Tesis / 0042 / I.M.

EQUIPO DE PRUEBAS DE DURABILIDAD PARA CERRADURAS CILÍNDRICAS Y TUBULARES

ANDRÉS FELIPE CARREÑO CABRERA CÓDIGO 9494212

UNIVERSIDAD AGRARIA DE COLOMBIA FACULTA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ 2015 1

EQUIPO DE PRUEBAS DE DURABILIDAD PARA CERRADURAS CILÍNDRICAS Y TUBULARES

ANDRÉS FELIPE CARREÑO CABRERA CÓDIGO 9494212

Trabajo de tesis para optar al grado de Ingeniero Mecatrónico

Director.

Ing. ANDRES FELIPE SANCHEZ

UNIVERSIDAD AGRARIA DE COLOMBIA FACULTA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ 2015 2

DEDICATORIAS A Dios Gracias por dejarme terminar este proyecto, siempre guiándome por el camino correcto y ayudándome a cumplir este y otros muchos objetivos en la vida.

A mis padres: Por estar siempre que la necesito, son las personas que me ayuda a salir adelante día a día con sus ánimos y sus bendiciones, gracias por todo lo que me han dado y me siguen dando, los quiero mucho A mis hermanos: Que al igual que mis padres, me han apoyado en muchas decisiones importantes, también me han aconsejado de la manera correcta y siempre ha sido, es y seguirá siendo muy grato confiar en ustedes y tener una muy buena relación, los quiero mucho hermanos.

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AGRADECIMIENTOS Al Gerente de producción de Yale Colombia: Ing. Diego Alejandro López Sepúlveda Por el haberme brindado la confianza, la oportunidad y aceptado que se realice mi tesis en la prestigiada empresa Yale Colombia.

A la Facultad de Ingeniería de la UNIAGRARIA Por permitirme obtener el grado de Ingeniero Mecatrónico, porque es un orgullo haberme formado profesionalmente en esta gran institución educativa.

A mi tutor: Ing. ANDRES FELIPE SANCHEZ Por haberme brindado la oportunidad de recurrir a su capacidad y conocimiento, así como también haberme tenido toda la paciencia del mundo para guiarme durante todo el desarrollo de la tesis

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INDICIE GENERAL JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 12 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................... 13 ANTECEDENTES ............................................................................................... 13 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ....................................... 14 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA ............................................................... 14 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN .................................................................. 14 OBJETIVOS ........................................................................................................... 15 Objetivo general. ................................................................................................. 15 Objetivos específicos. ......................................................................................... 15 1 CAPITULO I. CONSIDERACIONES TEÓRICAS ............................................. 16 1.1

CERRADURAS CILÍNDRICAS Y TUBULARES. ...................................... 16

1.2

MATERIALES PARA FABRICACIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS ... 17

1.3

Acero. ................................................................................................. 18

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL............................................................ 18

Parte operativa de un sistema automatizado ..................................... 18

1.3.1.1

Elementos de entrada. ................................................................. 19

1.3.1.2

Elementos de salida .................................................................... 19

Partes de control o de mando de un sistema automatizado............... 20

1.3.2.1

Lógica cableada........................................................................... 20

1.3.2.2

Lógica programable. .................................................................... 21

Pirámide de la Automatización industrial........................................... 24

2 CAPÍTULO II, Diseño Funcional. ..................................................................... 25 2.1

Identificación del cliente ............................................................................ 25

Voz del cliente .................................................................................... 26

2.2 Parámetros de ensayos de durabilidad Norma internacional ANSI/BHMA A156.2 ................................................................................................................ 26

Ensayos de durabilidad. ..................................................................... 26

2.2.1.1 2.3

Parámetros operacionales de las cerraduras .............................. 27

Diseño conceptual .................................................................................... 27

Análisis y selección de alternativas. ................................................... 28

5

2.3.1.1

Sistema mecánico ....................................................................... 28

2.3.1.2

Sistema de accionamiento. .......................................................... 30

2.3.1.3

Sistema de control ....................................................................... 32

3 CAPITULO III Etapa de diseño ........................................................................ 33 3.1

Diseño sistema de accionamiento ............................................................ 33

Diseño del Subsistema de giro de pomo ............................................ 34

Diseño Subsistema de cierre y apertura de la puerta......................... 35

Diagrama neumático .......................................................................... 36

3.1.3.1 3.2

3.3

Ciclo de trabajo ............................................................................ 38

Sistema mecánico .................................................................................... 39

Subsistema la puerta......................................................................... 39

Subsistema la estructura ................................................................... 41

Sistema de control .................................................................................... 44

Programación del PLC y HMI ............................................................. 44

3.3.1.1

Modo Manual ............................................................................... 45

3.3.1.2

Modo Automático ......................................................................... 46

Interfaz de usuario.............................................................................. 46

Selección del PLC .............................................................................. 48

4 Capitulo IV. Manufactura, Ensamble y Costos ................................................. 48 4.1

Manufactura del gabinete de control, estructura y piezas. ........................ 48

4.2

Ensamble .................................................................................................. 49

4.3

Ensamble neumático ......................................................................... 49

Ensamble de sensores, elementos de mando y la pantalla HMI ........ 50

Costo de manufactura del equipo ............................................................. 52

Costos de los componentes y materiales ........................................... 52

Costo de mano de obra e ingeniería .................................................. 53

Costo total .......................................................................................... 54

Conclusiones ......................................................................................................... 55 Trabajos futuros ..................................................................................................... 56 Bibliografía ............................................................................................................. 57 Anexos ................................................................................................................... 58 A 1 Planos Mecánicos ........................................................................................ 58 A 2 Ventanas Interfaz Grafica ............................................................................. 60 6

A 3 Programa PLC documentado ....................................................................... 61Â

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Puertas de prueba de accionamiento mecánico .................................... 13 Figura 2. Cerradura cilíndrica de pomo ................................................................. 16 Figura 3. Bisagras para puestas. .......................................................................... 17 Figura 4. Estructura de un PLC............................................................................. 21 Figura 5. Pirámide de la automatización industrial................................................ 24 Figura 6 Metodología de diseño............................................................................ 33 Figura 7. Sistema de accionamiento ..................................................................... 34 Figura 8 Acople Pomo, Fuelle y Cerradura ........................................................... 35 Figura 9. Diagrama Neumático ............................................................................. 37 Figura 10. Válvula y Manifold. ............................................................................... 38 Figura 11. Unidad de Mantenimiento .................................................................... 38 Figura 12. Puerta de ensayo de durabilidad ......................................................... 40 Figura 13. Porta Cerraduras ................................................................................. 41 Figura 14. Plantilla de instalación ......................................................................... 41 Figura 15. Estructura ............................................................................................ 42 Figura 16. Resultados de deformación ................................................................. 43 Figura 17. Resultados esfuerzos de Von Mises .................................................... 44 Figura 18. Diagrama de Flujo Operación PLC ...................................................... 45 Figura 19. Ventana Menú Principal ....................................................................... 46 Figura 20. Ventana Estaciones en Proceso .......................................................... 47 Figura 21. Ventana Mosaico Estaciones ............................................................... 47

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Figura 22. Ventana Modo Manual / Automático .................................................... 48 Figura 23. Ensamble de actuadores neumáticos .................................................. 49 Figura 24. Manifold, cableado neumático ............................................................. 50 Figura 25. Pruebas del tablero eléctrico ............................................................... 50 Figura 26. Instalación de la pantalla HMI .............................................................. 51 Figura 27 Plano Mecánico 1 ................................................................................. 58 Figura 28 Plano Mecánico 2 ................................................................................. 58 Figura 29 Plano Mecánico 3 ................................................................................. 59 Figura 30 Plano Mecánico 4 ................................................................................. 59 Figura 31 Mosaico Ventadas Interfaz Grafica ....................................................... 60

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Parámetros norma ANSI/BHMA A 156.2 ................................................. 27 Tabla 2. Análisis de alternativas Estructura ........................................................... 29 Tabla 3. Análisis de alternativas Puertas ............................................................... 30 Tabla 4. Apertura y cierre de puerta ...................................................................... 31 Tabla 5. Accionamiento del pomo de las cerraduras ............................................. 32 Tabla 6. Características Actuador Rotativo ............................................................ 35 Tabla 7. Características Actuador Lineal ............................................................... 36 Tabla 8. Diagrama Espacio- Tiempo...................................................................... 39 Tabla 9 Selección del PLC ..................................................................................... 48 Tabla 10. Relación de costos de componentes y materiales ................................. 52 Tabla 11. Relación de costos de componentes eléctricos ..................................... 53 Tabla 12. Relación de costo de mano de obra e ingeniería ................................... 53 Tabla 13. Relación de costo total del proyecto ...................................................... 54

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RESUMEN Este trabajo se ha realizado con el objetivo principal de implementar un equipo automático que logre verificar la calidad de los productos terminados de Yale Colombia, tanto los nacionales como los importados, teniendo como parámetro la norma ANSI/BHMA A 156.2, la cual establece estándares de pruebas de durabilidad para cerraduras.

