1. HAMILTON YAIR ORTIZ DIEGO RICARDO BOJACA CAMILO HERNANDO VELANDIA Bogot D.C., junio de 2010 Departamento de Ingeniera Mecnica y Mecatrnica Lnea de Investigacin, Innovacin y Desarrollo Tecnolgico XXVI MUESTRA DE MQUINAS Y PROTOTIPOS ALIMENTADOR PARA TROQUEL

2. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIN La empresa donde se desarrolla el Proyecto es Siemens S.A., multinacional alemana que en Colombia produce motores elctricos, transformadores, equipamiento medico, y dems productos de la rama elctrica. En la poltica de ampliar su oferta a nivel regional (Zona Andina) e internacional (Principalmente Estados Unidos), busca ampliar su produccin, en el marco del Proyecto Doble Volumen; razn por la cual se requieren algunos cambios en la maquinaria. 3. Marketing* 1100.000 COP Diseo* 1500.000 COP Manufactura** 80000.000 COP Validacin del Prototipo* 320.000 COP TOTAL 82920.000 COP ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIN El Proyecto es financiado en su totalidad por la empresa. Para la primera Fase del Proyecto, desarrollada en asignatura, se cumplieron los siguientes plazos: Definicin de la necesidad, Benchmarking, Requerimientos del Cliente, Caractersticas tcnicas: 1a Semana de Marzo Descomposicin Funcional, Generacin de Conceptos, Evaluacin y Seleccin de Conceptos: 3a Semana de Marzo Diseo en Detalle, Construccin de Planos: 3a Semana de Abril Manufactura, Ensamble, Pruebas: En Curso (A cargo de la Empresa) 4. El proyecto consiste en el diseo y construccin de un alimentador de lmina magntica para una Troqueladora Machines, especficamente para el proceso de troquelado de contorno, que permita el troquelado de lmina para rotor de motores elctricos hasta el tamao IEC 315. El proyecto es desarrollado en el Marco de la Estrategia Doble Volumen. DEFINICIN DE LA NECESIDAD 5. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE DISEO Una mquina accionada por potencia elctrica y mecnica que posiciona 2 rollos de lmina magntica para permitir su desembobinado, bajo las siguientes condiciones: Cada rollo de lmina pesa alrededor de 1.5 ton La maquina debe soportar su propio peso. Las dimensiones del rollo son: Dimetro Exterior 1.2 m, Dimetro Interior 0.5 m, Ancho Mximo 0.5 m. La mquina debe servir para soportar y posicionar dos rollos, uno de ellos en operacin y el otro en espera, y realizar el cambio entre estos automticamente. 6. A quin? Troqueladora Machines Divisin de Motores Elctricos Qu y para qu? Alimentador de Lmina Magntica Por qu? Aumento de Capacidad y de Volumen de Produccin Dnde y cundo? Tres Fases: - Estructura de soporte de la lmina (1er. semestre de 2010) - Sistema de Gua de la Lmina (Mitad del 2do. Semestre de 2010) - Sistema de Halado de la Lmina (A Convenir) PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 7. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE Capacidad de Carga Doble Alimentacin Cambio Automtico de Cabezal Baja Vibracin Diseo compacto Alineacin Precisa del Rollo Alineacin rpida del Rollo Disponibilidad para diferentes tamaos de Rollo Alta Confiabilidad Fcil Limpieza Ajuste Rpido del Rollo de Lmina Fcil Mantenimiento Uso de componentes Siemens Compatibilidad con los sistemas industriales de la planta Cumplimiento del Cdigo de Colores. Simplicidad de Manejo Con base en una encuesta realizada el da 19 de Febrero de 2010, se evalu la experiencia con la mquina actual y las expectativas ante un nuevo diseo, por parte de las personas involucradas con la mquina. Se detectaron los siguientes