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UNIVERSIDAD RAFAEL LANDÌVAR

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA INDUSTRIAL

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MÁQUINA PARA PINTADO DE BOTELLAS EN UNA LÍNEA DE

PRODUCCIÓN”

LUIS FERNANDO LABBÉ GIBERT

Guatemala, septiembre del 2004

AUTORIDADES DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL LANDÌVAR

Rector: Lic. Gonzalo de Villa Vásquez, S.J.

Vicerrectora General: Lcda. Julia Guillermina Herrera Peña

Vicerrector Administrativo: Arq. Carlos Haeussler

Vicerrector Académico: Dr. René Eduardo Poitevin Dardón

Secretario General: Lic. Luis Quan Mack

Director Financiero: Ing. José Carlos Ricardo Vela Schippers

Director Administrativo: Ing. Otto Vinicio Cruz Porras

AUTORIDADES DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA

Decano Ing. Edwin Felipe Escobar HillVicedecano: Ing. Herbert Armando Smith BroloDirector del Departamento de Ingeniería Industrial:

Ingra. Yara Argueta

Director del Departamento de Ingeniería Mecánica:

Ing. Alejandro Basterrechea

Director del Departamento de Ingeniería Civil:

Ing. José Carlos Gil Rodríguez

Director del Departamento de Ingeniería en Informática:

Ing. Jorge Arturo Rivera Pérezgil

Director del Departamento de Ingeniería Química:

Ing. Ramiro Muralles Araujo

Director de Maestría en Administración Industrial:

Ing. Lionel Pineda López

Representante de Catedráticos:

Ing. Julio Aguilar Schaeffer

Representante Estudiantil: Br. Julio Barrios

ACTO QUE DEDICO

A mi PadreJosé Fernando Labbé Contreras

Quien ha esperado mucho por este día.

Agradecimiento

A Terna Examinadora de la Defensa Privada de Tesis

Ingra. Karim Sofìa Paz AbdoIng. Eduardo Barrios BathenIng. Sergio Godinez Gálvez

A mi catedrático de Tesis IIng. Luís Rodolfo Molina

A la empresa MATESAPor dejarme desarrollar este proyecto dentro de su línea de

producción.

A mi AsesorIng. Renato Eduardo Andretta Roldán

A la Universidad Rafael LandÌvarQue siempre la recuerdo con cariño.

A todos mis CatedráticosQuienes me enseñaron lecciones invaluables para desarrollarme cada

día en el campo profesional.

ÍNDICE

MARCO I 1.1. Introducción………...…….……………………………………......... 2

1.2 Lo Escrito Sobre el Tema …………………………………………… 3 1.3 Marco Teórico… ………..…………………………………………….. 5 1.3.1 Neumática………………………………………………….. 5

1.3.2.Producción de Aire Comprimido ………………………….. 141.3.3 Reguladores de Presión…………………………………… 181.3.4 Elementos Neumáticos de Trabajo………………………. 271.3.5 Válvulas…………………………………………………….. 44

MARCO IIPLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………………............ 78

Antecedentes Y Diagnostico de la Empresa….…………………… 78 Planteamiento del Problema………………………………………… 78

2.1 Objetivos… ……………………………………………………………. 792.2 Hipótesis………………………………………………………………… 802.3 Variables………………………………………………………………… 802.4 Alcances y Límites……………………………………………………... 812.5 Aporte…………………………………………………………………... 82

MARCO IIIEL MÉTODO……………………..………………………………………………... 83 3.1 Sujetos de Estudio…………………………………………………… 83 3.2 Instrumentos………………………………………………………….. 83 3.3 Procedimiento…….. ………………………………………………… 84

MARCO IVRESULTADOS ……………………………………………………………………. 85 4.1 Observación……………..………………………………………………. 85 4.2 Desarrollo de Mecanismos ………………………………………………. 87 4.3 Diseño de las Piezas …………………………………………………….. 89 4.4 Diseño del Sistema Neumático ………………………………………….. 94 4.5 Calculo de Carrera y Diámetro de los Cilindros………………………… 95 4.6 Diseño del Sistema de Mando …………………………………………… 97 4.7 Sistema Neumático………………………………………………………. 98 4.8 Sistema Eléctrico………………………………………………………… 102 4.9 Análisis y Discusión…………………………………………………….. 104

MARCO V DISCUSIÓN……………………………………………………………………… 108 5.1 Resumen….................................................................................................. 108 5.2 Conclusiones…….. ……………………………………………………... 109 5.3 Recomendaciones………………………………………………………. 110

MARCO VIREFERENCIAS…………………………………………………………………… 112

ANEXOS…………………………………………………………………………… 114

RESUMEN EJECUTIVO

El diseño de maquinas es de vital interés para el desarrollo de la industria, desde la

revolución industrial hasta nuestros días sigue siendo la punta de lanza en el desarrollo industrial.

Mejores maquinas hacen productos de mejor calidad, mas durables y más económicos.

La automatización de procesos tiene como objetivo liberar a los operarios de tareas

repetitivas y dejar estas a maquinas que puedan reproducir con mayor exactitud estos procesos

una y otra vez.

La neumática nos brinda una fuerza de trabajo económica y versátil. Este trabajo describe

los accesorios más importantes que se tienen hoy en día, para construir maquinas que logren

hacer estas funciones. Este es el caso en el que se enfoca este estudio, tomando las operaciones

manuales dentro de una línea de pintura de envases de vidrio, y desarrollando paso a paso una

maquina de fuerza neumática que copie estos movimientos del operario.

La maquina es particularmente interesante ya que tiene movimientos en las tres

dimensiones y deben poder ser ajustados según el producto que va sobre la línea. Adicionalmente

debe de poder tener un tiempo preciso para poder estar sincronizada con la línea de producción.

El diseño y construcción presentaron retos muy interesantes, los cuales fueron resueltos

paso a paso hasta definir finalmente la forma que tenía que tener. Para el diseño de las piezas se

utilizó un paquete de software que permite trabajar en tres dimensiones. Seguidamente estas se

fabricaron y se ensamblaron según los planos finales. El diagrama de control fue diseñado de

último y cumple con las condiciones del proceso.

Finalmente se logró construir la maquina que sustituyera la operación de pintura dentro de

la línea, mejorando los tiempos de la operación así como la calidad en el acabado final del

producto. Es una maquina hecha a la medida para este proceso por lo tanto es única en su tipo.

Sin embargo la forma de diseño puede ser aplicada a otros procesos industriales que requieren ser

automatizados.

MARCO I

1.1 INTRODUCCIÓN

La neumática constituye una herramienta muy importante dentro del control

automático en la industria. El diseño de máquinas es una de las ramas más

apasionantes del campo de la ingeniería. Desde sus inicios el hombre aprendió a

utilizar y construir herramientas, la piedra angular del desarrollo de la humanidad.

Tanto la construcción de máquinas como herramientas tienen como objetivo lograr

tareas sobrehumanas o simplemente mejorar en velocidad y precisión las

actividades humanas.

Este trabajo de campo está enfocado específicamente en los pasos a seguir para

el desarrollo de máquinas neumáticas, iniciando sobre la situación actual y

finalizando con un modelo que funciona adecuadamente.

La investigación toma una tarea manual en una línea de producción de pintado de

botellas y transforma esta tarea repetitiva en una automatizada. De esta forma se

obtiene una mejor calidad en el acabado de la pintura así como uniformidad en el

producto terminado.

Para lograrlo, se analizaron todos los parámetros de las tareas manuales,

movimientos, tiempos y diferentes aplicaciones dentro de la línea. Este fue el

punto de partida para diseñar y fabricar una máquina que pueda automatizar este

proceso.

1.2 LO ESCRITO SOBRE EL TEMA

Quan Luna, (1997) escribió “Manual de Prácticas de Laboratorio de

Neumática Para La Facultad de Ingeniería URL” Guatemala, URL 1,997

“Como consecuencia de la automatización, la fuerza de trabajo manual ha sido

reemplazada por otras formas de energía, siendo una de ellas el aire comprimido.

Aunque es una fuente cara de energía, ofrece indudables ventajas. Una de ellas

es que el costo energético es despreciable junto al que se paga en salarios, costos

de adquisición y costo de mantenimiento.

En Guatemala, el uso del aire comprimido se reduce a muy pocos usos, algunos

de ellos no compensan el gasto en equipo, como lo son la pintura, herramienta

hidráulica y algunas máquinas con sistemas de funcionamiento hidráulico. Son

muy pocos los lugares donde se diseñan sistemas de fuerza tales como cilindros

neumáticos para reemplazar fuerza humana o la utilización de aire comprimido

para automatizar procesos.

Con el presente manual se pretende dar los conocimientos básicos en la materia,

de manera que el estudiante en un futuro, o bien un profesional, puedan hacer uso

de ellos y llenar ese vacío tecnológico que sufre nuestra industria

El presente manual logro recopilar los conocimientos básicos y ejercicios para que

el estudiante desarrolle sus conocimientos de neumática y puedan ser aplicados

en su vida profesional

Se recomienda que se continúe con este manual para cursos mas avanzados en

automatización de procesos.”

Chang Aquino, (1999) investigo: “Neumática Industrial Teoría y Práctica para

el equipo Festo Didactic del Laboratorio de la Universidad Rafael Landívar”

“La Neumática es una herramienta sumamente útil en la automatización de

procesos, entre mas modernas son las máquinas vienen con mas neumática. El

aire comprimido es un medio versátil, puede utilizarse como medio de trabajo

(potencia) o bien, como medio de control (válvulas y sensores de posición). A su

vez, puede adaptarse al rápido avance en la tecnología puesto que los elementos

de potencia pueden ser comandados por autómatas (Controles lógicos

Programables).

Este trabajo de tesis pretende enseñar la Neumática Industrial Básica como

herramienta de automatización de procesos industriales a través de la explicación

de los elementos neumáticos y su aplicación en prácticas de laboratorio con el

equipo Festo Didactic TP101 de la Universidad Rafael Landívar.

Fundamentalmente se persigue el desarrollo sistemático de circuitos neumáticos,

mediante la acción alternativa de teoría y práctica. Conocer el funcionamiento de

los elementos neumáticos y aplicarlos inmediatamente en el desarrollo de

sistemas.

Gracias a la didáctica de la guía, el alumno desarrollará su ingeniería en el diseño

de posibles soluciones para los ejercicios. Al finalizar todos los ejercicios

propuestos, será capaz de diseñar un sistema neumático de automatización propio

Se recomienda que el catedrático fomente proyectos que resuelvan problemas

actuales en las distintas ramas de la industria Guatemalteca”

1.3MARCO TEÓRICO

1.3.1 NEUMÁTICA

El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el

hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos.

El descubrimiento consciente del aire como medio - materia terrestre - se remonta

a muchos siglos, lo mismo que un trabajo más o menos consciente con dicho

medio.

El primero del que sabemos con seguridad es que se ocupó de la neumática, es

decir, de la utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego

KTESIBIOS. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire

comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido

como energía procede del siglo I de esta era, y describe mecanismos accionados

por medio de aire caliente.

De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la

respiración, el viento y, en filosofía, también el alma.

Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto

Neumática que trata los movimientos y procesos del aire.

Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos

conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando

empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Sólo

desde aproximadamente 1950 se puede hablar de una verdadera aplicación

industrial de la neumática en los procesos de fabricación.

Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de

explotación como por ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en

los ferrocarriles (frenos de aire comprimido).