Gracias a la implementación de la automatización de procesos industriales, se diseñó un equipo con un sistema centralizado en donde se controlan las condiciones de operación de cada una de las estaciones que componen la máquina de pruebas y a través de una interfaz hombre maquina (HMI) se permite supervisar cada uno de los parámetros y estados más representativos del proceso para así lograr una operación optima del sistema.

Posterior al desarrollo del equipo se logra evidenciar grandes resultados tales como; resultados cuantitativos de pruebas de durabilidad para liberar producto al mercado, Validar nuevos diseños y productos y por ultimo clasificar y certificar cada uno de los productos en los niveles de seguridad que establece la norma ANSI/BHMA A 156.2.

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JUSTIFICACIÓN La automatización industrial se ha convertido en una de las principales herramientas a un sinnúmero de problemas en la industria. Desde labores de mantenimiento hasta aumento de productividad y confiabilidad se ha logrado a través de la implementación de la automatización en el ámbito industrial.

En este caso, el diseño y la implementación de un moderno sistema de automatización permitirá que, mediante dispositivos de control, comunicación, neumáticos y eléctricos ejecutar ensayos de durabilidad a las diferentes cerraduras cilíndricas y tubulares, tal como lo determina la norma internacional ANSI/BHMA A 156.2, garantizando la óptima ejecución de ciclos de operación y que el proceso se ejecute de manera confiable.

Además de esto, el uso de equipos como un control lógico programable (PLC) y una interfaz hombre maquina (HMI), permitirá que se conozca en tiempo real el estado de variables y parámetros determinantes tanto de las cerraduras como los actuadores neumáticos. Estas variables y parámetros son; número de ciclos a ejecutar y ejecutados, velocidad de ciclo, frecuencia de trabajo, avisos y alarmas.

De esta manera se puede transmitir información esencial del proceso para que el personal de calidad determine tareas y acciones a realizar.

El desarrollo exitoso de este equipo lograr generar argumentos válidos atreves de los ensayos de durabilidad para lograr determinar la vida útil y el grado de seguridad de las cerraduras cilíndricas y tubulares existente en el portafolio, de igual forma se creara un recurso muy importante que permitirá aumentar la confiabilidad de los nuevos desarrollos productos

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ANTECEDENTES En empresas del mismo sector existen dos equipos que permiten realizar pruebas de durabilidad a cerraduras cilíndricas y tubulares, debido a que son equipos especiales no tienen un amplio mercado.

Los equipos que se pueden apreciar en la figura 1, fueron desarrollados en Assa Abloy México y en Assa Abloy Estados unidos, es tos dos equipos se componen de una estructura que proporciona una serie de paneles abatibles donde por cada uno se instala una cerradura, con el propósito de cumplir la norma internacional ANSI/BHMA A 156.2. Para lograr simular el accionamiento real de la cerradura estos equipos poseen un sistema electromecánico que lograr girar el pomo, abrir y cerrar la puerta.

Figura 1. Puertas de prueba de accionamiento mecánico

Norma Internacional ANSI/BHMA A 156.2 La limitación de estas máquinas es que cuentan con solo el control de ciclos es decir, en el momento de alguna falla de un producto se requiere que el supervisor detenga la máquina, registre los números de ciclos y determine el grado de seguridad en el cual clasifico la cerradura. Por otro lado cada una de las estaciones no son independientes a menos que se realice un arreglo mecánico.

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DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA La necesidad de YALE COLOMBIA es determinar la vida útil y el grado de seguridad de las cerraduras cilíndricas y tubulares que están en su portafolio, de acuerdo la norma internacional ANSI/BHMA A 156.2 la cual contiene altos estándares de seguridad y calidad de las cerraduras, para lograr dar cumplimiento a esta norma y a la necesidad de la compañía, es necesario implementar maquinas especiales que cumplan con dichos requerimientos ya que en el momento la compañía no cuenta con los equipos ideales.

PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ¿Cómo diseñar e implementar una máquina que brinde resultados sobre la vida útil de cerraduras cilíndricas y tubulares para así lograr determinar la durabilidad y el grado de seguridad?

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OBJETIVOS Objetivo general.

Diseño e implementación de un equipo automatizado que ejecute ensayos de durabilidad a las cerraduras cilíndricas y tubulares, de acuerdo con los requerimientos de la norma internacional ANSI/BHMA A 156.2

Objetivos específicos.       

Investigar que equipos existen para realizar ensayos de durabilidad en cerraduras cilíndricas y tubulares Establecer los requerimientos del cliente y los de la norma internacional ANSI/BHMA A 156.2 Establecer y seguir una metodología de desarrollo del proyecto.

Diseñar un sistema mecánico, neumático y de control que cumpla con las necesidades del proyecto Analizar el o los diseños propuestos mediante un análisis de elementos finitos con la finalidad validar el diseño.

Diseñar e implementar una la interfaz hombre maquina Realizar las pruebas de funcionamiento y correcciones necesarias

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1 CAPITULO I. CONSIDERACIONES TEÓRICAS En el desarrollo de este proyecto se integraron diversas áreas de la Ingeniería Mecatrónica tales como la mecánica, la neumática, la electrónica y la programación, para el exitoso desarrollo fue necesario recopilar conceptos técnicos de cada una de estas áreas con el propósito de profundizar, evaluar y definir la mejor solución que satisficiera el objetivo principal de este proyecto. Previo a los conceptos de ingeniería, fue necesario analizar la composición y el funcionamiento de las cerraduras cilíndricas y tubulares ya que es el principal componente que interactúa con el sistema automatizado.

1.1

CERRADURAS CILÍNDRICAS Y TUBULARES.

Las cerraduras son mecanismos diseñados con el propósito de proteger de accesos no deseados a un determinado contenido, donde una llave con la combinación correcta permitirá el acceso, distinto a esto el mecanismo no se desbloqueara.

Las cerraduras cilíndricas y tubulares se componente de cuatro piezas fundamentales que interactúan entre sí: Ver Figura 2 Figura 2. Cerradura cilíndrica de pomo

Cuerpo interior

Mecanismo

Pestillo

Cuerpo exterior

Catalogo pomos Yale Colombia El cuerpo interior y el cuerpo exterior son elementos que permiten retraer el pestillo y así lograr la apertura de la cerradura, para el cuerpo exterior es necesario ingresar la llave correcta para poder accionarlo de lo contrario el pestillo no se retraerá, estos dos cuerpo están interconectados por medio de un mecanismo compuesto por un juego de resortes cuya función es el retorno del pomo. Las fuerzas necesarias para retraer el pestillo por medio de los cuerpos o directamente sobre él, están definas 16

como parámetro de fácil acceso en la norma internacional de cerraduras la cual se analizara…en el capítulo II...

