ESPECIALIDAD:

MANTENIMIENTO DE MAQUINARIA DE PLANTA

TEMA:

BRAZO ELECTRONEUMATICO

CURSO:

NEUMATICA

INTEGRANTES:

COSCO ESCOBEDO LUIS ANDRE

GUERRA ZAVALA WILER ANTONIO

PACHECO SALAS RENEJAVIER

GRUPO: “B”

SEMESTRE: IV

PROF:

LUIS MAGO

AREQUIPA – 2010.

INTRODUCCIÓN

Decidimos realizar como proyecto, la implementación de un

brazo neumático robotizado por la complejidad que

supone el proyecto y por la versatilidad

que podría tener dicha herramienta.

Teníamos pensado crear una máquina

que pueda usarse para retirar

muestras de una faja transportadora y

llevarlas a una tolva o plataforma móvil. Que sea

de fácil transporte y que actúe con precisión.

Para poder implementar el brazo, tomamos como

base la forma geométrica de las excavadoras

existentes en la maquinaria pesada.

Para hacer posibles las exigencias esperadas por el

brazo neumático, se necesitaron 2 actuadores

neumáticos lineales, un actuador rotativo en la base

(ya que no hay orugas como en la excavadora), y

una ventosa de succión en el extremo del brazo, en

vez de un cucharón que podría dañar las muestras

que queremos seleccionar.

DISEÑO

Se utilizó el software Solid Works para diseñar el modelo del brazo. A

continuación exponemos el modelo en

detalle:

El brazo consta de 3 partes principales: una

chumacera que se monta sobre el actuador rotativo,

un brazo largo que sostiene al pistón A, y un brazo

corto que sostiene a la ventosa. Ellos están unidos por

ejes.

En el material del brazo se escogió una aleación de

aluminio con magnesio, para que sea liviano y optimice su

producción, pero al mismo tiempo sea lo suficientemente

duro como para resistir los esfuerzos de los ejes. Los ejes

son de acero para aumentar su duración.

1. Piezas grandes

a. Brazo A

A la izquierda, en la imagen 1.0,

vemos el brazo largo que sostiene

al pistón que controla la elevación.

Para reducir su peso, por dentro

tiene forma hueca, tal como

podemos ver en la imagen 1.1.:

Imagen 1.0

Imagen 1.1.

b. Brazo B

A la derecha, en la imagen 1.3. tenemos

el diseño del segundo brazo; que sostiene

al sensor capacitivo que detecta la

posición del producto, al generador de

vacío y a la ventosa. Igualmente es

movido por un pistón neumático.

Al igual que el anterior, es hueco para

aminorar su peso(ver imagen 1.4).

c. Chumacera soporte

Es la piedra angular de nuestro sistema,

pues alberga a todos los elementos

encima; además que sirve de acople entre

el actuador rotativo y nuestro brazo. En la

imagen 1.5 tenemos una vista superior y

podemos apreciar el canal chavetero de la

chumacera donde iría acoplado el rotor

del actuador rotativo neumático.

Imagen 1.3.

Imagen 1.4.

Imagen 1.5.

2. Productos de FESTO y acoples al sistema

Varios de los implementos en nuestro sistema son cortesía de la empresa

FESTO, que proporciona de forma gratuita una versión CAD de sus productos,

sin embargo, el verdadero trabajo consistió en seleccionar los adecuados y

adaptarlos a nuestro sistema.

a. Pistones:

Para darle la energía motriz, hemos utilizado actuadores neumáticos.

Específicamente para el movimiento coordinado de los brazos se usaron

actuadores lineales o pistones. En la imagen 2.0 se aprecia el pistón A, que

conecta el brazo A con la chumacera y lo mueve al respecto de la misma.

En la imagen 2.1 podemos apreciar al pistón B, que conecta el brazo A con el

brazo B, y mueve el brazo B con respecto a su eje en A.

Ambos pistones son los seleccionados según los cálculos realizados, y son

representaciones CAD de los que vende la empresa alemana FESTO.