La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició,

sin embargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una

automatización y racionalización en los procesos de trabajo.

A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría de

los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos

sectores de aplicación.

En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire

comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más variados se

utilicen aparatos neumáticos.

1.3.1.1 Propiedades del aire comprimido

La neumática se ha expandido en corto tiempo relativamente. Esto se debe, entre

otras cosas, a que en la solución de algunos problemas de automatización no

puede disponerse de otro medio que sea más simple y más económico. (Millan

1996)

¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su

popularidad?

· Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo,

en cantidades ilimitadas.

· Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías,

incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.

· Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente en

servicio. El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos.

Además, se puede transportar en recipientes (botellas).

· Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura,

garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas.

· Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no

es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son caras.

· Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en

elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante por ejemplo,

en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero.

· Constitución de los elementos: Permite la elaboración de elementos y accesorios

que funcionan con aire comprimido de forma simple y económica.

· Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener

velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de trabajo de cilindros

neumáticos pueden regularse sin escalones.)

· A prueba de sobrecargas: Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos

pueden hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas.

Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también

las propiedades adversas.

· Preparación: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es

preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro

de los componentes).

· Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos

velocidades uniformes y constantes.

· Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza. Condicionado

por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar), el límite, también

en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kp).

· Escape: El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha

resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materiales insonorizantes.

· Costos: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara; este

elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de precio

económico y el buen rendimiento (cadencias elevadas).

1.3.1.2 Rentabilidad de los equipos neumáticos

Como consecuencia de la automatización y racionalización, la fuerza de trabajo

manual ha sido reemplazada por otras formas de energía; una de éstas es

muchas veces el aire comprimido. (Vitoria, 2003)

Un ejemplo es el traslado de paquetes, accionamiento de palancas, transporte de

piezas etc.

El aire comprimido es una fuente cara de energía, pero, sin duda, ofrece

indudables ventajas. La producción y acumulación del aire comprimido, así como

su distribución a las máquinas y dispositivos suponen gastos elevados. Pudiera

pensarse que el uso de aparatos neumáticos está relacionado con costos

especialmente elevados. Esto no es exacto, pues en el cálculo de la rentabilidad

es necesario tener en cuenta, no sólo el costo de energía, sino también los costos

que se producen en total. En un análisis detallado, resulta que el costo energético

es despreciable junto a los salarios, costos de adquisición y costos de

mantenimiento.

1.3.1.3 Fundamentos físicos

La superficie del globo terrestre está rodeada de una envoltura aérea. Esta es una

mezcla indispensable para la vida y tiene la siguiente composición:

Nitrógeno aproximadamente 78% en volumen

Oxígeno aproximadamente 21% en volumen

Además contiene trazas, de bióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón, helio,

criptón y xenón.

Para una mejor comprensión de las leyes y comportamiento del aire se indican en

primer lugar las magnitudes físicas y su correspondencia dentro del sistema de

medidas. Con el fin de establecer aquí relaciones inequívocas y claramente

definidas, los científicos y técnicos de la mayoría de los países han acordado un

sistema de medidas que sea válido para todos, denominado "Sistema

internacional de medidas", o abreviado "SI".

La exposición que sigue ha de poner de relieve las relaciones entre el "sistema

técnico" y el "sistema de unidades SI".

La combinación entre los sistemas internacional y técnico de medidas está

constituida por la Ley de Newton Fuerza = Masa x Aceleración

F = m x a, siendo a la aceleración de la gravedad

g = 9.81 m/s²

Para convertir las magnitudes antes indicadas de un sistema a otro rigen los

siguientes valores de conversión.

Masa 1 Kg = 1/9.81 N

Temperatura Diferencia de temperatura 1º C = 1 K (Kelvin)

Punto cero 0º C = 273 K (Kelvin)

Presión Además de las unidades indicadas en la relación (en el

sistema técnico, así como bar y Pa en el sistema SI). Se

utilizan a menudo otras designaciones. Al objeto de

completar la relación, también se citan a continuación.

a. Atmósfera, at (presión absoluta en el sistema técnico de medidas 1 at = 1

kp/cm² = 0.981 bar (98.1kPa)

b. Pascal, Pa Bar, bar (presión absoluta en el sistema de unidades)

1 Pa = 1 N / m² = 1E-5 bar

1 bar = 1E-5 / m² = 1E-5 Pa = 1.02 at

c. Atmósfera física, at (presión absoluta en el sistema físico de medidas)

1 atm = 1.033 at = 1.013 bar (101.3 kPa)

d. Milímetros de columna de agua, mm de col. de agua 10,000 mm ca = 1 at

= 0.981 bar (98.1 kPa)

e. Milímetros de columna de mercurio, mm Hg (corresponde a la unidad de

presión Torr)

1 mm Hg = 1 Torr

1 at = 736 Torr, 100 kPa (1bar) = 750 Torr

Como sobre la tierra todo está sometido a la presión atmosférica no notamos ésta.

Se toma la correspondiente presión atmosférica Pamb como presión de referencia

y cualquier divergencia de ésta se designa de sobrepresión Pe. Como se ve en el

siguiente diagrama no. 1.

Diagrama No. 1 Presiones absoluta y relativa.

Fuente: Carulla, (1998). Circuitos Básicos de Neumática

La presión de aire no siempre es la misma. Cambia según la situación geográfica

y el tiempo. La zona desde la línea del cero absoluto hasta la línea de referencia

variable se llama esfera de depresión (-Pe) la superior se llama esfera de

sobrepresión (+Pe).

La presión absoluta Pabs. Consiste en la suma de las presiones -Pe y +Pe. En la

práctica se utilizan manómetros que solamente indican la sobrepresión +Pe. Si se

indica la presión Pabs. El valor es unos 100 kPa (1 bar) más alto.

Con la ayuda de las magnitudes básicas definidas pueden explicarse las leyes

físicas fundamentales de la aerodinámica.

1.3.1.3.1 El aire es compresible

Como todos los gases, el aire no tiene una forma determinada. Toma la del

recipiente que lo contiene o la de su ambiente. Permite ser comprimido

(compresión) y tiene la tendencia a dilatarse (expansión).

La ley que rige estos fenómenos es la de Boyle-Mariotte.

A temperatura constante, el volumen de un gas encerrado en un recipiente es

inversamente proporcional a la presión absoluta, o sea, el producto de la presión

absoluta y el volumen es constante para una cantidad determinada de gas.

Este ley demuestra mediante el siguiente ejemplo, figura no. 2.

Figura no. 2 Ejemplo Ley de Boyle-Mariotte

, Fuente: Carulla, (1998). Circuitos Básicos de Neumática

1.3.1.3.2 El volumen del aire varía en función de la temperatura

Si la presión permanece constante y la temperatura se eleva 1 K partiendo de 373

K, el aire se dilata 1/273 de su volumen.

Esto demuestra la ley de Gay – Luzac

V1 / V2 = T1 / T2 V1 = Volumen a la temperatura T1

V2= Volumen a la temperatura T2

De donde V2 = V1 x T2 / T1

La variación de volumen ΔV es:

ΔV = V2 – V1

ΔV = V1 x T2/T1 – V1

ΔV = V1 x (T2 – T1) / T1

Lo mismo vale para V2:

V2 = V1 + ΔV

V2 = V1 + V1/T1 (T2 – T1)

Las ecuaciones anteriores tienen validez únicamente cuando las temperaturas se

indican en K. Las temperaturas indicadas en ºC deben de convertirse, por tanto

en K.

1.3.2 PRODUCCIÓN DE AIRE COMPRIMIDO

1.3.2.1 Generadores

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del

aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se

alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni

proyectar la transformación de la energía para cada uno de los consumidores. El

aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a

través de tuberías.

Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas

que se desplazan frecuentemente.

En el momento de la planificación es necesario prever un tamaño superior de la

red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran

en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar la instalación, al objeto de

que el compresor no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación

ulterior en el equipo generador supone gastos muy considerables.

Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire

comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la

aplicación correcta de los diversos tipos de compresores.

Diagrama de caudal

En este diagrama están indicadas las zonas de cantidades de aire aspirado y la

presión para cada tipo de compresor. (Figura no. 3)

Figura No. 3 Diagrama de caudal

Fuente: Festo Pneumatic (1996). Programa de Fabricación

1.3.2.2 Tipos de compresores

Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro,

se pueden emplear diversos tipos de construcción.

Se distinguen dos tipos básicos de compresores:

El primero trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene

por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el

volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo (oscilante o rotativo).

El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es aspirado

por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa

(turbina). Ver figura no. 4

Figura no. 4 Tipo de Compresores


1.3.3 REGULADORES DE PRESIÓN

1.3.3.1 Regulador de presión con orificio de escape

El regulador tiene la misión de mantener la presión de trabajo (secundaria) lo más

constante posible, independientemente de las variaciones que sufra la presión de

red (primaria) y del consumo de aire. La presión primaria siempre ha de ser mayor

que la secundaria. Es regulada por la membrana (1), que es sometida, por un

lado, a la presión de trabajo, y por el otro a la fuerza de un resorte (2), ajustable

por medio de un tornillo (3).

A medida que la presión de trabajo aumenta, la membrana actúa contra la fuerza

del muelle. La sección de paso en el asiento de válvula (4) disminuye hasta que la

válvula cierra el paso por completo. En otros términos, la presión es regulada por

el caudal que circula.

Al tomar aire, la presión de trabajo disminuye y el muelle abre la válvula. La

regulación de la presión de salida ajustada consiste, pues, en la apertura y cierre

constantes de la válvula. Al objeto de evitar oscilaciones, encima del platillo de

válvula (6) hay dispuesto un amortiguador neumático o de muelle (5). La presión

de trabajo se visualiza en un manómetro.

Cuando la presión secundaria aumenta demasiado, la membrana es empujada

contra el muelle. Entonces se abre el orificio de escape en la parte central de la

membrana y el aire puede salir a la atmósfera por los orificios de escape

existentes en la caja. (Ver figura no. 5)

Figura no. 5 Regulador de presión con orificio de escape.

Fuente: Gullen, (2003). Aplicaciones Industriales de La Neumática

1.3.3.2 Regulador de presión sin orificio de escape

En el comercio se encuentran válvulas de regulación de presión sin orificio de

escape. Con estas válvulas no es posible evacuar el aire comprimido que se

encuentra en las tuberías.

Funcionamiento:

Por medio del tornillo de ajuste (2) se pretensa el muelle (8) solidario a la

membrana (3). Según el ajuste del muelle (8), se abre más o menos el paso del

lado primario al secundario. El vástago (6) con la membrana (5) se separa más o

menos del asiento de junta.

Si no se toma aire comprimido del lado secundario, la presión aumenta y empuja

la membrana (3) venciendo la fuerza del muelle (8). El muelle (7) empuja el

vástago hacia abajo, y en el asiento se cierra el paso de aire. Sólo después de

haber tomado aire del lado secundario, puede afluir de nuevo aire comprimido del

lado primario. (Ver figura no. 6)

Figura no. 6 Regulador de presión sin orificio de escape


1.3.3.4 Lubricador de aire comprimido

El lubricador tiene la misión de lubricar los elementos neumáticos en medida

suficiente. El lubricante previene un desgaste prematuro de las piezas móviles,

reduce el rozamiento y protege los elementos contra la corrosión.