Este tipo de cerraduras son instaladas en puertas interiores tales como alcobas y baños, por reglas generales son en puertas de madera o metálicas de 1m de ancho x 2m de largo que se encuentra instaladas en marcos del mismo material por medio de bisagras tipo libro, las cuales son debidamente seleccionas de acuerdo a dos criterios específicos Ver Figura 3; Frecuencia de apertura y peso de la puerta Figura 3. Bisagras para puestas.

http://hafele.com

1.2

MATERIALES PARA FABRICACIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS

El comportamiento y el funcionamiento de un equipo dependen principalmente del tipo y la calidad de los materiales usados en la fabricación, por lo tanto, se tiene la necesidad de conocer y seleccionar el material más conveniente de acuerdo a la aplicación del mismo.

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Acero.

El Acero es un material ferroso con una combinación de hierro y carbono, estos dos elementos abundan en la naturaleza, lo que favorece su producción a gran escala sin el temor de generar desperdicios, ya que el acero se puede reprocesar o reciclar un sin número de veces sin perder sus propiedades El acero como tal posee diferentes clasificaciones lo que permite tener una gran variedad de aplicaciones y usos como los siguientes:    

1.3

Aceros al carbono: con estos aceros se fabrican puentes, estructuras, cascos de los buques, edificios, carrocerías, bicicletas etc.

Aceros aleados: con estos aceros se fabrican turbinas, vehículos espaciales, reactores, maquinaria pesada etc.

Aceros estructurales: con estos aceros se construyen las perfiles estructurales usados en edificios e instalaciones para industrias, Aceros para herramientas: con estos aceros se fabrican las herramientas como taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos para roscar.

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

La automatización es una técnica industrial, la cual pretende gobernar procesos industriales en forma óptima y de manera automática con el fin de mejorar las condiciones de trabajo del personal, aumentar la productividad reduciendo tiempos de producción, intensificar la calidad de los productos y reducir los costos de manufactura Estructura de un sistema automatizado Un sistema automatizado consta de dos partes fundamentales:  

La parte operativa La parte de control

Parte operativa de un sistema automatizado La parte operativa de un sistema automatizado es la encargada de la interacción del sistema con el entorno tanto, se subdivide en dos partes; elementos de entrada y elementos de salida.

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1.3.1.1 Elementos de entrada.

Estos dispositivos son sensores con la capacidad de detectar y medir magnitudes físicas como temperatura, distancia, aceleración, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, etc. Con el propósito transformarlas en variables eléctricas. Según el tipo de magnitud física a detectar se puede establecer la siguiente clasificación:       

Mecánicos Ultrasónicos Ópticos Térmicos De humedad Inductivos Capacitivos

1.3.1.2 Elementos de salida Estos dispositivos son actuadores con la capacidad de transformar la energía eléctrica, neumática o hidráulica en trabajo mecánico ya sea en movimientos lineales y/o rotativos, en congruencia con el proyecto se enfatizará en los elementos neumáticos.  Actuadores neumáticos A los mecanismos que transforman la energía del aire comprimido en trabajo mecánico ya sea movimiento lineal o rotativo, se les denomina actuadores neumáticos limitados por una carrera de avance y retroceso. Los actuadores neumáticos se logran clasificas en dos tipos 

Actuadores de simple efecto

Los actuadores de simple poseen una sola conexión de aire comprimido y solo pueden realizar trabajos en el sentido de avance, pues su retroceso se realiza por medio de un muelle el cual está calculado para realizar el retroceso a una velocidad suficientemente grande. Estos actuadores tiene aplicaciones como sujetar, apretar, alimentar, etc. 

Actuadores de doble efecto

Los actuadores de doble efecto poseen dos conexiones de aire comprimido y puede realizar trabajos en los dos sentidos, ya que su avance y su retroceso es realizado 19

por la energía del aire comprimido en teoría la carrera de los actuadores de doble efecto no está limitada, pero hay que tener en cuenta el tipo de actuador. 

Cálculos de actuadores neumáticos

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: ∗ ∗



, 10 /

,

Electroválvulas

Es un dispositivo electromecánico cuya función es permitir, orientar o detener el flujo de aire para distribuir el aire hacia los actuadores neumáticos. El accionamiento de la electroválvula es mediante la excitación de un solenoide para el caso de ser monoestable o tener dos solenoides catalogada como biestable.

Partes de control o de mando de un sistema automatizado.

En un sistema automatizado esta parte puede estar desarrollada con dos tipos de tecnologías ya sea por lógica cableada o lógica programable, el principal factor diferenciador entre estas dos tecnologías es la alta flexibilidad de adaptación al proceso que posee la lógica programable frente a la logia cableada.

1.3.2.1 Lógica cableada.

El sistema automatizado desarrollado con esta tecnología consisten en diseñar un control por medio de circuitos eléctricos utilizando para ello contactos de relés electromecánicos, relés temporizadores, relés contadores, módulos lógicos neumáticos, tarjetas electrónicas, etc. Cualquier cambio en la programación que se requiera deberá ser modificado el cableado y los elementos de forma que cumpla con las funciones deseadas.

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1.3.2.2 Lógica programable.

A diferencia de la lógica cableada, la lógica programable sustituye elementos de mando como; contactos de relés electromecánicos, relés temporizadores, relés contadores, módulos lógicos neumáticos, tarjetas electrónicas, etc. por PLC’s, (Control Lógico Programable) cuyo dispositivo es bastantemente robusto especialmente diseñado para trabajar en procesos industriales, presenta gran flexibilidad al cambio, cálculos aritméticos e implementación de algoritmos complejos para el control de procesos.  PLC’s El PLC (controlador lógico programable) es un dispositivo electrónico que permite ser programado con instrucciones por el usuario, con el fin de ser integrado a un sistema de control, su implementación tendrá a cargo funciones específicas como recibir datos, procesar, almacenar, tomar decisiones, generar ciclos de tiempo, cálculos matemáticos, manipular actuadores externos y comunicarse con otros sistemas, con el objeto de controlar las máquinas y/o procesos industriales.

Estructura de un PLC. La estructura fundamental de un PLC se puede representar con la siguiente figura: ver figura 4.

Figura 4. Estructura de un PLC Fuente de alimentación

Entradas

CPU: Procesador + Memoria

Terminal de programación

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Salidas



Fuente de alimentación.

Es el dispositivo electrónico que convierte la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), la cual es la corriente de trabajo de los circuitos electrónicos que componente el PLC. 

CPU.

La unidad central de procesamiento CPU está compuesta por dos partes fundamentales, la primera parte es el procesador en cargado de ejecutar las instrucciones programadas por el usuario, la segunda parte es la memoria cuya función principal es almacenamiento del sistema operativo, las instrucciones programadas, registros internos y distintos tipos de datos como bits, bytes y/o Word´s. 

Módulo de entradas

En este módulo se cablean los elementos de entrada del sistema de automatización (pulsadores, selectores, sensores…). Las señales recibidas serán enviadas al CPU para el procesamiento según las instrucciones programadas. 

Módulo de salidas

En este módulo se cablean los elementos de accionamiento del sistema de automatización (Electroválvulas, relés, motores de baja potencia, pilotos…) las señales son enviadas desde la CPU a el módulo de salidas de acuerdo a las instrucciones programas por el usuario. Hay tres tipos de módulos de salidas: o Módulo de salidas a relé. Consiste en la conmutación mecánica por medio de la bobina del relé, son usados en circuitos eléctricos de corriente continua y alterna. o Módulo de salidas a triacs. La conmutación de estos módulos es de alta frecuencia y se emplea en circuitos eléctricos de corriente continua y alterna o Módulo de salidas a transistor. La conmutación de estos módulos es de alta frecuencia y se emplea exclusivamente en circuitos electrónico de corriente continua

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

Terminal de programación

Este terminal permite al usuario comunicarse con el PLC con el propósito de transferir, modificar o supervisar los programas diseñados, esta comunicación se puede lograr por medio alguno de los siguientes terminar:        

RS-232 RS-485 RS-422 Ethernet Modbus Bus CAN Profibus Devicenet

 Lenguajes de programación del PLC La construcción de un programa consiste en definir un conjunto de instrucciones, órdenes y símbolos entendibles por el PLC, para ello se han desarrollado sin número de leguajes de programación, no obstante, actualmente existen dos tipos de lenguajes universales y versátiles más usados a nivel mundial, estos son: o Lenguaje de contactos (Ladder) o Lenguaje Booleano (Lista de instrucciones) 

Lenguaje Ladder

Es denominado el leguaje de contactos o escalera, es el más común entre los diferentes fabricantes de PLC´s, este lenguaje permite representar gráficamente el circuito de control de un proceso empleando el uso de contactos abiertos (NA), contactos cerrados (NC), temporizadores, contadores, relés internos, registros, boninas. 