Imagen 2.0

Imagen 2.1

Como en nuestro sistema se nos haría imposible colocar finales de carrera,

hemos utilizado sensores magnéticos reed, que se acoplan mediante una

abrazadera atornillada especial al cuerpo del pistón. Estos sensores son

idénticos para los distintos diámetros, pero sus abrazaderas cambian de forma,

podemos ver esto en detalle en la imagen 2.2. y 2.3.

Soporte en pistón A: Soporte y sensor en pistón B:

b. Actuador rotativo

Para poder darle movimiento

rotacional al brazo, y pueda

moverse respecto a un eje,

necesitamos un actuador

rotativo.

Pudimos

seleccionarlo según cálculos y adquirir sus planos. Lo único

que necesitamos fue diseñar el acople necesario en la

chumacera.

Imagen 2.2

Imagen 2.3

Imagen 2.4

Imagen 2.5

En la imagen 2.4, tenemos una vista isométrica del actuador y en la 2.5

tenemos una vista isométrica de su rotor. En la imagen 2,6 podemos apreciar la

carcasa de forma transparente para ver el funcionamiento del mismo.

A continuación, en la imagen 2.7, tenemos el acople de la chumacera con el

actuador rotativo:

Véase que el rotor del actuador

neumático atraviesa la chumacera en

su totalidad, incluyendo la chaveta

que encaja en su respectivo canal

chavetero.

Imagen 2.6

Imagen 2.7

c. Ventosa, sensor capacitivo y generador de vacío

Se realizaron los cálculos respectivos para seleccionar adecuadamente la

ventosa y el generador de vacío; y se pudo obtener los planos en 3D para

CAD. Pero fue bastante complicado poder acoplarlos al sistema (ver acople

completo en imagen 2.8), pues el sensor capacitivo debe moverse solidario a la

ventosa para detectar cuando la ventosa “chupe” un objeto. Por otro lado, la

ventosa y el sensor deben moverse siempre apuntando hacia abajo, entonces

tuvimos que reducir la fricción en el eje mediante un rodamiento de agujas sin

anillo interior, debido al pequeño diámetro.

El generador de vacío se muestra de forma cilíndrica y perpendicular a la

horquilla que sostiene a la ventosa. Se colocó un eje pasante entre el soporte

de la ventosa y el del sensor, para que siempre se dirijan hacia el mismo

sentido.

Imagen 2.8

En la imagen 2.9. se puede ver que el soporte del sensor capacitivo tiene una

ranura, “ojo chino”, para poder calibrar así la altura del sensor y por lo tanto su

proximidad a la pieza.

Además, en el eje se tienen dos separadores de bronce, y dos rodamientos en

ambos soportes; se puede ver un rodamiento de color verde claro.

En la imagen 2.10 vemos una vista desde abajo del sistema de succión:

Imagen 2.9

Imagen 2.10.

3. Acoples diversos en el sistema:

A continuación mostramos los distintos tipos de accesorios que fue necesario

diseñar para el funcionamiento del sistema:

En la imagen vemos

el seeger que

asegura al eje

respecto al pistón, y

un espaciador de

bronce entre la

culata del pistón y el

eje amarillo que lo

soporta.

Aquí apreciamos una

horquilla roscada en el

vástago del pistón A; con su

respectivo espaciador y

seguro seeger.

Para el acople del pistón B, se

usaron espaciadores en la culata

para centrarlo y en el vástago una

horquilla con arandelas para evitar

la fricción directa. Nuevamente,

cada eje con sus seguros seeger respectivos

Ahora tenemos una vista global del sistema:

Selección de Actuadores lineales y rotativos, ventosa,

generador de vacio y sensores.

1. Selección del pistón A

Primero comenzaremos realizando el cálculo de fuerzas a partir del

diseño del brazo neumático realizado:

Distancia de centro de pivote a la carga (línea roja) =685mm

Distancia del centro de pivote al punto de contacto con el pistón = 130mm,

ángulo entre línea roja y verde es 28 grados.

Hacemos un DCL y hacemos sumatoria de momentos = a 0 para calcular la

fuerza del pistón. El vector azul es el pistón y el rojo es la carga; el punto de

pivote está en el extremo izquierdo. Como el brazo está hecho de una aleación

de aluminio y magnesio, despreciamos su peso debido a que su densidad es

baja.