Los lubricadores trabajan generalmente según el principio "Venturi". La diferencia

de presión Ap (caída de presión) entre la presión reinante antes de la tobera y la

presión en el lugar más estrecho de ésta se emplea para aspirar líquido (aceite) de

un depósito y mezclarlo con el aire.

El lubricador no trabaja hasta que la velocidad del flujo es suficientemente grande.

Si se consume poco aire, la velocidad de flujo en la tobera no alcanza para

producir una depresión suficiente y aspirar el aceite del depósito.

Por eso, hay que observar los valores de flujo que indique el fabricante, (Ver figura

no. 7)

Figura no. 7 Principio de Venturi


1.3.3.4.1 Funcionamiento de un lubricador

El lubricador mostrado en la figura no. 8 trabaja según el principio Venturi. El aire

comprimido atraviesa el aceitador desde la entrada (1) hasta la salida (2). Por el

estrechamiento de sección en la válvula (5), se produce una caída de presión. En

el canal (8) y en la cámara de goteo (7) se produce una depresión (efecto de

succión). A través del canal (6) y del tubo elevador (4) se aspiran gotas de aceite.

Estas llegan, a través de la cámara de goteo (7) y del canal (8) hasta el aire

comprimido, que afluye hacia la salida (2). Las gotas de aceite son pulverizadas

por el aire comprimido y llegan en este estado hasta el consumidor.

La sección de flujo varía según la cantidad de aire que pasa y varía la caída de

presión, o sea, varía la cantidad de aceite. En la parte superior del tubo elevador

(4) se puede realizar otro ajuste de la cantidad de aceite, por medio de un tornillo.

Una determinada cantidad de aceite ejerce presión sobre el aceite que le

encuentra en el depósito, a través de la válvula de retención (3).

Figura no. 8 Lubricador de aire comprimido

Fuente: Gullen, Salvador Antonio (2003). Aplicaciones Industriales de La Neumática

1.3.3.5 Unidad de mantenimiento

La unidad de mantenimiento representa una combinación de los siguientes

elementos, ver figura no. 9:

- Filtro de aire comprimido

- Regulador de presión

- Lubricador de aire comprimido

Deben tenerse en cuenta los siguientes puntos:

1. El caudal total de aire en m3/h es decisivo para la elección del tamaño de

unidad. Si el caudal es demasiado grande, se produce en las unidades una caída

de presión demasiado grande. Por eso, es imprescindible respetar los valores

indicados por el fabricante.

2. La presión de trabajo no debe sobrepasar el valor estipulado en la unidad, y la

temperatura no deberá ser tampoco superior a 50°C (valores máximos para

recipiente de plástico).

En la figura 10 se puede ver el diagrama de la unidad de mantenimiento.

Figura no. 9 Unidad de mantenimiento


Figura no. 10 Símbolo de la unidad de mantenimiento


1.3.3.5.1 Conservación de las unidades de mantenimiento

Es necesario efectuar en intervalos regulares los trabajos siguientes de

conservación

a) Filtro de aire comprimido: Debe examinarse periódicamente el nivel del agua

condensada, porque no debe sobrepasar la altura indicada en la mirilla de control.

De lo contrario, el agua podría ser arrastrada hasta la tubería por el aire

comprimido. Para purgar el agua condensada hay que abrir el tornillo existente en

la mirilla.

Asimismo debe limpiarse el cartucho filtrante.

b) Regulador de presión: Cuando está precedido de un filtro, no requiere ningún

mantenimiento.

c) Lubricador de aire comprimido: Verificar el nivel de aceite en la mirilla y, si es

necesario, suplirlo hasta el nivel permitido. Los filtros de plástico y los recipientes

de los lubricadores no deben limpiarse con tricloroetileno. Para los lubricadores,

utilizar únicamente aceites minerales.

1.3.3.5.2 Caudal en las unidades de mantenimiento

Todos los aparatos poseen una resistencia interior, por lo que se produce una

caída de presión -hasta que el aire llega a la salida. Esta caída de presión

depende M caudal de paso y de la presión de alimentación correspondiente. En el

diagrama no. 11 están representadas varias curvas, por ejemplo, para presiones

de entrada P1 en la unidad de 100 kPa (1 bar), 200 kPa (2bar), 400 kPa (4 bar) y

600 kPa (6 bar).

En la abscisa está indicada la pérdida de presión A p. Esta es la diferencia entre la

presión reinante en el regulador de presión (p,) y la presión a la salida de la unidad

(p2). La pérdida máxima de presión A p puede corresponder por tanto a la presión

P2. En este caso, la resistencia después de la unidad ha disminuido hasta el valor

cero y, por tanto, se dispone del caudal máximo de flujo.

Ejemplo:

El flujo con P1 = 600 kPa (6 bar) y ΔP = 5º kPa (0.5 bar) es de un caudal de 1.8

m³/h, aproximadamente.

La unidad de mantenimiento debe elegirse cuidadosamente según el consumo de

la instalación. Si no se pospone un depósito, hay que considerar el consumo

máximo por unidad de tiempo.

Unidad de mantenimiento de R 1/8"

Diagrama no. 11 Pérdida de presión en unidades de mantenimiento


1.3.4 ELEMENTOS NEUMÁTICOS DE TRABAJO

Lo energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un

movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos, en movimiento de

giro.

1.3.4.1 Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo

Cilindros neumáticos. A menudo, la generación de un movimiento rectilíneo con

elementos mecánicos combinados con accionamientos eléctricos supone un gasto

considerable.

1.3.4.2 Cilindros de simple efecto

Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar

trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de

traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una

fuerza externa. (Ver figura no. 12).

El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su

posición inicial a una velocidad suficientemente grande.

En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita

la carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm.

Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc.

Figura no. 12 Cilindro de simple efecto


Cilindro de émbolo

La estanqueidad se logra con un material flexible (perbunano), que recubre el

pistón metálico o de material plástico. Durante el movimiento del émbolo, los

labios de junta se deslizan sobre la pared interna del cilindro.

En la segunda ejecución aquí mostrada, el muelle realiza la carrera de trabajo; el

aire comprimido hace retornar el vástago a su posición inicial. (Ver figura no. 13)

· Aplicación: frenos de camiones y trenes.

· Ventaja: frenado instantáneo en cuanto falla la energía.

Figura no. 13 Cilindro de émbolo


Cilindros de membrana

Una membrana de goma, plástico o metal reemplaza aquí al émbolo. El vástago

está fijado en el centro de la membrana. No hay piezas estanqueizantes que se

deslicen, se produce un rozamiento únicamente por la dilatación del material. (Ver

figura no. 14)

Aplicación: Se emplean en la construcción de dispositivos y herramientas, así

como para estampar, remachar y fijar en prensas.

Figura no. 14 Cilindro de membrana.


Cilindros de membrana arrollable

La construcción de estos cilindros es similar a la de los anteriores. También se

emplea una membrana que, cuando está sometida a la presión del aire, se

desarrolla a lo largo de la pared interior del cilindro y hace salir el vástago Las

carreras son mucho más importantes que en los cilindros de membrana (aprox.

50-80 mm). El rozamiento es mucho menor (Ver figura no. 15).

Figura no. 15 Cilindro de membrana arrollable


1.3.4.3 Cilindros de doble efecto

La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble

efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de

una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno

Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el

émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En

principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta

el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en este caso,

sirven de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas. (Ver figura no.

16).

Figura no. 16 Cilindro de doble efecto


Cilindros con amortiguación Interna

Cuando las masas que traslada un cilindro son grandes, al objeto de evitar un

choque brusco y daños es utiliza un sistema de amortiguación que entra en acción

momentos antes de alcanzar el final de la carrera. Antes de alcanzar la posición

final, un émbolo amortiguador corta la salida directa del aire al exterior .En cambio,

es dispone de una sección de escape muy pequeña, a menudo ajustable. El aire

comprimido se comprime más en la última parte de la cámara del cilindro. La

sobrepresión producida disminuye con el escape de aire a través de las válvulas

antirretorno de estrangulación montada (sección de escapo pequeña). El émbolo

se desliza lentamente hasta su posición final. En el cambio de dirección del

émbolo, el aire entra sin obstáculos en la cámara del cilindro por la válvula

antirretorno. (Ver figuras no. 17 y 18).

Figura no. 17 Cilindros con amortiguación Interna


Figura no. 18 Diagrama de cilindros con amortiguación interna


1.3.4.4 Cilindros de doble efecto, en ejecución especial

Cilindros de doble vástago

Este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados, como se ve en

la figura no. 19. La guía del vástago es mejor, porque dispone de dos cojinetes y la

distancia entre éstos permanece constante. Por eso, este cilindro puede absorber

también cargas pequeñas laterales. Los elementos señalizadores pueden

disponerse en el lado libre M vástago. La fuerza es igual en los dos sentidos (los

superficies del émbolo son iguales).

Figura no. 19 Cilindros de doble vástago


Cilindro Tándem

Está constituido por dos cilindros de doble efecto que forman una unidad. Gracias

a esta disposición, al aplicar simultáneamente presión sobre los dos émbolos se

obtiene en el vástago una fuerza de casi el doble de la de un cilindro normal con el

mismo diámetro, (Ver figura no. 20). Se utiliza cuando se necesitan fuerzas

considerables y se dispone de un espacio determinado, no siendo posible utilizar

cilindros de un diámetro mayor.

Figura no. 20 Cilindro Tándem


Cilindro Multiposicional

Este cilindro está constituido por dos o más cilindros de doble efecto. Estos

elementos están acoplados como muestra el esquema. Según el émbolo al que se

aplique presión, actúa uno u otro cilindro. En el caso de dos cilindros de carreras

distintas, pueden obtenerse cuatro posiciones. (Ver figura no. 21).

Figuran no. 21 Cilindro multiposicional


Aplicación:

- Colocación de piezas en estantes, por medio de cintas de transporte

- Mando de palancas

- Dispositivos de clasificación (piezas buenas, malas y a ser rectificadas)

Cilindro de Impacto

Si se utilizan cilindros normales para trabajos de conformación, las fuerzas

disponibles son, a menudo, insuficientes. El cilindro de impacto es conveniente

para obtener energía cinética, de valor elevado. Según la fórmula de la energía

cinética, se puede obtener una gran energía de impacto elevando la velocidad.

E = m x v² / 2

E = Energía en kg x m² / s² = Nm = Joule

m = masa en kg v = Velocidad en m/s

Los cilindros de impacto desarrollan una velocidad comprendida entre 7,5 y 10 m/s

(velocidad normal 1 a 2 m/s). Sólo una concepción especial permite obtener estas

velocidades.

La energía de estos cilindros se utiliza para prensar, rebordear, remachar,

estampar, etc.

La fuerza de impacto es digna de mención en relación con sus dimensiones. En

muchos casos, estos cilindros reemplazan a prensas. Según el diámetro del

cilindro, pueden obtenerse desde 25 hasta 500 Nm.

Atención:

Cuando las carreras de conformación son grandes, la velocidad disminuye

rápidamente y, por consiguiente, también la energía de impacto; por eso, estos

cilindros no son apropiados cuando se trata de carreras de conformación grandes,

como se indica en la figura no. 22

Figura no. 22 Cilindro de Impacto


Funcionamiento:

La cámara A está sometida a presión. Al accionar una válvula, se forma presión en

la cámara B, y la A se purga de aire. Cuando la fuerza que actúa sobre la

superficie C es mayor que la que actúa en la superficie anular de la cámara A. el

émbolo se mueve en dirección Z. Al mismo tiempo queda libre toda la superficie

del émbolo y la fuerza aumenta. El aire de la cámara B puede afluir rápidamente

por la sección entonces más grande, y el émbolo sufre una gran aceleración.