Lenguaje Booleano

Igualmente que el Ladder es uno de los lenguajes más populares y antiguos entre los fabricantes y programadores de PLC´s, este lenguaje no es más que la representación en forma de texto del lenguaje Ladder, el cual consiste en elaborar secuencia de instrucciones utilizando operadores Booleanos ( AND, OR, NOT, etc.).  Interfaz Hombre Maquina (HMI)

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HMI (Interfaz hombre-máquina), es un dispositivo o sistema que permite la interacción entre la persona y la máquina, que oscilan desde pantallas de control de estaciones eléctricas hasta pantallas de celulares, con el fin de permitir a la persona monitorear, supervisar y controlar variables de su proceso.

Este dispositivo suple las tareas tales como pilotos, pulsadores, contadores, indicadores digitales y análogos, selectores y otros que interactúen con la máquina o proceso.

Pirámide de la Automatización industrial.

Tal como la Mecatrónica la automatización es la integración de tecnologías como la mecánica, electricidad, electrónica, informática y telecomunicaciones, toda esta relación se puede apreciar en la pirámide de la automatización la cual está conformada por cinco niveles, clasificados de acuerdo a la interacción del hombre con la maquina dentro de las funciones automáticas.

El presente proyecto se encuentra desarrollado entorno a los tres primeros niveles de la pirámide de la automatización los cuales se profundizaran en el capítulo III. Figura 5. Pirámide de la automatización industrial.

V) ERP IV) MES III) SCADA II) PLC PC PID I) Sensores Actuadores

24



Nivel I: “Nivel de campo”, es la base de la pirámide de la automatización, se integra los dispositivos físicos que componte un sistema automatizado tales como los sensores, válvulas, actuadores, máquinas y otros



Nivel II: “Nivel de control”, en este nivel se encuentran los dispositivos de control como PLC, PIDs y las computadoras industriales, cuyo fin es el procesamiento de instrucciones y gobernar el proceso del nivel de campo.



Nivel III: “Nivel de supervisión”, en este nivel se realiza la supervisión, control y adquisición de datos de los dos niveles inferiores ya se a través de PC´s o equipos de visualización (HMI).



Nivel IV: “Nivel de planificación”, este nivel contempla las siguientes tareas: programación de la producción, análisis de costos de fabricación, control de inventarios, gestión de materiales, compras, calidad y mantenimiento, este nivel se comunica con los niveles 2 y 4 con el fin de obtener la mayor cantidad de información para la óptima planificación.



Nivel V: “Nivel de gestión”, la cumbre de la pirámide se caracteriza por ser la encargada de la gestión integral de la empresa (ERP), llevando acabo la planificación estratégica, financiera y administrativa.

2 CAPÍTULO II, Diseño Funcional.

Para el desarrollo exitoso de este proyecto se identificaron las necesidades y parámetros que debe cumplir el equipo para funcional y lograr determinar que se desea, a donde se quiere llegar, que camino se debe seguir y con qué elementos se debe contar para cumplir con el objetivo.

2.1

Identificación del cliente

El desarrollo de este proyecto está dirigido principalmente al personal del departamento de calidad y de producción ya que el equipo les brindara resultados cuantitativos para validar y apoyar la toma de decisiones con respecto a la calidad del producto

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Voz del cliente Por medio de esta herramienta se alinearon las actividades del proyecto hacia la satisfacción de las necesidades y expectativas de los clientes. Con ella se identificaron los siguientes requerimientos:                2.2

Cumplimento de los parámetros según la norma ANSI/BHMA A 156.2 Fácil operación Capacidad (9 cerraduras) Durable Bajo costo Vanguardia tecnológica Fácil instalación Poco y fácil mantenimiento Ocupar poco espacio Alta velocidad de respuesta Operación segura Control preciso Control estable Control exacto Bajo consumo de energía

Parámetros de ensayos de durabilidad Norma internacional ANSI/BHMA A156.2

La norma internacional ANSI/BHMA A156.2, fue creada con el propósito de establecer estándares que aseguren la calidad y la seguridad de las cerraduras cilíndricas y tubulares e incluye ensayos de desempeño, resistencia, durabilidad, evaluación de material, acabados y criterios dimensionales.

Este proyecto está enmarcado dentro de los parámetros de ensayos de durabilidad de la norma internacional ANSI/BHMA A156.2, por lo cual es necesario entrar en detalle.

Ensayos de durabilidad.

Este método de ensayo describe los parámetros operacionales de las cerraduras y el dispositivo de ensayo donde irán instaladas, esto con el fin de establecer condiciones de uso reales y simulando el ciclo de vida del producto.

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2.2.1.1 Parámetros operacionales de las cerraduras La norma ANSI/BHMA A156.2 define la simulación, la frecuencia y la cantidad de ciclos para que debe cumplir una cerradura para lograr ser clasificada en algún grado de seguridad e igualmente define dos parámetros funcionales donde se determina que la cerradura no cumple, cuando supera alguno de estos valores. Ver Tabla 1  Simulación de ciclos, frecuencia Máxima 30 ciclos por minuto. a) b) c) d)

Accionamiento del pomo para retraer el pestillo Abrir la puerta Liberar el pomo Cierre la puerta

 Parámetros funcionales, se deben verificar que la cerradura no supere estos valores al inicio de la prueba durabilidad, al 50% y al 100%.

Tabla 1. Parámetros norma ANSI/BHMA A 156.2 Parámetros norma ANSI/BHMA A 156.2 Criterio Valores Apartado Fuerza máxima para retraer el pestillo 3,7Nm Cerradura 9,1 Fuerza máxima para cerrar la puerta 20N Grado 1 1.000.000 Grado de 11,3 Grado 2 400.000 Seguridad Grado 3 200.000 Alto mínimo 300mm Dispositivo de 7,6,1 Largo mínimo 900mm Ensayo Espesor 28,5mm

2.3

Diseño conceptual

Una vez claros los requerimientos de los clientes y los parámetros de ensayo de durabilidad de la norma internacional ANSI/BHMA A156.2, se procede a recopilar información de lo que el mercado dispone para lograr identificar diferentes alternativas de solución, luego serán evaluarlas y se seleccionar las que más satisfaga la necesidad.

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En la recopilación de alternativas no descartara ninguna, independientemente si son soluciones comerciales o requieren un proceso de manufactura todas serán tomadas en cuenta para la decisión final.

Análisis y selección de alternativas.

Para iniciar con el análisis y la selección de las posibles alternativas se involucra gran cantidad de factores, por lo cual es necesario que cada uno de estos factores componga diferentes sistemas y al final integrarlos para su óptimo funcionamiento.  Sistema mecánico  Sistema de accionamiento  Sistema de control El método de selección de la solución está definido de acuerdo a la mayor cantidad de puntos obtenidos durante la evaluación de las alternativas frente a los diferente requerimientos, esta calificación están clasificadas 1 a 5. Donde 1 es la menor calificación y 5 la mayor.