La fuerza vertical necesaria es 53N, y como el ángulo es 28º, entonces la

fuerza teórica del pistón es de 59N.

Calculamos la carrera del pistón:

En mínima compresión, el pistón tiene 255mm de longitud

En su máxima extensión, el pistón tiene 318 mm de longitud.

Calculamos la carrera con la diferencia entre ambas longitudes:

318-255 = 63 mm

Una vez obtenidos todos los datos, comenzamos con la selección del

cilindro neumático.

Carrera: 63 mm

Fteórica: 59 N

Presión de Trabajo: 8 bar

Calculamos la Fuerza necesaria.

C = 0.7 Es recomendable utilizar un Coeficiente de Carga del 70%

Ahora Calculamos el diámetro.

Diámetros Estándar

Fuerza de Pandeo:

Normalizando

Consumo de aire

Consumo de aire: 0,01 litros por centímetro de recorrido.

Hallamos el caudal de consumo:

Hallamos el diámetro del vástago: Para hallar el diámetro del vástago vamos a las tablas del actuador que queremos y utilizando los datos necesarios obtenemos el diámetro del vástago.

El diámetro del vástago es de 3 mm

Seleccionamos el actuador adecuado:

Ingresamos a festo.com, vamos a productos y elegimos la opción ver el

catalogo online de esta empresa, donde escogeremos los actuadores

neumáticos. Una vez ahí, elegimos los cilindros con vástago, después elegimos

los cilindros con camisa redonda, debido a que cumplen con la formas que

necesitamos para armar nuestro brazo.

Ahora Una vez que elegimos la clase de cilindro que deseamos, elegimos el

modelo de actuador cilíndrico que se adecue a nuestros requerimientos,

elegimos el “cilindro normalizado DSNU, sistema métrico”, debido a que es el

que más se aproxima a nuestros requerimientos, con un diámetro de embolo

de 12 mm, de doble efecto, con rango de carrera de vástago que esta dentro

de nuestras necesidades y una fuerza dentro del rango requerido.

3Elegimos para el Actuador A:

Ahora como este pistón tiene más de 10 mm podemos usar una amortiguación

regulable manual o automática.

Ficha técnica del Actuador A seleccionado.

2. Selección del pistón B

Primero comenzaremos realizando el cálculo de fuerzas a partir del

diseño del brazo neumático realizado:

Para hacer una sumatoria de momentos y saber la fuerza, necesitamos las

distancias del brazo:

La distancia entre el eje de la izquierda (pistón) y el punto de pivote es (línea

roja):136mm

La distancia entre el punto de pivote y el eje de la derecha (donde se aplica la

carga de 1kg) es: 171mm

Hacemos el DCL:

Tomamos el punto central como eje de pivote y hacemos sumatoria de

momentos igual a cero. La fuerza teórica es de 13N.

Calculamos la carrera del pistón:

Mínima compresión del pistón B: La longitud mínima del pistón es de 206 mm

Máxima extensión del pistón B: La longitud máxima es de 282mm

La diferencia entre ambas longitudes es la carrera: 282-206= 76mm

Una vez obtenidos todos los datos, comenzamos con la selección del

cilindro neumático.

Carrera: 76 mm

Fteórica: 13 N

Presión de Trabajo: 8 bar

Calculamos la Fuerza necesaria

C = 0.7 Es recomendable utilizar un Coeficiente de Carga del 70%

Ahora Calculamos el diámetro

Diámetro Estándar

Normalizando

Se debería trabajar con 6 mm , pero para

evitar las situaciones de pandeo elegimos

el de 8mm

Diagrama de Fuerza del Pandeo

Tabla de Pandeo

Diagrama de Consumo de Aire

Consumo de aire: 0,01 litros por centímetro de recorrido.

Hallamos el caudal de consumo

Hallamos el diámetro del vástago

Usamos el diámetro inmediato superior q es el de 4mm

Seleccionamos el actuador adecuado

Ingresamos a festo.com, vamos a productos y elegimos ver el catalogo online

de esta empresa, donde escogeremos los actuadores neumáticos. Una vez ahí

elegimos los cilindros con vástago, después elegimos los cilindros con camisa

redonda, debido a que cumplen con la formas que necesitamos para armar

nuestro brazo.