Cilindro de cable

Este es un cilindro de doble efecto. Los extremos de un cable, guiado por medio

de poleas, están fijados en ambos lados del émbolo. Este cilindro trabaja siempre

con tracción. Aplicación: apertura y cierre de puertas; permite obtener carreras

largas, teniendo dimensiones reducidas. (Ver figura 23).

Figura no. 23 Cilindro de cable


Cilindro de giro

En esta ejecución de cilindro de doble efecto, el vástago es una cremallera que

acciona un piñón y transforma el movimiento lineal en un movimiento giratorio

hacia la izquierda o hacia la derecha, según el sentido del émbolo. Los ángulos de

giro corrientes pueden ser de 45°, 90°, 180°, 290° hasta 720°. Es posible

determinar el margen de giro dentro del margen total por medio de un tornillo de

ajuste. (Ver figura no. 24).

El par de giro es función de la presión, de la superficie del émbolo y de la

desmultiplicación. Los accionamientos de giro se emplean para voltear piezas,

doblar tubos metálicos, regular acondicionadores de aire, accionar válvulas de

cierre, válvulas de tapa, etc.

Figura no.24 Cilindro de giro


Cilindro de émbolo giratorio

Como los cilindros de giro, éste también puede realizar un movimiento angular

limitado, que rara vez sobrepasa los 300°. La estanqueización presenta

dificultades y el diámetro o el ancho permiten a menudo obtener sólo pares de

fuerza pequeños. Estos cilindros no se utilizan mucho en neumática, pero en

hidráulica se ven con frecuencia. (Ver figura no. 25).

Figura no. 25 Cilindro de émbolo giratorio

Fuente: Carulla, Miguel (1998). Circuitos Básicos de Neumática

1.3.4.5 Cálculos de cilindros

1.3.4.5.1 Fuerza del émbolo

La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del

diámetro del cilindro del rozamiento de las juntas. La fuerza teórica del émbolo se

calcula con la siguiente fórmula:

En la práctica es necesario conocer la fuerza real. Para determinarla hay que tener

en cuenta los rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones de 400

a 800 kPa/4 a 8 bar) se puede suponer que las fuerzas de rozamiento representan

de un 3 a un 20% de la fuerza calculada.

Cilindro de simple efecto.

Figura no. 26 Diagrama Presión - Fuerza

1.3.4.5.2 Longitud de carrera

La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con

émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta

económico por el elevado consumo de aire.

Cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los

cojinetes de guía es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las

carreras son grandes deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal.

Además, al prolongar la carrera la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello,

mejora la guía del vástago.

1.3.4.5.3 Velocidad del émbolo

La velocidad del émbolo en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista

de la presión del aire, de la longitud de la tubería, de la sección entre los

elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento demando.

Además, influye en la velocidad la amortiguación final de carrera.

Cuando el émbolo abandona la zona de amortiguación, el aire entra por una

válvula antirretorno y de estrangulación y produce una reducción de la velocidad.

La velocidad media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0,1

y 1,5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades

de hasta 10 m/s.

La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de

estrangulación, antirretorno y de estrangulación, y las de escape rápido

proporcionan velocidades mayores o menores (véase el diagrama en la figura 71).

1.3.5 VÁLVULAS

1.3.5.1 Generalidades

Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización,

elementos de mando y una porte de trabajo, Los elementos de señalización y

mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan

válvulas.

Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y

la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba

hidráulica o almacenado en un depósito. En lenguaje internacional, el término

"válvula" o "distribuidor" es el término general de todos los tipos tales como

válvulas de corredera, de bola, de asiento, grifos, etc.

Esta es la definición de la norma DIN/ISO 1219 conforme a una recomendación

del CETOP (Comité Européen des Transmissions Oiéohydrauliques et

Pneumatiques).

Según su función las válvulas se subdividen en 5 grupos:

1. Válvulas de vías o distribuidoras 4. Válvulas de caudal

2. Válvulas de bloqueo 5. Válvulas de cierre

3. Válvulas de presión

1.3.5.2 Válvulas distribuidoras

Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de tomar la

corriente de aire, a saber, principalmente puesta en marcha y paro (Start-Stop).

1.3.5.2.1 Representación esquemática de las válvulas

Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan

símbolos; estos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la

válvula; solamente indican su función.

Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de

cuadrados.

La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de. Posiciones de la

válvula distribuidora.

El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas

(cuadros).

Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas, el sentido de circulación

del fluido.

Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas

transversales.

La unión de conductos o tuberías se representa mediante un punto. Las

conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la

casilla que esquematiza la posición de reposo o inicial.

La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las

conexiones coincidan.

Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c... y 0.

Válvula de 3 posiciones. Posición intermedia = Posición de reposo.

Por posición de reposo se entiende, en el caso de válvulas con dispositivo de

reposición, p. ej., un muelle, aquella posición que las piezas móviles ocupan

cuando la válvula no está conectada. La posición inicial es la que tienen las piezas

móviles de la válvula después del montaje de ésta, establecimiento de la presión

y, en caso dado conexión de la tensión eléctrica. Es la posición por medio de la

cual comienza el programa preestablecido.

Conductos de escape sin empalme de tubo (aire evacuado a la atmósfera).

Triángulo directamente junto al símbolo.

Conductos de escape con empalme de tubo (aire evacuado a un punto de

reunión). Triángulo ligeramente separado del símbolo.

Para evitar errores durante el montaje, los empalmes se identifican por medio de

letras mayúsculas:

Rige lo siguiente:

Tuberías o conductos de trabajo A, B, C........................

Empalme de energía P...................................

Salida de escape R, S, T..........................

Tuberías o conductos de pilotaje Z, Y, X...........................

En la figura 27 se listan los diagramas de los distintos accesorios y válvulas.

Figura no. 27 Diagrama de accesorios


1.3.5.2.2 Accionamiento de válvulas

Según el tiempo de accionamiento se distingue entre:

a. Accionamiento permanente, señal continúa

La válvula es accionada manualmente o por medios mecánicos, neumáticos o

eléctricos durante todo el tiempo hasta que tiene lugar el reposicionamiento. Este

es manual o mecánico por medio de un muelle.

b. Accionamiento momentáneo, impulso

La válvula es invertida por una señal breve (impulso) y permanece indefinidamente

en esa posición, hasta que otra señal la coloca en su posición anterior.

1.3.5.2.3 Características de construcción de válvulas distribuidoras

Las características de construcción de las válvulas determinan su duración, fuerza

de accionamiento, racordaje y tamaño.

Según la construcción, se distinguen los tipos siguientes:

Válvulas de asiento esférico

disco plano

Válvulas de corredera émbolo

émbolo y cursor

disco giratorio

1.3.5.2.4 Válvulas de asiento

En estas válvulas, los empalmes se abren y cierran por medio de bolas, discos,

placas o conos. La estanqueidad se asegura de una manera muy simple,

generalmente por juntas elásticas. Los elementos de desgaste son muy pocos y,

por tanto, estas válvulas tienen gran duración. Son insensibles a la suciedad y

muy robustas.

La fuerza de accionamiento es relativamente elevada, puesto que es necesario

vencer la resistencia del muelle incorporado de reposicionamiento y la presión del

aire.

Válvulas de asiento esférico

Estás válvulas son de concepción muy simple y, por tanto, muy económicas. Se

distinguen por sus dimensiones muy pequeñas.

Un muelle mantiene apretada la bola contra el asiento; el aire comprimido no

puede fluir del empalme P hacia la tubería de trabajo A. Al accionar el taqué, la

bola se separa del asiento. Es necesario vencer al efecto la resistencia M muelle

de reposicionamiento y la fuerza del aire comprimido. Estas válvulas son

distribuidoras 2/2, porque tienen dos posiciones (abierta y cerrada) y dos orificios

activos (P y A). (Ver figura no. 28).

Con escape a través del taqué de accionamiento, se utilizan también como

válvulas distribuidoras 3/2. El accionamiento puede ser manual o mecánico. (Ver

figura no. 29).

Figura no. 28 Válvula distribuidora 2/2




Válvulas de asiento plano

Las válvulas representadas en la figura no 30 tienen una junta simple que

asegura la estanqueidad necesaria. El tiempo de respuesta es muy pequeño,

puesto que un desplazamiento corto determina un gran caudal de paso, También

estas válvulas son insensibles a la suciedad y tienen, por eso, una duración muy

larga.

Al accionar el taqué, en un margen breve se unen los tres empalmes P, A y R.

Como consecuencia, en movimientos lentos una cantidad grande de aire

comprimido escapa de P hacia R, a la atmósfera, sin haber rendido antes trabajo.

Estas son válvulas que no tienen escape exento de solapo. (Ver figura no.31).



Figura no. 31 Válvula distribuidora 3/2 cerrada


Las válvulas construidas según el principio de disco individual tienen un escape

sin solapo. No se pierde aire cuando la conmutación tiene lugar de forma lenta

como se muestra en las figuras no. 32 y 33.

Al accionar el taqué se cierra primeramente el conducto de escape de A hacia R,

porque el taqué asienta sobre el disco. Al seguir apretando, el disco se separa del

asiento, y el aire puede circular de P hacia A. El reposicionamiento se realiza

mediante un muelle. Las válvulas distribuidoras 3/2 se utilizan para mandos con

cilindros de simple efecto o para el pilotaje de servoelementos.

En el caso de una válvula abierta en reposo (abierta de P hacia A), al accionar se

cierra con un disco el paso de P hacia A. Al seguir apretando, otro disco se levanta

de su asiento y abre el paso de A hacia R. El aire puede escapar entonces por R.

Al soltar el taqué, los muelles reposicionan el émbolo con los discos

estanqueizantes hasta su posición inicial.

Las válvulas pueden accionarse manualmente o por medio de elementos

mecánicos, eléctricos o neumáticos.

Figura no. 32 Válvula distribuidora 3/2 (cerrada en posición de reposo)


Figura no. 33 Válvula distribuidora 3/2 (abierta en posición de reposo)


Una válvula 4/2 que trabaja según este principio es una combinación de dos

válvulas 3/2, una de ellas cerrada en posición de reposo y la otra, abierta en

posición de reposo.

En las figuras 34 y 35, los conductos de P hacia B y de A hacia R están abiertos.

Al accionar simultáneamente los dos taqués se cierra el paso de P hacia B y de A

hacia R. Al seguir apretando los taqués contra los discos, venciendo la fuerza de

los muelles de reposicionamiento se abre el paso de P hacia A y de B hacia R.

Esta válvula tiene un escape sin solapo y regresa a su posición inicial por la fuerza

de los muelles. Se emplea para mandos de cilindros de doble efecto.

Figura no 34. Válvula distribuidores 4/2


Figura no. 35 Mando de un cilindro de doble efecto con una válvula

distribuidora 4/2


Electroválvulas (válvulas electromagnéticas)

Estas válvulas se utilizan cuando la señal proviene de un temporizador eléctrico,

un final de carrera eléctrico, presostatos o mandos electrónicos. En general, se

elige el accionamiento eléctrico para mandos con distancias extremamente largas

y cortos tiempos de conexión.