2.3.1.1 Sistema mecánico El sistema mecánico se conforma por tres elementos la estructura, las puertas y los acoples. 

Estructura

Para la base estructural quien será la que soporte todo los componentes de los demás sistemas, se requiere un material robusto y de fácil ensamblar o fabricar, resistente a las altas vibraciones, se requiere que el tipo de material sea resistente a la corrosión o que tenga algún recubrimiento que lo proteja.

Establecidas la necesidades de la base estructura se procede identifican las alternativas. Ver Tabla 2

28

Tabla 2. Análisis de alternativas Estructura Análisis de alternativas Estructura Alternativas Requerimiento

Durable Robusto Bajo costo Poco y fácil mantenimiento Ocupar poco espacio Manufactura Resistencia a la vibraciones Resistencia a la corrosión Total (65)

Perfil estructural soldado

Perfil estructural atornillado

Perfil estructural acoplado

5 5 5 5 5 1 5 1 32

5 3 3 3 5 1 3 1 24

5 3 1 3 5 5 3 1 26

Realizando la ponderación y analizando la anterior tabla comparativa, se toma la decisión realizar la estructura con perfil estructural soldado es bastante comercial, económico y robusto para la aplicación. 

Puertas

Las puertas será los dispositivos abatibles donde se ensamblaran las cerraduras para su respectivo ensayo, estas puertas deberán estar adecuadamente instaladas en la estructura, se requieren que estén construidas con un material liviano pero a la vez resistente a las altas vibraciones y sea resistente a la corrosión o que tenga algún recubrimiento que lo proteja.

Establecidas la necesidades de las puertas se procede identifican las diferentes alternativas. Ver Tabla 3

29

Tabla 3. Análisis de alternativas Puertas Análisis de alternativas Puertas Alternativas Requerimiento

Madera

Durable Liviano Bajo costo Poco y fácil mantenimiento Ocupar poco espacio Manufactura Resistencia a la vibraciones Resistencia a la corrosión Total (65)

Marco Acero Acero Aluminio Cubierta Madera inoxidable

1 5 3 1 5 5 5 5 30

5 5 5 3 5 3 5 5 36

5 5 1 3 5 3 1 5 28

5 5 1 3 5 3 5 5 32

Realizando la ponderación y analizando la anterior tabla comparativa, se toma la decisión realizar las puertas con marco de acero estructural y la cubierta de madera, 

Acoples

Los acoples interactuaran directamente en accionamiento de la cerraduras, por lo cual será necesario tener la geometría definida para determinar que material es el más adecuado.

2.3.1.2 Sistema de accionamiento.

El sistema de accionamiento. Se divide en dos subsistemas, el primero cierre y apertura de la puerta y el segundo consiste en el accionamiento de la cerradura 

Subsistema de cierre y apertura de la puerta

Este subsistema deberá instalado en la estructura y simular la acción real de jalar y empujar la puerta con el propósito de poner aprueba el pestillo de la cerradura al momento del cierre, se requiere que sean componentes con energías de fácil

30

acceso, tales como el aire, aceite o electricidad y que a la vez brinde seguridad de operación.

Establecidas la necesidades de este subsistema se procede identifican las diferentes alternativas. Ver Tabla 4 Tabla 4. Apertura y cierre de puerta Apertura y cierre de puerta Alternativas Requerimiento Cilindro Cilindro Servomotor Neumático Eléctrico Fácil operación 5 1 1 Durable 5 5 5 Bajo costo 5 1 1 Vanguardia tecnológica 5 5 5 Fácil instalación 5 1 1 Poco y fácil mantenimiento 5 1 1 Ocupar poco espacio 3 3 3 Alta velocidad de respuesta 5 5 5 Operación segura 5 5 5 Control preciso 3 5 5 Control estable 3 5 5 Control exacto 3 5 5 Bajo consumo de energía 5 3 3 Total (65) 57 45 45

Motor pap 1 5 3 3 1 1 5 5 5 5 5 5 5 49

El cilindro neumático es la alternativa que más cumple requerimientos del cliente y con la funcionabilidad de sistema por ello es selecciono para realizar la tarea de abrir y cerrar la puerta. 

Subsistema de accionamiento de la cerradura

Este subsistema deberá estar instalado en la estructura con sus respectivo acoples los cuales fueron mencionados…en el sistema mecánico… Se necesita que simule la acción real de girar el pomo con el propósito de retraer el pestillo de la cerradura, se requiere que sean componentes ligeros, compactos, de fácil instalación con alta durabilidad y con energías de fácil acceso, tales como el aire, aceite o electricidad y que a la vez brinde seguridad de operación.

31

Establecidas la necesidades de este subsistema se procede identifican las diferentes alternativas. Ver Tabla 5 Tabla 5. Accionamiento del pomo de las cerraduras Accionamiento de el pomo de las cerraduras Alternativas Requerimiento Fácil operación Durable Bajo costo Vanguardia tecnológica Fácil instalación Poco y fácil mantenimiento Ocupar poco espacio Alta velocidad de respuesta Operación segura Control preciso Control estable Control exacto Bajo consumo de energía Total (65)

Actuador Cilindro Rotativo Eléctrico Servomotor Neumático 5 1 1 3 5 5 5 1 1 5 5 5 5 1 1 5 1 1 3 3 3 5 5 5 5 5 5 3 5 5 3 5 5 3 5 5 5 3 3 45 45 55

Motor pap 1 5 3 3 1 1 5 5 5 5 5 5 5 49

El dispositivo que más cumple requerimientos del cliente y con la funcionabilidad de sistema es el actuador rotativo por ello es selecciono para realizar la tarea de girar el pomo de la cerradura.

2.3.1.3 Sistema de control El sistema de control será el gobernador de las ejecuciones sistema de accionamiento se requiere que sea flexible, robusto, que permita el almacenamiento de datos y la fácil interacción del operario con el equipo. Con estos requerimientos se obliga a optar por un control lógico programable y una interfaz hombre máquina.

32

3 CAPITULO III Etapa de diseño En esta etapa. Se inicia a diseñar en detalle cada uno de los sistemas establecidos…en el capítulo 2… los sistemas se mantendrá desagrupados para un mejor control del diseño de cada uno de ellos; una vez definidos los diseños, serán agrupados en un conjunto general en el cual se validara el funcionamiento y el cumplimiento de los requerimientos establecidos… en el capítulo 2,,, Se define una metodología de diseño con el fin de analizar desde los elementos particulares a los generales. Ver Figura 6

Figura 6 Metodología de diseño

  

3.1

Requerimientos del cliente Parámetros de la norma ANSI/BHMA A156.2.

Diseño conceptual

Sistema de accionamiento

Sistema de mecánico

Sistema de control

Diseño sistema de accionamiento

Tal como como se mencionó…en el capítulo 2… el sistema de accionamiento se divide en dos subsistemas, lo cual es muy conveniente ya que se podrá realizar un diseño detallado de cada uno de los subsistemas y luego asociaran con el fin de que sea un sistema unificado. Ver Figura 7

33

Figura 7. Sistema de accionamiento

Diseño del Subsistema de giro de pomo El diseño de detalle de este subsistema se realizó a partir parámetros la norma y del diseño conceptual.  Parámetros de la norma internacional ANSI/BHMA A 156.2  

Grados de giro para abrir la cerradura 70° Torque máximo de oposición para lograr girar el pomo de la cerradura 3.7Nm

 Parámetros del diseño conceptual 

Que sea un actuador neumático, ligero y compacto

De acuerdo a estos requerimientos se definen los siguientes parámetros de diseño de detalle con el fin de realizar la selección del actuador neumático rotativo más óptima.  

Calculo del factor de seguridad del torque = 3.7Nm x 1.5 = 5,55Nm Angulo de giro 70°

Siguiendo estos parámetros se selecciona el actuador neumático PAC032 de la marca Airtac, el cual cumple con todos los requerimientos detallados anteriormente.

Ver Tabla 6.