requerimientos: 8. ANLISIS DE COMPETENCIA ROWE 10030-DSJ Dimensiones aproximadas 2m de alto, 1.2m de ancho por 3m de largo. Ancho mximo 28pulgadas (unos 700mm); y un peso de 10.000 libras (4.535 kg). Valor aproximado: 6.500 Euros. BOCK Dimensiones aproximadas de 2m de alto, 1.2m de ancho por 2m de largo. Ancho mximo 34pulgadas (863.6mm); y un peso de 4.000 libras (aprox 2 ton). Valor aproximado 4.900 Dlares AMERICAN Mod 60 Dimensiones aproximadas de 1,7m de alto, 1,2m de ancho y 1,5m de largo. Ancho mximo 24 pulgadas (609.6 mm); y un peso de 4.000 libras (1.814,4 kg). Valor Aproximado 2.543 Euros GSW modelo HM- 2/1250 Dimensiones aproximadas de 1,20 x 1,50 x 2,00 metros. Ancho mximo 29.481pulgadas (748,8mm); y un peso de unas 4.410libras (2.000 kg/2ton). 9. ESPECIFICACIONES DE INGENIERA (QFD) A partir de los resultados de la encuesta, y de las visitas a la planta se establecieron los valores objetivo para cada Especificacin de Ingeniera. Jerarquizando los requeri- mientos del cliente, podemos disear de manera mas efectiva, estando a la altura de la competencia. Podemos ver esto en el QFD CARACTERISTICAS DE CALIDAD Target (QFD) Carga permisible 4 Ton Uso de partes estandarizadas 100% Nmero de Piezas 180 Peso de todas las partes 1.5 Ton Ancho permisible del rollo 490 mm Dimetro exterior permisible del Rollo 1.2 m Dimensiones de la mquina 1,8 x 2 x 1,5 m Uso de Mecanismos automatizados 30% Tiempo de alistamiento 15 min Dimetro interior mnimo del rollo 0.5 m Ciclo de operacin 24 h/da Espesores pinturas 50 micras Tensin y Frecuencia de la Red 440 Volts / 60 Hz Velocidad de Operacin 15 golpes / min Vida til 20 Aos 10. ESPECIFICACIONES DE INGENIERA (QFD) 11. DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIN FUNCIONAL La Funcin General debe ser desglosada en Funciones Especficas, que tengan alternativas de solucin. Cada combinacin de estas alternativas, se denominar Concepto Posicionar Rollos de Lmina Magntica para su Desembobinado Aceptar energa elctrica externa Transformar energa elctrica en energa mecnica (rotacin) Mantener y posicionar cabezal en el punto de operacin Posicionar y ajustar el rollo Detector activacin Asegurar condiciones de giro Soportar la Carga 12. Algunos ejemplos de Descomposicin Funcional, con sus respectivas alternativas de solucin Soportar la Carga Soportar el Peso del Rollo Eje Solido acoplado al cabezal con chumaceras Elemento Estructural empotrado en la Torreta Soportar Peso Propio Estructura Metlica Bloque Macizo Caja Hueca Posicionar y Ajustar el rollo Ajuste Radial Copa de Tornillo - Tuerca - Mordazas Eslabonadas Copa de Tornillo - Tuerca en Pirmide . Mordazas Deslizantes Copa de Tornillo - Tuerca en Cono - Mordazas Deslizantes Copa de Accionamiento Neumtico o Hidrulico implementado con Sensores Ajuste Axial Manual con Reglillas en las Mordazas Automtico con accionamiento Neumtico / Hidrulico y Sensores en las Mordazas DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIN FUNCIONAL 13. GENERACIN DE CONCEPTOS BUSQUEDA INTERNA Y EXTERNA: Bosquejos a Mano Alzada de Mecanismos (Carcaza Mecanismo antifriccin, Solenoides, Mordaza Mvil, Cabezal Autocentrante, Motorreductor) 14. Sensor Actuador 1. Motoreductor 1. Engranajes 1. Luz 1. Temporizador 1. Solenoide 1. TTME* 1. Manual (Reglilla) 1. Rodamiento Axial 1. Eje Slido 1. Estructura 2. Solenoide (Cremallera) 2. Poleas 2. Color 2. Freno Mecnico 2. Pin Resortado 2. TTMD (Pirmide)* * 2. Automtico (Sensor- Neumatico 2. Contacto Deslizante (Lubricacin) 2. Elemento