Las electroválvulas o válvulas electromagnéticas se dividen en válvulas de mando

directo o indirecto. Las de mando directo solamente se utilizan para un diámetro

luz pequeño, puesto que para diámetros mayores los electroimanes necesarios

resultarían demasiado grandes. (Ver figura no. 36).

Figura No. 36 Válvula distribuidora 3/2 (de mando electromagnético)


Las válvulas de control neumático son sistemas que bloquean, liberan o desvían el

flujo de aire de un sistema neumático por medio de una señal que generalmente

es de tipo eléctrico, razón por la cual también son denominadas electroválvulas,

las válvulas eléctricas se clasifican según la cantidad de puertos (entradas o

salidas de aire) y la cantidad de posiciones de control que poseen. Por ejemplo,

una válvula 3/2 tiene 3 orificios o puertos y permite dos posiciones diferentes.

3 =Número de Puertos

2 = Número de Posiciones

Figura no. 37 Símbolos de válvulas eléctricas


Rutas del fluido con una válvula de 5/2. Observe que este tipo de válvulas es apta

para cilindros de doble efecto.

Figura no. 38 Rutas del fluido con una válvula de 5/2, en un cilindro de doble

efecto.


En la figura 37, se puede apreciar la simbología utilizada para representar los

diferentes tipos de válvulas eléctricas. El significado de las letras utilizadas en los

esquemas son los siguientes:

P (Presión). Puerto de alimentación de aire

R, S, etc. Puertos para evacuación del aire

A, B, C, etc. Puertos de trabajo

Z, X, Y, etc. Puertos de monitoreo y control

En la figura 38 aparece la ruta que sigue el aire a presión con una válvula 5/2 y un

cilindro de doble efecto. La mayoría de las electroválvulas tienen un sistema de

accionamiento manual con el cual se pueden activar sin necesidad de utilizar

señales eléctricas. Esto se hace solamente en labores de mantenimiento, o

simplemente para corroborar el buen funcionamiento de la válvula y del cilindro,

así como para verificar la existencia del aire a presión.

Figura no. 39 Válvulas proporcionales. Permiten regular el

caudal que pasa a través de ellas.


Electroválvulas de doble solenoide. Existen válvulas que poseen dos bobinas y

cuyo funcionamiento es similar a los flip-flops electrónicos. Con este sistema, para

que la válvula vaya de una posición a la otra, basta con aplicar un pequeño pulso

eléctrico a la bobina que está en la posición opuesta. Allí permanecerá sin

importar que dicha bobina siga energizada y hasta que se aplique un pulso en la

bobina contraria. La principal función en estos sistemas es la de "memorizar" una

señal sin que el controlador esté obligado a tener permanentemente energizada la

bobina.

Válvulas proporcionales. Este tipo de válvulas regula la presión y el caudal a

través de un conducto por medio de una señal eléctrica, que puede ser de

corriente o de voltaje, (figura No. 39). Su principal aplicación es el control de

posición y de fuerza, ya que los movimientos son proporcionales y de precisión, lo

que permite un manejo más exacto del paso de fluidos, en este caso del aire.

Figura no. 40. Control de lazo

cerrado con válvulas

proporcionales. Por medio de un

dispositivo de procesamiento se

puede ubicar un actuador en

puntos muy precisos

Fuente: Carulla, Miguel (1998). Circuitos Básicos

de Neumática

Por medio de una válvula proporcional, mostrada en la figura no. 40, podemos

realizar un control de posición de lazo cerrado, figura anterior, donde el actuador

podría ser un cilindro, el sensor un sistema óptico que envía pulsos de acuerdo a

la posición de dicho cilindro, y el controlador un procesador que gobierne el

dispositivo en general. El número de impulsos se incrementa a medida que el

pistón se desplaza a la derecha y disminuye cuando se mueve a la izquierda.

Figura no. 41 Transmisión de

señales por medios

neumáticos. Cuando, en el sitio

donde se mide la variable física,

el ruido eléctrico o el peligro de

explosión no permiten el uso de

cableado, podemos transmitir

señales por medios neumáticos

para que sean convertidas al

modo eléctrico en lugares

distantes.

Fuente: Carulla, (1998). Circuitos Básicos

de Neumática

La señal enviada por el controlador hacia la válvula proporcional depende de la

cantidad de pulsos, que a la vez indican la distancia que falta para alcanzar la

posición deseada. Cada vez que la presión del aire, la temperatura o cualquier

otro parámetro de perturbación ocasione un cambio de posición, el controlador

tendrá la capacidad de hacer pequeños ajustes para lograr la posición exacta del

cilindro. (Ver figura no. 41).

Al conectar el imán, el núcleo (inducido) es atraído hacia arriba venciendo la

resistencia del muelle. Se unen los empalmes P y A. El núcleo obtura, con su

parte trasera, la salida R. Al desconectar el electroimán, el muelle empuja al

núcleo hasta su asiento inferior y cierra el paso de P hacia A. El aire de la tubería

de trabajo A puede escapar entonces hacia R. Esta válvula tiene solapo; el tiempo

de conexión es muy corto. (Ver figura no. 42).

Para reducir al mínimo el tamaño de los electroimanes, se utilizan válvulas de

mando indirecto, que se componen de dos válvulas: Una válvula electromagnética

de servopilotaje (312, de diámetro nominal pequeño) y una válvula principal, de

mando neumático.

Funcionamiento:

El conducto de alimentación P de la válvula principal tiene una derivación interna

hacia el asiento de la válvula de mando indirecto. Un muelle empuja el núcleo

contra el asiento de esta válvula. Al excitar el electroimán, el núcleo es atraído, y

el aire fluye hacia el émbolo de mando de la válvula principal, empujándolo hacia

abajo y levantando los discos de válvula de su asiento. Primeramente se cierra la

unión entre P y R (la válvula no tiene solapo). Entonces, el aire puede fluir de P

hacia A y escapar de B hacia R.

Al desconectar el electroimán, el muelle empuja el núcleo hasta su asiento y corta

el paso del aire de mando. Los émbolos de mando en la válvula principal son

empujados a su posición inicial por los muelles.

Figura no. 42 Válvula distribuidora 4/2 (válvula electromagnética y de

mando indirecto)


1.3.5.2.5 Válvulas de corredera

En estas válvulas, los diversos orificios se unen o cierran por medio de una

corredera de émbolo, una corredera plana de émbolo o una corredera giratoria.

Válvula de corredera longitudinal

El elemento de mando de está válvula es un émbolo que realiza un

desplazamiento longitudinal y une o separa al mismo tiempo los correspondientes

conductos. La fuerza de accionamiento es reducida, porque no hay que vencer

una resistencia de presión de aire o de muelle (como en el principio de bola o de

junta de disco). (Ver figura no. 43). Las válvulas de corredera longitudinal pueden

accionarse manualmente o mediante medios mecánicos, eléctricos o neumáticos.

Estos tipos de accionamiento también pueden emplearse para reposicionar la

válvula a su posición inicial. La carrera es mucho mayor que en las válvulas de

asiento plano.

Figura 43. Válvula distribuidora 5/2 (principio de corredera longitudinal)


En esta ejecución de válvulas de corredera, la estanqueidad representa un

problema. El sistema conocido «metal contra metal- utilizado en hidráulica exige

un perfecto ajuste de la corredera en el interior del cilindro. Para reducir las fugas

al mínimo, en neumática, el juego entre la corredera y el cilindro no debe

sobrepasar 0,002 a 0.004 mm. Para que los costos de fabricación no sean

excesivos, sobre el émbolo se utilizan juntas tóricas (anillos toroidales) o de doble

copa o juntas tóricas fijas en el cuerpo. (Ver figura no. 44). Al objeto de evitar que

los elementos estanqueizantes se dañen, los orificios de empalme pueden

repartirse en la superficie del cilindro.

Figura no. 44 Diferentes métodos de estanqueización entre el émbolo


1.3.5.3 Válvulas de bloqueo

Son elementos que bloquean el paso M caudal preferentemente en un sentido y lo

permiten únicamente en el otro sentido. La presión del lado de salida actúa sobre

la pieza obturadora y apoya el efecto de cierre hermético de la válvula.

1.3.5.3.1 Válvula antirretorno

Las válvulas antirretorno impiden el paso absolutamente en un sentido. Ver figura

no. 45 y 46. En el sentido contrario, el aire circula con una pérdida de presión

mínima. La obturación en un sentido puede obtenerse mediante un cono, una

bola, un disco o una membrana.

Válvula antirretorno, que cierra por el efecto de una fuerza que

actúa sobre la parte a bloquear.

Válvula antirretorno con cierre por contrapresión, por muelle.

Cierra cuando la presión de salida es mayor o igual que la de

entrada.

Figura no. 45 Válvula antirretorno


Figura no. 46 Válvula Antiretorno cerrada por muelle


1.3.5.3.2 Válvula selectora de circuito

También se llama válvula antirretorno. De doble mando o antirretorno doble. Esta

válvula tiene dos entradas X y Y y una salida A. Cuando el aire comprimido entra

por la entrada X, la bola obtura la entrada Y y el aire circula de X a A.

Inversamente, el aire pasa de Y a A cuando la entrada X está cerrada. (Ver figura

no 47). Cuando el aire regresa, es decir, cuando se desairea un cilindro o una

válvula, la bola, por la relación de presiones, permanece en la posición en que se

encuentra momentáneamente.

Figura no. 47 Válvula Antirretorno de Doble Mando


Esta válvula se denomina también «elemento 0 (OR)»; aísla las señales emitidas

por válvulas de señalización desde diversos lugares e impide que el aire escape

por una segunda válvula de señalización. (Ver figura no. 48).

Si se desea mandar un cilindro o una válvula de mando desde dos o más puntos,

será necesario montar esta válvula.

Figura no. 48 Válvula de Señalización


1.5.3.3 Válvula antirretorno y de estrangulación

También se conoce por el nombre de regulador de velocidad o regulador

unidireccional. Estrangula el caudal de aire en un solo sentido. Una válvula

antirretorno cierra el paso del aire en un sentido, y el aire puede circular sólo por la

sección ajustada. En el sentido contrario, el aire circula libremente a través de la

válvula antirretorno abierta. Estas válvulas se utilizan para regular la velocidad de

cilindros neumáticos. (Ver figura 49).

Para los cilindros de doble efecto, hay por principio dos tipos de estrangulación.

Las válvulas antirretorno y de estrangulación deben montarse lo más cerca posible

de los cilindros.

Figura no. 49 Válvula antirretorno y de estrangulación


1.5.5 Válvulas de caudal

Estas válvulas influyen sobre la cantidad de circulación de aire comprimido; el

caudal se regula en ambos sentidos de flujo. (Ver figura no. 50)

Figura no. 50 Válvula de Caudal


Válvulas reguladoras de caudal, de estrangulación constante:

Válvula de estrangulación En esta válvula, la longitud del

tramo de estrangulación es de tamaño superior al diámetro.

Válvula de restricción de turbulencia En esta válvula la

longitud del tramo de estrangulación es de tamaño inferior al

diámetro.

Válvulas reguladoras de caudal, de estrangulación variable:

Válvula de estrangulación regulable

Válvula de estrangulación de accionamiento mecánico,

actuando contra la fuerza de un muelle. Resulta más

conveniente incorporar las válvulas de estrangulación al

cilindro.


