado en el círculo rojo son 2 pernos , las tuercas están soldadas, por lo que el movimiento de los pernos permite ajustar las chumaceras de modo que la banda no se desplace hacia los lados durante el proceso. Originalmente debí haber diseñado las poleas con una especie de canal o algo en lo que la banda no pueda desalinearse, pero no pensé en ello, y como las transmisiones constituyeron uno de los elementos más costosos del proyecto, preferí solucionar con los pernos.
Ahora sí, pruebas de bobinado de un tanque con fibra de vidrio y resina termoestable preparada (con acelerador y catalizador)
Tiempo de bobinado: 1 minuto
Tiempo de bobinado: 5 minutos
Tiempo: 30 minutos
Tiempo: 1 hora
Tiempo: 2 horas
Tiempo: 3 horas
Tiempo: 4 horas
Desmontando:
Dentro del protocolo de pruebas y validación de datos,
todo aprobó como esperaba. La única prueba parcialmente aprobada fue la del contenedor de resina.
Esto se debe a que, si bien el volumen del contenedor de resina es suficiente para llevar el total de la mezcla durante el bobinado, colocar todo al inicio ocasiona que en las etapas finales del proceso, el contenido restante empiece su período de polimerización, por lo que es preferible colocar la mezcla en dosis de 2kg a lo largo del proceso
todo aprobó como esperaba. La única prueba parcialmente aprobada fue la del contenedor de resina.
Esto se debe a que, si bien el volumen del contenedor de resina es suficiente para llevar el total de la mezcla durante el bobinado, colocar todo al inicio ocasiona que en las etapas finales del proceso, el contenido restante empiece su período de polimerización, por lo que es preferible colocar la mezcla en dosis de 2kg a lo largo del proceso
Gracias a todos por pasar, espero haberlos entretenido unos minutos con el post.
¿Qué pasó luego del proyecto? Me pidieron que realice 3 mejoras: que el cableado móvil no toque el piso, que el distribuidor móvil no cabecee al moverse, y que todos los ejes de movimiento tengan una desaceleración para que la máquina pueda detenerse más suavemente.
El cableado lo solucioné con una configuración diferente y canaletas. El cabeceo del distribuidor lo solucioné restringiendo todos los movimientos que no debía tener; para ello me construí una especie de guías lineales. Finalmente, para lo de la aceleración tenía que enviar otro tipo de señales a los controladores así que lo solucioné como todo un niño rata: partiendo de la definición más básica de aceleración (cambio de velocidad en un tiempo) y lo solucioné desde la programación.
Luego de eso logré graduarme y demostrar que si un virgo de taringa es lo suficientemente persistente, puede cumplir sus propósitos y objetivos. Saludos linces!
¿Qué pasó luego del proyecto? Me pidieron que realice 3 mejoras: que el cableado móvil no toque el piso, que el distribuidor móvil no cabecee al moverse, y que todos los ejes de movimiento tengan una desaceleración para que la máquina pueda detenerse más suavemente.
El cableado lo solucioné con una configuración diferente y canaletas. El cabeceo del distribuidor lo solucioné restringiendo todos los movimientos que no debía tener; para ello me construí una especie de guías lineales. Finalmente, para lo de la aceleración tenía que enviar otro tipo de señales a los controladores así que lo solucioné como todo un niño rata: partiendo de la definición más básica de aceleración (cambio de velocidad en un tiempo) y lo solucioné desde la programación.
Luego de eso logré graduarme y demostrar que si un virgo de taringa es lo suficientemente persistente, puede cumplir sus propósitos y objetivos. Saludos linces!