Estructural 2. Bloque Macizo 3. Cadenas 3. Proximidad 3. Solenoide 3. Trinquete 3. TTMD (Cono)** 3. Rodamiento Radial (Guias) 3. Caja Hueca 4. Friccin 4. Freno Mecnico 4. TTMN/H *** 4. Combinacin 1 y 2 * Mecanismo de Tornillo - Tuerca - Mordazas Eslabonadas (Boceto 1) ** Mecanismo de Tornillo - Tuerca - Mordazas Deslizantes (Pirmide: Boceto 2, Cono: Boceto 3) *** Mecanismo de Tornillo - Tuerca . Mordazas de accionamiento Neumtico o Hidraulico Posibles Combinaciones: 31104 Nota: Los Bocetos de los mecanismos se encuentran como anexo. Transformar Energa elctrica en energa mecnica Posicionar y Ajustar Rollo AxialRadial Tabla de Combinacin de Conceptos Condiciones de Giro (Mec. Anti Friccion) Soportar Carga MquinaRollo Posicionar y mantener posicin Detencin Torreta Transmision Energa Mecnica Mantener Posicin GENERACIN DE CONCEPTOS 15. Conceptos Peso (%) Criterios de Seleccin [4,7] (Referencia) 5 6+ Calificacin Ponderada Calificacin Ponderada Calificacin Ponderada 5,9 Baja Vibracin 3 0,18 4 0,24 3 0,18 7,6 Cambio Automatico del Cabezal 3 0,23 1 0,08 3 0,23 5,0 Diseo Compacto 3 0,15 4 0,20 4 0,20 6,3 Simplicidad de Manejo 3 0,19 3 0,19 3 0,19 7,1 Fcil mantenimiento 3 0,21 4 0,29 2 0,14 6,7 Alineacin Rapida de los Rollos 3 0,20 3 0,20 3 0,20 7,6 Alineacin Precisa de los Rollos 3 0,23 3 0,23 3 0,23 7,6 Ajuste Rapido de el Rollo en el cabezal 3 0,23 2 0,15 2 0,15 5,0 Fcil Limpieza 3 0,15 2 0,10 2 0,10 6,3 Menor nmero de piezas 3 0,19 4 0,25 2 0,13 7,1 Bajo Tiempo de alistamiento 3 0,21 2 0,14 3 0,21 6,7 Alto uso de partes estandarizadas 3 0,20 1 0,07 3 0,20 7,6 Alto uso de partes Siemens 3 0,23 1 0,08 3 0,23 5,9 Seguridad del operario 3 0,18 3 0,18 3 0,18 7,6 Alta Confiabilidad 3 0,23 2 0,15 4 0,30 Puntuacin Neta 3,00 2,53 2,87 Rango 1 3 2 Continu? Si No No Ponderando cada Requerimiento de Cliente, y con los datos de la anterior tabla, podemos decidir que concepto es el mas apropiado. 16. Las Caractersticas del concepto dominante son: El Ajuste Radial del Rollo se har con un cabezal que funciona con Tornillo Sinfn, Tuercas, y mordazas unidas con eslabones El Ajuste Axial del Rollo se har de manera Manual, con ayuda de Reglillas dispuestas en la pista de cada mordaza. La condicin Anti Friccin entre la torreta y la base, se lograra a travs de Contacto deslizante entre pistas lubricadas, y un rodamiento axial. Se utilizara un Eje Slido para soportar el peso del rollo al montarse sobre el cabezal. La Base y Torreta se harn como Cajas Huecas, posiblemente obtenidas de fundicin. Sern huecas para disponer todos los elementos que debe llevar dentro. CONCEPTO DOMINANTE 17. Las Caractersticas del concepto dominante son: La generacin de potencia la hace un Moto reductor, el cual mover en conjunto la torreta. La transmisin de potencia desde el moto reductor hasta la torreta se logra con Engranajes. Se utilizaran Sensores de Luz para detectar el punto de parada y accionar el freno. La parada se realizara con un Freno Mecnico que viene dispuesto con el moto reductor. Se utilizaran Solenoides Lineales para mantener la posicin de la torreta, activndose al recibir la seal de posicin correcta. CONCEPTO DOMINANTE 18. ARQUITECTURA Esquema del Soporte para Rollos de Lmina magntica del alimentador para Troquel. GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTO 19. El accionamiento manual del tornillo, genera un desplazamiento horizontal de la cruz, en la proporcin de un paso del tornillo por vuelta de la llave. El desplazamiento horizontal de la cruz, hace