MARCO II

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Antecedentes y Diagnóstico de la Empresa

MATESA, es una empresa Guatemalteca que tiene siete años de dedicarse al

proceso de mateado de vidrio. Hace dos años iniciaron el desarrollo de una línea

de pintura para botellas, vasos y productos de vidrio. La línea está automatizada a

excepción de la carga, descarga y pintado del producto. Este último proceso es el

responsable de la uniformidad del acabado final del producto y por esta razón les

interesa automatizarlo. Actualmente la empresa se localiza en la zona 12 de la

ciudad capital.

Planteamiento del Problema

Actualmente el proceso ocurre sobre una banda en movimiento, la cual transporta

el producto. En una de las secciones se aplica pintura de forma uniforme sobre el

envase de vidrio. Esta operación se realiza mediante una pistola convencional

para pintura de vehículos. La operación es manual, y requiere de mucha práctica

para obtener cierta uniformidad en el acabado del producto. Siendo este el

problema principal a resolver.

Para el diseño de una máquina que automatice esta labor, es necesario conocer

los distintos accesorios y componentes neumáticos, mecánicos y

electromecánicos que están disponibles en el mercado. Es por esto que el marco

teórico debe de sintetizar las características de estos componentes así como los

criterios de selección.

El análisis de este problema, por lo tanto se centra únicamente en la parte de

automatizar el proceso. Es decir nos interesa lograr reproducir de forma repetitiva

una serie de movimientos que actualmente es realizada por un operador.

La investigación inicia en el proceso actual, tomando en cuenta todos los aspectos

de las tareas y movimientos que son necesarios para dar el acabado final de

pintura que el cliente desea. A si mismo teniendo en cuenta los distintos

acabados de pintura y los distintos productos que se manejan dentro de esta línea

de producción.

Como algo más concreto se define el problema de la siguiente manera: ¿Cómo

automatizar el proceso de pintura de envases de vidrio sobre una línea de

producción existente?

2.1 Objetivos:

2.1.1 Objetivos Generales

1. Diseñar una máquina neumática que remplace una actividad manual

dentro de una línea de pintura de artículos de vidrio.

2. Utilizar los productos y accesorios mecánicos y neumáticos que se

encuentran en el mercado para la construcción de dicha máquina.

3. Documentar paso a paso la metodología a seguir para el desarrollo de

dicha máquina.

2.1.2 Objetivos Específicos

Mejorar la calidad del producto final, al reproducir exactamente el

proceso de pintura, con la menor cantidad de alteraciones dentro de

un lote de producción.

Reducir los tiempos dentro del proceso.

Reducir el volumen de producto rechazado, por fallas provocadas en

el proceso de pintura.

2.2 Hipótesis:

No se define ninguna por ser un trabajo del tipo descriptivo (Achaereandio

1996)

2.3 Definición de Variables

2.3.1 Variables Operacionales

A. Movimiento Longitudinal: Este movimiento es el que realiza el operario

cuando sigue la pieza que está pintando sobre la banda transportadora.

B. Movimiento Vertical: Inicia siempre en la parte superior de la pieza y

avanza lentamente hacia abajo, al mismo tiempo que se aplica la pintura.

C. Movimiento Lateral: Este movimiento es el que acerca o aleja el soplete

de pintura ligeramente siguiendo el contorno del producto que se está

pintando a una distancia ideal de 20 cm.

D. Accionamiento del Gatillo: Es el movimiento que realiza el operario para

accionar el soplete de pintura.

2.3.2 Variables Conceptuales

E. Presión: Será la variable que determine la fuerza de empuje de los

cilindros neumáticos. Se mide en Kg/m2 (Guellen, 2003)

F. Velocidad: Cada uno de los movimientos tienen una velocidad, la cual

deberá poder ser medible en m/s y ajustable en la máquina. (Norton, 1999)

2.4 Alcances y Límites

2.4.1 Alcances: Este estudio se evaluó e implementó en el área de pintura de

productos de vidrio en la empresa. Este estudio se basa en la observación del

proceso manual, para crear un sistema neumático que reproduzca estos

movimientos. Se pretende mejorar la calidad de la pintura de los productos,

dándoles una mejor uniformidad la cual es muy difícil de dar mediante un proceso

manual.

2.4.2 Límites

2.4.2.1 Espaciales: El proyecto se estudiará dentro de la planta donde se

realiza este proceso.

2.4.1.2 Temporales: El proyecto se inicia el mes de agosto del 2003 y se

espera concluya en mayo del 2004.

2.4.2.3 Bibliográficos: El marco teórico tendrá referencia en publicaciones

editadas después de 1992.

2.5 Aporte

Este estudio tiene, como aporte a la empresa, el diseño de una máquina

neumática fácil de construir que sustituya una labor manual de pintura. Se

documenta paso a paso el diseño de la máquina y su sistema neumático y de

control.

A la universidad, los estudiantes y catedráticos pueden tomar esta información

como ejemplo de diseño de máquinas y automatización.

MARCO III

EL MÉTODO

Este estudio se limita a estudiar los movimientos y especificaciones para estas

tareas, seguidamente se elaboran los mecanismos que puedan reproducir los

movimientos deseados y finalmente el diseño del sistema de fuerza y control.

3.1 Sujetos de Estudio

Los sujetos de estudio, son los operadores de las tareas actuales, que laboran en

la empresa. El producto a estudiar son los distintos productos de vidrio que pasan

por la banda en este proceso en particular.

3.2 Instrumentos

Este estudio se basó en la observación de un proceso manual, para ser

reproducido mediante una máquina con cilindros neumáticos.

3.2.1 Cinta métrica: Esta se utilizó para tomar las mediciones de cada

movimiento y las medidas que se desarrollaron en la máquina.

3.2.2 Calibrador Vernier: Se utilizó para tomar las medidas más pequeñas

de la máquina y trasladarlas a los planos.

3.2.3 Autocad 14: El paquete de software se utilizó para la creación de los

juegos de planos de la máquina.

3.2.4 Manómetro: El manómetro instalado en la unidad de servicio de la

máquina nos sirvió para calibrar la fuerza en los cilindros neumáticos.

3.2.5 Cronómetro: Se utilizó para tomar las medidas de tiempo de la faja

transportadora.

3.3 Procedimiento

En este caso, el problema se estudió por observación, seguidamente se diseñó un

sistema de mecanismos que se acercaran lo mas posible con los movimientos que

realiza un operario en este proceso. Seguidamente se diseñó las piezas móviles

de la máquina que hacen estos movimientos posibles. Por último se identificaron

los dispositivos mecánicos y neumáticos que le dan el movimiento y control a cada

ciclo de la máquina.

MARCO IV

RESULTADOS

4. DISEÑO DE LA MÁQUINA

4.1 Observación

El proceso inicia con el producto puesto en la banda transportadora y finaliza con

la salida del producto, sobre la misma banda, debidamente pintado. El producto

se coloca sobre bases rotatorias que están adheridas a la banda transportadora.

Cada una de las bases rotatorias avanza hasta la estación de pintura, las cuales

giran al pasar sobre una faja en movimiento.

Fuente: MATESA (2004)

Aquí inicia la aplicación de pintura siguiendo la pieza, pintándola de arriba hacia

abajo, alejándose y acercándose ligeramente con la pistola de pintura, para seguir

el contorno de la pieza siempre a la misma distancia.

Fuente: MATESA (2004)

De la observación se determinaron los siguientes movimientos: Movimiento

Longitudinal, Movimiento Vertical, Accionamiento del Gatillo (de la pistola de

pintura) y Movimiento Lateral. (Ver punto 2.3.1)

4.1.1 Diagrama de Operaciones de Proceso

Operación Descripción Tiempo en Segundos

Inspecciona que la botella esté

debidamente montada en su

base

1

Coloca el soplete en la parte

superior del producto

1

Acciona el soplete y empieza a

pintar hacia abajo

5.8

Inspecciona el acabado final 2.5

En espera del siguiente

producto sobre la línea

2

Total 12.3

4.2 Desarrollo de Mecanismos

La serie de movimientos de procesos es compleja, pero si se dividen como se hizo

anteriormente vemos que cada uno de forma independiente tiene una sola

dirección. Dicho en otras palabras, el conjunto de mecanismos debe de poder

trasladar la pistola de pintura hacia un lado, de arriba hacia abajo y hacia adelante

y hacia atrás. Todo al mismo tiempo. Además este mecanismo debe de poder

estar sujeto ajustes que se acoplen a todos los productos que se trabajan en la

planta.

A. Mecanismo Longitudinal: Consta de un carro con cuatro buges (los buges

son piezas cilíndricas fabricadas preferentemente de material autolubricado que

permiten únicamente el movimiento lateral con la menor fricción posible). Estos se

deslizan sobre las dos barras laterales, para obtener el movimiento longitudinal

(A).

B. Mecanismo Vertical: Este consta de una barra con un buge en cada extremo

que permite el movimiento hacia arriba y hacia abajo. Sobre esta barra viene

montada la base del soplete de pintura. Este diseño permite el Movimiento

Vertical (B).

C. Mecanismo Lateral: Se logra utilizando otra barra que corre sobre dos buges

laterales en el carro el Mecanismo Longitudinal.

A su vez esta barra soporta los dos ejes guías de la barra del Mecanismo Vertical.

Con esto se logra el pequeño Movimiento Lateral (C).

D. Mecanismo de Acción del Gatillo: Va montado sobre la base de la pistola que

se encuentra en la barra del Mecanismo Vertical. Su única función es permitir el

deslizamiento de una pieza que hala el gatillo del soplete.

4.3 Diseño de Las Piezas

Teniendo definidos los mecanismos, procedemos a medir las distancias de cada

movimiento, para poder diseñar las dimensiones de cada carro y carrera de cada

eje. Adicional a esto se le agregó un 20% de longitud adicional por si existieran

productos futuros con mayores dimensiones. A continuación se presenta una

tabla con las mediciones de cada movimiento utilizando los productos de mayores

dimensiones que se pintan en la actualidad.

Productos: Botella de 1 lt., Florero de 1.6 lts

Movimiento Distancia Máxima Mas 20% adicional

A. Movimiento Longitudinal 76 cm. 92 cm.

B. Movimiento Vertical 24 cm. 29 cm.

C. Movimiento Lateral 10 cm. 12 cm.

D. Acción del Gatillo 1.5 cm. 2 cm.

A continuación se presenta el diseño de las piezas con medidas.

Dimensión de los materiales utilizados. Forma, etc…

4.3.1 Mesa

Se llama mesa a la base de la máquina, esta nos da la el soporte de

todos los mecanismos y lleva instalada los rieles del movimiento

longitudinal que es el de mayores dimensiones (0.92 m). Adicionalmente

debe de soportar el cilindro que mueve el carro horizontal. (Ver plano No.

1 en los anexos)

4.3.2 Carro Horizontal

Se llama carro horizontal a la parte de la máquina que se desliza sobre los

rieles de la mesa. Este carro desarrolla dos movimientos simultáneos:

4.3.2.1 Desplazamiento Longitudinal: Ocurre cuando el carro horizontal es

deslizado sobre los rieles de la mesa, logrando así el movimiento

longitudinal. (Ver plano No. 2 en los anexos)

4.3.2.2 Desplazamiento Lateral: Este ocurre cuando se desliza ligeramente la

torre que soporta el carro vertical, logrando así el delicado movimiento

lateral, que pretende seguir el contorno del producto que está pintando.