34

Tabla 6. Características Actuador Rotativo Actuador Rotativo PAC032 Giro

90°

Torque

9Nm

Peso

0,35kg

Durabilidad

10 Millones Ciclos

Acople de actuador rotativo y pomo de la cerradura Este acople se diseña con el fin de estar instalado en el eje del actuador, para luego sujetar el pomo de la cerradura por medio de dos abrazaderas y un fuelle el cual transmitirá el movimiento de rotación y absorberá la carga angular al momento de abrir la puerta Figura 8 Acople Pomo, Fuelle y Cerradura

Diseño Subsistema de cierre y apertura de la puerta El diseño de detalle de este subsistema se realizó a partir parámetros la norma y del diseño conceptual.  Parámetros de la norma internacional ANSI/BHMA A 156.2 

Fuerza máxima de oposición de cierre de la puesta 20N

35

 Parámetros del diseño conceptual  

Que sea un actuador neumático, ligero y compacto Que soporte el sistema de giro del pomo de la cerradura

De acuerdo a estos requerimientos se definen los siguientes parámetros de diseño de detalle con el fin de realizar la selección del actuador más óptima   

Calculo del factor de seguridad de la fuerza de cierre = 20N x 1.5 = 30N La carrera del actuador del permitir la fácil instalación de las cerraduras y en su máxima longitud debe soportar la carga de 0.79kg del sistema de giro del pomo de la cerradura Actuador Anti-giro

Siguiendo estos parámetros se selecciona el actuador neumático CT32100 de la marca Airtac, el cual cumple con todos los requerimientos detallados anteriormente.

Ver Tabla 7

Tabla 7. Características Actuador Lineal Actuador Neumático CT32100 Fuerza 450N Carrera 100mm Carga axial 1kg Durabilidad 18 Millones Ciclos Diagrama neumático Ya seleccionados los elementos a trabajar se diseña del diagrama neumático tal como lo muestra la siguiente figura. Ver Figura 9

36

Figura 9. Diagrama Neumático

El diseño contempla:   

Dos actuadores neumáticos seleccionados anteriormente.

4 controles de flujo para regular la velocidad de accionamiento de los actuadores.

2 electroválvulas para controlar el arranque, paro y sentido del aire comprimido, son válvulas de tipo 5/3 el accionamiento es mediante la energización de los solenoides los cuales funcionan a 24vdc.

El conexionado del diagrama está dispuesto de la siguiente manera para los actuadores neumáticos hasta los racores de las electroválvulas se usara una manguera de Ø 6mm, luego el conjunto de electroválvulas se instalara en un manifold Ver Figura 10, facilitando así el montaje al utilizar una única entrada y reduciendo directamente la cantidad de racores, manguera y silenciadores.

37

Figura 10. Válvula y Manifold.

http://airmaticltd.com/ El manifold será conectado directamente a la unidad de mantenimiento Ver Figura 11, que consiste en el filtro de aire, válvula reguladora de presión y lubricador del aire comprimido.

Figura 11. Unidad de Mantenimiento

http://airmaticltd.com/

3.1.3.1 Ciclo de trabajo Básicamente, el sistema de actuadores neumáticos presenta el siguiente ciclo de trabajo. Ver Tabla 7.

38

Tabla 8. Diagrama Espacio- Tiempo

DIAGRAMA ESPACIO‐TIEMPO Elemento Funcion Posicion 0,25 Cierre +

0,5

TIEMPO (s) 0,75 1 1,25

1,5

1,75

2

0,5

0,75

1,5

1,75

2

A Puerta Elemento

Apertura ‐ Funcion Posicion 0,25 Desbloqueo +

1

1,25

B Cerradura Bloqueo

a. b. c. d. e. f. g. h.

3.2

‐

Cierre de la puerta // A+ Sensor cierre de la puerta // S1.1=1 Desbloqueo de la cerradura // B+ Tiempo 0.5s Apertura de la puerta // ASensor Apertura de la puerta //S1.2=1 Bloqueo de la Cerradura // BTiempo 0.5s

Sistema mecánico

El sistema mecánico se divide en dos subsistemas, el primer Subsistema la puerta, encargada de brindar soporte a las cerraduras, el segundo Subsistema la estructura, encargada de sostener todos los elementos de los demás sistemas.

Subsistema la puerta El diseño de detalle de este Subsistema se realizó a partir parámetros la norma y del diseño conceptual. Los planos se encuentran… en el Anexo A1…

39

 Parámetros de la norma internacional ANSI/BHMA A 156.2   

Alto (300mm) mínimo Largo (900mm) mínimo Espesor (28.5mm)

 Parámetros del diseño conceptual  Puerta fabricada en marco de acero estructural y cubiertas en madera De acuerdo a estos requerimientos se realiza una consolidación de parámetros con el fin de realizar un óptimo diseño    

Dimensiones mínimas 300mm x Largo 900mmx Espesor 28.5mm Marco en de perfil de 28.5mm Cubiertas laterales en madera Bisagras de alta durabilidad

Siguiendo estos parámetros se dimensiona de la puerta teniendo como resultado el siguiente boceto. Ver Figura 12 Figura 12. Puerta de ensayo de durabilidad

Se seleccionaron bisagras clase 12 con una alta durabilidad de 200.000 ciclos y se agregó una rueda en el estreno de la puerta para eliminar el esfuerzo cortante en las bisagras por el peso de la puerta.

Adicionalmente se diseñó una porta cerradura con el fin de facilitar la instalación y puesta punto de la cerradura en un lugar externo a la máquina. Ver figura 13

40

Figura 13. Porta Cerraduras

Este porta cerraduras está diseñado en aluminio y su mecanizado es acorde a las dimensiones de las plantillas estándares de instalación de las cerraduras cilíndricas y tubulares y a las dimensiones de la puerta. Ver Figura 14 Figura 14. Plantilla de instalación

http://www.yalecolombia.com/

Subsistema la estructura Este sistema costa de nueve estaciones las cuales desarrollan 2 funciones principales, la primera de ellas consiste sujetar los actuadores neumáticos evitando 41

el movimiento del mismo al entrar en contacto con la puerta, la segunda función es proporcionar un área de anclaje para las puertas y que a su vez permita el libre movimiento de apertura y cierre. Los planos se encuentran… en el Anexo A1…

El diseño de detalle de este Subsistema se realizó a partir parámetros dimensionales de la puerta, la cantidad de estaciones solicitadas por el cliente y por el del diseño conceptual.  Parámetros del diseño conceptual 1) Estructura fabricada con perfil estructural soldado 2) 9 estaciones para pruebas de durabilidad De acuerdo a las dimensiones de las puertas y a las del sistema de accionamiento se realiza el modelamiento de la estructura. Ver Figura 15 Figura 15. Estructura

Resultados del análisis por elementos finitos Para el análisis de elementos finitos se aplicó a la estructura valores de cargas correspondientes a las puertas y a los actuadores neumáticos, se encontraron los valores de deformación máxima así como también los mínimos, además se localizaron los esfuerzos de Von Mises los cuales se usan como criterio para validar el diseño con acero estructural Una vez realizado el análisis de elementos finitos a la estructura se localizaron los puntos en donde se presenta la deformación máxima al estar sometido a las cargas

42

antes mencionadas, esta deformación máxima provoca desplazamientos los cuales son visibles claramente mediante los resultados, cabe mencionar que para efectos de identificar el punto de mayor deformación se aumentó la proporción del mismo.

El desplazamiento máximo registrado es de 0.006 [mm] y se presenta en la parte posterior de la estructura, Ver Figura 16 Figura 16. Resultados de deformación

El esfuerzo de Von Mises mínimo calculado en el análisis no presenta ningún inconveniente, pues el valor registrado es demasiado pequeño, este esfuerzo se encuentra localizado en la parte posterior de la estructura y se podría considera reforzarla para evitar estos inconvenientes, Ver Figura 17

43

Figura 17. Resultados esfuerzos de Von Mises

3.3

Sistema de control

El sistema de control se desarrolló bajo la marca Mitsubishi, debido a la estandarización equipos en la empresa Yale Colombia. El sistema de control para este proyecto se compone de dos actividades una es la programación del PLC ver Anexo A3, y la otra es el desarrollo de la interfaz gráfica Ver Anexo A2.