que las uas se muevan radialmente hacia dentro o hacia fuera segn sea el sentido del giro. La relacin entre la distancia horizontal y la radial es de aproximadamente 2.7. Las uas se movern radialmente entre un mximo y un mnimo limitado por el disco base, entre un dimetro mnimo de 450mm y 530mm mximo. INTERRELACIONES 20. El movimiento de las mordazas es manual, y se limita a que estas queden equidistantes al punto medio de la longitud de las ua, sobre las sern montadas. El motorreductor tiene una salida de velocidad de 3 rpm, que mover la torreta a travs de un acople. El torque debe ser capaz de mover el peso de los dos rollos y el peso propio de la torreta En la condicin de cierre mximo, las uas no pueden tocar el eje del cabezal. INTERRELACIONES 21. Los Ejes de los cabezales deben ser capaces de girar libremente sobre la torreta, con un coeficiente de friccin muy bajo ya que la fuerza que genera este movimiento es la fuerza de halado de la lamina. La longitud de la cruz debe ir limitada por la carrera longitudinal, ya que no puede salirse de los extremos de las uas. INTERRELACIONES 22. Dimetro mnimo 450mm y dimetro mximo 530mm. Angulo de pirmide Carrera de la cruz, para mover las uas entre los dimetros especificados: Altura mxima para cada ua: 175mm. Ranura rectangular a cada lado, paralela a la superficie inclinada. Superficie exterior circular, con radio 250mm. Ranura en T en la parte superior DIMENSIONAMIENTO 23. Carrera longitudinal 110 mm Longitud mxima 260 mm de largo Altura de las aspas debe garantizar el ngulo de 20 Cilindro base, tiene como dimetro interno el dimetro externo del eje, y un espesor suficiente para realizar los agujeros que fijaran la tapa de la cruz. DIMENSIONAMIENTO 24. EJE DEL CABEZAL Utilizando Energa de Distorsin y la ecuacin de Goodman: Para las condiciones de nuestro eje tenemos: Calculamos para las condiciones mximas de esfuerzos DISEO DE ELEMENTOS 25. EJE DEL CABEZAL Con un Acero 4340 QT 1200, con y DISEO DE ELEMENTOS 26. TORNILLO DE POTENCIA Par de torsin que se requiere para hacer girar el tornillo contra la carga Torque requerido para mover el tornillo con la carga es: ngulo de hlice Esfuerzo Cortante Esfuerzo Axial DISEO DE ELEMENTOS 27. TORNILLO TUERCA DE POTENCIA Esfuerzos principales para poder hallar el cortante mximo Factores de Seguridad DISEO DE ELEMENTOS 28. SOLDADURA Cortante Momento Flector DISEO DE ELEMENTOS 29. GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTO APLICACION DE HERRAMIENTAS DE INGENIERIA El Mecanismo mas interesante y complicado, es el de apertura y cierre de las uas, ya que incluye piezas de forma muy intrincada que deben ser analizadas por elementos finitos, o por algn simulador. Adems de esto, cada copa cuenta con 120 piezas en total, entre diseadas y normalizadas. 30. RODAMIENTOS Carga Esttica Equivalente: Carga radial (35, 70 KN) Carga Axial (15 KN para ambos) Factor de carga radial del rodamiento (0.6) El factor de carga axial (0.5) es la capacidad de carga esttica es la carga esttica equivalente es el factor de seguridad esttico (0.5) SELECCIN DE ELEMENTOS NORMALIZADOS 31. La Tuerca del tornillo sinfn, no se mecanizara en el eje directamente, sino que se fabricara una tuerca en bronce, acoplada al eje mediante un Flange. Las uniones atornilladas se hacen con tornillos de cabeza hueca hexagonal de , exceptuando algunos de 3/8, todos ellos debidamente codificados para el ensamble DISEO PARA MANUFACTURA MEJORA DE DETALLES 32. El mecanismo de apertura y cierre