Para esto se ha instalado unos resortes sobre los rieles de

deslizamiento lateral y una rueda que se apoya sobre el marco del carro

horizontal, finalmente una plantilla le permite moverse hacia delante y

hacia atrás según sea el contorno del producto. (Ver plano No. 3 en los

anexos)

4.3.3 Carro Vertical

El carro vertical logra el movimiento mediante un cilindro neumático

colocado en la base del carro horizontal. Este carro lleva instalado el

soplete que aplicará la pintura sobre el producto. Además este carro

gobierna la corredera de la plantilla misma que empuja el carro horizontal,

se diseñó de esta forma ya que el movimiento lateral depende

directamente de su posición vertical como se explica en el punto 4.3.4

(Ver plano No.3 en los anexos)

4.3.4 Plantilla de Movimiento Lateral

Partiendo de la situación en la que se tiene distintos productos dentro de

la línea de producción, cada uno de ellos requiere de ajustes en todos los

movimientos. En el caso del movimiento lateral, este varía directamente

con la posición vertical del soplete. Por esta razón se diseñó una plantilla

que empuje o regrese el carro horizontal, utilizando para esto un juego de

resortes, una rueda y una plantilla que se desliza frente en una corredera

del carro horizontal. (Ver planos No. 3 y 4 en los anexos). Cada producto

tendrá entonces una plantilla diferente, la plantilla asegura que el soplete

sigue el contorno del producto, por lo cual la plantilla tendrá una forma

invertida del contorno del producto como se muestra en la siguiente figura:

Nótese que la porción b corresponde al cuello de la botella y la porción a,

a la parte del cuerpo de la botella; éstas se encuentran invertidas en la

plantilla.

4.3.5 Accionador del Gatillo

Finalmente el último de los movimientos será la acción del gatillo, este

mecanismo debe de simular el dedo del operario que aplica la pintura

cuando acciona el gatillo del soplete de pintura. Para esto se diseñó una

corredera en forma de U, que hala el gatillo de la pistola al deslizarse

sobre un soporte montado en el soplete mismo (Ver plano No. 5 en los

anexos). Como se observa el cilindro va montado sobre la espalda de la

cacha de la pistola, cuando la cámara del cilindro se llena de aire, empuja

la corredera hacia atrás logrando el accionamiento del gatillo.

4.4 Diseño del sistema neumático

Teniendo definido los mecanismos, y el esqueleto de la máquina. Se procede a

diseñar el sistema neumático que le dará movimiento a la máquina (Ver diagrama

de control en los Anexos).

A. Cilindro Longitudinal: Este movimiento es el más largo de todos. Por

esta razón se decidió sujetarlo en la base de la máquina. Este debe de

tener suficiente fuerza para poder arrastrar hacia delante y hacia atrás todo

el mecanismo. Se utilizó un cilindro de doble efecto. (Ver punto 1.3.4.4.2 del

marco teórico).

B. Cilindro Vertical: Este cilindro tiene la tarea de subir y bajar la base donde

va montada la pistola de pintura. Adicionalmente se diseñó un sistema

gobernado por una plantilla que sube y baja junto con la base de la pistola

de pintura, la cual empuja hacia delante y hacia atrás todo el mecanismo,

mediante una rueda montada atrás la cual empuja la plantilla venciendo los

resortes que presionan el mecanismo hacia atrás. Para esto se utilizó un

cilindro de doble efecto. (Ver punto 1.4.4.2 del marco teórico).

C. Cilindro de acción de gatillo: Este cilindro va montado directamente en la

parte de atrás de la pistola de pintura. Mediante un mecanismo sencillo de

corredera, éste acciona el gatillo. Para esto se utilizó un cilindro de simple

efecto. (Ver punto 1.4.4.1 del marco teórico).

D. Cilindro accionador de carrera vertical: Este no acciona ningún

mecanismo dentro de la máquina. Sirve únicamente para accionar el

mando de la carrera vertical. Éste va montado sobre el carro de la carrera

longitudinal de la máquina y se retrae en la carrera de retorno de la

máquina (ver punto 4.7.4). Para esto se utilizó un cilindro de simple efecto

igual al anterior. (Ver punto 1.4.4.1 del marco teórico).

4.5 Cálculo de carrera y diámetro de los cilindros

(Ver punto 1.4.4.1 del marco teórico). La presión de trabajo es de 60 psig. Y las

fuerzas para cada movimiento se listan en el siguiente cuadro. Al ser construida la

máquina se tomaron mediciones con una pesa de resorte a esta fuerza se le

agrega un 20% para sobredimensionar los cilindros.

Cilindro Fuerza Máxima Mas 20% adicional Carrera

A. Cilindro Longitudinal 4.3 Kg 5 Kg 920 mm

B. Cilindro Vertical 5.5 Kg 6.3 Kg 290 mm

C. Cilindro del Gatillo 0.23 Kg 0.28 lb 20 mm

A. Cálculo de área del cilindro longitudinal

P 42186 Kg/m2Presión de trabajo en Kg/m2

Fn 5 Kg Fuerza Teórica

Fr 0.5 KgFuerza de rozamiento 10%

Ff 5 Kg Fuerza de recuperación

Fn = A * P - (Fr + Ff)

A = (Fn + Fr + Ff )/ P

A = 2E-04 plg2

d = 0.056 m 55.8372 mm

B. Cálculo de área del cilindro vertical


Fn 6.3 Kg Fuerza Teórica


Ff 6.3 Kg Fuerza de recuperación

Fn = A * P - (Fr + Ff)

A = (Fn + Fr + Ff )/ P

A = 3E-04 plg2

d = 0.063 m 62.6771 mm

C. Cálculo de área del cilindro vertical


Fn 0.28 Kg Fuerza Teórica


Ff 0.28 Kg Fuerza de recuperación

Fn = A * P - (Fr + Ff)

A = (Fn + Fr + Ff )/ P

A = 1E-05 plg2

d = 0.013 m 13.21349 mm

Finalmente se escogieron los siguientes cilindros que cumplen con las

especificaciones y se encuentran disponibles en el mercado.

Cilindro Diámetro Carrera Modelo FESTO

A. Cilindro Longitudinal 63 mm 1000 mm DNG-63-1000PPV-A

B. Cilindro Vertical 63 mm 320 mm DNC-63-320PPV-A

C. Cilindro del Gatillo 16 mm 20 mm DSNU-16-20PPV-A


4.6 Diseño del sistema de mando

Finalmente se estudió en que orden deben de accionarse los cilindros, que ajustes

de carrera y velocidad son necesarios. Además que tipo de válvulas y sistema de

mando se debe de elegir.

Tratando de imitar nuevamente las operaciones del operario, se ve que la

operación inicia cuando el producto llega frente a su estación de trabajo,

seguidamente lo persigue de arriba hacia abajo aplicando la pintura. Esto quiere

decir que la posición del producto da la señal de inicio y al final de la carrera debe

de dar una señal de paro y retroceso.

4.7 Sistema Neumático

El sistema neumático da la fuerza y el movimiento de la máquina, se tiene dos

cilindros de doble efecto y dos cilindros de simple efecto. Para regular sus

movimientos se eligieron dos válvulas de doble solenoide 5/2 (Ver punto 1.5.2.4

del marco teórico)

Válvula de doble solenoide 5/2

Fuente: Fernando Labbé (2004)

Este tipo de válvula es ideal para el control de cilindros de doble efecto. Si

observamos el diagrama de control vemos que los cilindros de movimiento

longitudinal (A) y movimiento vertical (B), son controlados con válvulas de doble

solenoide que son accionadas de la siguiente forma. Una cámara dirige el aire

comprimido para llenar una de las cámaras del cilindro, permitiendo el escape del

aire de la otra cámara simultáneamente. La segunda posición hace la función

inversa.

4.7.1 Accionamiento del movimiento longitudinal: Inicia mediante un pulso

eléctrico que es enviado mediante un microswitch. El Microswitch es un

interruptor eléctrico con resorte muy pequeño, este permite el paso de la

corriente cuando se le presiona.

El microswitch de señal de inicio pulsa la válvula de doble solenoide no. 1,

esta permite el paso del aire comprimido hacia la cámara del cilindro de

movimiento longitudinal, este paso es regulado por una válvula de

estrangulación regulable (Ver punto 1.3.5.2 del marco teórico).

Esta válvula regula el caudal del aire que llena la cámara izquierda del

cilindro, con esto regulamos la velocidad del cilindro la cual se ajusta

manualmente a la velocidad de la banda transportadora. Esto asegura que

la posición del carro horizontal siempre queda alineado con el producto que

viaja sobre la banda.

Sobre el carro horizontal se encuentra el cilindro accionador de carrera

vertical el cual acciona el microswitch de carrera vertical (Ver punto 4.7.4),

siguiendo la carrera del cilindro longitudinal, este llega a accionar el

microswitch señal de retorno el cual acciona la bobina de la válvula de

doble solenoide no. 1, la cual retrocede el cilindro de movimiento

longitudinal llenando la cámara derecha del mismo. Nótese que el caudal

del aire comprimido no es regulado, esto se debe a que queremos regresar

a la máquina a su posición de inicio lo más rápido posible para poder iniciar

de nuevo su ciclo.

4.7.2 Accionamiento del movimiento vertical: De igual forma este cilindro de

movimiento vertical es controlado por una válvula de doble bobina 5/2 no.2,

la cuál permite el paso del aire comprimido hacia la cámara superior del

cilindro. Nuevamente se colocó una válvula estrangulación regulable para

gobernar la velocidad de la carrera del cilindro.

Lo que se pretende con esto es mantener una bajada suave que permita

que la pistola rocíe la pintura de una forma uniforme sobre el producto.

Este paso de aire acciona de igual forma el cilindro acción del gatillo (Ver

punto 4.7.3). Cuando el cilindro de movimiento longitudinal llega al fin de su

carrera, este acciona el microwitch señal de retorno, este también acciona

la bobina derecha de la válvula de doble bobina no. 2, la cual retrocede el

cilindro de movimiento vertical, subiendo el carro vertical hasta su posición

de inicio. Nótese que de igual forma se vacía el cilindro acción de gatillo

(Ver punto 4.7.3), soltando el gatillo de la pistola de pintura.

4.7.3 Accionamiento del gatillo: Este cilindro es accionado simultáneamente

con el paso de aire del cilindro de carrera vertical, ya que estos operan

simultanemante. Cuando se acciona el microswitch señal de retorno, la

válvula de doble bobina no. 2 corta el paso de aire por lo que el cilindro

acción del gatillo regresa a su posición de reposo. Con esto la pistola deja

de aplicar pintura.

4.7.4 Accionamiento del cilindro accionador de carrera vertical: Este cilindro

se encuentra montado en el carro horizontal, su única función es accionar

los microswiches de señal de carrera vertical y señal de retorno (Ver plano

No. 3 en los Anexos). Cuando se acciona este último la válvula de doble

bobina no. 1 llena la cámara del cilindro retrayendo el embolo. Con se evita

que se accione el microswitch de señal de carrera vertical durante la carrera

de retorno del cilindro de movimiento longitudinal. Este inicia su ciclo

nuevamente cuando le llega señal a la bobina derecha de la válvula de

doble bobina no. 1.

4.7.5 Regulación de Velocidad: La velocidad en cada uno de los movimientos

debe de poder ser regulada, para que estos sean suaves y constantes.