Programación del PLC y HMI El PLC fue programado con el software GX DEVELOPER (Desarrollado por Mitsubishi). Utilizando el lenguaje Ladder, empleado además para el desarrollo gráfico de la configuración del HMI. Este diseño contempla dos modos de operación, Manual y Automático, con el propósito de ofrecerle al usuario las opciones necesarias para la asignación de parámetros, ajuste del modo de operación y adquisición de datos.

Todos los parámetros de operación son asignados manualmente por el usuario a través de la pantalla HMI e interpretado por el PLC como señales digitales. El siguiente diagrama de flujo ver figura 18. Corresponde al sistema de control de una estación, en el cual se muestra de manera simplificada la estructura y el orden del controlador tanto en configuración automática como manual.

44

Figura 18. Diagrama de Flujo Operación PLC Inicio

ON/OFF

Manual Auto Ingresar ciclos

Puerta Cerrar o Abrir

Pomo Giro + o Giro-

Cerrar puerta

Sensor P. Cerrada

Contador +1

Girar pomo +

Tiempo 0,5s

Tiempo 0,5s

Abrir puerta

Girar pomo -

Sensor P. Abierta

Cont.= Ciclos

Tiempo 0,5s

Fin

3.3.1.1 Modo Manual La función principal de este modo es permitir al usuario realizar la asignación de parámetros para las pruebas de durabilidad de las cerraduras, se subdivide en dos categorías: 1) Manipular las posiciones de los actuadores con el propósito de realizar la puesta punto de las cerraduras y chequear el óptimo ciclo de operación 45

2) Asignar parámetros de prueba tales como:  Asignación de números de ciclos a ejecutar  Limpiar conteo anterior 3.3.1.2 Modo Automático Su funcionamiento consiste en un ciclo finito que solo se detiene por el cumplimiento de los ciclos programados, por alguna alarma o por el accionamiento del paro de emergencia.

Interfaz de usuario En la figura 19, se puede apreciar la pantalla principal de la interfaz gráfica, la cual le permitirá al usuario ingresar a los estados de las estaciones o a los parámetros de las mismas.

Figura 19. Ventana Menú Principal



Estaciones en proceso

El usuario podrá visualizar en esta ventana los ciclos programados y la cantidad de ciclos ejecutados de cada una de las 9 estaciones, ver figura 20.

46

Figura 20. Ventana Estaciones en Proceso



Parámetros de prueba

En la figura 21 se puede observar la ventana de parámetros que cuenta con las nueve estaciones del equipo de durabilidad, donde vasta con solo presionar el botón de la estación para lograr ingresar a los parámetros de prueba.

Figura 21. Ventana Mosaico Estaciones

Y por último el la figura 22, se encuentra la ventana que permitirá al usuario interactuar con los modos de operación manual y automático e igualmente asignar los números de ciclos o limpiar el contador.

47

Figura 22. Ventana Modo Manual / Automático

Selección del PLC La selección del PLC se realiza bajo los siguientes requerimientos ver Tabla 9.

Tabla 9 Selección del PLC Selección de PLC Criterio Marca Tipo de Entradas Tipo de salida N° Entradas N° Salidas Alimentación

Requerimiento Mitsubishi Digitales Salidas a relé 20 Entradas 42 Salidas 110 VCA

Propuesta PLC FX3U-128MR Mitsubishi Digitales Salidas a relé 64 64 110 VCA - 220VCA

4 Capitulo IV. Manufactura, Ensamble y Costos 4.1

Manufactura del gabinete de control, estructura y piezas.

La manufactura del gabinete de control, la estructura y las piezas se fabricaron por medio del proveedor externo V&B INGENIERIA,

48

4.2

Ensamble

Luego de tener la estructura, las piezas mecánicas, el gabinete de control y todos los componentes neumáticos, se procedió a realizar el ensamble de todos estos elementos en el equipo. Ver Figura 23 Figura 23. Ensamble de actuadores neumáticos

Ensamble neumático El sistema neumático se instaló de la siguiente manera: 1) Los actuadores son ensamblados con sus respectivos soportes y acoples en la estructura.

2) La unidad de mantenimiento es instalada en la parte posterior del equipo.

3) Las electroválvulas son ensambladas en el manifold para luego ser instaladas en la parte lateral del gabinete de control. Ver Figura 24.

4) Se realiza el cableado neumático de acuerdo al diagrama neumático.

49

Figura 24. Manifold, cableado neumático

Ensamble de sensores, elementos de mando y la pantalla HMI Con base al diagrama eléctrico se instalaron los sensores, el paro de emergencia, el selector de encendido y la pantalla HMI de la siguiente manera.

1) Luego se haberse ensamblado los actuadores neumáticos se procede a la instalación de los sensores en los actuadores y cableándolos hasta el gabinete de control.

Figura 25. Pruebas del tablero eléctrico

2) Se instala el selector de encendido, el pardo de emergencia y la pantalla HMI, en el brazo soporte de la estructura y procede a cablear hasta el 50

gabinete de control, luego se realiza pruebas de programaci贸n y puesta punto, ver Figura 26 Figura 26. Instalaci贸n de la pantalla HMI

Entrega Se realiza la entrega al jefe de calidad realizando la primera corrida de ensayos de durabilidad.

Figura 27. Equipo de ensayos de durabilidad

51

4.3

Costo de manufactura del equipo

El costo total de manufactura del equipo se calcula al sumarse el costo de los materiales, componentes y mano de obra.

Costos de los componentes y materiales En la Tabla 10 y 11 se encuentra la relación discriminada de costos de los componentes y materiales requeridos para la implementación del equipo de pruebas de durabilidad Tabla 10. Relación de costos de componentes y materiales Componente

Unidad Cant Estructura Estructura Angulo 2"X1/4 $ 11.252.000 1 Dispositivos Neumáticos Cilindro twin 32 x 100 $ 426.300 9 Cilindro twin ct sensor switch $ 38.976 18 Control de flujo directo plast $ 35.844 18 Actuador rot. D.e.diam.52 mm. $ 191.548 9 Control de flujo.1/4gx6 od $ 37.166 18 1/4 5/2 valv.doble sol24 vdc $ 176.042 18 1/4 npt 10 estaciones manifold $ 178.640 2 Racor codo plast.1/4 x 6 od $ 7.472 36 Racor recto plast.1/4 x 12 od $ 9.457 4 1/4 silenciador de bronce $ 8.445 8 Tapa para manifold 1/4 $ 3.248 2 Unión pasa muro plast.6 od $ 14.780 40 Unión pasa muro plats.12 od $ 34.677 1 Unión te plast 12 od $ 16.335 3 1 silenciador de bronce $ 57.597 2 1/2 npt f/r und.drenaje automático $ 394.307 1 Racor recto plast.1/2 r x 12 od $ 10.992 1 1/2 npt válvula de corte a/f $ 104.103 1 Unión mod. Soporte pared 1/2 a/f $ 39.366 1 1/2 silenciador de bronce $ 18.189 1 Manguera poliur. 6 od x 4 id azul $ 2.888 50 Unión codo plast.12 od $ 11.013 3 Manguera poliur. 12 od x 8 id azul $ 9.553 10

TOTAL

Costo Total $

11.252.000

$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $

3.836.700 701.568 645.192 1.723.936 668.995 3.168.749 357.280 268.976 25.984 67.558 6.496 591.182 34.677 49.005 115.195 394.307 10.992 104.103 39.366 18.189 144.420 33.039 95.526