de las mordazas de sujecin del rollo, cambia de ser uno con Tornillo Tuerca - Eslabones articulados, a ser uno de Tornillo Tuerca - Pirmide de contacto. La Torreta y la Caja Base pasan de ser diseadas para fundicin, a ser placas de acero soldadas. MEJORA DE DETALLES 33. La condicin anti friccin se lograra con un rodamiento axial nicamente, sin pistas gua. Los sensores que indiquen la posicin correcta al hacer el giro de 180 de la torreta, no sern de luz, sino de proximidad. El aseguramiento de la posicin cada 180, no se har con solenoides, sino con un cilindro neumtico de doble efecto, accionado por una Electrovlvula 4/2 DISEO PARA MANUFACTURA MEJORA DE DETALLES 34. DESCRIPCIN DE LA MQUINA MORDAZAS EXTERNAS MORDAZAS INTERNAS ROLLOS DE LAMINA 35. DESCRIPCIN DE LA MQUINA TORRETA BASE COPA 2 COPA 1 Z 36. DESCRIPCIN DE LA MQUINA CRUZ MORDAZAS UAS DISCO BASE TORNILLO EJE CABEZAL PLATINAS GUIA 37. MODO DE FUNCIONAMIENTO MONTAJE DEL ROLLO - Posicionar las Mordazas interiores para alinear el rollo con el alimentador (depende de cada tamao) - Cerrar las uas hasta la condicin de cierre mximo. - Montar el rollo en el cabezal con una gra o montacargas. - Abrir las uas hasta fijar el rollo radialmente. - Montar y posicionar las mordazas exteriores para fijar el rollo axialmente. DESCRIPCIN DE LA MQUINA 38. MODO DE FUNCIONAMIENTO ROTACION DEL CABEZAL Una vez se ha terminado el Rollo en alguna de las Copas, y teniendo montado el rollo en la otra, se puede girar el cabezal para continuar con el proceso. - Quitar el Seguro de la torreta. - Girar la torreta sobre el Eje Z. (Se recomienda empujar del rollo, procurando dar media vuelta en 10 segundos aproximadamente para no inducir aceleracin excesiva) - Detener el movimiento cuando se llegue a la posicin. - Asegurar nuevamente la torreta. DESCRIPCIN DE LA MQUINA 39. DESCRIPCIN DE LA MQUINA ASPECTOS DE SEGURIDAD Y CONTROL DE LA MAQUINA - La mquina ser de operacin manual, debido a que anlisis de costos (principalmente realizados por Siemens), y experimentos realizados, revelaron que el uso de un motorreductor para efectuar el giro del cabezal, no es econmicamente viable. - El montaje de los Rollos debe hacerse con gra debido a que el peso es considerable. Se debe cumplir la normatividad de seguridad industrial. - La mquina esta diseada para que un operario promedio pueda manipularla de manera cmoda y segura, sin requerir fuerza excesiva. 40. APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEO RESPUESTA AL PROBLEMA PLANTEADO El Diseo desarrollado, cumple con los requerimientos de resistencia mecnica para montar un rollo mientras el otro esta en funcionamiento, tambin con los requisitos de imagen para la planta (Cdigo de Colores), y es compatible con el resto del alimentador. 41. APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEO SERVICIO BRINDADO POR EL PROTOTIPO (EN TRMINOS DE DINERO Y/O SOLUCIN SOCIAL) En la preparacin del troquel, el montaje del rollo tarda 5 minutos aproximadamente. Con la implementacin del proyecto, el tiempo que tarda parada la maquina para posicionar el rollo es aproximadamente 0.5 minutos (ya que el alistamiento ahora es externo, se puede montar el rollo con la maquina en operacin) y solo es necesario girar la torreta y asegurar la posicin. Adems, el proyecto permitir fabricar los motores de tamaos grandes (hasta el IEC 315), que antes no se podan realizar por la capacidad del alimentador. Todo esto genera una mejora en produccin, es decir, mayores ingresos para la empresa. 