Para lograr esto se instalaron dos válvulas de estrangulación regulable en

los cilindros de carrera longitudinal y vertical (Ver punto 1.5.5 del Marco

Teórico). De esta forma cuando la cámara del cilindro se llena, el flujo del

aire puede ser regulado, lo que nos da de inmediato una regulación de la

velocidad. El movimiento lateral depende directamente del movimiento

vertical. Esto nos asegura una aplicación de pintura muy regular en todo el

producto.

Para lograr una carrera de retorno más rápida, se instaló una válvula

antiretorno (Ver punto 1.5.3.1 del Marco Teórico), de esta forma la válvula

de estrangulación regulable trabaja durante la carrera de inicio, y durante la

carrera de retorno el flujo del aire comprimido dentro de la cámara de los

cilindros fluye libremente hacia fuera. Con esto se ahorra tiempo y

podemos agilizar el proceso de pintura.

Fuente: Fernando Labbé (2004)

La presión del sistema está regulada por la válvula reguladora de presión

dentro de la unidad de servicio y la velocidad en cada uno de los cilindros

está regulada por las válvulas de estrangulación. A continuación se

presentan las velocidades para las dos carreras. Nótese que la carrera

longitudinal debe de tener la misma velocidad que la banda transportadora

ya que de lo contrario el producto quedaría delante o detrás del soplete de

pintura.

Velocidad de los Movimientos

Movimiento Distancia Máxima Tiempo Velocidad

A. Movimiento Longitudinal 0.76 m. 2.8 s 0.27 m/s

B. Movimiento Vertical 0.24 m. 2.8 s 0.09 m/s

Se hicieron las mediciones de tiempos utilizando un cronómetro para una

muestra de 10 productos, el tiempo que aparece es el tiempo medio

medido. Las velocidades son fácilmente regulables en la máquina

combinando la regulación de la presión del sistema y la regulación del paso

del aire usando las válvulas de estrangulación variable.

4.8 Sistema Eléctrico

El sistema eléctrico utiliza corriente 110 Vac, de una fase de 60 hertz. La línea de

corriente tiene un interruptor general que enciende o apaga la máquina. Los

impulsos eléctricos son gobernados por los microswitches y un interruptor de

emergencia.

4.8.2 Microswitch señal de inicio: Este microswich se coloca directamente

sobre la base de la banda transportadora, el cual es accionado por el

producto al pasar cerca de el. Este le da un impulso eléctrico al solenoide

izquierdo de la válvula de doble bobina no. 1, iniciando la carrera del

cilindro de movimiento longitudinal como se explicó en el punto 5.1.1. Este

Microswitch se ajusta de tal forma que accione el cilindro de movimiento

longitudinal, justo cuando el producto se encuentra en frente del carro

horizontal. Con esto logramos la sincronización del producto y la máquina.

4.8.3 Microswitch señal de carrera vertical: Este acciona la solenoide de la

válvula de doble bobina no. 2. Con esto se da inicio al accionamiento de

movimiento vertical y accionamiento del gatillo (ver puntos 4.7.2 y 4.7.3

respectivamente).

4.8.4 Microswitch señal de retorno: En el momento en el que al producto ya se

le aplico la pintura, el proceso debe de detenerse. Esto se logra ajustando

el microswitch señal de retorno, el cual se acciona al final de la carrera del

cilindro de movimiento longitudinal (ver punto 4.7.1).

4.8.5 Interruptor de emergencia: En caso que se requiera detener el proceso,

accionamos un interruptor de emergencia que deja accionada una señal de

retorno. Se logra haciendo un puente sobre el microswitch señal de

retorno, es decir que en cualquier momento podemos regresar la máquina a

su posición inicial.

4.9 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN

Después de la construcción de la máquina se hizo una prueba piloto con cuarenta

botellas de 750 ml, para verificar los resultados se hicieron las siguientes

mediciones al producto final. Seguidamente se comparó una segunda prueba

piloto de igual cantidad utilizando a los operarios de la línea. Ambas pruebas se

calificaron por separado utilizando los siguientes parámetros:

4.9.1 Uniformidad en la aplicación de la pintura: Esta se determina de

forma visual, girando la botella observando que no queden partes sin

pintura, excesos o chorretes. Para esto se definen las siguientes

calificaciones.

a. excelente

b. buena

c. rechazada

Resultados de Prueba Piloto

4.9.2 Tiempo dentro del proceso: Actualmente el proceso manual requiere

de dos operarios uno carga el producto en la línea y el segundo aplica la

pintura de forma manual siguiendo las siguientes operaciones:

a. Carga del producto: Consiste en tomar el producto de su caja de

empaque y colocarlo sobre las bases giratorias de la banda

transportadora. Para esto se tiene un operario específicamente ya

que el segundo operario debe de esperar el producto para iniciar la

pintura. Como aclaración no puede hacer ambas operaciones un

operario ya que será muy común que el producto se manche con la

pintura que el segundo operario pueda tener en las manos. Así que

es indispensable tener ambos operarios en la línea.

b. Aplicación de pintura: Esta es en si la operación que interesa.

Inicia cuando se acerca el soplete de pintura hasta el producto

Método Excelente Buena Rechazada

Aplicación Manual 4 6 0

Máquina 8 2 0

iniciando el proceso y concluye cuando se inicia el mismo producto

en el siguiente producto que va sobre la línea.

Como no es de interés para este estudio el análisis de cada movimiento, sino

mas bien el tiempo total de una corrida piloto, se midió el tiempo total que se

requiere para pintar las 10 muestras, de forma manual y con la máquina. A

continuación los resultados:

Los resultados de las mediciones se clasifican en el siguiente cuadro, para poderle

dar un parámetro a la calidad final del producto calificamos con 10 puntos un

acabado final excelente y con 8 y 5 las calidades de buena y rechazada

respectivamente.

Método Excelente Buena Rech. Total Tiempo Total

Aplicación Manual 4 x 10 = 40 6 x 8 = 48 0 88 123.2 s

Máquina 8 x 10 = 80 2 x 8 = 16 0 96 49.6 s

Método Tiempo Total

Aplicación Manual 123.2 s

Máquina 49.6 s

Tomando los resultados de estas primeras pruebas, se puede decir que la calidad

deberá de incrementarse en un 9% mientras que el tiempo de operación se reduce

en un 40.26%, sin tomar en cuenta los tiempos de descanso que toman los

operarios de la línea y que la máquina solo requiere al primer operario, el cual

carga la máquina y revisa que el soplete de pintura este funcionando con

suficiente pintura y libre de obstrucciones.

MARCO V: DISCUSIÓN

5.1 RESUMEN

La implementación de mecanismos sencillos operados por aire comprimido,

tienden a liberar a los operarios de operaciones tediosas y repetitivas. Con esto

se puede mejorar la calidad y la productividad dentro de una línea de producción.

Lo anterior debe de imaginarse como una especie de balance, entre costos,

tiempos de operación y desgaste físico de los operarios. Un buen balance de

estos aspectos hace la diferencia dentro en la calidad de productos fabricados en

serie. Las labores altamente repetitivas, sencillas o pesadas deben tratar de ser

efectuadas por máquinas o herramientas más eficientes.

Lo anterior se pone en evidencia la diseñar y construir una máquina de fuerza

neumática que hace una labor de pintura repetitiva, brindando más velocidad y

calidad en el acabado final de los productos. Por tanto este estudio puede ser

repetido para las mismas aplicaciones o muy similares.

5.2 CONCLUSIONES

1. Al concluir este proyecto se pudo comprobar que los movimientos de

esta operación repetitiva pueden ser reproducidos por una máquina

de fuerza neumática.

2. La calidad en el acabado final mejoró sustancialmente por lo que se

reducen los costos de reproceso de producto rechazado.

3. La línea puede trabajar más rápido por lo que también se incrementa

su eficiencia.

4. Este es un buen ejemplo para el diseño y construcción de maquinas

neumáticas para aplicaciones especificas. Se describe paso a paso

los criterios para su diseño así como una amplia descripción de los

accesorios neumáticos que se encuentran disponibles en el

mercado.

5.3 RECOMENDACIONES

El diseño de esta máquina puede tener mejoras lógicas, luego de poner en

marcha la máquina. Se hacen las siguientes recomendaciones.

5.3.1 Instalación de un segundo soplete: Es posible colocar un segundo o

incluso un tercer soplete en el carro vertical, la separación entre los mismos, es la

misma distancia que tienen las bases giratorias de la banda transportadora. Con

esto se aumentará la productividad de la línea, en el momento que se requiera.

5.3.2 Movimiento de muñeca: En algunas aplicaciones se requiere variar el

ángulo de aplicación de pintura, la máquina actualmente sólo puede aplicar pintura

de forma perpendicular. Esta operación se hace cuando ser requiere pintar la

parte superior del producto, es decir la base del producto (El producto va de

cabeza sobre la banda). Para estos casos podrá colocarse una bisagra que

permita el giro del soplete, a un ángulo aproximado de 45°, regresando

rápidamente a su ángulo de 90° actual utilizando un tope que se acciona mediante

la misma plantilla del movimiento longitudinal. Sin embargo esta aplicación es

poco común, por lo cual no se implementó en el diseño actual de la máquina pero

se deja como recomendación para futuras modificaciones. Actualmente puede

colocarse un segundo soplete a 45° que se accione automáticamente al pasar el

producto frente de el, esta puede ser una solución aún mas simple.

5.3.3 Reproducción de una segunda máquina: Si se reproduce una segunda

máquina, estas pueden trabajar en serie para aplicaciones de dos colores con dos

sopletes. Cuando se requiere esto, se coloca a un tercer operario con un segundo

soplete, cuado se aplica el primer color en el producto, en seguida el siguiente

operario pinta el mismo producto con un segundo color. Si se construye una

segunda máquina, puede hacer la misma función aplicando pintura en serie.

Como única modificación se recomienda construirla en espejo, es decir si esta

máquina tienen el cilindro longitudinal del lado derecho, la segunda debe de tener

el mismo cilindro longitudinal del lado izquierdo, es decir que su carrera de inicio la

realiza halando el carro horizontal en lugar de empujándolo. Esto lo único que

hace es ahorrar espacio dentro de la línea de producción agilizando la aplicación

del segundo producto.

MARCO VI: REFERENCIAS

BIBLIOGRAFÍAS

1 Achaerandio (1995). Iniciación a la Práctica de la Investigación (3era.

Ed.) Guatemala: Ediciones URL

2 Carulla, Miguel (1998). Circuitos Basicos de Neumatica (2ª. Ed) México:

Marcombo

3 Chang Aquino, Jorge Eduardo. (1999). Teoría y Práctica Para el Equipo

Festo Didactic del Laboratorio de la Universidad Rafael Landívar

Guatemala, Universidad Rafael Landívar ´

4 Festo Pneumatic (1996). Programa de Fabricación (1era. Ed) Argentina,

Festo Didactic

5 Gullen, Salvador Antonio (2003). Aplicaciones Industriales de La

Neumatica (2da. Ed) México, Alfaomega Grupo Editor

6 Millan, Salvador (1996). Automatizacion Neumatica y Electroneumatica

(2ª. Ed) México: Marcombo

7 Norton, Robert L. (1999). Diseño de Maquinaria (4ta. Ed) México, Mc

Graw-Hill

8 Quan Luna, Erick Hernan. (1996). Manual de prácticas de Laboratorio de

Neumática para la facultad de Ingeniería URL Guatemala, Universidad

Rafael Landívar

9 Vitoria, José Roldán (2003). Neumatica, Hidraulica y Electicidad

Aplicada (4ta. Ed) México, Paraninfo

ANEXOS

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