Ahora, una vez que elegimos la clase de cilindro que deseamos, elegimos el

modelo de actuador cilíndrico que se adecue a nuestro requerimientos,

elegimos el “cilindro normalizado DSNU, sistema métrico”, debido a que es el

que mas se aproxima a nuestros requerimientos, con un diámetro de émbolo

de 8 mm, de doble efecto, con rango de carrera de vástago que está dentro de

nuestras necesidades y una fuerza dentro del rango requerido.

Elegimos para el Actuador B

Una vez esto estamos listos para pedir la Orden formal vía online llenamos los

cuadros con los requerimientos, el producto nos da a elegir carreras que ya

disponen en su almacén, así que elegimos la carrera de 80 mm que es la

inmediata superior. En este caso es necesario trabajar con una carrera de 63

mm, por lo cual se puede pedir al fabricante la elaboración de un actuador con

las características que necesitamos.

Ficha técnica del Actuador B Seleccionado

3. Selección de Ventosa

Para calcular la fuerza de aspiración que tiene que proporcionar la ventosa, se

tienen que considerdad los movimientos verticales, así como los movimientos

horizontales que se realizan sujetando el material. Se considera como factor

de seguridad 1.5

Movimiento vertical

En el movimiento vertical las situaciones más desfavorables tienen lugar en el

arranque del movimiento de ascenso y en la frenada del movimiento de

descenso.

Se puede suponer que la aceleración/desaceleración es constante durante el

tiempo de arranque/parada. Normalmente su valor se puede estimar

considerando que se pasa de 0 m/s a 1 m/s o viceversa en una décima de

segundo, por lo que a=10 m/s2.

La masa del objeto a levantar es de 1.5 Kg

Dj S = Factor de Seguridad. = 1.5

m= Masa del objeto. = 1.5 Kg

G g= Gravedad = 9.81 m/s2

A a= Aceleración = 10 m/s2

Movimiento Horizontal

Las aceleraciones que se producen en movimiento horizontal provocan un

esfuerzo cortante entre la ventosa y el material que puede hacer que ambas se

separen. La fuerza de rozamiento existente entre las superficies tiene que ser

suficiente para que esto no ocurra. La aceleración es máxima en el arranque de

giro y en la frenada.

Las ventosas más alejadas del centro de giro son las que van a sufrir una

mayor aceleración, en este caso como parte de funcionamiento la aceleración

lineal del sistema: a = 10 m/s2

Selección de coeficiente de la tapa de plástico

También necesitamos hallar el coeficiente de fricción dinámico del plástico

utilizado en el frasco, para lo cual revisamos la siguiente tabla:

Entonces:

Ahora vemos el catalogo de ventosas y elegimos el diámetro adecuado según

la fuerza necesaria, si elegimos el inmediato superior a la fuerza obtenida

La ventosa más pequeña q puede producir 134.57 N es la q tiene un diámetro

de 75 mm

Dj S = Factor de Seguridad. = 1.5

m= Masa del objeto. = 1.5 Kg

G g= Gravedad = 9.81 m/s2

A a= Aceleración = 10 m/s2

U u=Coeficiente de fricción dinámico = 0.2

uu

Vamos al catálogo

Seleccionamos la ventosa la tabla

Ficha técnica de la ventosa seleccionada

4. Selección de generador de vacío (nivel de vacio recomendado 70%)

Seleccionamos el generador de vacío de clase VN, por ser económico, y se

monta en espacios reducidos, ventaja que nos permite utilizarla en el montaje

de nuestro brazo neumático.

Ahora elegimos la curva N° 14 debido a que a 6 bar ya tiene un nivel de vacio

mayor del 90%, el cual es mayor a lo que teníamos planificado, eso cubre

cualquier inconveniente o factor aleatorio que sucediera durante el proceso en

que nuestro brazo trabaja transportando los frascos.

Vacio

Con el número (14) vamos a elegir el modelo VN-20-L, que es el q se señala en

el grafico anterior. Con esto elegimos de la segunda grafica el consumo para

un presión primaria.