42. ANLISIS ECONMICO ETAPA FASE COSTO DISEO Benchmarking 1440.000 COP Definicin de Concepto 720.000 COP Diseo en Detalle 1440.000 COP Optimizacin 360.000 COP SUBTOTAL 3960.000 COP MANUFACTURA Copas 20680.000 COP Torreta 8000.000 COP Base 5000.000 COP Otros 1000.000 COP SUBTOTAL 34680.000 COP TOTAL 38640.000 COP Los costos de Manufactura incluyen compra de material, fabricacin de modelos en madera, y moldes para fundicin, elementos normalizados y ensamble. Estos valores fueron suministrados por varias empresas en cotizaciones, y se selecciono la mejor alternativa. Estos costos son para la Primera Fase del Proyecto, y los salarios de la fase de diseo fueron sugeridos por la empresa. 43. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El Diseo de una mquina no puede ser netamente matemtico, existe una gran cantidad de teora sobre metodologa de Diseo, que al aplicarse ofrece mejores resultados, ahorrando tiempo y recursos. Es de vital importancia saber escuchar al Cliente, y saber traducir sus requerimientos en caractersticas tcnicas para el producto. Se deben considerar varias condiciones de carga, ya que el anlisis a simple vista, puede resultar errado, induciendo errores en los clculos que pueden ser graves. El uso de mtodos de calculo como el Mtodo de Elementos Finitos, resulta muy til para piezas de geometra intrincada, aunque no deben sustituir completamente la validacin terica de un diseo. 44. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En el desarrollo de un proyecto, hay que tener claridad y protocolos establecidos para la manufactura del mismo. No es sencillo cumplir con los tiempos de manufactura (siendo tan cortos para la asignatura) ya que dependen de muchas variables, en nuestro caso papeleo y gestin de compras. El ejercicio acadmico deja de lado la valoracin econmica de aspectos como el diseo, y los estudiantes se encuentran con la situacin de no saber cuanto cuesta su trabajo. Proyectos de este tipo contribuyen a adquirir esa experiencia. El estudio de competencia, permite aprehender conceptos e ideas al diseo, hacindolo mas compacto y sencillo. Es de vital importancia procurar utilizar elementos ya existentes y estudiados. 45. BIBLIOGRAFIA ULRICH, Karl, EPPINGER, Steven. Diseo y Desarrollo de Productos, Enfoque Multidisciplinario. Mc Graw Hill Interamericana, 2004. SCLATER, Neil, CHIRONIS, Nicholas. Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook. Third Edition. Mc Graw Hill. BUDYNAS, R. G.. Diseo en Ingeniera Mecnica de Shigley. Mc Graw Hill. 2008. FLENDER Drives and Automation. MOTOX-N, Gear Motors up to 20000Nm. 2009 NORTON, Robert L. Machine Design An Integrated Approach. Pearson. 2006 GUILLN, Salvador Antonio. Introduccin a la Neumtica. MARCOMBO S.A. 1988 http://www.solenoidcity.com/solenoid/sol enoidcatalog.htm, SOLENOID CITY, Magnetic Sensor Systems http://www.roton.com/Mating_Componen ts.aspx?family=7059286/, ROTON, Quality Screws and Nuts for Power Transmission. http://www.truarc.com/, WALDES TRUARC, Retaining Rings. http://www.skf.com/, SKF Group, Bearings and Units Lubrication Solutions. http://www.siemens.com.co/, SIEMENS Regin Andina. http://www.flender.com/, Flender Antriebstechnik http://www.festo.com.co/, FESTO Colombia 46. SOFTWARE EMPLEADOS - Solid Works Premium V. 2009 - Simulation Xpress - Photo View 360 - M Design - MD Solids BIBLIOGRAFIA 47. GRACIAS POR SU ATENCION!! Hamilton Ortiz hyortizc@unal.edu.co Diego Bojac drbojacat@unal.edu.co Camilo Velandia chvelandiae@unal.edu.co