$ 52

24.353.437

Tabla 11. Relación de costos de componentes eléctricos Componente

Unidad Cant Componentes Eléctricos Sensor Ø18mm pnp-no, 10-30vdc $ 133.400 9 Fuente de voltaje 24vdc $ 174.000 1 Plc Mitsubishi 56 int/48 out $ 4.210.800 1 Hmi 5.7" color Ethernet y USB $ 2.602.228 1 Relevo 5 pines 10a 24vdc $ 38.388 70 Base para relevo 5 pines 10 a $ 20.445 70 Cable gris N°18 (100m) $ 76.560 2 Riel omega $ 7.911 6 Cable amarillo de tierra $ 2.807 10 Borneras 4mm de presión abb $ 4.721 120 Freno para bornera $ 2.320 10 Marcadores para cable cal 18 $ 32.666 10 Amarres plásticos de 10cm $ 2.320 3 Amarres plásticos de 20cm $ 8.990 1 Pin tubular cable 18mm 100UND $ 7.401 5 Canaleta de 25x60 $ 40.704 2 Canaleta de 25x25 $ 31.900 2 Cofre metálico de 1.50x 80x 25 $ 1.786.400 1 Marcación tablero $ 25.520 4 Pulsador paro de emergencia $ 160.733 1

TOTAL

Costo Total $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $

$

1.064.880 174.000 4.210.800 2.602.228 2.687.152 1.431.150 67.280 47.467 28.072 263.506 23.200 326.656 3.480 4.060 37.004 32.111 23.880 896.680 102.080 48.720

14.443.285

Costo de mano de obra e ingeniería El costo de mano de obra requerida para llevar acabo la implementación del equipo, está dada por el costo de día de trabajo y por la cantidad de días. Ver Tabla 12 Tabla 12. Relación de costo de mano de obra e ingeniería Personal Personal técnico Personal de ingeniería

Cost x dia $ 76.000 $ 140.000

53

Cant 16 60

$ $

Costo Total 1.216.000 8.400.000

Costo total El costo total del equipo de pruebas de durabilidad, es el costo de la manufactura más los gastos en mano de obra e ingeniería. Ver Tabla 13 Tabla 13. Relación de costo total del proyecto Costo de componentes Costo de mano de obra Costo de ingeniería

$ $ $

38.796.722 1.216.000 8.400.000

Total

$

48.412.722

54

Conclusiones              

Debido a que los equipos de ensayos de durabilidad para las cerraduras son especiales, el sector carece de antecedentes sobre su construcción y funcionamiento de este tipo de máquinas.

Mediante reuniones periódicas se logró establecer e identificar claramente los requerimientos del cliente y los de la norma internacional de cerraduras.

Establecer una metodología de desarrollo del proyecto permitió ejecutar un plan estratégico de trabajo enfocado a la necesidad del cliente.

Se realizó la integración mecánica, neumática, eléctrica y de control para desarrollar un equipo que realice ensayos de durabilidad a cerraduras cilíndricas.

Gracias a análisis por elementos finitos se validó el sistema mecánico eliminando la incertidumbre de funcionabilidad en la fase de diseño.

Con base a los resultados de los esfuerzos de Von Mises se concluye que la estructura tiene una baja probabilidad que colapse. Ya que los esfuerzos de fluencia del acero son menores con respecto a los esfuerzo de Von Mises El equipo después de la correcta asignación de parámetros no requiere la constante supervisión de una persona ya puede detenerse en presencia de una alarma.

Toda la automatización del equipo se realizó bajo las y estándares internacionales permitiendo estar en condiciones de operar en la industria.

El mantenimiento es sencillo, no existe condiciones adversar que impida el acceso a cualquiera de los elementos para realizar una limpieza profunda, mantenimiento preventivo o correctivo, También se considera que los elementos seleccionados para este proceso son diseñados y fabricados para trabajar en condiciones de alta repetitividad La implementación de este equipo es elemental actualmente para contribuir con el desarrollo de la compañía en elementos tal importantes como son la calidad de los productos El equipo puede aumentar el nivel de automatización si así es requerido por el cliente o por las nuevas necesidades del entorno Por todo lo anterior, el proceso es confiable y seguro para lograr el objetivo principal que es realizar los ensayos de durabilidad a cerraduras cilíndricas y tubulares Al desarrollar este proyecto, se utilizaron conocimientos adquiridos en pregrado, especialmente en el área de la mecánica, neumática y Control, siendo esto el motivo para desarrollar un proyecto de este tipo.

55

Trabajos futuros Como continuación del presente trabajo de grado se propone algunos trabajos complementarios o de mejora con el propósito de ampliar y fortalecer el alcance del equipo. 

Controlar el torque por medio de celdas de cargas. Es ayudara a determinar con exactitud en que momento fallo la cerradura.



Diseñar un sistema de guardas que impida el fácil acceso a los actuadores neumáticos. Esto reducirá la probabilidad de un incidente o accidente.



Implementar sensores en las puertas, esto con el propósito conocer la posición de la misma y tener una señal más confiable.

56

Bibliografía   

   

         

Builders Hardware Manufacturers Association, Inc. (2011). American National Standard For Bored And Preassembled Locks And Latches Bullón Vilchis, O. (2009). Automatización industrial (Doctoral dissertation).

Vásquez, C., & Paúl, J. (2013). Construcción de la base de la pluma mecánica para el montar y desmontar el motor Roll Royce del avión FAIRCHILD FH-227(Doctoral dissertation, LATACUNGA/ITSA/2013).

SILVA ESTEBAN, S. F. (2009). TECNOLOGIA DE NUEVA GENERACION PARA LA EDIFICACION CON ESTRUCTURAS METALICAS (Doctoral dissertation).

Yáñez Escoto, M. J. (2014). Automatización de un prototipo funcional de embalaje de granos.

JIMENEZ TOLEDO, M. A. R. I. A. N. A. (2010). AUTOMATIZACION DEL PROCESO DE IGUALACION DE COLOR EN TINTAS UV PARA SERIGRAFIA (Doctoral dissertation).

Gonzaga, P., & Pamela, G. (2014). Diseño y supervisión de montaje del sistema eléctrico y de telefonía del Mercado Cerrado del Salto en la Latacunga (Doctoral dissertation, QUITO/EPN/2014).

Plata León, P. E., & Rodríguez Torres, L. M. (2013). Envasadora de miel usado PLC Galvis Gómez, D., & Hernández Cala, J. E. (2013). Automatización y prueba de manipuladores industriales con cilindros neumáticos y ventosas utilizando controlador lógico programable.

Raúl cobo. (s.f.). EL ABC DE LA AUTOMATIZACION. FERREIRA HERNANDEZ, L. U. I. S., ORTEGA GONZALEZ, A. A., REYES PAZ, S. E., & TAPIA JUAREZ, F. J. (2009). AUTOMATIZACION EMPACADORA DE GRANOS (Doctoral dissertation).I VICTOR HUGO BERNAL. (s.f.).

GUIA DE TRABAJO 6. http://automatica.mex.tl/imagesnew/5/0/1/4/2/NEUM%C3%81TICA%20GUI A%206.pdf Yáñez Escoto, M. J. (2014). Automatización de un prototipo funcional de embalaje de granos.

Colombia, N. T. (2009). NTC 1486 (Sexta Actualización). Trabajos escritos: Presentación y referencias bibliografiítas. Contacto Grafico. Bogota.

Meléndrez, E. H. (2006). Cómo escribir una tesis. La Habana: Ciencias Médicas.

Toledo. J. (2008). Automatización de un proceso de igualación de color de tintas UV para serigrafía.

Pérez, M. & Salcedo J. (2005). Diseño y simulación de una máquina automatizada para el sellado de dos tipos de caja para la industria cosmética.

57

Anexos A 1 Planos Mecรกnicos

Figura 28 Plano Mecรกnico 1

Figura 29 Plano Mecรกnico 2

58

Figura 30 Plano Mecรกnico 3

Figura 31 Plano Mecรกnico 4

59

A 2 Ventanas Interfaz Grafica

Figura 32 Mosaico Ventadas Interfaz Grafica

60

A 3 Programa PLC documentado

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