Caudal De Aspiración

Ahora vamos al catálogo

El caudal de consumo

nos da 170 l/min

Abrimos el catálogo y buscamos generadores de vacío

Como ya tenemos el modelo q deseamos lo seleccionamos

5. Selección de actuador de giro:

momentos de inercia La inercia se saco de los datos del solidwork, esta inercia es con respeto a los ejes XZ lo que nos interesa, para hallar el momento de inercia q vencerá nuestro actuador rotatorio

Ixz= 236853.54 gr*mm2

Ixz= 236,853.54 kg*mm2

Ixz= 0,000237 kg*m2

Ixz= 2,37 * 10^-4 kg*m2 Vemos que el modelo que puede soportar, según tablas es el DMS-40-270-p

El diámetro elegido es 40 mm, el cual soporta el momento de inercia de nuestro ensamblaje. El tiempo empleado en el giro de 180º es de 1 segundo, pero para la aplicación necesitamos que se tarde 5 seg., por lo q se decidió usar una válvula estranguladora.

Ahora vamos a la web para seleccionar la válvua elegida de tablas

Primero vamos a Festo.com y abrimos la sección de productos y luego catalogo

Después de elegir actuadores rotatorios elegimos el de ala giratoria Luego elegimos la categoría de actuadores de modelo DSM y luego el modelo q necesitamos :el DSM-T-40-270-CC-A-B

6. Selección de compresor

Para comenzar con el proceso de selección de compresores, necesitamos

saber los caudales de los actuadores, así como el del generador de vacio.

Como vemos en la figura no hay dato del diámetro q necesitamos por lo q

hacemos una regla de tres simple para hallar el caudal de consumo de nuestro

actuador rotatorio.

10 mm ----------15 cm^3

40mm ---------- x

X= 60 cm3 /seg

X= 0.6 m3/seg

X= 3.6 m3/min

Equipo consumidor

Consumo (L/min)

Cant P

servicio Fu Fs

Actuador lineal de doble efecto A

0.084 1 10 0.8 1

Actuador lineal de doble efecto B

0.05 1 10 0.8 1

Actuador rotatorio de doble efecto

3.6 1 10 0.5 1

Generador 170 1 10 0.7 1

El caudal requerido se calcula por

Donde: fu: Factor de uso fs: Factor de simultaneidad Qi: Caudal unitario de cada consumidor

k: Factor adicional para compensar fugas o ampliaciones futuras. (k=1,5)

Seleccionamos compresor ahora

S Seleccionamos un compresor modelo UPS 11 10

7. Selección de Acumulador Según los datos del compresor anterior el caudal utilizado es de 1.54 m3/min Y la variación de presión es de 1 bar, consideramos una frecuencia de conmutación de 10

Como resultado elegimos un

compresor de 5 m3

8. Selección de Tuberías

Según la grafica las tuberías tendrían un diámetro de 75 mm

9. Selección de Sensores y Accesorios

Para el adecuado funcionamiento de nuestro sistema del brazo neumático, se

vio por conveniente utilizar detectores de proximidad tanto para la detección del

material que iba a ser transportado, a través de un sensor capacitivo, así

mismo también fueron utilizados contactos reed que nos sirvieron para

reemplazar los finales de carrera y así poder controlar las salidas y entradas de

los vástagos.

Además del uso de detectores de proximidad, también fueron útiles las piezas

de fijación para poder asegurar los dispositivos de detección.

Tanto sensores, como dispositivos de fijación, fueron seleccionados según las

características de nuestro diseño, escogiendo así las más convenientes para

poder ser montadas fácilmente.

9.1. Selección de Dispositivo de fijación (para detectores de

contacto reed)

9.2. Selección de Detectos de proximidad (contacto reed)

9.3. Selección de Detector de proximidad (sensor capacitivo)

Circuito del sistema

Secuencia de trabajo:

A-,B-,V+,B+,A+,R+,A-,B-,V-,B+,A+,R-

Ciclo continuo.

V=Ventosa

R=Actuador rotativo

0 5 10 15 20 25 30

mm

20

40

60

80

100

Cilindro doble ef ecto

mm

20

40

60

80

100

Cilindro doble ef ecto

1

Tubo de aspiración

1

Actuador semi-giratorio

Denominación del componente Marca

Diagrama de Fases